三柱厌氧反应器处理城市污水及水动力特性研究

摘要

低浓度城市污水在低温下厌氧处理是目前学术界和应用领域研究的热点，取得了许多研究成果。本文在总结分析他人研究成果的基础上，通过对现有厌氧反应器的流态和生态等方面的理论分析研究，研究出一种新型厌氧反应器，在自然低温下利用人工配水对不同高经比、不同水力停留时间等方面进行试验研究，确定出最佳处理效果的构型和相关参数。针对确定出的最佳构型反应器进行提高甲烷量和城市原污水试验研究，以达到环境效益和经济效益双赢的目标。 将水动力学原理运用于上流式厌氧反应器流态方面的研究，验证了上流式厌氧反应器以最小污泥颗粒沉速进水，反应器的混合程度高、污泥量和污泥活性大；厌氧反应器横截面为圆形时流体雷诺数高于方形和矩形。为上流式厌氧反应器进水速度的确定和反应器截面形状的选择提供了科学依据。 对厌氧微生物及其降解有机污染物机理进行了分析研究。厌氧微生物降解污染物分三阶段进行——酸化、乙酸化、甲烷化，分别由酸化菌、产乙酸菌、产甲烷菌来完成；三反应器串联体积小、经培养可实现生物相分离，相分离后处理效果好。 根据上述研究结果，研究出了三柱式厌氧反应器(ThreeAnaerobicCylinderReactor-TACR)。 对研究出的TACR进行了多个不同高径比、多个不同水力停留时间等方面的对比性优化试验研究，确定出了TACR最佳处理效果的构型和相关参数。与其它同类型厌氧反应器相比，TACR具有混合程度高、处理效果好、结构合理、构造简单等特点。 为提高TACR的甲烷产生量，对分阶段多相分离处理工艺的微生物特征及其产物特征进行了分析研究，研究结果表明：在污水厌氧处理过程中产氢量和产氢速度低于耗氢量和耗氢速度，而分阶段多相分离反应器前部酸化作用产生的含氢量较高的消化气又过早地被排出反应器。为此提出将反应器前部消化气、消化气加氢引流到甲烷化作用较强的后部反应器内，来提高甲烷量。经试验两种方法都能较大幅度地提高甲烷量，尤其是后者效果更明显，同时对COD去除率也有一定的提高。 在自然低温下对TACR进行了城市原污水试验，试验结果表明COD去除率高于其它同类型厌氧反应器，并且对氮、磷等污染物也有一定的去处效果。 根据TACR管状层流的水动力特性，对TACR动力学模型进行了初步探讨，建立了既包含有厌氧微生物的降解和增生作用，又包含有他人未曾考虑的随流输移和离散作用的较为接近实际的TACR动力学模型。经检验模型较为可靠。 本文创新点有：①利用水动力学原理研究上流式厌氧反应器的进水速度，验证了以最小污泥颗粒沉速进水，反应器混合程度高、污泥量和污泥活性大；②根据对现有厌氧反应器流态及生态研究的结果，设计出了比其它同类型厌氧反应器混合程度高、处理效果好、具有生物相分离、结构合理、构造简单的三柱厌氧反应器(TACR)；③研究出了提高TACR甲烷量的方法——消化气引流、消化气加氢引流。④建立了既包含厌氧微生物的降解和增生作用，又包含他人未曾考虑的随流输移和离散作用的较为全面、更接近实际、较为可靠的TACR动力学模型。

目录

文摘

英文文摘

前言

论文说明：插图和附表清单

学位论文独创性声明及使用授权说明

第一章绪论

1.1中国城市污水处理所面临的问题

1.2城市污水处理方法综述

1.2.1污水生物处理方法的类型

1.2.2好氧生物处理与厌氧生物处理的比较

1.2.3污水厌氧处理技术的发展

1.2.4污水厌氧生物处理的局限

1.3低浓度污水低温厌氧处理研究及其应用状况

1.3.1国外低浓度污水低温厌氧处理研究及其应用状况

1.3.2国内低浓度污水低温厌氧处理研究状况

1.4本课题研究目标及研究的技术路线

1.4.1研究目标

1.4.2技术路线

第二章新型厌氧反应器的设计研究

2.1厌氧反应器水力流态的研究

2.1.1目前厌氧反应器水力流态研究中存在的问题

2.1.2本文研究厌氧反应器流态的方法

2.1.3利用河流动力学原理研究上流式厌氧反应器的进水速度

2.1.4利用水力学原理研究厌氧反应器的流态

2.2厌氧微生物及降解污染物特性的研究

2.2.1厌氧微生物及降解有机污染物的过程

2.2.2污水厌氧处理的生物相分离

2.2.3典型分阶段多相分离厌氧反应器ABR与USSB

2.2.4关于分阶段多相分离的讨论

2.3新型厌氧反应器设计方案

2.4新型厌氧反应器的构型

2.5小结

第三章TACR构型试验研究

3.1 TACR试验方案

3.1.1试验内容

3.1.2试验程序

3.2 TACR试验方法

3.2.1试验装置

3.2.2试验过程中样品的采集

3.2.3试验过程中测试的项目及方法

3.2.4 CODcr测试方法的研究

3.3 TACR的启动

3.3.1启动方案

3.3.2启动结果与讨论

3.4 TACR高径比试验研究

3.4.1高径比试验结果

3.4.2试验结果分析

3.5小结

第四章提高TACR甲烷产生量的试验研究

4.1甲烷产生量的确定方法

4.1.1计算法

4.1.2实测法

4.1.3 TACR甲烷产生量的确定方法

4.2 TACR甲烷产生量的试验

4.2.1试验程序

4.2.2甲烷产生量测试结果

4.2.3试验结果分析

4.3 TACR污泥及产甲烷菌的研究

4.3.1产甲烷菌的类型

4.3.2污泥及产甲烷菌的观测

4.3.3 TACR污泥及产甲烷菌的观测结果

4.4提高甲烷量的试验研究

4.4.1提高厌氧过程中甲烷量的可行性分析

4.4.2提高甲烷量的试验内容和方法

4.4.3试验程序

4.4.4试验结果

4.5小结

第五章TACR低温厌氧处理城市污水的试验研究

5.1城市污水水质分析

5.1.1水质分析指标及测试

5.1.2采样频率及分析结果

5.2 TACR处理城市污水的试验研究

5.2.1污泥驯化

5.2.2城市污水处理结果

5.2.3处理结果分析

5.3小结

第六章TACR动力学模型的初步探讨

6.1厌氧生物处理模型研究现状

6.2 TACR动力学模型的建立

6.3模型参数的确定

6.3.1分散系数D的确定

6.3.2污泥增长常数Y的确定

6.3.3饱和待定系数β的确定

6.3.4污染物降解系数k的确定

6.4 TACR动力学模型分析与检验

6.4.1 TACR动力学模型分析

6.4.2 TACR模型检验

6.5小结

第七章结论与展望

7.1主要结论和创新

7.1.1主要结论

7.1.2主要创新

7.2展望

参考文献

致谢

读博期间发表的论文及著作（2001-2004）