厌氧/好氧生物流化床降解活性蓝13的反应器结构参数优化及降解动力学

摘要

生物处理方法由于其经济实用，在印染废水处理领域得到了广泛的应用。然而，在反应器优化、染料降解机理、染料在膜内传质及膜内脱色动力学等方面有待深入研究。本论文采用A/O生物流化床处理活性蓝废水。结合模型模拟及实验，从反应器结构、载体、微生物、操作条件等多方面优化处理过程。针对降解途径、脱色机理及动力学、膜内传质过程进行了研究，并建立了生物流化床脱色的数学模型。论文取得了如下主要研究成果:
　　 利用CFD模拟流化床内流体流场变化，探讨了内外筒径比、高径比、喷嘴口径等结构参数对流体流态的影响。确定了流化床反应器的最佳结构参数:内外筒径比为0.5，高径比为10，喷嘴口径为3mm。载体颗粒为PVA小球，流化后反应器近似为全混反应器。同时讨论了厌氧、好氧流化床的流态差异。纯化了活性蓝13高效降解菌种，菌种属于Pseudomonas sp.属菌种。使用高效菌种接种后的A/O生物流化床体系能够有效的去除活性蓝13。在pH=7，活性蓝13浓度为100 mg/L，葡萄糖浓度为1000 mg/L，总水力停留时间为30 h的条件下，A/O生物流化床体系的脱色率为83.0％，COD去除率达到89.8％。降解机理研究表明，活性蓝13分子的偶氮键在厌氧区断裂，生成苯胺类物质，后在好氧区破环并进一步降解为小分子或有机酸。
　　 为得到活性蓝13的扩散系数，设计开发了一套可测定微生物膜内扩散系数的测试装置。以氧气为替代物，用该测试装置测得氧气在微生物膜内的扩散系数为1.01E-9 m2/s，为水中扩散系数的50.9％。探明了微生物膜的密度与扩散系数线性相关。在此基础上，计算了活性蓝13在流化床所用生物膜内的扩散系数。
　　 Monod动力学方程较好的描述了微生物降解活性蓝13的过程。通过动力学实验得到了动力学常数Rmax和kr，其值分别为0.073 mg RB13/mg cell/h及135.50mg/L。利用生物流化床脱色模型较好地预测了流化床体系在稳态以及瞬态下的处理效果。

目录

声明

致谢

摘要

1 绪论

1．1 印染废水特点

1．2 国内外印染废水处理方法

1．2．1 化学氧化法

1．2．2 物理法

1．2．3 微生物法

1．3 研究思路与研究内容

1．3．1 存在问题与研究思路

1．3．2 研究内容

1．3．3 技术路线

2 实验材料和方法

2．1 实验材料及试剂

2．2 仪器设备

2．3 培养基及营养液

2．3．1 平板培养基成分

2．3．2 营养液成分

2．4 分析方法

2．4．1 葡萄糖浓度测定

2．4．2 活性蓝13浓度测定

2．4．3 微生物浓度测定

2．4．4 COD测定

2．4．5 中间产物分析

2．4．6 微生物膜相关参数测定

3 流化床反应器的CFD模拟及优化

3．1 引言

3．1．1 内循环流化床介绍

3．1．2 CFD模拟的计算方法与软件

3．2 CFD模拟的基础理论及数学模型

3．2．1 模型假设

3．2．2 控制方程

3．3 模型描述

3．3．1 几何构型及网格划分

3．3．2 边界条件

3．4 CFD模型模拟及反应器结构优化

3．4．1 内外筒径的影响

3．4．2 高径比的影响

3．4．3 喷嘴口径的影响

3．5 优化后厌氧流化床内流体流态模拟

3．6 流化床内载体的选择

3．7 厌氧流化床内混合情况的确定

3．8 好氧流化床的气速选择及流态分布

3．9 本章小结

4 A／O生物流化床处理活性蓝13

4．1 微生物筛选与纯化

4．1．1 活性污泥驯化

4．1．2 微生物筛选

4．1．3 16S-rDNA测定

4．1．4 菌种性能测试

4．2 溶解氧的影响

4．3 葡萄糖浓度的影响

4．4 A／O生物流化床体系对活性蓝13的降解

4．4．1 反应器挂膜

4．4．2 厌氧好氧流化床反应器的搭建

4．4．3 厌氧好氧流化床操作条件优化

4．4．4 厌氧好氧流化床处理效果

4．5 中间产物分析及降解途径推测

4．6 本章小结

5 膜内传质过程研究及RB13扩散系数计算

5．1 扩散系数测定系统的设计

5．1．1 微生物膜的培养

5．1．2 扩散系数测定装置的搭建

5．1．3 微生物的失活

5．2 溶解氧微电极的制作及使用

5．2．1 溶氧微电极的结构及原理

5．2．2 溶氧微电极的制作及使用

5．3 扩散系数测定系统的模型建立

5．4 氧气在水中的扩散系数测定

5．5 氧气在微生物膜内的扩散系数测定

5．5．1 微生物失活的验证

5．5．2 半无限平板假设的误差估计

5．5．3 氧气在微生物膜内扩散系数的测定

5．6 扩散系数与生物膜密度的关系

5．7 活性蓝13扩散系数的计算

5．8 本章小结

6 生物流化床脱色模拟的宏观动力学

6．1 脱色动力学

6．1．1 动力学方程

6．1．2 动力学常数的测定

6．2 生物流化床脱色模型的建立

6．2．1 模型概述及假设

6．2．2 模型方程

6．3 模型参数的确定

6．4 模型预测及验证

6．4．1 模型的稳态模拟

6．4．2 模型的瞬态模拟

6．5 模型的应用

6．5．1 传质限制与反应速率限制

6．5．2 膜厚对脱色效果的影响

6．6 本章小结

7 结论与建议

7．1 主要结论

7．2 创新点

7．3 存在问题及建议

参考文献

博士期间科研成果