分段组合式厌氧生物反应器工作性能的研究

摘要

全球面临能源紧缺与环境污染的双重压力，将厌氧消化技术用于有机废水处理，可同时实现污染治理与能源生产，在“节能减排”中发挥重大作用。厌氧反应器是厌氧消化技术的核心载体，高效厌氧反应器的研发有力推动了厌氧消化技术的发展。
　　 分段组合式厌氧反应器（Compartmentalized Anaerobic Reactor，CAR）是本课题研发的新型厌氧反应器。本论文系统研究了该反应器的运行性能、纵向分布特性、预警性能、流态特性和抗生素类制药废水及其厌氧消化中间产物的急性毒性，主要成果如下:
　　 (1)探明了分段组合式厌氧反应器的运行性能。
　　 ①分段组合式厌氧反应器具有较高的容积效能。容积负荷可达100.46gCOD·L-1·d-1，容积去除率可达84.35gCOD·L-1·d-1，容积产气率可达57.00L·L-1·d-1，效能指标处于国内外文献报道值的前列。
　　 ②分段组合式厌氧反应器具有较大的反应动力。高负荷运行时，反应器平均出水COD浓度和出水挥发性脂肪酸(VFA)浓度分别为2447mg·L-1和1638mg·L-1，它们是反应器常负荷运行时相应值的18.49倍与37.52倍，可提供较大的反应推动力。
　　 ③高负荷厌氧反应器的运行稳定性低于常负荷厌氧反应器。在常负荷工况下，进水COD浓度的提升（平均相对标准偏差为23.92％）基本上与出水COD浓度（平均相对标准偏差为24.57％）和出水VFA浓度(平均相对标准偏差为23.03％)的增大同步，而在高负荷工况下，进水COD浓度的小幅提升（平均相对标准偏差为8.08％）可引起出水COD浓度（平均相对标准偏差为32.95％）和出水VFA浓度（平均相对标准偏差为40.46％）的大幅增加。
　　 (2)探明了分段组合式厌氧反应器纵向特性及预警性能。
　　 ①分段组合式厌氧反应器具有显著的容积效能纵向分布特征。在高负荷工况下，区段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的平均容积负荷和平均容积效能依次为327.6gCOD·L-1·d-1、221.2gCOD·L-1·d-1、153.3gCOD·L-1·d-1和106.4gCOD·L-1·d-1、67.9gCOD·L-1·d-1、32.0gCOD·L-1·d-1。与常负荷工况相比，高负荷工况下容积效能的纵向分布特征弱化，有利于均衡基质负荷、挖掘各区段的反应潜能。
　　 ②分段组合式厌氧反应器具有显著的基质浓度纵向分布特征。在高负荷工况下，区段Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的平均VFA浓度、平均COD浓度及两者之比依次为1267.7mg·L-1、1006.1mg·L-1、922.9mg·L-1,2867.8mg·L-1、1988.1mg·L-1、1573.5mg·L-1和0.44、0.51、0.58。与常负荷工况相比，高负荷工况下容积效能的纵向VFA和COD浓度分布特征弱化，区段Ⅱ、Ⅲ和出水的平均VFA浓度以及平均VFA浓度与平均COD浓度之比增大，需重视VFA对厌氧消化（特别是产甲烷）反应的抑制作用。
　　 ③高效厌氧反应器的负荷饱和度和VFA饱和度具有预警性。容积负荷饱和度和VFA饱和度分别低于0.89与0.40时（即常负荷工况），反应运行性能稳定;容积负荷饱和度和VFA饱和度趋近1时（即满负荷工况），反应运行性能波动增大;容积负荷饱和度和VFA饱和度超过1时（即超负荷工况），反应运行性能恶化。
　　 (3)探明了分段组合式厌氧反应器流态特性。
　　 ①容积负荷可显著影响CAR的流态。在常负荷下该反应器的返混程度较小，流态偏向平推流，以轴向扩散模型表征的Pe准数为7.94与5.66，以多釜串联模型表征的串联釜数为4.55与3.44;在高负荷与超高负荷下该反应器的返混程度较大，流态偏向全混流，以轴向扩散模型表征的Pe准数为4.02、2.57与3.93、3.77，以多釜串联模型表征的串联釜数为2.66、2.00与2.62、2.51。
　　 ②沼气分段排出可显著改善CAR的性状。CAR的总死区平均值为33.58％，其中污泥死区的平均值为20％，水力死区的平均值为13.58％。水力死区Vh(％)与水力负荷L(m3·m-3·d-1)和产气速率G(m3·m-3·d-1)之间的相关关系为:Vh=3.75L+0.19G-9.47(相关系数R2=0.953)。在CAR中，容积产气速率对水力死区的影响小于容积水力负荷。
　　 ③产气速率和进水速率显著影响CAR的效能。不产沼气工况下反应器的水力效率高于产沼气工况下反应器的水力效率。高负荷（进水速率较大）下反应器的水力效率低于常负荷（进水速率较小）下反应器的水力效率。CAR采用分段排气方式可有效遏制返混作用，弱化所产沼气对反应器水力效率的影响。
　　 (4)探明了抗生素类制药废水及其厌氧消化中间产物的急性毒性。
　　 ①制药废水所含抗生素金霉素、多粘菌素、氯霉素对发光杆菌发光强度的半抑制浓度IC50分别为12.06、6.24和429.90mg·L-1，其毒性大小顺序为:多粘菌素＞金霉素＞氯霉素。厌氧消化中间产物乙醇、乙酸、丙酸和丁酸对发光杆菌发光强度的半抑制浓度IC50分别为19.40、20.71、10.47和12.17g·L-1，其毒性大小顺序为:丙酸＞丁酸＞乙醇＞乙酸。
　　 ②厌氧消化中间产物（4元混合物）、多粘菌素-厌氧消化中间产物（5元混合物）、氯霉素-厌氧消化中间产物（5元混合物）的联合毒性R值分别为0.779、1.684、2.384，对发光细菌的联合毒性呈相加作用。金霉素-厌氧消化中间产物（5元混合物）、3种抗生素-厌氧消化中间产物（7元混合物）的联合毒性R值分别为3.005与3.827，其对发光细菌发光强度的联合毒性呈协同作用。

目录

声明

致谢

序言

摘要

1．引言

1．1 我国水体污染状况

1．2 废水生物处理技术

1．2．1 废水好氧生物处理技术

1．2．2 废水厌氧生物处理技术

1．3 厌氧生物反应器

1．3．1 第一代厌氧反应器

1．3．2 第二代厌氧反应器

1．3．3 第三代厌氧反应器

1．3．4 厌氧生物反应器发展趋势

1．4 厌氧生物反应过程控制

1．4．1 毒物影响及其控制

1．4．2 营养失衡及其控制

1．4．3 过程酸化及其控制

1．4．4 装置短流及其控制

1．5 本课题研究的意义与内容

2．分段组合式厌氧反应器运行性能的研究

2．1 材料与方法

2．1．1 模拟废水

2．1．2 接种污泥

2．1．3 试验系统

2．1．4 分析项目及方法

2．2 结果与讨论

2．2．1 反应器的常负荷运行性能

2．2．2 反应器的高负荷运行性能

2．2．3 厌氧反应器运行性能分析

2．2．4 厌氧反应器运行稳定性分析

2．3 小结

3．分段组合式厌氧反应器纵向特性及预警性能的研究

3．1 材料与方法

3．1．1 模拟废水

3．1．2 接种污泥

3．1．3 试验系统

3．1．4 分析项目及方法

3．2 结果与讨论

3．2．1 厌氧反应器的纵向分布性状

3．2．2 厌氧反应器的预警性

3．3 小结

4 分段组合式厌氧反应器流态特性的研究

4．1 材料与方法

4．1．1 试验系统

4．1．2 试验废水

4．1．3 试验过程

4．2 理论分析

4．2．1 死区计算

4．2．2 返混分析

4．2．3 串联釜数计算

4．2．4 反应器有效容积

4．3 结果与讨论

4．3．1 HRT分布示踪试验

4．3．2 HRT分布试验结果解析

4．4 小结

5．抗生素类制药废水厌氧消化毒性的研究

5．1 材料和方法

5．1．1 试验菌种

5．1．2 仪器

5．1．3 试剂

5．1．4 方法

5．2 结果

5．2．1 单一化合物的毒性效应

5．2．2 多种化合物的联合毒性

5．3 讨论

5．3．1 单一化合物的毒性

5．3．2 抗生素与厌氧消化中间产物的联合毒性

5．4 小结

6．结论与展望

6．1 主要结论

6．2 创新点

6．3 不足和展望

参考文献

个人简历

攻读博士研究生期间科研取得的主要成果