微生物顆粒反應器的水動力學.pdf

1、微生物顆粒是廢水生物處理反應器中一種特殊的微生物聚集體，它包括厭氧顆粒和好氧顆粒兩大類。近年來關于微生物顆粒的研究已成為國際環(huán)境工程領域關注的熱點。廢水生物處理反應器對有機物的去除和能量產(chǎn)量主要決定于微生物的處理能力和反應器內(nèi)部的水動力行為。其中反應器的水動力學行為決定了質(zhì)量的傳送過程及總的反應器性能。由于微生物顆粒的形成條件較為苛刻，反應器內(nèi)的各種水動力學因素對于微生物的聚集和顆粒的形成和穩(wěn)定具有至關重要的作用。 本論文采用示

2、蹤實驗、數(shù)學建模、計算流體力學分析和三維重建的方法，對微生物顆粒反應器的水動力學行為進行了深入系統(tǒng)的研究，并對微生物顆粒的特性及其反應器運行特點進行了探索。其主要內(nèi)容和研究結果包括： 1.在序批式反應器(SBR)中，分別采用人工合成廢水、厭氧酸化出水以及實際工業(yè)廢水培養(yǎng)出不同功能的好氧微生物顆粒。發(fā)現(xiàn)當進水鈣離子濃度達到40mg L<'-1>時，微生物顆粒穩(wěn)定性增加，其密度、沉速、強度等特性均優(yōu)于常規(guī)鈣離子進水濃度下培養(yǎng)的微生物

3、顆粒，顆?？梢缘挚顾羟凶饔枚掷m(xù)增長，其厭氧或兼性區(qū)的存在使顆粒具有同步硝化反硝化功能，但由于鈣在顆粒中的過量聚集，也導致了顆粒的灰分增加、活性變差，粒徑過度增長等不利結果；采用同步硝化反硝化顆粒馴化后培育出具有亞硝酸鹽氧化功能的自養(yǎng)型硝化顆粒，其硝化活性很高，但細胞生長緩慢；好氧微生物顆粒的共同特點是孔隙率較大，63％的顆粒具有可滲透性。 2.采用升流式厭氧污泥床(UASB)反應器培養(yǎng)出了產(chǎn)甲烷和產(chǎn)氫微生物顆粒，并研究了反

4、應器穩(wěn)定運行過程中顆粒的特性及參數(shù)。厭氧顆粒密度較高，內(nèi)部孔隙較小，顆粒的流體收集效率極低，75％以上的顆粒不可滲透；厭氧顆粒內(nèi)部的傳質(zhì)主要受分子擴散控制。 3.針對SBR的湍流特性，利用影像學分析和數(shù)學建模表征了反應器的氣含率、混合時間、流型轉(zhuǎn)換等重要的水動力學參數(shù)。SBR內(nèi)的混合和擴散均與反應器的構型有很大關系，在高徑比較高的反應器中混合更為迅速，液相擴散系數(shù)相對較高，其內(nèi)部也能夠保持較高的氣含率；建立了定量表征SBR內(nèi)微生

5、物顆粒表面剪切力的數(shù)學模型，基于該模型的計算和分析結果表明，SBR中衰減造成的解吸附遠遠大于剪切造成的解吸附，而在作用于微生物顆粒表面的剪切力中，水力剪切、氣泡剪切和碰撞剪切分別提供不同的貢獻；在好氧微生物顆粒的培養(yǎng)條件下，碰撞剪切和氣泡剪切是顆粒表面剪切作用的主要來源。 4.UASB反應器的流態(tài)主要由氣泡控制。雙區(qū)域軸向擴散模型的擬合精度明顯高于單區(qū)域模型，說明UASB反應器內(nèi)的擴散具有不均勻特性；由于氣液流速較低，UASB反

6、應器是擴散控制的反應器，其擴散行為沿反應器高度增加而下降；由此建立描述反應器中擴散不連續(xù)行為的變體積槽列模型，該模型擬合精度高，具有普適性。 5.采用Eulerian方法描述了微生物顆粒反應器中顆粒的運動過程。借助于有限體積法求解三維非穩(wěn)態(tài)計算流體力學的瞬態(tài)模型，發(fā)現(xiàn)SBR中固相的流速分布與液相的流速分布較為相似，總體上形成了兩個較大的環(huán)流；氣相速度分布的主要特點是沿反應器的軸向高度增加呈波動下降趨勢；在UASB反應器中，固相體

7、積分率沿反應器的高度上升而下降，當流場充分發(fā)展時，液體速度沿反應器的高度增加而降低。 6.借助熒光原位雜交和共聚焦激光掃描顯微鏡(FISH-CLSM)成像技術實現(xiàn)了微生物顆粒的三維重建，并在數(shù)字化顆粒的基礎上研究微生物顆粒內(nèi)部孔隙結構的分布特征。在微生物顆粒內(nèi)部存在大量的小孔和少量的大孔，證明它是以團簇為基本單元的分形聚集體，其生長規(guī)則類似于三維的擴散限制聚集(DLA)模型向反應限制聚集(RLA)模型的轉(zhuǎn)變；好氧微生物顆粒的滲透

8、性主要由其內(nèi)部的大孔控制，通過簡化的球孔模型，可以預測微生物顆粒中有對流發(fā)生的必要條件是具有一定尺度的大孔，例如對于1-5 mm的微生物顆粒，其大孔孔徑應滿足大于50-250 μm才能保證顆粒內(nèi)部發(fā)生明顯對流；采用新型的多孔介質(zhì)模型更為細致地描述了微生物顆粒中的水動力行為，將之與生化動力學過程相結合，可以預測在自養(yǎng)型硝化顆粒中反應發(fā)生的深度在200μm左右；通過與微電極測定的溶解氧在好氧顆粒中的擴散深度比較，可以推測組成微生物顆粒的團簇