微生物颗粒反应器的水动力学

论文摘要

微生物颗粒是废水生物处理反应器中一种特殊的微生物聚集体,它包括厌氧颗粒和好氧颗粒两大类。近年来关于微生物颗粒的研究已成为国际环境工程领域关注的热点。废水生物处理反应器对有机物的去除和能量产量主要决定于微生物的处理能力和反应器内部的水动力行为。其中反应器的水动力学行为决定了质量的传送过程及总的反应器性能。由于微生物颗粒的形成条件较为苛刻,反应器内的各种水动力学因素对于微生物的聚集和颗粒的形成和稳定具有至关重要的作用。本论文采用示踪实验、数学建模、计算流体力学分析和三维重建的方法,对微生物颗粒反应器的水动力学行为进行了深入系统的研究,并对微生物颗粒的特性及其反应器运行特点进行了探索。其主要内容和研究结果包括:1.在序批式反应器（SBR）中,分别采用人工合成废水、厌氧酸化出水以及实际工业废水培养出不同功能的好氧微生物颗粒。发现当进水钙离子浓度达到40mg L-1时,微生物颗粒稳定性增加,其密度、沉速、强度等特性均优于常规钙离子进水浓度下培养的微生物颗粒,颗粒可以抵抗水力剪切作用而持续增长,其厌氧或兼性区的存在使颗粒具有同步硝化反硝化功能,但由于钙在颗粒中的过量聚集,也导致了颗粒的灰分增加、活性变差,粒径过度增长等不利结果;采用同步硝化反硝化颗粒驯化后培育出具有亚硝酸盐氧化功能的自养型硝化颗粒,其硝化活性很高,但细胞生长缓慢;好氧微生物颗粒的共同特点是孔隙率较大,63%的颗粒具有可渗透性。2.采用升流式厌氧污泥床（UASB）反应器培养出了产甲烷和产氢微生物颗粒,并研究了反应器稳定运行过程中颗粒的特性及参数。厌氧颗粒密度较高,内部孔隙较小,颗粒的流体收集效率极低,75%以上的颗粒不可渗透;厌氧颗粒内部的传质主要受分子扩散控制。3.针对SBR的湍流特性,利用影像学分析和数学建模表征了反应器的气含率、混合时间、流型转换等重要的水动力学参数。SBR内的混合和扩散均与反应器的构型有很大关系,在高径比较高的反应器中混合更为迅速,液相扩散系数相对较高,其内部也能够保持较高的气含率;建立了定量表征SBR内微生物颗粒表面剪切力的数学模型,基于该模型的计算和分析结果表明,SBR中衰减造成的解吸附远远大于剪切造成的解吸附,而在作用于微生物颗粒表面的剪切力中,水力剪切、气泡剪切和碰撞剪切分别提供不同的贡献;在好氧微生物颗粒的培养条件下,碰撞剪切和气泡剪切是颗粒表面剪切作用的主要来源。4.UASB反应器的流态主要由气泡控制。双区域轴向扩散模型的拟合精度明显高于单区域模型,说明UASB反应器内的扩散具有不均匀特性;由于气液流速较低,UASB反应器是扩散控制的反应器,其扩散行为沿反应器高度增加而下降;由此建立描述反应器中扩散不连续行为的变体积槽列模型,该模型拟合精度高,具有普适性。5.采用Eulerian方法描述了微生物颗粒反应器中颗粒的运动过程。借助于有限体积法求解三维非稳态计算流体力学的瞬态模型,发现SBR中固相的流速分布与液相的流速分布较为相似,总体上形成了两个较大的环流;气相速度分布的主要特点是沿反应器的轴向高度增加呈波动下降趋势;在UASB反应器中,固相体积分率沿反应器的高度上升而下降,当流场充分发展时,液体速度沿反应器的高度增加而降低。6.借助荧光原位杂交和共聚焦激光扫描显微镜（FISH-CLSM）成像技术实现了微生物颗粒的三维重建,并在数字化颗粒的基础上研究微生物颗粒内部孔隙结构的分布特征。在微生物颗粒内部存在大量的小孔和少量的大孔,证明它是以团簇为基本单元的分形聚集体,其生长规则类似于三维的扩散限制聚集（DLA）模型向反应限制聚集（RLA）模型的转变;好氧微生物颗粒的渗透性主要由其内部的大孔控制,通过简化的球-孔模型,可以预测微生物颗粒中有对流发生的必要条件是具有一定尺度的大孔,例如对于1-5mm的微生物颗粒,其大孔孔径应满足大于50-250μm才能保证颗粒内部发生明显对流;采用新型的多孔介质模型更为细致地描述了微生物颗粒中的水动力行为,将之与生化动力学过程相结合,可以预测在自养型硝化颗粒中反应发生的深度在200μm左右;通过与微电极测定的溶解氧在好氧颗粒中的扩散深度比较,可以推测组成微生物颗粒的团簇尺度应至少大于200μm。7.计算流体力学的模拟和气含率试验表明,粒径较大的微生物颗粒对流场的干扰作用更为明显,其原因是大颗粒在流场中更容易形成振动性的尾涡,加剧颗粒的不稳定运动,从而使其宏观水动力学行为随着污泥浓度的变化更加显著。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 绪论
• 引言
• 1.1 废水生物处理反应器水动力学的概述
• 1.1.1 废水生物处理颗粒污泥反应器研究的进展
• 1.1.2 微生物颗粒反应器的宏观水动力学
• 1.1.3 微生物颗粒反应器的微观水动力学
• 1.2 研究目的和意义
• 1.3 研究内容
• 参考文献
• 第二章 微生物颗粒反应器的运行工况
• 引言
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 SBR反应器
• 2.1.2 UASB反应器
• 2.1.3 常规分析测试方法
• 2.1.4 微生物颗粒强度
• 2.1.5 微生物颗粒中元素的分析
• 2.1.6 图像采集和分析
• 2.1.7 荧光原位杂交
• 2.2 厌氧UASB反应器的运行工况
• 2.2.1 产甲烷UASB反应器
• 2.2.2 产氢UASB反应器
• 2.3 好氧SBR的运行工况
• 2.3.1 人工合成废水为底物的SBR
• 2.3.2 厌氧酸化出水为底物的SBR
• 2.3.3 同步硝化反硝化颗粒SBR及其颗粒特性
• 2.3.4 自养型硝化颗粒SBR
• 2.3.5 豆制品废水为底物的SBR
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 微生物颗粒反应器的宏观水动力学
• 引言
• 3.1 SBR的宏观水动力学
• 3.1.1 材料与方法
• 3.1.2 SBR的混合和扩散
• 3.1.3 SBR的气含率
• 3.1.4 好氧颗粒表面剪切力的计算模型
• 3.1.5 SBR流态的影像观察
• 3.1.6 SBR的流区识别
• 3.1.7 SBR的计算流体动力学模拟
• 3.1.8 SBR的流态可视化
• 3.2 UASB反应器的宏观水动力学
• 3.2.1 材料与方法
• 3.2.2 UASB反应器水动力学参数的测定
• 3.2.3 UASB反应器水动力学的轴向扩散模型模拟
• 3.2.4 UASB反应器水动力学的槽列模型
• 3.2.5 变体积槽列新模型的建立和应用
• 3.2.6 UASB反应器的计算流体动力学模拟
• 3.3 小结
• 符号说明
• 参考文献
• 第四章 微生物颗粒的微观水动力学
• 引言
• 4.1 材料与方法
• 4.2 微生物颗粒的三维重建
• 4.2.1 微生物颗粒照片序列的图像分析
• 4.2.3 三维数字化颗粒的构建
• 4.2.4 三维数字化颗粒中的孔隙分布特征
• 4.3 微生物颗粒的分形生长
• 4.3.1 基于CCA模型的微生物聚集体分形生长
• 4.3.2 微生物聚集体分形生长过程的预测
• 4.4 微生物颗粒的多孔性与渗透性表征
• 4.4.1 基于沉降实验的颗粒孔隙率和渗透性
• 4.4.2 基于Brinkman模型的颗粒渗透性计算
• 4.5 微生物颗粒中的对流特性
• 4.5.1 颗粒对流的球-孔模型分析
• 4.5.2 多孔介质新模型的构建和应用
• 4.6 硝化微生物颗粒中生化反应的模拟
• 4.6.1 自养硝化颗粒的生化动力学过程
• 4.6.2 自养硝化颗粒中的浓度场模拟及可视化
• 4.7 小结
• 符号说明
• 参考文献
• 第五章 微生物颗粒反应器宏观与微观水动力学的耦合
• 引言
• 5.1 好氧微生物颗粒反应器的宏观流场分析
• 5.1.1 模型与控制方程
• 5.1.2 流场分析
• 5.2 好氧微生物颗粒的微流场模拟
• 5.2.1 模型与控制方程
• 5.2.2 流场分析
• 5.3 小结
• 参考文献
• 第六章 总结和展望
• 6.1 本文的主要结论
• 6.2 主要创新之处
• 6.3 工作展望
• 致谢
• 攻读学位期间学术论文及专利