序批式双外循环生物流化床特性及应用研究

论文摘要

本文针对高浓度、高色度有毒有害难降解的工业废水，利用生物流化床废水处理技术和多种厌氧—好氧组合方式的原理方法，设计了新型序批式双外循环生物流化床系统。该系统具有如下特点：（1）该系统结合了序批式操作模式和生物流化床技术的优势，是一种新型、高效的序批式生物膜反应器（SBBR），解决了已有固定床SBBR易堵塞、反应效率低等问题；（2）该流化床在不同的运行阶段，可以分别利用强制水力循环和气提式循环，实现液-固两相循环流化床及气-液-固三相循环流化床的操作，从而在同一流化床中实现了厌氧、好氧及沉降等多个过程；（3）该系统可使被处理的废水在处理过程中历经序批式厌氧—好氧过程、交替式厌氧—好氧过程以及厌氧—好氧原位降解过程的多种组合协同作用，能对包括染料在内的难溶、难降解的大分子进行更有效地吸附和分解，使厌氧分解及硝化和反硝化过程更完全；（4）该流化床采用了较轻的细小活性碳颗粒（100-120目）为载体且添加量较少，并采用循环射流的启动和流化方式，使系统更容易启动和流化，而且具有更优的生物降解性能；（5）该系统的微生物采用了悬浮生长和附着生长共存及序批式驯化的方式，生物相丰富，适应性强，具有多种降解能力；（6）合理设置的“闲置”期可以使厌氧分解、反硝化过程及色度的去除更完全，并对污泥进行减量降解及载体和生物系统再生，达到同时去除高浓度含碳有机物、去氮、脱色并减少污泥的目的。该技术系统还包括一个可以根据工艺需要产生多种不同控制模式的自动控制箱，能够对各种序批式的间歇过程进行自动地连续化操作，所以该技术在一定意义上实现了一体化处理，自动化操作，高效节能化运行，无二次污染的环保化处理目标。对系统特性的实验研究表明，该系统中气-液-固三相流化床，具有较好的充氧特性：氧总转移系数KLa（20℃）=10.78h-1，氧的利用率较高：EA=18.9％；系统的微生物能适应从厌氧到好氧再到厌氧过程的溶解氧（DO）环境变化；在厌氧和好氧阶段，系统内微生物量合适，生物相丰富，悬浮生长和附着生长比例适当，生物膜厚度适宜，分别为124μm和146μm。另外，本文还对运行过程中该系统的流体动力学特性进行了细致研究，主要包括两部分：一是采用粒子图像速度场仪（PIV）对液-固两相循环阶段主、副床的流场特性进行了实验研究，得到了主、副床速度分布规律及涡量分布特性，结果表明：主床x方向的轴向速度分布Vz—rx/R是不对称的，其最大值偏向外侧（rx/R为正）：y方向的轴向速度分布Vz—ry/R是对称的，最大速度均在中心ry/R=0；在不同的循环流量下，主床和副床内的涡量的分布都比较均匀，不会出现由于剪切力过大而使生物膜被破坏的情况，说明流化床结构设计合理；实验确定了最佳操作条件下主、副床的涡量范围分别是（35-45）s-1和（10-20）s-1。二是采用RSM湍流模型对流化床进行数值模拟计算，得到了流化床在不同入射流量下的三维速度场，与相应条件下实验结果对比均符合得比较好；模拟计算还得到了流化床在不同循环流量下的三维压强分布和湍流强度分布。本文对流化床系统流体力学特性的深入研究为此类设备的设计和工程放大提供了新的方法和基础数据。本文利用该系统对模拟印染废水进行处理，考察了厌氧阶段和好氧阶段CODcr及NH3-N的去除规律和效果，确定了其最佳的循环流量和气速分别为1.4m3/h和0.17m/min经过五种不同厌氧．好氧组合工艺的比较，最佳组合处理工艺为：一次性进水厌氧A（4.0h）—好氧O（4.0h）—沉淀出水D（2.0h）—闲置（2.0h），一个处理周期总计12h；该最佳组合方式处理模拟印染废水结果如下：高浓度(CODcr1000-1200mg/L)进水，CODcr去除率可达到90％以上，低浓度(CODcr400-600mg/L)进水，去除率达82％；NH3-N去除率均达60％以上；色度去除率均接近100％，该结果表明系统对含染料废水的处理效果比较理想；对最佳的运行模式下系统的主要性能参数的研究表明：反应器中DO和pH均呈周期性变化，满足多重厌氧-好氧的生化处理要求；系统中污泥量在好氧阶段结束时达到最大值4272mg/L，保证良好的处理效果，在闲置期结束时又减到最少，从而大大降低了污泥排放量；该系统进水pH值在6.0～8.5范围内，温度在18～30℃范围内，有机负荷在1.4～5.4（kgCOD/m3·d）之间，碳氮比大于5时，NH3-N的去除率基本不受影响，经过30个周期以上的运行，均能达到规定的排放标准，进一步验证了该系统的有效性和稳定性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章:绪论
• 1.1 概述
• 1.2 生物流化床的发展和应用概况
• 1.2.1 生物流化床的发展概况
• 1.2.2 生物流化床的应用简述
• 1.2.3 生物流化床废水处理技术特点:
• 1.2.4 生物流化床的类型结构及其特点分析
• 1.3 序批式生物膜反应器技术
• 1.3.1 概述
• 1.3.2 序批式过程的性能特点
• 1.3.3 SBBR技术的机理研究
• 1.3.4 SBBR技术的应用研究
• 1.4 印染废水处理技术研究现状
• 1.4.1 概述
• 1.4.2 印染废水的特性
• 1.4.3 印染废水处理方法
• 1.4.4 印染废水处理工艺难点
• 1.5 本章小结与讨论
• 1.6 论文工作的目的、特点和内容
• 第二章 序批式双外循环生物流化床的结构特点及操作特性分析
• 2.1 双外循环生物流化床的结构特点
• 2.1.1 设计构想
• 2.1.2 序批式双外循环生物流化床系统结构
• 2.1.3 系统的运行方式
• 2.1.4 该技术特点:
• 2.2 系统操作特性分析
• 2.2.1 厌氧—好氧过程一体化的序批式生物膜法技术和生物流化床技术相结合
• 2.2.2 水解—好氧循环一体化处理方式
• 2.2.3 系统具有同时厌氧和好氧的微环境
• 2.2.4 附着生长和悬浮生长共存的多种微生物群体
• 2.2.5 生物流化床中载体选择及与微生物协同作用的特性分析
• 2.2.6 剩余污泥减量分析
• 2.2.7 系统"闲置期"作用的必要性
• 2.2.8 系统特性的主要影响因素分析
• 2.3.厌氧（水解）—好氧组合工艺的优势
• 2.3.1 厌氧（水解）—好氧组合工艺的优势
• 2.3.2 厌氧（水解）—好氧组合工艺的形式及特点:
• 2.4 流化床反应器的流态化描述及循环速度理论分析
• 2.4.1 气-液-固三相流化床
• 2.4.2 液-固二相流化床
• 2.4.3 载体颗粒循环速度及终端速度
• 2.4.4 操作气速的选择
• 2.5 本章小结
• 第三章 序批式双外循环生物流化床系统特性研究
• 3.1 实验材料与方法
• 3.1.1 气相含率的测定
• 3.1.2 混合及循环特性的测定
• 3.1.3 氧传递速率的测定
• 3.2 实验结果与讨
• 3.2.1 循环流态化临界值及载体的确定
• 3.2.2 相含率及床层压降
• 3.2.3 系统的混合及循环特性
• 3.2.4 系统的氧传递特性
• 3.2.5 系统的生物膜特性
• 3.3 本章小结与讨论
• 第四章 循环流化床流体动力学特性研究
• 4.1 实验研究设备与方法
• 4.1.1 PIV技术简介:
• 4.1.2 实验设备与实验方法
• 4.2 实验结果与分析
• 4.2.1 主床速度分布
• 4.2.2 副床的速度分布
• 4.2.3 主床的涡量分布
• 4.2.4 副床涡量分布
• 4.3 数值模拟方法
• 4.3.1 数值模拟方法概述
• 4.3.2 计算模型与方法
• 4.4 数值模拟结果与讨论
• 4.4.1 不同模型模拟结果对比及验证
• 4.4.2 主床的轴向速度数值模拟结果与讨论
• 4.4.3 主床的总压数值模拟结果与讨论压强分布
• 4.4.4 主床的湍流强度分布数值模拟结果与讨论
• 4.5 本章小结与讨论
• 第五章 序批式双外循环生物流化床处理印染废水的效果研究
• 5.1 实验材料与方法
• 5.1.1 实验设备
• 5.1.2 实验方法
• 5.1.3 分析方法
• 5.2 实验结果与讨论
• 5.2.1 微生物系统的建立
• Cr)的去除'>5.2.2 厌氧阶段含碳有机物(COD_Cr)的去除
• 5.2.3 厌氧过程对氨氮去除
• 5.2.4 厌氧过程对色度的去除
• Cr)的去除'>3.2.5 好氧阶段含碳有机物(COD_Cr)的去除
• 5.2.6 好氧过程的氨氮变化规律
• 5.2.7 组合工艺处理效果
• 5.2.8 系统污泥的减量效果
• 5.2.12 最佳工艺条件下稳定运行的去除效果
• 5.3 应用
• 5.4 本章小结与讨论
• 第六章 总结
• 参考文献
• 作者在攻读博士学位期间公开发表的论文和成果
• 致谢