CSTR甲烷发酵系统的启动与运行控制

论文摘要

连续流搅拌槽式反应器（CSTR）在实践中广泛的被用于有机废水两相厌氧生物处理系统的产酸相和发酵制氢反应器,极少有作为甲烷发酵装置的报道。本文以培养具有完整厌氧消化过程的絮状悬浮微生物体系为目标,采用前期研究发明的发酵制氢反应器Ⅰ型CSTR（ZL 92114474.1）,以糖蜜废水为处理对象,在探讨了CSTR系统在不同的启动方式下的运行特征基础上,研发并启动运行了Ⅱ型CSTR反应器,同时对Ⅰ型和Ⅱ型CSTR的启动和运行效能进行了比较。Ⅰ型CSTR的启动方式研究表明,欲在CSTR中培养出具有完整厌氧消化过程的絮状悬浮微生物体系,采用分步提高有机负荷（OLR）的方式启动比较适宜。以好氧污泥为种泥,在水力停留时间（HRT）18 h、系统pH 7.0、35℃的条件下,将进水COD浓度控制为4000 mg/L,即OLR为5.88 kg /m3·d时,经过165 d的驯化,反应体系仍然呈现出很强的产酸发酵特征,出水挥发酸（VFAs）含量平均高达2873 mg/L,COD去除率仅为15.33%,发酵气产量及甲烷含量都很少。在其他条件相同,采用将进水COD浓度分阶段控制为2000 mg/L（OLR 2.94 kg /m3·d）和4000 mg/L（OLR 5.88 kg /m3·d）的方式启动时,通过85 d的驯化,Ⅰ型CSTR中成功培养出具有完整甲烷发酵功能的微生物体系,其COD去除率可达54.4%,出水VFAs维持在700 mg/L一下;产气速率为17.88L/d,CO2含量约42.4%,CH4含量则稳定在42.8%左右。在Ⅰ型CSTR中成功培养出具有完整甲烷发酵功能的微生物体系后,将进水COD浓度提高到7000 mg/L的运行试验表明,该系统无法在OLR 9.5 kgCOD/m3·d的条件下正常运行,反应体系发生剧烈变化,出水挥发酸含量剧增,出现酸化现象,COD去除效率下降为21%,运行效果很差。通过Ⅰ型CSTR反应器两次启动,发现了反应器在设计上存在不足,在深入分析的基础上,提出了CSTR反应器的改进方案,并研制成功Ⅱ型CSTR反应器。实验结果表明,Ⅱ型CSTR反应器可以在84 d左右完成污泥的驯化,形成具有完整甲烷发酵过程的絮状悬浮厌氧活性污泥系统。运行稳定状态时,其COD去除效率可高达70%左右。在OLR从5.3 kg/m3·d提高到9.33 kg/m3·d时,反应系统可在16 d内重新达到稳定运行状态,这一时期COD去除率高达84%。可见,Ⅱ型CSTR甲烷发酵系统具有良好的运行稳定性,对负荷冲击表现出了很好的调节能力。如果控制条件得当,CSTR在保持完整甲烷发酵功能的基础上,完全有可能承当更高的有机负荷,比Ⅰ型CSTR具有更高的效能和更好的运行稳定性。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 废水厌氧生物处理技术概述
• 1.1.1 厌氧生物处理的微生物原理
• 1.1.2 厌氧生物处理在有机废水处理系统中的作用
• 1.1.3 污水厌氧生物处理技术的评价
• 1.1.4 厌氧生物处理反应器的研究现状
• 1.2 关于厌氧反应器启动的研究现状
• 1.2.1 厌氧反应器启动的影响因素
• 1.2.2 污泥接种
• 1.2.3 反应器的启动和污泥驯化
• 1.3 课题来源与主要研究内容
• 1.3.1 研究背景
• 1.3.2 课题来源
• 1.3.3 研究内容
• 第2章 试验装置与方法
• 2.1 试验装置
• 2.2 试验方法
• 2.2.1 接种污泥
• 2.2.2 试验水质
• 2.2.3 试验分析项目
• 2.2.4 液相末端产物的测定
• 2.2.5 气体成分及含量的测定
• 2.2.6 污泥扫描电镜预处理方法
• 第3章 Ⅰ型CSTR的启动与运行
• 3.1 CSTR 的启动运行控制
• 3.2 反应器的一步启动
• 3.2.1 COD 浓度及去除率的变化规律
• 3.2.2 出水挥发酸的变化规律
• 3.2.3 气体产量及气体组分的变化规律
• 3.2.4 pH 及碱度变化的规律
• 3.2.5 生物量的变化规律及生物相观察
• 3.3 反应器的分步启动
• 3.3.1 COD 浓度及去除率的变化规律
• 3.3.2 出水挥发酸的变化规律
• 3.3.3 气体产量及气体组分的变化规律
• 3.3.4 pH 及碱度的变化规律
• 3.3.5 生物量的变化规律及生物相观察
• 3.4 Ⅰ型CSTR 存在的问题及改进
• 3.4.1 Ⅰ型CSTR 存在的问题与分析
• 3.4.2 Ⅱ型CSTR 反应器的改进设计
• 3.5章 小结
• 第4章 Ⅱ型CSTR的启动及驯化
• 4.1 启动条件
• 4.2 启动过程数据分析
• 4.2.1 COD 浓度及去除率的变化规律
• 4.2.2 出水挥发酸变化规律
• 4.2.3 气体产量及气体组分的变化规律
• 4.2.4 pH 及碱度变化规律
• 4.2.5 生物量的变化规律及生物相观察
• 4.2.6 讨论
• 4.3 Ⅰ型CSTR 和Ⅱ型CSTR 的效能比较
• 4.3.1 启动方式比较
• 4.3.2 运行性能比较
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢