推流式生物沥浸反应器的设计及其在处理制革污泥上的应用研究

论文摘要

起源于生物湿法冶金行业的生物沥浸技术正扩展到环境污染治理等领域,如污水污泥中的重金属去除等。本课题组近几年来致力于污泥无害化处理的研究,采用生物沥浸技术处理城市污泥和制革污泥,能够很好的去除污泥中的重金属,现已取得了搅拌釜式和空气提升式反应器序批中试规模研究的成功。本研究试图研制推流式生物沥浸反应器,旨在实现制革污泥生物沥浸的连续化处理。制革污泥存在着三大处理难题,分别是臭味大、重金属含量高、脱水很难。其中,臭味对环境的危害最直接;重金属的危害有潜在性和长期性的特点;难脱水性使得污泥很难继续减容减量,限制了下一步的处理。生物沥浸技术能够很好的解决这些难题。本研究围绕这些问题将试验分成两部分展开研究:一是试验室部分,空间模拟研究了制革污泥释放H2S与生物沥浸摇瓶处理制革污泥,摇瓶试验设置常规处理与参数优化处理对照,熟悉生物沥浸反应过程,了解反应发生的规律,并经过营养物、回流方式的改变,研究是否对工艺参数起到优化作用;二是设计并制作反应器,在反应器中进行生物沥浸处理试验,包括序批式和连续式两种处理,并做反应器水力特性的测试,判定反应器存在的缺陷,提出反应器优化措施。制革污泥空间模拟释放H2S研究表明,制革污泥在静置、搅动、遇酸时都会释放H2S,并且释放速度依次增加。在自制的测定装置中,搅拌后静置处理H2S浓度可达最大值9mg/L;搅拌处理达最大值77mg/L;加酸搅拌处理超过100mg/L。制革污泥存在大量的还原性硫,这些还原性硫在搅动、遇酸（如酸雨等）的情况下就会以H2S的形式释放,通常污泥溶液中H2S处于饱和态,积累过量后,便会选出向空气中释放,给环境造成危害。在制革污泥生物沥浸处理中,外源添加Fe2+虽有助于加快生物酸化进程,特别是在pH＞2的阶段该作用较为明显,但由于也促进了羟基硫酸高铁沉淀的生成,导致已溶出的Cr3+部分被重新固持,因此,在制革污泥生物沥浸中外源加Fe2+促进Cr溶出的效果并不明显。此外,外源添加Fe2+在较小程度上可降低污泥的比阻值,从而使污泥更易脱水,但Fe2+不同添加量之间差异较小。综合考虑药剂成本和处理效率,在制革污泥生物沥浸中添加Fe2+对大幅度加快Cr溶出速率和显著提高污泥脱水性并没有理想效果。沥浸液回流处理制革污泥有效果,但与常规酸化污泥回流处理相比较差;经优化改进的沥浸液效果要优于酸化污泥回流处理。经过7d的处理,沥浸液回流处理pH降为2.10,酸化污泥回流为2.04;而两种经过优化处理的沥浸液回流经5d的时间分别降为2.06和1.99,显示出良好的效果。自行设计制作的推流式生物沥浸反应器有效容积700L,包括反应器主体、曝气系统、加热系统、进回流泥系统等四个主要部分。从理论上初步估算了应用于实际工程的反应器能耗,其中每吨污泥曝气能耗约为普通污水处理的10倍,加热能耗为2kg标准煤,按现时价共约合4-6元。反应器处理污泥试验,分三步进行。第一步,做反应器序批式效果处理试验,连续进行了6个批次的回流试验,污泥含固率为1.5%-2%,经过2ˉ3d的时间,反应器中污泥体系的pH可下降到2左右,并且明显改善污泥的脱水性能,Cr的溶出率达到70%左右,反应过程中没有臭味产生。经过序批式处理试验,结果表明反应器能够满足生物反应基本要求,可以进行下一步试验。第二步是反应器连续式效果处理试验,反应处理连续进行了20d,研究结果表明,污泥停留时间为4d,日处理污泥175L,其pH值可降低到2.1左右,并且污泥含固率的变化对其影响不大:制革污泥通过生物沥浸处理沉降性明显改善,污泥比阻变小,利用板框式压滤很容易脱水;取得了可喜的成果。第三步,利用浓硫酸做示踪剂,对反应器进行水力返混特性试验,在反应器正常运行条件下,存在水力返混情况,返混量可达0.6L/min;其水力返混进泥流量临界点为91.8L/h。经计算在正常运行状态条件下阶段间理想连通口径面积为2.38cm2。这说明反应器设计存在缺陷,可以对设计参数进行优化,以提高反应器处理效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 制革污泥的产生及生物沥浸处理进展（代文献综述）
• 1 制革污水与污泥的产生与性质
• 1.1 制革污水的产生与性质
• 1.2 制革污水的处理工艺
• 1.2.1 分流式治理制革污水的处理工艺
• 1.2.2 混合式治理制革污水的处理工艺
• 1.3 制革污泥基本性质及其主要存在的问题
• 2 生物沥浸（Bioleaching）技术的研究与应用进展
• 2.1 生物沥浸在各种底物上的研究与应用
• 2.2 生物沥浸在制革污泥上的研究与应用进展
• 3 本论文的研究内容和目的意义
• 4 研究技术路线
• 参考文献
• 第二章 推流式生物沥浸反应器设计
• 1 污泥生物沥浸处理的基本工艺
• 1.1 序批式处理基本工艺
• 1.2 连续式处理基本工艺
• 2 总的设计思想与常见的反应器类型
• 2.1 理想状态
• 2.2 设计反应器考虑的主要因素
• 2.3 可借鉴的反应器类型及其优缺点
• 3 推流式生物沥浸反应器的设计
• 3.1 反应器主体设计
• 3.2 曝气系统设计
• 3.3 加热系统设计
• 3.4 进回流泥系统设计
• 4 反应器能耗分析
• 4.1 曝气能耗
• 4.2 加热能耗
• 5 结论
• 参考文献
• 第三章 反应器水力特性——水力返混示踪迹研究
• 1 研究方法
• 1.1 示踪剂试验
• 1.2 试验工况
• 2 结果与讨论
• 2.1 正常运行参数条件下返混情况
• 2.2 返混度数学模型的建立及计算
• 2.2.1 返混度数学模型的建立
• 2.2.2 返混度的计算
• 3 临界流量
• 3.1 临界流量的确定
• 3.2 临界流速的确定
• 4 结论
• 参考文献
• 2S释放状况的模拟研究'>第四章 制革污泥中H₂S释放状况的模拟研究
• 1 材料与方法
• 1.1 供试材料
• 1.2 试验设计
• 1.3 试验装置
• 2 结果与讨论
• 2S的释放'>2.1 制革污泥静止时H₂S的释放
• 2S的释放'>2.2 不断搅拌下制革污泥H₂S的释放
• 2S浓度变化'>2.3 加浓硫酸搅拌情况下H₂S浓度变化
• 3 结论
• 参考文献
• 2+对生物沥浸处理制革污泥的影响研究'>第五章 外源添加Fe²⁺对生物沥浸处理制革污泥的影响研究
• 1 材料与方法
• 1.1 供试制革污泥
• 1.2 硫杆菌的加富,驯化及接种物制备
• 1.3 制革污泥重金属生物沥浸处理试验
• 1.4 采样分析
• 2 结果
• 2.1 污泥生物沥浸过程中pH的变化
• 2+氧化动态'>2.2 污泥生物沥浸过程中Fe²⁺氧化动态
• 2.3 污泥生物沥浸过程中重金属Cr随pH的变化动态
• 2+对生物沥浸污泥比阻的影响'>2.4 加Fe²⁺对生物沥浸污泥比阻的影响
• 3 讨论
• 3.1 污泥生物沥浸过程中pH的变化
• 2+氧化动态'>3.2 污泥生物沥浸过程中Fe²⁺氧化动态
• 3.3 污泥生物沥浸过程中重金属Cr随pH的变化动态
• 2+对生物沥浸污泥比阻的影响'>3.4 加Fe²⁺对生物沥浸污泥比阻的影响
• 4 结论
• 参考文献
• 第六章 沥浸液回流对制革污泥生物沥浸效果的影响
• 1 材料与方法
• 1.1 供试污泥
• 1.2 硫杆菌的加富、驯化及接种物制备
• 1.3 制革污泥生物沥浸处理试验
• 1.4 采样分析
• 2 结果与讨论
• 2.1 污泥生物沥浸过程中pH的变化
• 2+氧化动态'>2.2 污泥生物沥浸过程中Fe²⁺氧化动态
• 3+的变化动态'>2.3 污泥生物沥浸过程中Cr³⁺的变化动态
• 3 小结
• 参考文献
• 第七章 推流式生物沥浸反应器处理制革污泥效果:批式运行模式
• 1 材料与方法
• 1.1 供试污泥
• 1.2 微生物的扩大培养
• 1.3 推流式生物沥浸反应器的启动与正式运行
• 1.4 采样分析
• 2 结果与讨论
• 2.1 生物沥浸过程中pH的动态变化
• 2+氧化动态'>2.2 污泥生物沥浸过程中Fe²⁺氧化动态
• 2.3 污泥生物沥浸过程中Cr的溶出动态
• 4^2-的变化'>2.4 污泥生物沥浸过程中SO₄^2-的变化
• 2.5 污泥生物沥浸前后沉降性的变化
• 2.6 污泥生物沥浸前后比阻的变化
• 2S的去除'>2.7 污泥生物沥浸H₂S的去除
• 3 结论
• 参考文献
• 第八章 推流式生物沥浸反应器处理制革污泥效果:连续运行模式
• 1 材料与方法
• 1.1 推流式反应器的设计
• 1.2 供试污泥
• 1.3 生物沥浸处理
• 1.3.1 嗜酸性菌株的驯化与反应器的起动
• 1.3.2 采样分析
• 2 结果与分析
• 2.1 推流式反应器生物沥浸处理制革污泥的效果
• 2.1.1 污泥生物沥浸出泥pH的变化
• 2.1.2 污泥生物沥浸处理出泥总铁的变化
• 3+浓度的变化'>2.1.3 污泥生物沥浸处理出泥Cr³⁺浓度的变化
• 4^2-浓度的变化'>2.1.4 污泥生物沥浸处理后SO₄^2-浓度的变化
• 2.1.5 污泥生物沥浸处理后沉降性变化
• 2.1.6 污泥生物沥浸前后比阻的变化
• 3.2 推流式反应器生物处理制革污泥pH变化过程与分析
• 3.3 推流式反应器生物处理制革污泥过程与分析
• 3.3.1 生物沥浸过程pH变化
• 2+、Fe³⁺动态变化'>3.3.2 生物沥浸过程Fe²⁺、Fe³⁺动态变化
• 3+的动态变化'>3.2.3 生物沥浸过程中Cr³⁺的动态变化
• 4^2-的动态变化'>3.2.4 生物沥浸过程中SO₄^2-的动态变化
• 4 结论
• 参考文献
• 全文结论
• 攻读硕士学位期间发表的论文题目
• 致谢