高效厌氧反应器工作特性的研究

论文摘要

我国水体污染严重,迫切需要高效厌氧生物处理技术来控制有机污染,推动节能减排。厌氧生物反应器是厌氧生物处理技术的核心载体,其功效综合反映了厌氧生物处理技术的现实水平。若以生产性高效厌氧生物反应器已经达到的容积有机负荷（OLR）的先进水平作为标准,可将OLR高于40 kgCOD/（m3·d）的厌氧生物反应器称为超高效厌氧生物反应器。以超高效厌氧生物反应器为模型,探明厌氧生物反应器的工作特性,将有助于厌氧生物反应器的过程优化和操作控制。本课题测试了厌氧生物处理中几种常见中间产物的毒性,并以蔗糖、乙醇和乙酸为基质考察了超高效厌氧生物反应器的工作特性。主要研究结果如下:1)常见的四种厌氧消化中间产物对生物均具毒性,但毒性各不相同。单独毒性试验发现,乙醇、乙酸、丙酸和丁酸对发光杆菌的半抑制浓度IC50值分别为27.1g·L-1、3.96 g·L-1、2.49 g·L-1和6.00 g·L-1,毒性大小依次为:丙酸＞乙酸＞丁酸＞乙醇。非解离态挥发性脂肪酸（VFA）是其主要抑制形态,非解离态乙酸、丙酸和丁酸的IC50值分别为23.4 mg·L-1、19 mg·L-1和37 mg·L-1,分别相当于汞IC50值的234倍、190倍和370倍。四种厌氧消化中间产物同时存在具有联合毒性,其联合毒性作用方式皆为相加作用。2)以蔗糖、乙醇和乙酸为基质,厌氧反应器（分别称为反应器Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ）均可呈现超高效性能。厌氧消化过程可分为水解发酵、产氢产乙酸和产甲烷三个阶段。以水解发酵基质（蔗糖）、产氢产乙酸基质（乙醇）和产甲烷基质（乙酸）运行厌氧反应器Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ,OLR分别高达75 kg/（m3·d）、100 kg/（m3·d）和100kg/（m3·d）。以Monod方程拟合,求得反应器Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的最大容积去除率分别为89.01 kg/（m3·d）、170.6 kg/（m3·d）和227.5 kg/（m3·d）。简化厌氧消化食物链,有助于提高厌氧反应器的容积效能。3)以三种基质运行厌氧反应器,可导致其中微生物混培物（分别称为污泥A、污泥B、污泥C）活性的显著分化。污泥A、污泥B、污泥C对葡萄糖的降解能力依次为55.53 kg/（m3·d）、29.05 kg/（m3·d）和22.26 kg/（m3·d）;若以污泥A的最大比基质转化速率Vmax为100,则三者的相对活性为100、52.3和40.1。对乙醇的降解能力依次为45.57 kg/（m3·d）、86.47 ky/（m3·d）和36.56 ky/（m3·d）;若以污泥A的最大比基质转化速率V乙醇为100,则三者的相对活性为100、189.8和80.2。对丙酸的降解能力依次为34.58 kg/（m3·d）、24.64 kg/（m3·d）和14.87 kg/（m3·d）;若以污泥A的最大比基质转化速率V丙酸为100,则三者的相对活性为100、71.3和43.0。对丁酸的降解能力依次为42.45 kg/（m3·d）、25.17 kg/（m3·d）和20.61 kg/（m3·d）;若以污泥A的最大比基质转化速率V丁酸为100,则三者的相对活性为100、59.3和48.6。对乙酸的降解能力依次为22.41 kg/（m3·d）、34.21 kg/（m3·d）和63.78 kg/（m3·d）;若以污泥A的最大比基质转化速率V乙酸为100,则三者的相对活性为100、152.7和284.6。从污泥A对水解发酵基质（蔗糖）、产氢产乙酸基质（乙醇、丙酸和丁酸）和产甲烷基质（乙酸）的降解能力判断,产甲烷阶段易成为厌氧消化过程的瓶颈步骤;但从三种污泥对五种基质的降解能力判断,若水解发酵阶段的主要产物为丙酸或丁酸,则产氢产乙酸阶段易成为厌氧消化过程的瓶颈步骤;若水解发酵阶段的主要产物为乙醇,则水解发酵阶段易成为厌氧消化过程的瓶颈步骤。4)厌氧生物反应器的容积效能与碱度及VFA浓度密切相关。随着容积去除速率的增加,总碱度和有效碱度下降。反应器Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ容积去除率达到最大值时所对应的有效碱度分别为1540 mg/L、1150 mg/L和1082 mg/L;所对应的ALKcom/CODrem分别为0.12、0.11和0.10。与最大容积去除率和最大容积产气率对应的VFA浓度分别为1057 mg/L、908 mg/L和1145 mg/L,显著高于常效厌氧反应器;与临界值对应的出水碱度与出水VFA之比分别为1.25、1.40和1.13,显著低于常效厌氧反应器。

论文目录

• 致谢
• 序言
• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 引言
• 1.1 我国水体污染状况
• 1.2 废水厌氧生物处理
• 1.3 厌氧生物反应器研究进展
• 1.3.1 第一代厌氧生物反应器
• 1.3.2 第二代厌氧生物反应器
• 1.3.3 第三代厌氧生物反应器
• 1.3.4 厌氧生物反应器发展趋势
• 1.4 厌氧生物反应器工作过程分析
• 1.5 厌氧消化中间产物的双重作用
• 1.6 课题研究意义与内容
• 第2章 厌氧消化中间产物毒性的研究
• 2.1 材料与方法
• 2.1.1 仪器
• 2.1.2 试剂
• 2.1.3 实验菌种
• 2.1.4 发光菌法毒性测定
• 2.1.5 数据处理与分析方法
• 2.2 结果
• 2.2.1 单一毒物的毒性效应
• 2.2.2 中间产物的联合毒性
• 2.3 讨论
• 2.3.1 单一毒物的毒性机理
• 2.3.2 中间产物的联合毒性机理
• 2.4 结论
• 第3章 以蔗糖为基质的厌氧消化性能
• 3.1 材料与方法
• 3.1.1 试验装置
• 3.1.2 试验材料
• 3.1.3 测定项目与方法
• 3.2 结果与讨论
• 3.2.1 反应器的运行性能
• 3.2.2 反应器的动力学性能
• 3.3 结论
• 第4章 以乙醇为基质的厌氧消化行性能
• 4.1 材料与方法
• 4.1.1 试验装置
• 4.1.2 试验材料
• 4.1.3 测定项目与方法
• 4.2 结果与讨论
• 4.2.1 反应器的运行性能
• 4.2.2 反应器的动力学性能
• 4.3 结论
• 第5章 以乙酸为基质的厌氧消化性能
• 5.1 材料与方法
• 5.1.1 试验装置
• 5.1.2 试验材料
• 5.1.3 测定项目与方法
• 5.2 结果与讨论
• 5.2.1 反应器的运行性能
• 5.2.2 反应器的动力学性能
• 5.3 结论
• 第6章 三种基质的厌氧消化性能比较
• 6.1 材料与方法
• 6.1.1 连续流试验
• 6.1.2 分批试验
• 6.2 结果与讨论
• 6.2.1 反应器工艺性能比较
• 6.2.2 污泥动力学性能比较
• 6.3 结论
• 第7章 结论与展望
• 7.1 主要结论
• 7.2 创新点
• 7.3 不足与展望
• 参考文献
• 个人简历
• 主要论文发表情况
• 获得专利情况
• 获得奖励