ASBR反应器快速启动策略及碱度需求特征研究

论文摘要

ASBR反应器的工艺机理和启动运行规律的研究在国内外都处于起步阶段，同样存在着启动慢、需要投加碱度这两个所有高速厌氧反应器中的共性问题，而且ASBR反应器固有的动力学内在潜力并未得到充分的利用和挖掘。本文以促进ASBR快速启动和碱度最小化为研究目标，旨在开发絮凝剂强化ASBR反应器快速启动的技术，提出在ASBR反应器中形成以甲烷八叠球菌为优势菌的A型颗粒污泥的工艺策略，并实现ASBR反应器在碱度最小化条件下的稳定运行。采用的研究方法和取得的研究成果如下： (1)采用厌氧毒性(ATA)和生物化学甲烷势(BMP)的测定方法，分析了聚合氯化铝(PAC)、聚丙稀酰胺(PAM)和聚季铵盐(PQA)三种高分子絮凝剂对厌氧微生物产甲烷活性的影响和厌氧生物可降解性。用区域沉淀速度(ZSV)和污泥容积指数(SVI)等对比了投加絮凝剂后所形成的生物絮体的沉降性能和生物絮凝体的强度。结果表明，聚季铵盐适宜作为促进厌氧反应器快速启动中污泥颗粒化的促进剂。聚季铵盐适宜的投加量为10～20mg/L，对应的PQA/污泥量约1.6～3.2mg/g。并在此基础上提出筛选厌氧反应器快速启动促进剂的评价体系应以絮凝剂对厌氧微生物产甲烷活性的影响、生物聚集体的强度、生物絮体的沉降性能、絮凝剂的厌氧生物可降解性和絮凝剂用量为指标。 (2)以PQA最优投加条件启动反应器，采用有效容积为6L的ASBR试验模型，并以空白系统作对照。反应器在中温条件下(30～35℃)运行，用城市污水厂厌氧消化污泥接种。结果表明，投加了PQA的反应

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摘要

ABSTRACT

符号说明

第一章引言

1.1 研究课题的提出及意义

1.1.1 高速厌氧反应器的共同特征

1.1.2 高速厌氧反应器应用中普遍存在的问题

1.1.2.1 初次启动时间长

1.1.2.2 多数厌氧反应器中形成B型颗粒污泥

1.1.2.3 厌氧反应器运行中投加碱度的费用

1.1.3 ASBR反应器的基本工艺特征和优点

1.1.3.1 ASBR反应器的基本工艺特征

1.1.3.2 ASBR反应器的优点

1.1.4 研究课题的提出和研究意义

1.1.4.1 研究课题的提出

1.1.4.2 课题的研究意义

1.2 研究内容与目标

第二章文献综述

2.1 ASBR反应器的研究与应用

2.1.1 ASBR反应器在低温和常温环境下的适用性

2.1.2 两段温度ASBR工艺的应用研究

2.1.3 ASBR工艺处理各种有机污染物

2.2 ASBR反应器中的污泥颗粒化

2.2.1 厌氧颗粒污泥的形成和结构

2.2.2 影响ASBR反应器污泥颗粒化的因素

2.2.2.1 种泥和接种量

2.2.2.2 反应器构型

2.2.2.3 选择压

2.2.2.4 控制有机负荷率的策略

2.2.2.5 搅拌方式与强度

2.2.2.6 环境因素

2.2.2.7 营养

2.3 强化厌氧颗粒污泥形成的技术

2.3.1 无机粒子的强化作用

2.3.2 活性炭的强化作用

2.3.3 多价金属离子的强化作用

2.3.4 絮凝剂的强化作用

2.3.5 投加优势菌和包埋微生物的强化作用

2.3.6 分析与总结

2.3.6.1 影响ASBR反应器污泥颗粒化的基本因素

2.3.6.2 强化厌氧反应器污泥颗粒化的几种模型

2.3.6.3 几种强化技术的对比分析

2.4 厌氧消化体系对碱度的需求

2.4.1 厌氧微生物适宜的pH值

2.4.2 厌氧生物转化过程中的碱度

2.4.2.1 总碱度和碳酸氢盐碱度

2.4.2.2 碱度对pH值的控制

2.4.2.3 有利于厌氧生物转化的碱度条件

2.4.3 影响厌氧反应器中碱度的因素

2.5 高速厌氧反应器对碱度的需求

2.5.1 厌氧滤池（AF）的碱度需求

2.5.2 上流式厌氧污泥床反应器（UASB）的碱度需求

2.5.2.1 碱度对UASB反应器启动中污泥颗粒化的影响

2.5.2.2 UASB反应器处理各种有机废水时的碱度需求

2.5.3 厌氧颗粒污泥膨胀床（EGSB）的碱度需求

2.5.4 厌氧序批式反应器（ASBR）对碱度需求的研究现状

2.5.5 分析与总结

第三章絮凝剂对形成厌氧颗粒污泥的促进作用

3.1 研究目的与研究内容

3.1.1 研究目的

3.1.2 研究内容

3.2 筛选絮凝剂

3.2.1 技术路线与研究方法

3.2.1.1 用厌氧毒性测定方法评价絮凝剂对厌氧污泥活性的影响

3.2.1.2 用测定BMP方法对比三种絮凝剂的厌氧生物可降解性

3.2.1.3 用产气指数表征三种絮凝剂的厌氧生物可降解性

3.2.1.4 用区域沉降速度对比生物絮凝体的沉降性能

3.2.2 试验设计与试验方法

3.2.2.1 试验装置

3.2.2.2 试验材料

3.2.2.3 厌氧反应器编号

3.2.2.4 操作方法

3.2.3 项目测定与计算方法

3.2.4 SMA与甲烷转化率

3.2.5 BMP试验结果

3.2.6 污泥的沉降性能和生物絮体强度

3.2.7 讨论与分析

3.3 絮凝剂投加量

3.3.1 反应器编号与试验方法

3.3.2 试验结果与结论

3.3.2.1 PQA投加量对SMA和甲烷转化率的影响

3.3.2.2 PQA投加量对生物絮体沉降性能的影响

3.4 确定聚季铵盐的投加方式

3.4.1 试验方法

3.4.1.1 污泥接种与试验装置

3.4.1.2 PQA投加方式

3.4.1.3 OLR控制策略

3.4.2 分析项目与测试方法

3.4.2.1 分析项目

3.4.2.2 测试方法

3.4.3 试验结果与讨论分析

3.4.3.1 出水COD与COD去除率

3.4.3.2 MLSS与VSS／MLSS的变化

3.4.3.3 SV与SVI的变化

3.4.3.4 颗粒污泥粒径和沉速的变化

3.5 小结

3.5.1 筛选污泥颗粒化促进剂的评价指标

3.5.2 PQA是适用于分散生物污泥凝聚的促进剂

3.5.3 适宜的PQA投加量对促进颗粒化效果有影响

3.5.4 适宜的PQA投加方式对促进颗粒化效果有影响

第四章 ASBR反应器快速启动的工艺策略

4.1 ASBR反应器设计与运行操作

4.1.1 反应器构造

4.1.2 ASBR反应器的运行操作

4.2 试验方法及反应器运行参数设计

4.2.1 絮凝剂投加方法

4.2.2 污泥接种与活性恢复

4.2.3 ASBR反应器控制参数设计

4.2.4 分析项目和测试方法

4.3 试验结果

4.3.1 A柱、B柱出水COD和COD去除率变化

4.3.2 A柱、B柱MLSS、MLVSS和VSS／MLSS变化

4.3.3 A柱、B柱中颗粒污泥粒径的变化

4.3.4 A柱、B柱中污泥沉降性能的变化

4.3.5 反应器中VFA和沼气组分

4.3.6 厌氧颗粒污泥的性状及扫描电镜分析

4.4 讨论与分析

4.4.1 投加PQA对ASBR反应器启动的促进作用

4.4.1.1 投加PQA对污泥产甲烷活性的促进作用

4.4.1.2 投加PQA缩短了污泥颗粒化的进程

4.4.2 与相关文献研究结论的对比

4.4.2.1 颗粒污泥生长的变化规律的差异

4.4.2.2 污泥颗粒化速度的差异

4.4.2.3 对比分析

4.4.3 反应器构型与选择压

4.4.4 ASBR反应器中厌氧颗粒污泥以甲烷八叠球菌为优势菌

4.5 小结

第五章 ASBR反应器中颗粒污泥的沉降性能

5.1 研究目的与试验方法

5.1.1 研究目的

5.1.2 试验方法

5.1.2.1 试验材料与参数

5.1.2.2 测试项目与方法

5.2 试验结果与讨论

5.2.1 反应器中MLSS对ZSV的影响

5.2.2 反应器中MLSS对SVI和SV％的影响

5.2.3 进水F／M比值对ASBR反应器污泥沉降性能的影响

5.3 小结

第六章 ASBR反应器碱度需求特征

6.1 概述

6.1.1 ASBR反应器中pH值的控制及其影响

6.1.2 研究目的与技术路线

6.1.3 试验装置与运行控制

6.1.3.1 试验装置

6.1.3.2 运行控制

6.1.3.3 废水配置

6.1.4 主要分析项目与测试方法

6.2 ASBR反应器对碱度的需求

6.2.1 ASBR反应器中VFA的变化规律

2分压的变化规律'>6.2.2 ASBR反应器中CO₂分压的变化规律

2分压与pH值的关系'>6.2.2.1 CO₂分压与pH值的关系

2分压（用CO₂％表示）的变化规律'>6.2.2.2 CO₂分压（用CO₂％表示）的变化规律

6.2.3 ASBR反应器中BAlk的变化规律

6.2.3.1 BAlk计算公式

6.2.3.2 BAlk的变化规律

6.2.3.3 BA／TA的变化

6.2.4 ASBR反应器中pH值的变化规律

6.3 碱度最小化的ASBR工艺特点

6.3.1 碱度对ASBR反应器COD去除效果的影响

6.3.2 ASBR工艺碱度最小化时的碱度特征

6.3.2.1 碱度最小化条件下厌氧代谢的最终产物

6.3.2.2 碱度最小化条件下的碱度特征

6.3.2.3 碱度最小化时的VA／BA

6.3.3 ASBR反应器碱度最小化运行的可行性分析

6.3.3.1 ASBR反应器的运行方式有利于碱度最小化

6.3.3.2 逐级降低碱度使厌氧颗粒污泥的耐酸性得到驯化

6.3.3.3 厌氧颗粒污泥的层次性构造有利于提高其抗酸性

6.3.3.4 以甲烷八叠球菌为主体的颗粒污泥有利于减少碱度需求量

6.3.4 ASBR反应器最小化碱度运行的经济优势

6.4 小结

第七章 ASBR反应器碱度最小化的动力学和生物学特征

7.1 概述

7.1.1 研究目的

7.1.2 厌氧消化过程中的COD物料平衡

CH4和COD_acid产生速率的影响'>7.2 碱度对甲烷产率COD_CH4和COD_acid产生速率的影响

7.2.1 碱度对甲烷产率的影响

acid产生速率的影响'>7.2.2 碱度对COD_acid产生速率的影响

7.3 碱度对甲烷转化率和合成细胞产率的影响

7.3.1 ASBR反应器中的甲烷转化率

7.3.2 碱度对ASBR处理工艺中细胞产率的影响

obs)'>7.3.2.1 活性污泥的两种细胞产率(合成产率Y与表观产率Y_obs)

7.3.2.2 合成产率Y的计算

7.3.2.3 厌氧生物降解过程中细胞合成的特点

7.3.2.4 碱度水平对ASBR反应器中合成产率Y的影响

obs的讨论'>7.3.2.5 关于低碱度ASBR反应器中表观产率Y_obs的讨论

7.3.2.6 ASBR反应器碱度最小化运行的稳定性

7.4 碱度最小化水平下挥发酸的抑制性

7.5 碱度最小化ASBR反应器中厌氧颗粒污泥的生物学特征

7.6 ASBR处理以葡萄糖为底物的人工配置废水的反应速率数学模型

7.6.1 数学模型的建立

7.6.2 求解反应速率常数

7.6.3 模型精度验证

7.7 小结

第八章工艺条件对ASBR反应器中碱度因素的影响

8.1 OLR对ASBR反应器中碱度因素的影响

8.1.1 研究目的与技术路线

8.1.2 OLR对VFA累积程度的影响

8.1.2.1 OLR对高碱度水平反应器中VFA的影响

8.1.2.2 OLR对低碱度水平反应器中VFA的影响

2％和BAlk的影响'>8.1.3 OLR对CO₂％和BAlk的影响

2％的影响'>8.1.3.1 OLR对CO₂％的影响

8.1.3.2 OLR对BAlk的影响

8.1.4 OLR对pH值的影响

8.1.5 低碱度影响OLR对HPr／HAc的敏感程度

8.2 水力停留时间（HRT）对ASBR反应器中碱度因素的影响

8.2.1 研究目的和技术路线

8.2.2 HRT对VFA变化规律的影响

8.2.3 HRT对BAlk和pH值的影响

8.3 ASBR反应器处理以葡萄糖为底物的人工配置废水的极限负荷

8.3.1 碱度对极限负荷运行效果的影响

8.3.2 极限负荷运行下的碱度因素

8.3.2.1 VFA的积累程度

8.3.2.2 BAlk与pH值范围

8.4 进水有机负荷率对ASBR工艺性能的影响

8.4.1 OLR对COD去除能力的影响

8.4.2 OLR对甲烷产率和甲烷转化率的影响

8.5 小结

第九章结论

9.1 研究结论

9.2 研究成果及意义

9.3 存在的不足

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文及科研情况

博士学位论文独创性说明

ASBR反应器快速启动策略及碱度需求特征研究

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