厌氧反应器的运行与在线监测

论文摘要

厌氧生物处理技术在去除污染物的同时生成氢气或者甲烷,具有广阔的应用前景。但厌氧反应器的运行容易出现不稳定的问题,限制了它的推广应用。因此,很有必要实现对厌氧反应器的在线监测。但目前尚缺少针对厌氧反应器的实用检测方法和技术。本论文以上流式厌氧污泥床（UASB）反应器为对象,研究了有机废水连续厌氧发酵产氢工艺特性,优化了系统的主要工艺参数;以监测和优化厌氧产甲烷反应器的运行为目的,分别研发出了液相产物的监测系统和气相产物的监测系统,并对厌氧反应器的预警因子及其机制进行了系统的探索。主要研究内容和结果如下:1、研究了pH和水力停留时间（HRT）对连续流产氢UASB反应器的液相产物和氢气产生的影响。研究表明:液相产物中以丁酸和乙酸为主,己酸和戊酸在某些pH值下含量较高;在pH=7.0和9.0时氢气产率较高,说明反应器中存在对碱性环境较为适应的产氢微生物;通过热力学分析解析了戊酸和己酸的生成途径,发现在戊酸和已酸的生成过程中,氢气作为反应物而被消耗,以致H2产率的降低,因此应改变反应器的运行条件以减少戊酸和己酸的生成;在HRT从30h逐渐降到3h的过程中,氢气的分压和产率变化不明显,液相产物以丁酸为主,底物降解效率保持在92%以上,说明HRT对产氢反应器的影响并不明显。2、将产氢UASB反应器的底物由蔗糖改变为乳糖后,氢气的分压和氢气产率出现明显的下降,同时己酸浓度迅速降低,乙酸和丙酸含量显著升高,高的乙酸产率对氢气的生成并没有做出贡献,证明反应器中同型产乙酸反应的存在。3、以UASB反应器的液相产物为监测对象,设计并研制了基于单片机、放大器、数据采集芯片的pH电极信号的数据采集和控制电路,研发了基于步进电机、精密滴定管和精密平移台的精密滴定装置,编写了基于Visual Basic语言的用于自动滴定的用户界面程序;将三者有机接合在一起,构建了用于测定厌氧反应器挥发性有机酸VFA浓度和碱度的自动滴定系统;将该系统应用于两步滴定法和五点滴定法的验证,发现滴定结果与气相色谱测定结果具有较好的相关性,测试结果证明该系统的具有良好的精密度和重现性;根据酸碱平衡理论,推导出用于VFA、碳酸盐和磷酸盐滴定的六点滴定模型,并通过滴定实验证明该模型对VFA和碳酸盐的测定结果优于两步法和五点法;该系统也能够用于对磷酸盐的测定。4、以UASB反应器的气相产物为监测对象,基于红外气体传感器和数据采集器,并通过Visual Basic编程,构建了反应器主要气相产物CH4和CO2的在线监测系统;利用该系统对UASB产甲烷反应器进行了监测和分析,结果表明该系统可以连续精准、稳定地测定反应器中CO2和CH4的实时浓度,能够连续准确地反映厌氧反应器的产气状态。5、集成本研究研发的液相VFA滴定系统和气相CH4和CO2监测系统,分析了底物浓度负荷和水力负荷对产甲烷UASB反应器的影响。当进水浓度负荷达到25g/L COD后,UASB反应器开始出现“酸败”现象:VFA滴定系统监测到了VFA的积累过程,但此时CH4/CO2分压和pH无明显变化;发现了辅酶F420荧光峰对浓度负荷的敏感性,说明它可以用于预测酸败现象的发生;UASB反应器对水力负荷的承受能力要高于浓度负荷,反应器在5g/LCOD和8h的HRT条件下仍能保持较稳定的出水质量和较高的产甲烷菌活性,同时也证明所研制厌氧反应器在线监测系统的稳定性和有效性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 文献综述
• 1.1 研究背景
• 1.2 厌氧废水生物处理原理
• 1.2.1 厌氧产甲烷的生化过程
• 1.2.2 厌氧产甲烷过程中的微生物
• 1.3 生物制氢技术简介
• 1.3.1 光合微生物制氢
• 1.3.2 发酵微生物制氢
• 1.4 厌氧生物反应器的研究进展
• 1.4.1 厌氧反应器简介
• 1.4.2 UASB反应器
• 1.4.3 影响厌氧反应器稳定运行的主要因素
• 1.4.4 厌氧反应器监测的现状和问题
• 1.5 本研究的目的、意义和内容
• 参考文献
• 第二章 中温厌氧产氢反应器的运行工况
• 2.1 引言
• 2.2 材料和方法
• 2.2.1 UASB反应器
• 2.2.2 产氢污泥
• 2.2.3 合成废水
• 2.2.4 实验设计
• 2.2.5 分析测试
• 2.3 结果和分析
• 2.3.1 pH的影响
• 2.3.2 水力停留时间HRT的影响
• 2.3.3 底物的影响
• 2.3.4 厌氧产氢反应器的热力学分析
• 2.4 小结
• 参考文献
• 第三章 厌氧反应器液相组分在线自动滴定系统的研制
• 3.1 引言
• 3.2 材料和方法
• 3.2.1 数学模型的建立
• 3.2.2 电路设计和设备加工
• 3.2.3 控制程序和界面程序
• 3.2.4 仪器和试剂
• 3.3 结果与分析
• 3.3.1 自动滴定系统的性能分析
• 3.3.2 对两步法和五点法的验证
• 3.3.3 挥发性脂肪酸、碳酸盐和磷酸盐自动滴定
• 3.4 小结
• 参考文献
• 第四章 厌氧反应器气相组分在线测定系统的研制
• 4.1 引言
• 4.2 材料和方法
• 4.2.1 红外气体传感器
• 4.2.2 数据采集器
• 4.2.3 界面程序
• 4.2.4 试验设计
• 4.3 结果与分析
• 4.3.1 传感器的校正
• 4.3.2 监测系统的稳定性分析
• 4.3.3 气体压力和流速的影响
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 厌氧反应器在线测定系统的集成和应用
• 5.1 引言
• 5.2 材料和方法
• 5.2.1 仪器和方法
• 5.2.2 试验设计
• 5.3 结果与分析
• 5.3.1 底物浓度负荷冲击对UASB反应器的影响
• 5.3.2 水力负荷冲击对UASB反应器的影响
• 5.4 小结
• 参考文献
• 第六章 总结
• 致谢