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新型两相两阶段厌氧反应器优化设计与处理造纸废水性能研究

作　者: 陈云
导　师: 马邕文；张清辉
学　校: 华南理工大学
专　业: 环境工程
关键词: 两相两阶段厌氧反应器造纸废水优化设计乙醇型产酸脱硫
分类号: X793
类　型: 硕士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

造纸废水有机负荷高、可生化性差、含有大量难降解污染物,排放总量占工业废水的44%,对环境产生了重大影响。厌氧技术是一种具有处理有机负荷高、能耗低和产生沼气能源等特点的废水处理技术,适合处理造纸废水,但传统的厌氧技术存在不能承受造纸废水冲击负荷,易出现“酸败”导致厌氧效率低、稳定性差的问题,因此研究新型高效厌氧处理造纸废水技术具有重要意义。本文主要研究内容包括:进行新型厌氧反应器的研发、改进与优化设计;然后进行新型反应器性能分析与对比;最后利用新型反应器进行乙醇产酸脱硫工艺处理造纸废水的驯化、启动及影响因素和污泥特性的研究。根据厌氧微生物特性与微生物基质代谢特征函数Monod方程的数学模型分析,确定了两相两阶段的圆形截面的上流式厌氧反应器基本构型。针对厌氧反应器关键结构布水器、三相分离器和循环系统进行改进,一方面通过漏斗型螺旋流布水系统使布水均匀,并降低布水能耗;另一方面通过气升内循环与多点外循环耦合循环方式,实现多级处理,回收营养物质和碱度,并通过对三相分离器集气槽下设置斜板的改进,减少污泥进入提升管,降低循环能耗,提高循环适应性与稳定性;最后通过增加螺旋通道式生物相分离器,有效实现两相污泥的分离。通过上述改进形成新型的两相两阶段厌氧反应器,并通过对厌氧反应器结构设计数学模型的分析后进行优化设计,然后进行实验室小试规模的内循环厌氧反应器和新型两相两阶段厌氧反应器的对比试验,根据试验结果分析,新型反应器具有更好的抗冲击负荷能力和更快的启动速度。利用新型反应器进行处理造纸废水研究,建立乙醇型产酸脱硫工艺,系统在驯化启动过程中形成以乙酸、乙醇为主的中间产物,建立水解酸化菌和硫酸盐还原菌的“水解发酵菌群→产乙醇菌群→硫酸盐还原菌群→产甲烷菌群”生物链协同代谢生物群落,在不同生物功能区域具有稳定的pH环境,启动中COD去除率迅速达到91.6%,硫酸盐去除率达到95.77%,且游离H2S和硫化物均低于各自的抑制浓度,未对厌氧反应产生抑制作用。在新型两相两阶段厌氧反应器的乙醇型产酸脱硫工艺处理造纸废水过程中的影响因素、处理性能和污泥特性的分析研究表明:系统对废水的温度、pH的波动具有一定的抵抗能力,在温度处于22~45℃时,产甲烷区COD去除率的变化范围在83.2%~94.1%,在进水pH在4.0～8.5范围内波动时,出水稳定在pH7.2左右,COD去除率维持在88%～92%,硫酸盐的去除率保持在92%～97%,系统体现出了高的内部pH环境稳定性。系统在容积负荷到40 kgCOD/(m3·d)时,COD去除率仍达到84.1%,且负荷的快速提升,COD去除率并未剧烈波动,系统具有良好的抗冲击负荷能力。硫酸盐还原过程也尚未对厌氧反应产生明显的抑制作用。硫酸盐的还原过程主要发生在产酸脱硫区,系统有效解决了硫酸盐还原产物对产甲烷反应的抑制问题。在新型反应器的回流比实验研究,确定了最佳回流比为回流到反应器底部布水装置的回流比R1=2、回流到产甲烷区的回流比R2=0.5,此时能耗较低,污泥床的进水得到稀释,污泥床得到膨胀,在充分保证进水基质与污泥接触的条件下,加速生化反应速率。在新型两相两阶段厌氧反应器的乙醇型产酸脱硫工艺处理造纸废水过程中污泥特性研究中发现,产酸脱硫区污泥由松散的暗黑色絮状污泥向粒径为0.3mm~1mm的浅黑色的颗粒状污泥,颜色不断变为土黄色、淡黄色、乳白色和青灰色。污泥具有良好的水解酸化和硫酸盐还原特性,形状为不规则椭圆形,颗粒污泥表面凹凸不平,球粒较为松散,分布有大量的孔洞。产甲烷区颗粒污泥的形态变得更为完整和饱满,产酸脱硫区和产甲烷区污泥粒径均有逐步增大的趋势,产酸脱硫区污泥粒径由0.5mm以下为主增长到以粒径在0.5-1mm为主,产甲烷区污泥粒径主1-2mm的污泥质量分数随着运行时间的延长不断增加。同时系统产甲烷区污泥产甲烷活性分析发现比产甲烷率达到422 L/kg COD左右,高于传统单相厌氧反应器的350L/kgCOD,具有更高的活性。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-13
第一章绪论  13-28
  1.1 我国造纸废水污染与治理现状  13-16
    1.1.1 我国造纸废水污染现状  13-14
    1.1.2 我国造纸废水处理技术现状  14-16
  1.2 与造纸废水厌氧处理相关的厌氧微生物学  16-21
  1.3 厌氧反应器的研究现状与发展趋势  21-25
    1.3.1 第一代厌氧生物反应器  21-22
    1.3.2 第二代厌氧生物反应器  22-23
    1.3.3 第三代厌氧生物反应器  23-24
    1.3.4 厌氧反应器发展的趋势  24-25
  1.4 课题的研究意义与内容  25-28
    1.4.1 课题的研究意义  25-26
    1.4.2 课题的研究内容  26-28
第二章新型两相两阶段厌氧反应器结构改进与优化设计  28-53
  2.1 厌氧反应器基本构型的确定  28-32
    2.1.1 厌氧反应器级数的确定  28-30
    2.1.2 反应器基本构型的确定  30-32
  2.2 反应器功能结构单元设计与优化  32-48
    2.2.1 螺旋流布水系统结构设计与优化  33-38
    2.2.2 生物相分离器的设计与优化  38-40
    2.2.3 内循环系统的结构设计与优化  40-44
    2.2.4 三相分离器的结构设计与优化  44-48
  2.3 不同厌氧反应器处理污染物性能对比  48-51
    2.3.1 试验用水  49-50
    2.3.2 接种污泥  50
    2.3.3 试验仪器  50
    2.3.4 试验方法  50-51
    2.3.5 试验结果对比分析  51
  2.4 本章小结  51-53
第三章两相两阶段厌氧反应器工作性能分析  53-60
  3.1 螺旋流布水器的工作性能分析  53-55
    3.1.1 反应器布水区污泥分布性能分析  53-54
    3.1.2 反应器布水区能耗的分析  54-55
  3.2 生物相分离器的工作性能分析  55-56
  3.3 三相分离器的工作性能分析  56-58
    3.3.1 一级三相分离器气体分离性能分析  57-58
    3.3.2 终端三相分离器泥水分离性能研究  58
  3.4 本章小结  58-60
第四章新型反应器的乙醇型产酸脱硫工艺处理造纸废水启动研究  60-74
  4.1 试验材料  60-62
    4.1.1 试验流程与装置  60-61
    4.1.2 试验用水  61
    4.1.3 接种污泥  61-62
  4.2 试验方法  62-64
    4.2.1 常规项目  62
    4.2.2 VFA 组分分析  62-63
    4.2.3 体系中硫离子含量的测定  63
    4.2.4 体系中游离硫化氢的含量  63-64
  4.3 试验内容  64-65
    4.3.1 乙醇型产酸脱硫生态群落的驯化  64
    4.3.2 乙醇型产酸脱硫工艺处理造纸废水启动  64-65
  4.4 结果与讨论  65-71
    4.4.1 乙醇型产酸脱硫生态群落的驯化  65-68
    4.4.2 乙醇型产酸脱硫工艺处理造纸废水的启动  68-71
  4.5 本章小结  71-74
第五章新型反应器的乙醇型产酸脱硫工艺处理造纸废水运行性能研究  74-87
  5.1 乙醇型产酸脱硫工艺处理造纸废水的影响因素研究  74-82
    5.1.1 废水温度对工艺处理性能的影响  74-76
    5.1.2 pH 对工艺处理性能的影响  76-77
    5.1.3 容积负荷对工艺处理性能的影响  77-79
    5.1.4 回流比对工艺处理性能的影响  79-80
    5.1.5 硫酸盐含量对工艺处理性能的影响  80-82
  5.2 稳定连续运行条件下两大生物功能区域的污泥特性研究  82-85
    5.2.1 产酸脱硫区与产甲烷区污泥外观变化情况  82-83
    5.2.2 两大生物功能区域的污泥粒径变化情况  83-84
    5.2.3 产甲烷区颗粒污泥产甲烷活性与产气量变化情况  84-85
  5.3 本章小结  85-87
结论与展望  87-90
参考文献  90-96
致谢  96-97
附件  97

新型两相两阶段厌氧反应器优化设计与处理造纸废水性能研究

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