水環(huán)境污染和能源緊缺是我國面臨的兩大難題。將厭氧消化技術用于污水處理,可實現(xiàn)污染治理和能源回收的雙重功效。研發(fā)超高效螺旋式厭氧反應器(Super-high-rate Spiral Anaerobic Bioreactor, SSAB),有助于提升我國厭氧消化技術水平,推動治污工程發(fā)展。本論文采用試驗模擬和數(shù)學模擬相結合的方法,系統(tǒng)研究了SSAB的能量耗散、床層膨脹、污泥運動和污水流態(tài)等三相流動特性,以優(yōu)化該類反應器的設計和操作,加速該類反應器的工程化應用。主要成果如下： (1)研究揭示了SSAB的能量耗散特性。 ①建立了SSAB能量耗散(能耗)模型：分離單元的能耗模型為ΔE3-5=2.79×10-9ul3；反應單元的能耗模型為：ΔEu2-3=1.1216×10-7ul2Vp+0.02798×10-7ul3Vp (固定態(tài)),流化床狀態(tài)ΔEf2-3=0.5096×10-7ulVp(流化態(tài))；布水單元的能耗模型為ΔE1-2=3.06×10-4ul-3。各單元和整體能耗模型的模擬值與實測值吻合較好,可用于指導同類型厭氧反應器能耗狀況的優(yōu)化。 ②分析了SSAB能耗特征：反應單元在氣液固三相時的能耗大于液固兩相時的能耗。在低表觀液速下,反應單元的能耗大于布水單元；而在高表觀液速下,反應單元的能耗小于布水單元。SSAB處于固定床狀態(tài)、液固兩相流化床狀態(tài)、氣液固三相流化床狀態(tài)以及顆粒結團狀態(tài)時的反應單元的能耗最大值分別為1.13×10-4W、4.54×10-4W、12.00×10-4 W和91.75×10-4W,布水單元能耗的最大值為18.81×10-4 W,反應器整體能耗的最大值為110.56×10-4 W,其中反應單元占83.0%,布水單元占17.0%,分離單元可忽略不計。反應器整體能耗對各參數(shù)的敏感性大小依次為顆粒污泥密度(ρp)、表觀液速(ul)、污泥量(Vp)、表觀氣速(ug)和顆粒污泥直徑(dp)。能耗的最大值可作為反應器功率匹配的參考依據(jù)；參數(shù)靈敏度可作為反應器操作的參考依據(jù)。 (2)研究揭示了SSAB的床層膨脹特性。 ①建立了SSAB床層膨脹模型：max=(380-186.74ul-0.98ug0.7)/ul(固定態(tài));E=(0.435ul0.29-0.38)/(1-0.435ul0.29)×100%(流化態(tài))；床層最大污泥量Vpmax=7850εs;?起始流化速度umf=ε03dp2(ρp-ρ1)g/150μ(1-ε0)；起始輸送速度ust=(1-εs)ut。所建模型模擬值與實測值吻合良好,可用于指導同類型厭氧反應器的設計和操作優(yōu)化。 ②分析了SSAB的床層膨脹特征：固定態(tài)時,ul≤0.45 mm·s-1,E為0,Vpmax為4867 mL(床層有效體積為7850 mL),τmax逐漸逼近860 s(HRT最大值為2222 s)；流化態(tài)時,0.45 mm·s-1ul≤6.88 mm·s-1,E、Vpmax和τmax分別為5.28%-255.69%、1368-4559 mL和104-732 s(HRT范圍為145-2222 s)；輸送態(tài)時,ul6.88 mm·s-1,顆粒污泥洗出床層。床層處于流化態(tài)時,床層E與ul和ug呈正相關,Vpmax和τmax與ul和ug呈負相關,且ul越大,E、Vpmax和τmax越趨于一致,其值分別逼近160%、1860 mL和104 s。E和Vpmax對ul和ug的敏感性較為接近,但τmax對ul的敏感性大于ug。 (3)研究揭示了SSAB的污泥運動特性。 ①建立了SSAB污泥運動物理和數(shù)學模型。污泥運動可理解為浮升尾流攜帶顆粒污泥向上轉(zhuǎn)運,返混流攜帶顆粒污泥向下轉(zhuǎn)運所致的床層各區(qū)段的污泥濃度變化。床層上部-中部(ΔV3-ΔV2)和中部-下部(ΔV2-ΔV1)的污泥轉(zhuǎn)運效率比(kt,n/kt,n-1)分別為0.8259和0.7511,污泥轉(zhuǎn)運效率(kt,n-1)分別為0.102-0.315 m3/m3和0.085-0.253 m3/m3。 ②分析了SSAB污泥運動模型參數(shù)的靈敏度。超高效螺旋式厭氧反應器螺旋區(qū)浮升尾流的污泥轉(zhuǎn)運效率對工藝和結構參數(shù)的靈敏性依次為螺旋升角(a),螺旋區(qū)域外管直徑(R),污泥的沉降速率(vs)和基質(zhì)的升流速度(vl),它與這些參數(shù)呈正相關。通過減小α和R可以優(yōu)化反應器構型;通過縮短HRT可以提升容積效能。 (4)研究揭示了SSAB的污水流態(tài)特性。 ①SSAB的污水流態(tài)為：低負荷下的返混程度較小(D/uL0.2,N→∞),污水流態(tài)趨于平推流；中、高負荷下的返混程度介于平推流和全混流之間(0.35D/uL0.467,1.82≤N≤2.71)；超高負荷下的返混程度較大(D/uL≥0.2,N→1),污水流態(tài)趨于全混流。 ②SSAB的流態(tài)特征為：反應器總死區(qū)平均值為27.99%,其中生物死區(qū)平均值為6.98%,水力死區(qū)平均值為21.01%。水力死區(qū)Vh與水力負荷L和產(chǎn)氣速率G之間滿足關系式Vh=0.7603L+0.1627G—4.0620(相關系數(shù)R2=0.968),容積水力負荷對水力死區(qū)的影響大于容積產(chǎn)氣速率。 ③SSAB的適宜流態(tài)為：N≤3.01,即其流態(tài)的等容多釜串聯(lián)級數(shù)不宜超過3.01。為兼顧反應器傳質(zhì)效果和容積效能,反應器設計或操作中,可通過優(yōu)化反應器構型或優(yōu)化操作參數(shù)來調(diào)控N值。
【學位單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位年份】：2011
【中圖分類】：X703.3
【文章目錄】：
致謝
序言
摘要
Abstract
目錄
1 引論
    1.1 厭氧反應器的發(fā)展狀況
        1.1.1 基本原理
        1.1.2 發(fā)展歷程
    1.2 厭氧反應器結構的改良
        1.2.1 橫向內(nèi)構件
        1.2.2 縱向內(nèi)構件
        1.2.3 生物膜填料
    1.3 厭氧反應器氣液固三相流動特性
        1.3.1 能量耗散
        1.3.2 床層膨脹
        1.3.3 污泥運動
        1.3.4 污水流態(tài)
    1.4 超高效螺旋式厭氧反應器的試驗探索
        1.4.1 螺旋內(nèi)構件
        1.4.2 超高效運行
    1.5 本課題研究的意義與內(nèi)容
2 超高效螺旋式厭氧反應器能量耗散的研究
    2.1 材料與方法
        2.1.1 試驗裝置
        2.1.2 顆粒污泥與相關參數(shù)
        2.1.3 測定項目與方法
    2.2 反應器能耗模型
        2.2.1 分離單元
        2.2.2 反應單元
        2.2.3 布水單元
        2.2.4 反應器整體
    2.3 結果與討論
        2.3.1 分離單元能耗特征
        2.3.2 反應單元能耗特征
        2.3.3 布水單元能耗特征
        2.3.4 反應器整體能耗特征
        2.3.5 靈敏度分析
    2.4 小結
3 超高效螺旋式厭氧反應器床層膨脹的研究
    3.1 材料與方法
        3.1.1 試驗裝置
        3.1.2 顆粒污泥與相關參數(shù)
        3.1.3 測定項目與方法
    3.2 床層膨脹模型
        3.2.1 膨脹率
        3.2.2 最大污泥量
        3.2.3 最長固液接觸時間
    3.3 結果與討論
        3.3.1 固定態(tài)行為
        3.3.2 流化態(tài)行為
        3.3.3 輸送態(tài)行為
        3.3.4 靈敏度分析
    3.4 小結
4 超高效螺旋式厭氧反應器污泥運動的研究
    4.1 材料與方法
        4.1.1 試驗裝置
        4.1.2 模擬廢水
        4.1.3 測定項目與方法
    4.2 模型的建立
        4.2.1 物理模型
        4.2.2 數(shù)學模型
    4.3 結果與討論
        4.3.1 模型參數(shù)確定
        4.3.2 模型參數(shù)靈敏度分析
    4.4 小結
5 超高效螺旋式厭氧反應器污水流態(tài)的研究
    5.1 材料與方法
        5.1.1 試驗裝置
        5.1.2 試驗過程
    5.2 理論分析
    5.3 結果與討論
        5.3.1 示蹤結果
        5.3.2 返混程度
        5.3.3 死區(qū)
        5.3.4 多釜串聯(lián)級數(shù)
    5.4 小結
6 結論和展望
    6.1 主要結論
    6.2 創(chuàng)新點
    6.3 不足與展望
參考文獻
個人簡歷
攻讀博士學位期間取得的成果

【引證文獻】

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1 陸慧鋒;吳大天;吳澤高;丁爽;季軍遠;厲巍;郭小韋;趙巖;王卓超;鄭平;;中試螺旋式厭氧反應器處理安乃近制藥廢水的運行性能[J];環(huán)境科學學報;2013年07期

本文編號：2835440