（环境工程专业论文）厌氧折流板反应器水力混合特性研究.pdf

厌氧折流板反应器( a b r ) 水力混合特性研究 摘要 厌氧折流板反应器( a b r ) 是一种新型高效的厌氧生物反应器，但是目前 国内对于其机理分析方面的研究较少。本次课题是对a b r 反应器的水力混合特 性进行研究。首先在实验室条件下，将自行设计的a b r 运行稳定后，研究不同 水力停留时间下反应器的颗粒污泥床特征、停留时间分布规律等。然后通过 多釜串联模型和轴向扩散模型对反应器的停留时闻分布曲线分别进行拟合。最 后，在深入分析两个模型原理的基础上，结合所设计的a b r 的自身特点，选取 停留时间分布规律相近的轴向扩散模型进行修正，得到对反应器拟合效果最佳 的修正轴向扩散模型。 本文在经过实验分析后得到的研究结果表明：从总体上看，a b r 反应器的 死区与其他厌氧反应器相比是很小的，一般在1 3 l8 之间。这与它的结构 有关，隔板在迫使水流进行上下折流前进的过程不但截流了悬浮在水中的大量 污泥，还增强了水流的紊流作用，增加水流返混程度。在反应器运行稳定后进 行的停留时间分布测定结果中看出，随着h r t 的增加，反应器本体推流作用增 强，串联搅拌釜数n 从5 2 8 增大到1 2 5 ，而l p e 从o 0 9 5 减小到0 0 4 。在对 停留时间分布的结果进行数学模型拟合后发现，简单的单参数模型一一多釜串 联模型和轴向扩散模型在拟合实_ i 殒9 停留时间分布曲线时，只能简单的反映出曲 线的走势，其明显的拟合偏差说明反应器内水流状况较复杂，超出其假设条件 的范围。经过深入分析后对轴向扩散模型进行了修正，修正后的模型可以得到 与实测曲线拟合效果最佳的理论曲线。修正后的模型引入两个主要影响因素的 参数a 和p ，其中在实验条件下h r t = 8 2 4 h ，o - 在0 6 0 40 6 7 4 之间，b 在 0 8 2 6 1 2 7 之间。拟合的结果r 2 都大于9 0 。经过物料衡算推导，修正轴向 扩散模型中的修正参数，与实际反应器内水流速度和返混程度有关。 关键词：厌氧折流板反应器( a b r ) ：停留时间分布：多釜串联模型；轴向扩 散模型；修正参数 h y d r o d y n a m i cm i x i n gc h a r a c t e r i s t i c so f a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) a b s t r a c t t h ea n a e r o b i cb a 硼e dr e a c t o rf a b r ) i san e ws o r to fa n a e r o b i cr e a c t o r b u ta t h o m ea n da b r o a dt h ee n v i r o n m e n t a lw o r k e r sc o u l d n tk n e wc l e a r l ya b o u ti tr e a l w o r k i n gp r i n c i p i u m t nt h i ss t u d y , al a b s c a l ea b rr e a c t o rw a se s t a b l i s h e d w h i l e e x p e r i m e n t so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fe x p a n d e dg r a n u l a rs l u d g eb e da n dr e s i d e n c e t i m ed i s t r i b u t i o n ( r t d ) w e r ec o n d u c t e du n d e rd i f f e r e n th y d r o d y n a m i cr e s i d e n c e t i m e ( h r t ) c o n d i t i o n s u n d e rt h o r o u g ha n a l y s i sw i t hm u l t i p h a s ec s t rm o d e la n d d i f f u s i n gm o d e l ，c o r r e c t i o n a ld i f f u s i n gm o d e lw i t ht w on e wp a r a m e t e r sc a n a n a l y z i n gr t dr e s u l tp e r f e c t l y t h r o u g ht h e s ew o r k s o m ec o n c l u s i o n sc a nb ed r a w n ：f i r s t l y ，c o m p r i s e dw i t h o t h e ra n a e r o b i cr e a c t o r s d e a dz o n e ，t h ed e a dz o n eo fa b r sw a st h el e a s t w h i c hi s b e t w e e n1 3 一1 8 ，t h er e a s o ni st h a tv e r f i c a lb o a r di nr e a c t o rh e t du pg r a n u l a r s l u d g ea n de n h a n c e dc u r r e n tc o n f u s i o n s e c o n d l y ，w h e nt h er e a c t o rw o r k i n g s t e a d i l y ，a l o n gw i t hh r tc h a n g i n gf r o m8 ht o2 4 h ，p a r a m e t e rnr e s u l ti sf r o m 5 2 8t o1 2 5a n dp a r a m e t e r1 p cr e s u l ti sf r o m0 ，0 9 5t o0 0 4 t h i r d l yw h e nw eu s e m u l t i - p h a s ec s t rm o d e la n dd i f f u s i n gm o d e l ，w ec a n n o tg e tt h er i g h tc u r v et o a n a l y s et h ec o n d i t i o ni nt h er e a c t o r t h ed i f f e r e n c e sb e t w e e nf i t t i n gc u r v ea n d e x p e r i m e n td a t am e a nt h a tt h ec o m p l e xc o n d i t i o ni nr e a c t o re x c e e d e dt h e i ru s i n g q u a l i f i c a t i o n a f t e rd e e pa n a l y s em u l t i p h a s ec s t rm o d e la n dd i f f u s i n gm o d e l ，t l l e d i f f u s i n gm o d e lh a v er e s e m b l i n gp r i n c i p l ew i t ht h er e a c t o r ，b u ts o m e t h i n gm u s tb e d o n et om o d i f yd i f f u s i n gm o d e l ，a n dt h eb e s tc u r v ew i l lb eg e t a d d i n gt w on e w p a r a m e t e r0 【a n dp ，t h er e s u l ti st h a t0 【i sf r o m0 6 0 4t o0 ，6 7 4a n dbi sf r o m 0 8 2 6t o1 2 7 ，w h e nh r ti n c r e a s i n gf r o m8 ht o2 4 h r 2i sb e t t e rt h a n9 0 c o m p a r i n gw i t ht h ee x p e r i m e n td a t a k e y w o r d s ：a n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ( a b r ) ；r e s i d e n e et i m ed i s t r i b u t i o n ( r t d ) ； m u f f p h a s ec s t rm o d e l ；d i f f u s i n gm o d e l ：c o r r e c t i o n a lp a r a m e t e r ； 插图清单 图1 1 各种类型的a b r 反应器6 图2 i 液龄分布函数曲线( e t 曲线) 示意图1 3 图2 2 脉冲示踪法测定r t d 曲线示意图1 4 图2 3 示踪实验数据分析流程一一l5 图3 一l 自制a b r 反应器结构图“1 7 图3 2 a b r 反应器工艺流程示意图一18 图3 3 氯离子测定标准曲线一2 l 图4 1 不同隔室的颗粒污泥情况2 6 图4 2 清水实验中不同h r t 下隔室1 和隔室5 出口浓度比较图- 2 9 图4 3 不同h r t 下反应器行污泥时候隔室1 和隔室5 出口浓度比较图3 2 图4 - 4 不同h r t 下反应器第一隔室清水实验与含污泥实验结果比较图一“3 5 图4 5 不同h r t 下反应器第五隔室清水实验与含污泥实验结果比较图- 3 7 图5 1 多釜串联模型反应器示意图一4 l 图5 2a b r 反应器重各隔室污泥床实际流动状态4 3 图5 3 轴向扩散模型物料橱算示意图4 4 图5 - 4 不同h r t 条件下多釜串联模型拟合图一4 7 图5 5 不同h r t 条件下轴向扩散模型拟合图5 0 图5 - 6 不同h r t 条件下修正的轴向扩散模型拟合图5 5 表格清单 表3 1 主要设备1 8 表3 2 人工合成葡萄糖废水营养母液配方1 9 表3 3 人工合成葡萄糖废水微量元素母液配方1 9 表3 4 分析项目测定方法表1 9 表4 1a b r 反应器的实验运行情况2 3 表4 2 清水实验结果统计表3 0 表4 - 3 含有污泥反应器稳定运行条件下实验结果统计表3 3 表4 4 不同h r t 条件下的死区情况3 8 表5 1 不同h r t 下修正的轴向扩散模型参数值5 3 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 j 作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得合肥工业大学或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签名： 汤矽金多冬 签字时间： 。年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆兰些盍堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权盒蟹工些盔堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保留的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 签字时间： d 6 年 彩羚论 月6 日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 导师签名： 签字时间：日 慧 缸 年 ，6 阳h 。 致谢 本文是在导师周元祥老师的悉心指导下完成的。从论文的选题、研究、实 验的完成，到最后论文的撰写、定稿，都得到了导师悉心的指点和帮助。周老 师的敬业精神、渊博的知识、严谨的治学态度以及丰富的工程实践经验，使我 受益匪浅。值此论文完成之际，谨向周老师致以崇高的敬意和衷心的感谢。 在具体的试验研究当中，还得到了课题组内曲春风、席颖、施晶俊、童晓 庆、刘俊、程凯以及吴俊堵等同学的诚心帮助，在此致以深深的谢意。 我要把最诚挚的谒f 意献给我的父母，是他们一直在精神和生活上给予我最 大、晟无私的关心和支持，才使我能顺利完成学业。 感谢刘宏杰同学几年来给予我无尽的支持与帮助。 最后向所有关心、支持和帮助我的老师、同学和朋友表示衷心的感谢! 方玲玲 2 0 0 6 年5 月 第一章绪论 厌氧技术是废水生物处理的重要方法之一，它主要利用厌氧微生物菌在没 有氧气参与的情况下把废水中的高分子有机物经过生物代谢转化成小分子有机 物直至最终生成甲烷、氢气和水等。这种方法由于对复杂工业废水处理能力强， 同时能源消耗小，产生的污泥量少，有着广阔的发展空间。特别是在近2 0 多年 来，随着工业的迅速发展，全世界内环境问题和能源短缺变得越来越突出，从 而为厌氧技术的发展提供了很大的机会。通过各国环境工程专家和微生物学研 究工作者的潜心研究，厌氧微生物学和生物化学等基础学科取得了很大的进展， 同时研发了一批新型高效的废水厌氧生物处理新工艺。这使得厌氧技术不仅是 高效能的。而且可以在常温下进行；不仅可以处理高浓度有机废水，还可以处 理中低浓度废水。 1 1 厌氧生物处理反应器的发展 废水的生物处理过程的实质是一系列复杂的生物化学反应。其中的底物、 各类中间产物以及各种群微生物间的相互作用，形成一个复杂的微生物生态系 统【l 】。各类微生物的平稳生长、物质和能量流动的高效顺畅是维持降解过程稳 定的必要条件。如何培养和协调相关各类微生物的平衡生长，最大程度地发挥 其中的微生物代谢活性，并拓宽适用范围，成为了生化处理反应器开发和发展 的基本思想和工作目标1 2 j 。 厌氧生物处理技术是将去除废水中的有机物和沼气能源的回收利用相结合 的一种有效、经济的废水处理技术 3 - 4 1 。从1 9 世纪中叶人们已经开始有目的地 将厌氧消化技术用于处理有机废水和污泥上，至今已近1 5 0 年。近3 0 年来，随 着人们对厌氧生物处理技术原理认识的深入和生物科学技术的发展，厌氧生物 反应器技术得以飞速发展，为高浓度工业有机废水和生活污水的工业化处理提 供了重要手段，也为废水厌氧处理技术创造了更广阔的应用前景。 厌氧反应器的发展经历了一下几个阶段： l 。传统厌氧反应器 1 8 6 0 年法国工程师m o u r a s 采用厌氧方法处理经沉淀的固体物质；1 8 9 6 年 英国出现了第一座用于处理生活污水的厌氧消化池”j ；1 9 0 4 年德国的i n h o f f 开 发了双层沉淀池( 腐化池) ：1 9 1 0 年至1 9 5 0 年高效的、可加温和搅拌的消化池 得到了发展j ；二战结束后，厌氧处理技术的发展又掀起了一个高潮。4 0 年代 澳大利亚出现了连续搅拌的厌氧消化池，改善了污泥与废水的混合条件，提高 了处理效率。但是，反应器中的微生物( 即厌氧污泥) 与废水或废料是完全混 合在一起，污泥在反应器里的停留时间( s r t ) 与废水的停留时间( h r t ) 相 同，因此污泥在反应器旱浓度较低，处理效果不理想。废水在反应器里要停留 几天到几十天之久。此时的厌氧处理技术主要用于污泥与粪肥的消化，它尚不 能经济地用于工业废水的处理。经过几十年的发展，于2 0 世纪5 0 年代中期人 们研究开发了厌氧接触反应器。该反应器是在连续搅拌反应器的基础上在出水 沉淀池中增设了污泥回流装置，使部分厌氧污泥又返回消化池中，第一次增大 了反应器中厌氧污泥浓度，因此处理效率与容积负荷显著提高，大大缩短了 h r t ，实现了水力停留时间和污泥停留时间的分离，使得s r t 大于h r t ，这是 厌氧处理技术的一个重要发展，标志着现代废水厌氧处理技术的诞生。这些反 应器称之为传统厌氧反应器或第一代厌氧反应器。 2 第二代厌氧反应器 生物工程中固定化技术的发展使人们认识到提高反应器内污泥浓度的重要 性，于是基于微生物固定化原理的第二代厌氧反应器即高效厌氧反应器得以发 展，这一时期的厌氧反应器以厌氧生物滤池和上流式厌氧污泥床反应器为代表。 1 9 6 9 年j c y o u n g 和p l m e c a r t y 发明了厌氧滤器( a n a e r o b i cf i l t e r ，简称a f ) ， 首次开发了厌氧生物膜法，增大了污泥龄，提高了处理效率，这是现代厌氧生 物处理技术发展的一个里程碑，开创了在常温下对中等浓度有机废水生物处理， 大大开拓了厌氧生物处理技术在工业废水处理和城市污水处理的应用范围f 7 。 1 9 7 4 年，荷兰农业大学的l e t t i n g a 等人又开发了升流式厌氧污泥床反应器 ( u a s b ) ，生物固体的颗粒化开辟了全新的生物固定化途径，从而大大提高了 厌氧生物反应器的有机负荷，极大地推动了厌氧生物处理技术的工业应用。标 志着厌氧反应器的研究进入了新的时代。a f 和u a s b 都能够保持大量的厌氧 污泥并且将h r t 和s r t 分离，s r t 可延长至几十天甚至上百天，同时使厌氧 处理高浓度废水的h r t 从过去的几十天或几天缩短至几天甚至几小时。这一时 期还开发出了一些其他类型的厌氧反应器，2 0 世纪7 0 年代中期，p r e t o e r i o u s 和m c c a r t y 开发出了厌氧生物转盘，之后m c c a r t y 剐又在此基础上于1 9 8 1 年改 进开发了厌氧折流板反应器( a b r ) ，由于种种原因，这些厌氧反应器在实际工 程中的应用不如a f 和u a s b 反应器那样广泛，尤其是a b r 反应器，到目前为 止很少有关于生产型的研究报告。 3 第三代厌氧反应器 为满足厌氧反应器的高效运行就必须使进水和反应器内的污泥之间保持良 好接触。为此，首先应该保持反应器布水的均匀性，这样可以最大限度地避免 短流。由于新型高效厌氧反应器内不用机械搅拌，反应器内的混合作用由进水 混合和产气扰动来完成。当进水无法采用高的水力和有机负荷时，只能采用低 负荷，使得水流和产气的搅拌作用减小、污泥床内的混合强度低、短流效应加 剧，正是对这一问题的研究才开始开发了第三代厌氧反应器【9 1 。 第三代厌氧反应器以膨胀颗粒污泥床( e g s b ) 、厌氧升流式流化床( a u b f ) 和厌氧内循环反应器( i c ) 为代表，它们都是在u a s b 的基础上开发出来的。 e g s b 的高径比大于u a s b ，它是在高的升流速度下使颗粒污泥处于悬浮状态 而保持了进水与颗粒污泥的充分接触。i c 反应器是两个u a s b 反应器单元重叠 而成，底部单元处于极端高负荷，上部单元处于低负荷，在反应器内部能够形 成流体循环，从而加强有机物与颗粒污泥的传质作用。 从厌氧反应器发展过程中可以反映出在不同的阶段改进的重点有所不同 0 1 0 - 1 9 。在第一阶段主要是为了分离污泥停留时间s r t 和水力停留时间h r t ， 减少水力停留时间h r t ，即减小反应器的容积；第二阶段主要是使反应器内能 够持有大量的活性污泥以提高负荷，增强处理效果；第三阶段主要是为了加强 污泥和废水之间的混合接触以提高传质效率，最终目的仍然是为了提高处理效 率。总之，厌氧反应器的发展过程中始终围绕着提高反应器的污泥浓度和负荷、 将s r t 与h r t 分离并尽可能延长s r t 、逐渐用水流与产气的搅拌作用取代接 替搅拌。 1 2 厌氧折流板反应器研究进展 1 2 1 厌氧折流板反应器的工作原理 对不同种类化合物的厌氧消化过程和反应器技术的新理解就将会发展出 有前景的新代反应器。在展望先进的厌氧处理技术时，l e t t i n g a 提出了阶段 化多相厌氧( s t a g e dm u l t i p h a s e a n a e r o b i c ，简称s m p a ) 反应器 20 1 ，它不仅能 够在更高的负荷率下提供更好的处理效率，而且还适应于极端的环境条件和具 有抑制性化合物的条件特点。 s m p a 的中心思想在于： ( 1 ) 在每一个单独的单元内依赖所能获得的基质和单元内特定的环境条件( 如 p h 、氧化还原电位、h 2 分压、代谢中间产物等) 培养出合适的厌氧细菌群 落； ( 2 ) 防止各单元内独立发展形成的污泥互相混合： ( 3 ) 各个单元内产生的气体单独排放，互不混合： ( 4 ) 使流程更接近于推流式，从而获得更好的处理效率。 实际上s m p a 不特定指某个反应器，它强调的是一种思想，是对厌氧消化 的一种新的、深入的理解，组成s m p a 各单元的可以是a f 、u a s b 和e g s b 等。在众多的新型高效厌氧反应器中，只有a b r 反应器能够近乎完美地单独 实现s m p a 的构想。a b r 反应器的结构及蕴涵的思想与厌氧消化理论的不断深 入理解和厌氧反应器的发展趋势是相同的。近年来对a b r 反应器的研究不断 增多，为a b r 反应器最终能够大规模应用于实际创造了条件【2 。 在a b r 反应器内使用了一系列挡板使含有机污染物的废水从流入到流出 顺挡板自下而上流，这些挡板将反应器分隔成串联的几个反应室，每个反应室 都相当于一个相对独立的上流式污泥床系统( u p f l o wa n a e r o b i cs l u d g eb e d ，简 称u a s b ) ，废水进入反应器后沿导流板自下而上折流前进，顺序通过每个反应 室的污泥床，废水中的有机基质与每格室的微生物充分接触而得到降解。废水 流动和处理过程中产生的沼气使反应器内的微生物在折流板所形成的格室内 作膨胀和沉淀作用，但是由于导流板的阻挡和污泥自身的沉降性能，污泥在水 平方向的流速极其缓慢，从而大量的厌氧污泥被截留在反应室中 2 2 - 2 4 】。由此可 见，a b r 反应器是一种由多个格室组成的连续式结构，虽然在构造上可看作是 多个u a s b 的简单串联，但在工艺上与单个u a s b 有着显著的不同，a b r 反 应器整体上更接近于推流反应器 2 5 - 2 6 1 。 a b r 反应器独特的分格式结构使得每个反应室中可以驯化培养出与该反 应室中的污水水质、环境条件相适应的微生物群落，使厌氧反应产酸段和产甲 烷段得到分离，使a b r 反应器在整体性能上相当于一个两段厌氧处理系统。 通常认为，两段厌氧工艺通过产酸段和产甲烷段的分离，两大类厌氧群落可以 各自生长在最适宜的环境条件下，有利于充分发挥厌氧群落的活性，提高系统 的处理效果和运行的稳定性。 1 2 2 厌氧折流板反应器的发展 厌氧折流板反应器自从开发出来以来，许多科研人员在结构作了多种改进 ( 见图1 一l ( b ) 一( l ) ) ，其目的在于：提高它的性能、处理某些特别难处理的废水【2 8 l 或节约成本( 图1 1 ( f ) ) 2 9 1 。各种形式的厌氧折流板反应器如图1 1 所示。 在1 9 8 1 年，f a n n i n 等人 3 别在处理高固体浓度海藻泥浆水的反应器内加设了 垂直板( 图1 1 ( c ) ) ，以提高反应器截留大量产甲烷生物体的能力，这些生物体 生长缓慢且不断被进水中固体物质代替。当负荷率恒定为1 6 k g c o d m 3 d 时， 在增加了折流板后，甲烷浓度是o 3 4 m 3 k g v s s ，产气中甲烷含量从3 0 增加到 5 5 。在后期的研究中，b a c h m a n n 等人川分别研究了减小下向流室宽度和增加 导流板折角对反应器运行性能的影响( 图l l ( a ) ) 。研究发现，虽然反应器在改 造后，其产气量和废水处理效率均有提高，但产生的沼气中甲烷的含量降低。 且被改造后的反应器运行性能劣于在相同操作条件下厌氧滤池和生物转盘，改 造后的折流板反应器、厌氧滤池及生物转盘的c o d 去除率分别是8 2 、9 2 和 9 0 。 为了进一步提高处理高浓度废水的固体截留能力，t i l c h e 年d y a n g 等人又对 a b r 反应器作了进一步的改进( 图1 1 ( e ) ) 。主要表现在：最后一格反应室 后增加了一个沉降室，流出反应器的污泥可以沉积于此：在每格室内加设 填料，防止污泥的流失；每格室产气单独收集，便于分别研究每格反应室 的工作情况，同时也保证产酸阶段所产生的h 2 不会影响产甲烷菌的活性。 b o o p a t h y 和s i e v e r s i j 引( 1 9 9 1 ) 在利用a b r 反应器处理含高浓度细小颗粒 物的养猪场废水时，对折流板反应器作了进一步改进。由于在折流板反应器中 处理养猪场废水的主要问题是不能产生可提高固体截留能力的漂浮污泥层，以 及高流速导致了大量的生物体洗出。所以，改造反应器的目的在于降低流体的 升流速度，以减少污泥的洗出，设计了一种两格的a b r 反应器( 图1 1 ( g ) ) ， 其第一格的体积是第二格的两倍，第一格体积的增大不仅可以减少水流的上升 速度，而且还可以使进水中的悬浮物尽可能多的沉积于此，增加了悬浮物的停 留时间。b o o p a t h y 将这种经过改造的a b r 反应器与另一种等体积的三格a b r 反应器进行了比较研究。结果表明，改造后的两格a b r 反应器的污泥流失量 大大减少，但处理效率却不升反降。 水平折板式反应器( h o r i z o n t a l l yb a f f l e da n a e r o b i cr e a c t o r ) 是由y a a g 和 c h o u t 3 3 1 于1 9 8 5 年提出的一种新型a b r 反应器( 图1 。1 ( k ) ) 。 g a n g 等人对水 平折板式厌氧反应器处理养猪场废水进行了研究。研究发现，此种反应器可以 有效的实现固液两相的分离并且具有占地面积小、操作简单、成本低等特点， 适合处理养猪场废水这类悬浮固体浓度高的有机废水。 新型的a b r 反应器是由s k i a d a s 和l y b e r a t o s l 3 4 于1 9 9 8 年开发的周期性折 流式厌氧反应器( p e r i o d i ca n a e r o b i cb a f f l e dr e a c t o r ，简称p a b r ) 。p a b r 的 结构见图1 1 ( l ) 所示( 图1 - l ( l ) 一a 为p a b r 的三维轴侧图，图1 1 ( l ) b 为p a b r 的俯视图) 。p a b r 由两个同轴圆柱体构成，内於圆柱体区域被竖向导流板分隔 成若干横截面为扇形的封闭式反应区( 俯视图中两条粗黑线所夹的扇形区域) ， 每个反应区出底部连通的升流区( 0 ) 和降流区( o ) 组成，相邻的区域通过 外部的配水管相连。s k i a d a s 等人认为p a b r 最大优点是它的操作灵活性，即可 以根据进水浓度和流量的变化来选择不同的操作周期，使p a b r 工作在最合适 的状态下，以达到最佳的处理效果。 不同形式的a b r 反应器极大的丰富了a b r 反应器研究的内容，实际研究 工作时可以根据各自的需要选择合适的a b r 反应器。 b l 2 n - 1n b e 一e 12 n 一1n b e e 图11 各种类型的a b r 反应器 1 2 3 厌氧折流板反应器的特点 与其它型式的厌氧反应器相比，厌氧折流板反应器在反应器性能上有以下 几个突出的特点： ( 1 ) 水力条件好 反应器的水力流态及其优劣可用容积有效利用率或反应器的死区容积分数 ( v d v ) 及扩散或混合程度( 一般吼p e c l e t 准数l a l i d z ) 来描述d “。示踪研究 表明，在不同污泥浓度和不同h r t 且稳态运行的条件下，a b r 反应器的v d v 6 为7 2 0 ，其平均数为9 8 。因而a b r 反应器的容积利用率要高于其它型 式的反应器。此外，a b r 反应器随进水量的增大( 即h r t 缩短) ，各隔室的g l d 数下降，而v d ，v 的变化( 增加) 幅度不大，说明由于进水量的增大，促进了 返混作用，即各隔室呈现出完全混合( c s t r ) 的流态( 在高的产气量情况下， 污泥床亦处于流化态) 。但同时由于折流板的阻挡作用，阻止了各隔室间的返混， 因而就整个反应器而言，则具有水平推流( p f ) 的流态，且分隔数越多，p f 式越明显【3 6 3 8 1 。因此，可把运行中的a b r 反应器看作一个由一系列混合良好的 c s t r 的串联。这种整体为p f 、个体为c s t r 的复合流态工艺的反应速率、处 理稳定性及容积利用率均要优于单个c s t r 或p f 反应器。 ( 2 ) 微生物种群分布合理 a b r 反应器中不同隔室内的厌氧微生物易呈现出良好的种群分布和处理 功能的配合，不同隔室中生长出适应流入该隔室废水水质的优势微生物种群， 从而有利于形成良好的微生态系统。例如，在位于反应器前端的隔室中，主 要以水解和产酸菌为主( m c c a r t y 和n a c h a i y a s i t 的研究表明，在a b r 反应器 的第一个隔室中以产丁酸菌为主) ，而在较后的隔室中则以甲烷菌为主。其中随 隔室的推移，由甲烷八叠球菌m e t h a n o s a r c i n a 为优势种群逐渐向甲烷丝菌属 m e t h a n o t h r i x 、异养甲烷菌和脱硫弧菌属等转变。这种微生物种群的逐室变化， 使优势种群得以良好地生长，并使废水中污染物得到逐级转化并在各司其职的 微生物种群作用下得到稳定的降解。 ( 3 ) 抗冲击负荷能力强 a b r 反应器较强的抗冲击负荷能力来源于对废水中固体较强的截留能力 和微生物种群的合理分布。 ( 4 ) 处理效果十分明显 由于a b r 反应器具有上述特性，因而具有良好的处理效果。据报道，该工 艺适用于多种环境条件( 水质和水温) ，在温度为1 0 5 5 内均可稳定的运行。 同时a b r 在自身结构上还具有以下特点 4 0 - 4 z ： ( 1 ) 工艺简单，投资少，运行费用较低； ( 2 ) 能在高负荷下有效地截留生物固体和进水中的s s ； ( 3 ) 启动容易，能在不同条件和隔室中形成性能不同的颗粒污泥： ( 4 ) 对有毒物质适应性强； ( 5 ) 因反应器内没有填料，不会发生堵塞。 但是我们也看到，a b r 反应器也存在一些不足之处。在同等的总负荷条件 下与单级的厌氧反应器相比，a b r 反应器的第一格室要承受的负荷远大于平均 负荷，造成局部负荷过载，对反应器的运行产生不利的影响。另外，a b r 反应 器也有厌氧反应器的共同的弱点，即出水c o d 浓度较高，较难达到直接排放 标准，还需要后续处理设备。 1 2 4 厌氧折流板反应器的国内外研究进展及应用 目前关于a b r 反应器的研究尚处于实验室阶段。国内外的很多学者都对 a b r 反应器进行过研究，不过大多数都集中在废水处理方面的研究。b o o p a t h y 和t i l c h e ( 1 9 9 1 ) 研究了用a b r 处理高浓度糖浆废水的情况j 。当c o d 为 1 1 5 9 l ，c o d 容积负荷达到1 2 2 5 k g c o d ( m 3 d ) 时，溶解性c o d 去除率可达到 8 2 ，产气量为3 7 2 l d 。增加进水c o d 浓度至9 9 0 9 l ，相应的c o d 容积负荷 达到2 8 k g c o d ( m 3 d ) l 列- ，溶解性c o d 去除率降低到5 0 ，但产气量却增加了 一倍多，达到7 4 ll d ，相当于每单位体积反应器每天产气5 单位体积。与此舟 时，反应器内污泥浓度也从4 0 9 l 增加到6 8 9 l 。b o o p a t l i y 等人认为，高产气 速率虽然可能会导致污泥膨胀，但污泥沉降性能的提高会抵消高产气速率带来 的不利影响。已有的研究表明，采取适当的工艺措施( 出水回流、增加填料) ， a b r 可以处理各种浓度的废水，包括悬浮固体浓度很高的养猪场废水 ( s s = 3 9 ，1 9 l ) 、酒糟废水( s s = 2 1 9 l ) 等。 而在国内的研究报道主要有：沈耀良( 1 9 9 9 ) 等用a b r 反应器处理垃圾 渗滤液【4 “，将a b r 反应器控制在水解酸化阶段，明显改善和提高垃圾渗滤液 的可生化性；陈洪斌( 1 9 9 9 ) 等对厌氧折流板反应器处理豆制品废水进行了研 究1 4 5 1 。试验结果表明a b r 反应器的容积负荷与去除负荷呈正相关，有较高的 去除效果；戴友芝等( 2 0 0 0 ) 采用a b r 处理五氯酚钠有毒废水的过程中1 4 3 ， 证实a b r 反应器对五氯酚钠有毒废水有很强的适应性，各隔室形成沉降性良 好的颗粒污泥，并在颗粒污泥表面及内部观察到大量的菌丝。鞠宇平等( 2 0 0 3 ) 采用a b r s b r 组合工艺对电泳涂膜废水进行处理【4 ，分析了a b r 的反应时间、 温度对c o d 去除率及废水可生化性的影响。 然而，对于反应器机理方面国内外的资料都不多见。a g r o b i c k i ， d c s t u e k e y l 47 】和天津大学的郭静 4 8 】对a b r 的水力特性的研究表明：a b r 反应 器在没有回流和搅拌的条件下，混合效果良好，死区百分率低。另外徐金兰【玛】 等研究了a b r 反应器( 4 隔室、15 8 4 l 、1 5 9 v s s l ) 的启动与颗粒污泥的形成 情况，运行4 0 天后在反应器的四个隔室中均发现了颗粒污泥。同时她讨论了颗 粒污泥的形成影响因素，指出水流特性、适宣菌群、水力负荷、适宜碱度是颗 粒污泥形成的条件。王存政 6 3 1 在研究基质降解动力学的时候得到，温度为2 5 的条件下，a b r 反应器各级有机底物最大比降解速率v m a x 和饱和常数k s 分别为3 0 6d 一、1 5 2d 、0 9 7d 。和2 0 15 7 8 9r b _ g l ，、2 9 4 7 3 8m g 1 、7 0 0 7 4 0 m g l 。 分析以上的研究成果，发现关于a b r 反应器内部水流变化及停留时间分 布规律的并不多见。结合化工原理上的知识和厌氧技术的应用，从a b r 反应 器水力混合特性角度进行深入研究，并通过统计数学方法建立数学模型来反映 它的本质，以期为a b r 反应器的实际应用设计提供定的依据。 1 3 课题研究的意义 随着能源的日趋紧张，以及世界各国对环境保护的重视，厌氧技术的应用 领域将会越来越广泛【4 ”。同时新的工艺理念的提出和微生物技术的发展，使得 包括厌氧折流板反应器( a b r ) 在内的新型高效厌氧反应器在改善水环境质量 的方面具有广泛的发展空间。目前世界各国对a b r 反应器的研究主要还在实 验室小试阶段，关于其水力特性等流动特性方面的报道国内也不多。但是，众 所周知，水力特性对厌氧反应器颗粒污泥的形成有重要的作用。所以本课题鞔 以a b r 反应器的水力特性作为研究对象的出发点。 类似于化工反应器，a b r 反应器的微生物降解动力学研究也基于对反应器 内部水力混合特性的研究。为了确定流态和流体混合状况对基质降解的影响， 需要建立描述反应器内部流体行为的理论模型。但由于反应器的物理影响，如 内壁摩擦、挡板、转角处涡流、隔室数目等，在实验过程中，存在断面液流流 速分布、基质浓度分布和温度梯度不均匀的问题，这使得后面的模型建立和对 反应器的分析和放大存在困难。 已有的a b r 反应器流态方面的研究报道多集中在国外，且尚属于研究阶 段，文献报道并不十分完备，而国内相关研究也正处于起步阶段，鲜见研究报 道。因此，笔者尝试在实验室利用小试反应器系统研究典型a b r 反应器的水力 混合特性，并尝试建立反应器水力流动模型，为a b r 反应器的降解动力学模型 的建立和实际生产中反应器的放大设计等方面提供依掘。 1 4 课题研究主要内容 1 清水实验 首先是对自行设计的厌氧折流板反应器进行清水实验，主要是为了与后面 的含有污泥层的时候的情况进行比较，从而得出反应器水力死区和生物死区的 关系，及反应器的停留时间分布情况的初步认识。 2 a b r 反应器的启动实验 以自配葡萄糖水并添加微量元素作为进水。接种污泥选自某厌氧反应器的 活性颗粒污泥，先驯化污泥使得反应器处于稳定阶段，然后采用固定迸水c o d 浓度而调整h r t 的方式为后面实验做准备。每个实验阶段连续监测反应器的 p h 值、处理效率( c o d 去除率) 、产气量并镜检污泥微生物种群的变化，以获 取反应器的运行情况的基本参数数据。 3 停留时间分布函数的测定 用注入示踪剂的方法测定反应器的停留时间分布。即在某一时刻向反应器 注入示踪剂，然后在反应器出水中检验示踪剂浓度随时间的变化情况。以此来 分析反应器结构、污泥状况等因素对反应器内水流变化的影响。从而为模型的 拟合及建立提供实测数据。 4 模型的拟合及建立 首先选择简单的单参数模型，包括轴向扩散模型和多釜串联模型进行拟合 r t d 实测曲线，分析拟合偏差以推断反应器内部的流态和混合特性。然后以单 参数模型拟合的偏差特征和颗粒污泥床特征为基础，建立多参数修正模型，并 进行曲线拟合，分析拟合偏差和模型参数变化，进一步分析反应器内部的流态 和混合特性。 0 第二章a b r 反应器的水力混合特性原理 2 1a b r 反应器的流体动力学特点 a b r 反应器中每个隔室都是一个相对独立的上流式污泥床系统，水流由导 流板引导上下折流前进，逐个通过反应室内的污泥床层，所流经的总长度加大， 再加上其中的隔板的阻挡作用和污泥沉降作用，生物固体被有效地截流在反应 器内，折流板和产气使废水和微生物在反应器内沿折板上下混合流动，而整个 反应器内的水流则以较慢的速度作水平推流，这种流态在提高反应器的容积利 用率、减小死区分布的同时，可以提高系统的运行稳定性和处理效率，是一种 极佳的水力流态。复合流态是一种复杂流态，即在实际条件下，整个系统并 非理想的连续搅拌釜式反应器( c s t r ) 串联而成的理想的连续活塞流反应器 ( c p f r ) ；而且在不同的工艺运行条件下，系统的流态虽可保持其一定的特征 趋势，但这种特性趋势的程度却存在明显的不同，并由此影响反应器的整体运 行效能。因此，水力流态特性的研究为准确地反映不同条件下反应器的运行状 况，从而为达到所需的处理效果和运行特性，提供合理的反应器工艺设计参数。 对于生物处理反应器，容积利用率是一个关键的参数，一方面可以反映反 应器容积的有效性，另一方面可以反映微生物与底物接触几率。反应器的容积 利用率可以采用停留时间分布( r t d ) 、死区容积分布( v d v ) 及扩散或混合程 度( p e c l e t 准数l a l d ：) 进行描述1 5 。a b r 反应器的死区可以分为生物死区 ( b i o l o g i c a ld e a ds p a c e ) 和水力死区( h y d r a u l i cd e a ds p a c e ) 两类。生物死区 主要是由于生物累积以及生物体对液流的干扰( 如吸持滞水层、产气等) 所致。 水力死区主要由挡板拐角的滞留涡流所致，它的大小是进水流速和挡板数目的 函数，与挡板的数目呈正相关，与h r t 为负相关1 6 “。 2 2 水力特性的研究方法 获取流体水力学特性的方法主要有两种：计算流体力学( c f d ) 一一基于 获取n a v i e r s t o k e s 方程的数值解的方法；停留时间分布【5 l 】( r t d ) 一一基于解 释示踪实验数据的近似方法。随着计算机技术的飞速发展，诸多基于c f d 的商 业软件的问世使得计算流体力学方法正逐渐渗入各个领域，为系统仿真、设备 的优化设计提供了高效的方法。c f d 在化工领域的应用较多，如流化床、搅拌 反应器、萃取塔的建模，化学反应过程、干燥过程的仿真等。而i h d 方法因其 实验简单，应用领域广等优点，几十年来一直是气相和液相流动特性的主要研 究方法之一。 利用停留时间分布分析反应器的方法首先是由m a c m u l l i n 和w e b e r 提出的， 到2 0 世纪5 0 年代初期d a n c k w e r t s 提出了有关的基本概念后，停留时间分布得 到了广泛应用，有关这方面的文献也同益增多，下面的讨论也将应用d a n c k w e r t s 的概念。 2 2 1r t d 的定义 当讨论反应动力学和各种反应器的设计时，都会涉及到研究反应进行的程 度以及反应物料在反应器内停留时涮的长短问题，时间越长，反应进行得越完 全。另一方面，建立反应器的流动模型需要