厌氧序批式反应器.doc

本科毕业设计外文翻译外文译文题目（中文） ：通过序批式厌氧反应器消化热水解污泥（以下六项用宋体标4号字）学 院:专 业:学 号:学生姓名:指导教师:日 期: 通过序批式厌氧反应器消化热水解污泥关键词污泥热水解法序批式厌氧反应器摘要实验室试验进行了一项通过ASBR用蒸煮的方法水解污泥的性能的调查研究。嗜温的ASBR和CSTR都要一个等量的填充速率，分别是2.71kgCOD/m在20天的水力停留时间和5.42kgCOD/m在10天的水力停留时间。在20天和10天的水力停留时间内ASBR的总化学需氧量的效果移除分别是67.71%和61.66%。这比通过CSTR获得的分别高12.38%和27.92%。结果，ASBR的日均废气产量比CSTR在20天的水力停留时间所产生的废气要高15%，比CSTR在10天的水力停留时间所产生的废气要高31%。用蒸煮的方法使污泥水解所产生的固体能达到一个很高的含量，约在65-80g/l。这导致了在10天水力停留时间内的固体停留时间在34-40天左右。然而，太多的固体积累会导致ASBR工艺的不稳定，制定正规的从ASBR的反应炉底部卸下消化污泥能保持反应炉的稳定。ASBR一个循环周期内的生成气体，溶解性化学需氧量以及有机酸的变化都显示了ASBR工艺对于用热的方法水解污泥是稳定的和可行的。1 概况 污泥的处理与清理是一个昂贵且使环境易受破坏的问题。厌氧消化是一种处理污泥的常规的生物处理方法，这种方法能使污泥固定，杀死病原菌，并且减少固体产量。然而，因为低的不稳定固体的移除速率（30%-40%）和长时间的20天水力停留时间，使得常规的厌氧分解效率很低。厌氧分解流程由以下四个阶段组成：水解阶段，酸化阶段，产乙酸阶段，产甲烷阶段。在整个厌氧分解流程中，污泥的水解速率被认为是决定速率。为了能够提高不稳定固体的移除速率以及沼气的生产率，一些能够增强污泥水解的预处理工艺正在实施。这些方法包括化学方法（使用臭氧，强酸或者碱），热水解，机械粉碎，超声处理。 热水解预处理的第一步是破坏污泥中细菌的细胞壁和细胞膜。这能使细胞中复杂的有机化合物如多糖，类脂，蛋白质以及核酸分解从而破坏细胞。这些水解产物能被细胞外的厌氧微生物群利用产生生化酶，进而提高厌氧分解速率。厌氧分解前的热水解效率能够引出许多发展工艺。比如，在1991年Norway，Hammer成立的第一个工厂装置。 常规的热压蒸馏器在上一个CSTR工艺中常常用来处理热水解污泥。这些反应器被设计成在同一停留时间让固体和液体同时经过反应炉，也就是SRT=HRT。这导致了一个标准的HRT时间长达20天。在过去的30年里，因为更短的HRT，更小的反应炉，高速率的厌氧处理系统（以HRT/SRT的比例值高位特点）变得越来越流行，因此，成本花费也更低。然而，高效率系统大部分时间都是被用来操作处理含少量固体的废物，例如，UASB中的SS含量低于8000mg/l。最新发展起来的ASBR工艺使高效率系统处理固体含量高的废水变成了可能。ASBR的操作在一个循环的周期内分为四个明确划分的阶段。这四个阶段是：进水阶段，反应阶段，沉淀阶段以及排水阶段。沉淀阶段和排水阶段是ASBR工艺中的关键步骤。沉淀阶段造成了在反应堆限制范围内的污泥积累。 通过Chang等人所说，当没有经过热水解预处理的污泥在ASBR被消化吸收时，就算经过一天的沉淀阶段都很难使污泥沉淀。明显的，原始污泥的低可沉降性以及固液分离限制了ASBR维持更长的SRT的可能性。事实上，温度在130-180的热水解预处理工艺不仅改善了消化吸收率，而且还由于絮状结构的不可逆改变进而提高了污泥的可沉降性。另外，热加工还破坏了细菌的细胞，使得细胞含有物能够被释放出来。因此，热水解能够为ASBR提供有效的预处理。这个研究的目的是在于调查ASBR消化吸收经过热水解的污泥的效果。 术语ASBR 厌氧序批式反应器COD 化学需氧量CSTR 连续流搅拌反应器HRT 水力停留时间SCOD 溶解性化学需氧量SRT 固体停留时间SS 悬浮物TCOD 总化学需氧量TKN 总凯氏氮TS 总固体UASB 上流式厌氧污泥床VFAs 脂肪酸VS 挥发性固体 VSS 不稳定的悬浮物2 材料与方法2.1 厌氧反应器 使用了两套完全相同的厌氧消化实验装置（和）见图1.两个试验装置均采用内径为15cm的有机玻璃加工而成。总容积为4L，其中3L用来处理污泥，上部1L作为气室用来储存消化气。反应器顶部的搅拌器的传动轴被真空管覆盖三分之二的液体深度。六个采样口已经安装。两个反应器都被加上了可以调节温度的外部加热膜。利用机械搅拌器进行污泥搅拌。搅拌的频率以及强度分别由搅拌者和定时器控制。反应器里产生的沼气收集在沼气收集器里。2.2 污泥预处理 试验用污泥取自北京某污水处理厂，每三个月取一次。为了预防堵塞，较大的微粒都用no。6的网筛过滤掉（网孔边长3.2mm3.2mm）。9L的污泥放在容量为10L的高压锅内用170的温度水解30min。水解污泥储存到3的环境知道使用为止。表1显示了未经处理的污泥特性加入的污泥（热水解后的污泥）的特性。表1原始污泥以及加入污泥的特性参数 原始污泥 热水解污泥pH 6.620.12 6.070.22TS（g/l） 43.423.47 40.423.44VS(G/L) 27.342.03 24.202.37SS(G/L) 42.024.56 34.363.50VSS(G/L) 23.252.31 19.172.02TCOD(G/L) 56.414.22 54.203.95SCOD(G/L) 1.820.32 13.770.98Alkalinity（mg/l） 780130 1580180TKN（mg/l） 1513124 1445110VFA（mgCOD/l) 37657 25811202.3 消化吸收工作条件 在投入前，热水解污泥要放在自动加热容器里预热至35.消化反应器在整个研究过程中始终要维持在35.投放污泥从北京某污水处理厂的第二阶段污泥消化池获得。投放的固体浓度要遵循如下条件：TS 30.12g/l，VS 14.75g/l，SS 26.49g/l，VSS 13.14g/l。在投放量等量的污泥之后，在第一个150天里，两个反应器在20天的水力停留时间里以2.71kgCOD/天的负荷率运行（基于3L的混合液体积），然后在下一个90天里，在10天的水力停留时间以5.42kgCOD/天的负荷率运行。两个反应器的日流出和流入分别是150ml在20天的水力停留时间和300ml在10天的水力停留时间。通过研究，反应器在CSTR模式下运行，反应器在最初的80天以CSTR模式下运行，然后在剩下的160天转换到ASBR模式。每一个ASBR工艺流程的循环由进水，反应，沉淀，出水阶段组成。进水阶段进行15min，反映阶段需要20h，沉淀阶段需要3.5h，出水阶段需要15min。在进水和反应阶段要连续搅拌和间歇搅拌（每小时10min）。2.4 取样和分析 TCOD,SCOD移除,VS移除，沼气生成量以及沼气含量（甲烷和二氧化碳含量）都是用来评估每一个系统的参数。 沼气生成量每天记录一次，沼气中甲烷和二氧化碳的含量每周观测两次。两周内在完全相同的条件下测试出来的沼气产量变化少于5%时，我们认为反应器运行达到稳定状态。反应器不能达到稳态时，每周每次取100ml的流入液，流出液以及每个反应器的混合液分析pH,VFAs，alkalinity，氨氮，TCOD和SCOD。每10天从100ml样液里测试TS,SS,VS以及VSS。当反应器恢复到稳定状态，从流入液，流出液以及混合液里取100ml样液，在10个连续工作日里测试出以上参数。10组数据的平均值可以作为这次测试反应器性能的数据。 定期的从六个采样口中取样（30ml每次），在沉淀阶段尾声在反应器顶端调查污泥中的TS,SS,VS,VSS分配。同时调查ASBR每个循环中沼气产量，SCOD以及VFAs的变化，每2-4h在ASBR的混合液中取样（15ml每次），每小时记录沼气产量。 TS,VS,SS,VSS的分析是以国家环境保护协会1989年发布的标准分析方法为依据的。TCOD和SCOD使用了哈希公司不公开的逆流方法。SCOD，pH,碱度的测量是用了在6000转/min的离心机离心了10min的样品来测量的。TKN和氨氮化合物决定使用ISE仪表（型号 720A)和氨探头。在用装有FID（圆柱 3m3mm不锈钢材料GDX-103）的探测器的气相色谱仪（型号 SQ206）测量VFA前先将样品用0.45微米的过滤器过滤。不同的VFAs包括醋酸，乙酸，异丁酸，丁酸，异戊酸和戊酸。沼气组成也是由装有TCD探头的气相色谱仪决定。 SRT通过计算VSS的质量比得出来的，VSS的质量比是从反应器里流出的废液得到的。在这个研究里，计算在10个水力停留时间里的SRT时，混合液的VSS和废液的VSS是连续10天（1个HRT）的平均值。 2.5 数据统计分析用数学软件MATLAB运行计算出来的偏差分析和Duncan的倍数范围检验测试（p0.05）用来决定两个系统在有机物移除，沼气产量速率以及消化污泥特性等方面的差异。每个分析至少要检查三遍。 图1 CSTR和ASBR原理图3 结果与讨论3.1 ASBR的效果 气体日产量是衡量厌氧反应器性能的一个主要标准。图2显示了两个反应器的气体日产量。 在最初的24天接种时间里，两个反应器的沼气产量不同。然而，40天后两个反应器的气体日产量以及TCOD的除去速率在CSTR模式下没有任何差别。 在号反应器运行80天后转换到ASBR模式后，两套系统的日气体产量有了显著的差异（表2）。ASBR的日气体产量比CSTR在20天的水力停留时间要高15%（p0.05)。另一方面，ASBR的日气体产量比CSTR在10天的水力停留时间要高31%。 两个反应器里废水的SCOD浓度没有显著差异。在20天和10天的水力停留时间里SCOD的去除量超过了90%，这表明热水解污泥能够高效降解。CSTR在20天和10天的水力停留时间中，TCOD的平均去除量分别是60.25%和48.20%。ASBR在20天和10天的水力停留时间中，TCOD的去除量分别是67.71%和61.66%。因此，在20天和10天的水力停留时间里，ASBR相对于CSTR ,TCOD的去除量分别增长了12.38%和27。92%。不仅如此，相较于CSTR，ASBR在更短的HRT里能保持相同的TCOD去除速率。因此，这说明了经过热水解污泥的ASBR能够用更短的HRT以及减少反应器容量的可能性。 与传统消化中40%的TCOD取出速率相比，这里调查研究的各个系统在20天的水力停留时间中的TCOD的去除速率（超过60%）更高。这得归功于这一事实，即经过了热水解预处理的污泥的特性的改变。热水解污泥中的SS何VSS含量显著下降，这是因为在热水解预处理中，部分固体颗粒溶解。另外，SCOD，VFA和碱度相对于原始污泥显著增加（表1）。此外，污泥的消化吸收率得到改善，这是因为原始污泥的部分大型有机分子（二氧化碳，蛋白质和脂类）在预处理阶段已经被破坏。 图2 CSTR和ASBR的日气体产量表2稳态性能参数 HRT=20d HRT=10d CSTR ASBR CSTR ASBR消化污泥特性 PH 7.490.12 7.580.10 7.770.08 7.740.11 碱度 3843134 3893145 3546110 3714100 SCOD 112045 100832 115170 105540 VFA 109.5010.41 92.3312.02 121.5513.11 101.1416.24 醋酸 51.025.22 48.294.57 50.428.33 49.407.00 氨氮 67132 69924 53040 65755固体和COD去除量VS 54.322.11 63.771.45 45.213.20 55.602.44TCOD 60.252.05 67.711.55 48.202.89 61.662.13SCOD 91.860.51 92.670.89 91.640.65 92.330.75气体产量气体产生速率 2.750.25 3.150.15 4.590.25 6.020.3沼气含量 63.210.18 62.740.88 62.200.78 63.100.90天然气产率 21322 24330 17532 23323 分别在两个反应器里的消化污泥的pH，SCOD，VFAs以及醋酸在20d和10d的水力停留时间里并没有显著的差异。然而在10d的水力停留时间内，ASBR的碱度以及氨氮含量明显高于CSTR。废水中的低浓度有机酸表明两个反应器都取得了理想的操作。3.2 固体变化和SRT 图3显示了整个研究过程中ASBR和废水中TS的变化。当反应器在最初的80d以CSTR模式运行时，废水中TS浓度和反应器内混合液中TS浓度相同。然而，当反应器转换为ASBR模式后，废水中TS浓度明显的从20.34g/L减少到2.46g/L。这是因为大多数固体在沉淀阶段已经沉降，在出水阶段只有上清液从顶部排出。随着时间的流逝，ASBR内的污泥持续积累，这导致了混合液中的TS浓度逐渐增加。随着ASBR内的TS的增加，废水中的TS相应减少。在10d的水力停留时间内，ASBR中混合液的TS含量为65-80g/L，CSTR中测出的TS大约为20g/l。这清楚的说明了ASBR工艺能维持更高的污泥含量，这必然对生物降解有机固体有益。 结果表明，在三个连续的ASBR循环中的34，36，40天里计算出的SRT是在37d的10d的水力停留时间的平均值。不仅如此，这还表明ASBR能在更短的HRT里维持更长的SRT。 图3 ASBR混合液中TS含量和废水中TS含量的比较 研究表明ASBR中原始污泥的沉淀是很困难的，这是由污泥材料的漂浮性决定的。然而，这是没有观察到我们研究中的热水解污泥，在ASBR内可以观测到固体的迅速沉淀。这应该归功于热水解预处理，它改善了污泥的沉降性。因此，改善的污泥沉降确保了更高的SRT。这表明热水解为ASBR维持更高的污泥含量提供了一个有效的预处理，因此污水污泥处理有了一个更高的SRT/HRT的比率。3.3 ASBR的稳定性 第186d后，观测到的日气体产量从6.79l/d减少到5.10l/d。这个减少表明了ASBR一个阶段的不稳定性。在186d，ASBR混合液中TS的量高达94.25g/l。当在沉淀阶段尾声检查固体剖面时，会发现在ASBR底部TS的平均含量会达到162g/l。相比之下，消化污泥的有机比例只有很低的31%。这或许说明了底部的污泥差不多被完全生物降解了。由于在ASBR内生物降解的污泥占据了液体容积的20%。ASBR的实际有效容积减少了。减少的有效容积或许可以洗掉微生物。而且，在186d时的废水中的VS量高达17.15g/l，这表明一部分能够被高度降解的物体已经被去除。这些综合因素可能引起了ASBR的不稳定阶段。这种不稳定阶段通常叫做“临界点”，它通常用来指出ASBR积聚固体没有负效应的能力。 然而，由图2观测到的，当底部的600ml消化污泥排除的时候，有超过10d的时间ASBR的日气体产量逐渐增加，除此之外，当ASBR接近临界点的时候，为了保证ASBR的有效运行，每日上清液的回收是很有必要的。基于固体的积累速率，从206d起，ASBR顶部的300没了污泥要每十天在一个HRT循环被排出。这种消化污泥的定期清理能够保证在后续的研究期间沼气的有