微生物顆粒反應(yīng)器的水動(dòng)力學(xué).pdf

1、微生物顆粒是廢水生物處理反應(yīng)器中一種特殊的微生物聚集體，它包括厭氧顆粒和好氧顆粒兩大類。近年來(lái)關(guān)于微生物顆粒的研究已成為國(guó)際環(huán)境工程領(lǐng)域關(guān)注的熱點(diǎn)。廢水生物處理反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的去除和能量產(chǎn)量主要決定于微生物的處理能力和反應(yīng)器內(nèi)部的水動(dòng)力行為。其中反應(yīng)器的水動(dòng)力學(xué)行為決定了質(zhì)量的傳送過(guò)程及總的反應(yīng)器性能。由于微生物顆粒的形成條件較為苛刻，反應(yīng)器內(nèi)的各種水動(dòng)力學(xué)因素對(duì)于微生物的聚集和顆粒的形成和穩(wěn)定具有至關(guān)重要的作用。 本論文采用示

2、蹤實(shí)驗(yàn)、數(shù)學(xué)建模、計(jì)算流體力學(xué)分析和三維重建的方法，對(duì)微生物顆粒反應(yīng)器的水動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究，并對(duì)微生物顆粒的特性及其反應(yīng)器運(yùn)行特點(diǎn)進(jìn)行了探索。其主要內(nèi)容和研究結(jié)果包括： 1.在序批式反應(yīng)器(SBR)中，分別采用人工合成廢水、厭氧酸化出水以及實(shí)際工業(yè)廢水培養(yǎng)出不同功能的好氧微生物顆粒。發(fā)現(xiàn)當(dāng)進(jìn)水鈣離子濃度達(dá)到40mg L<'-1>時(shí)，微生物顆粒穩(wěn)定性增加，其密度、沉速、強(qiáng)度等特性均優(yōu)于常規(guī)鈣離子進(jìn)水濃度下培養(yǎng)的微生物

3、顆粒，顆?？梢缘挚顾羟凶饔枚掷m(xù)增長(zhǎng)，其厭氧或兼性區(qū)的存在使顆粒具有同步硝化反硝化功能，但由于鈣在顆粒中的過(guò)量聚集，也導(dǎo)致了顆粒的灰分增加、活性變差，粒徑過(guò)度增長(zhǎng)等不利結(jié)果；采用同步硝化反硝化顆粒馴化后培育出具有亞硝酸鹽氧化功能的自養(yǎng)型硝化顆粒，其硝化活性很高，但細(xì)胞生長(zhǎng)緩慢；好氧微生物顆粒的共同特點(diǎn)是孔隙率較大，63％的顆粒具有可滲透性。 2.采用升流式厭氧污泥床(UASB)反應(yīng)器培養(yǎng)出了產(chǎn)甲烷和產(chǎn)氫微生物顆粒，并研究了反

4、應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行過(guò)程中顆粒的特性及參數(shù)。厭氧顆粒密度較高，內(nèi)部孔隙較小，顆粒的流體收集效率極低，75％以上的顆粒不可滲透；厭氧顆粒內(nèi)部的傳質(zhì)主要受分子擴(kuò)散控制。 3.針對(duì)SBR的湍流特性，利用影像學(xué)分析和數(shù)學(xué)建模表征了反應(yīng)器的氣含率、混合時(shí)間、流型轉(zhuǎn)換等重要的水動(dòng)力學(xué)參數(shù)。SBR內(nèi)的混合和擴(kuò)散均與反應(yīng)器的構(gòu)型有很大關(guān)系，在高徑比較高的反應(yīng)器中混合更為迅速，液相擴(kuò)散系數(shù)相對(duì)較高，其內(nèi)部也能夠保持較高的氣含率；建立了定量表征SBR內(nèi)微生

5、物顆粒表面剪切力的數(shù)學(xué)模型，基于該模型的計(jì)算和分析結(jié)果表明，SBR中衰減造成的解吸附遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于剪切造成的解吸附，而在作用于微生物顆粒表面的剪切力中，水力剪切、氣泡剪切和碰撞剪切分別提供不同的貢獻(xiàn)；在好氧微生物顆粒的培養(yǎng)條件下，碰撞剪切和氣泡剪切是顆粒表面剪切作用的主要來(lái)源。 4.UASB反應(yīng)器的流態(tài)主要由氣泡控制。雙區(qū)域軸向擴(kuò)散模型的擬合精度明顯高于單區(qū)域模型，說(shuō)明UASB反應(yīng)器內(nèi)的擴(kuò)散具有不均勻特性；由于氣液流速較低，UASB反

6、應(yīng)器是擴(kuò)散控制的反應(yīng)器，其擴(kuò)散行為沿反應(yīng)器高度增加而下降；由此建立描述反應(yīng)器中擴(kuò)散不連續(xù)行為的變體積槽列模型，該模型擬合精度高，具有普適性。 5.采用Eulerian方法描述了微生物顆粒反應(yīng)器中顆粒的運(yùn)動(dòng)過(guò)程。借助于有限體積法求解三維非穩(wěn)態(tài)計(jì)算流體力學(xué)的瞬態(tài)模型，發(fā)現(xiàn)SBR中固相的流速分布與液相的流速分布較為相似，總體上形成了兩個(gè)較大的環(huán)流；氣相速度分布的主要特點(diǎn)是沿反應(yīng)器的軸向高度增加呈波動(dòng)下降趨勢(shì)；在UASB反應(yīng)器中，固相體

7、積分率沿反應(yīng)器的高度上升而下降，當(dāng)流場(chǎng)充分發(fā)展時(shí)，液體速度沿反應(yīng)器的高度增加而降低。 6.借助熒光原位雜交和共聚焦激光掃描顯微鏡(FISH-CLSM)成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)了微生物顆粒的三維重建，并在數(shù)字化顆粒的基礎(chǔ)上研究微生物顆粒內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)的分布特征。在微生物顆粒內(nèi)部存在大量的小孔和少量的大孔，證明它是以團(tuán)簇為基本單元的分形聚集體，其生長(zhǎng)規(guī)則類似于三維的擴(kuò)散限制聚集(DLA)模型向反應(yīng)限制聚集(RLA)模型的轉(zhuǎn)變；好氧微生物顆粒的滲透

8、性主要由其內(nèi)部的大孔控制，通過(guò)簡(jiǎn)化的球孔模型，可以預(yù)測(cè)微生物顆粒中有對(duì)流發(fā)生的必要條件是具有一定尺度的大孔，例如對(duì)于1-5 mm的微生物顆粒，其大孔孔徑應(yīng)滿足大于50-250 μm才能保證顆粒內(nèi)部發(fā)生明顯對(duì)流；采用新型的多孔介質(zhì)模型更為細(xì)致地描述了微生物顆粒中的水動(dòng)力行為，將之與生化動(dòng)力學(xué)過(guò)程相結(jié)合，可以預(yù)測(cè)在自養(yǎng)型硝化顆粒中反應(yīng)發(fā)生的深度在200μm左右；通過(guò)與微電極測(cè)定的溶解氧在好氧顆粒中的擴(kuò)散深度比較，可以推測(cè)組成微生物顆粒的團(tuán)簇