污泥浓缩消化一体化反应器的优化设计与中试研究

论文摘要

随着城市污水产生量的增长和处理率的提高,污水厂污泥伴生的环境问题日渐突出。论文在全面综述国内外污泥处理技术的基础上,发现污泥处理过程繁琐、建设和运行成本高是造成污泥处理率低下的最主要原因,认为开发一种融合污泥浓缩、污泥消化于一体的简易多功能污泥处理技术不仅可以简化污泥处理流程,而且可以解决污泥处理成本高的技术难题。为了解决污泥浓缩消化一体化反应技术工程应用中存在的问题,论文在课题组前期小试研究成果的基础上,以重庆市鸡冠石污水厂为试验现场、对两相一体式污泥浓缩消化反应器（TISTD）进行了中试试验研究。研究内容包括:以TISTD小试反应器为基础,用计算流体动力学FLUENT软件对TISTD小试反应器进行流态分析和优化研究;根据流态相似原理进行TISTD中试反应器的设计和中试反应器流态特性研究;最后以重庆市鸡冠石污水厂二沉回流污泥为研究对象,按照中试规模对TISTD反应器的运行效能和动力学特征进行了系统研究。取得的主要成果有:①以计算流体动力学FLUENT软件为基础,建立了TISTD反应器的物理模型;建立了对反应器进泥管、出水管、排泥管、内循环管、沼气循环管等构件进行网格加密、对近壁面进行网格细化的TISTD反应器四面体非结构化网格划分模式;确定了TISTD反应器的计算流体力学数学模型,建立了与TISTD反应器匹配的计算流体力学边界条件和初始条件,为反应器的优化设计提供了理论基础。②采用计算流体动力学FLUENT软件对TISTD小试装置的流场进行了模拟和优化,发现TISTD反应器小试装置存在外反应室进泥短流及内反应室循环不均匀等流态问题。论文针对TISTD反应器流态问题,提出了如下改进建议:改变进泥管的位置、在内外反应室隔板上部开设连通孔、调整上下连通孔的尺寸、将内循环管调整成为一个整体、调整内循环管出口高度、调整内循环管尺寸等。基于实现较为理想流态需要对反应器多部位进行调整的具体情况,论文还采用5因素4水平的L1 6（ 45）正交试验方法、以计算流体动力学参数即流速方差加权平均值、总动能和平均湍流强度作为考核指标探寻了反应器各构件的最佳组合方式,为反应器中试装置的设计提供了依据。③论文根据流态模拟及优化结果进行了TISTD反应器中试装置的设计;并根据中试试验基地的情况,建立了TISTD中试试验系统。针对中试装置采用沼气回流搅拌方式的特点,重点研究了气体回流量对TISTD反应器内、外反应室流态的影响,发现:沼气气体回流量从0 L·min-1增加到12 L·min-1的过程中,反应器的流态从偏向活塞流到偏向混合流发展;当气体回流为12 L·min-1时,完全混合流态势最强;研究进一步发现泵入进样方式赋予了进泥一个不可忽略的初始速度,将对外反应室流态产生冲击,不利于污泥的浓缩;但是,泵回流污泥却有利于提高内反应室污泥的混合流态。④采用逐渐培养法成功启动了TISTD中试反应器。启动试验结果表明,在35±2℃、投配率为10%的条件下,经过大约55天的启动运行,TISTD中试反应器内各项指标趋于稳定。启动运行期间未出现酸化现象。论文在分析厌氧体系中污泥基质降解进程时发现,在剩余污泥的两相厌氧消化中,污泥基质释放的NH3对维持反应器pH、碱度以及反应器的稳定运行具有重要意义。⑤论文进一步研究了TISTD中试反应器的处理效能。发现在污泥投配率为24%、温度3335℃时,污泥的产气率最高,可以达到340L/KgVSS,产气中CH4含量大于60%。经过TISTD中试反应器处理的污泥VS/TS下降了22%左右,处理后污泥的有机质含量极低,约21%,含水率约90%,污泥体积仅为原污泥1/10,污泥的浓缩消化效果明显。⑥论文初步研究了反应器温度对污泥处理效能的影响。结果表明,当温度维持在3335℃时,反应器运行良好,产气量约300L/d;当反应器温度下降到32℃,产气量开始有明显下降,降幅达1/3;当反应器内温度下降到30℃,产气量急剧下降,降幅超过2/3;一旦反应器温度低于28℃后,产气过程基本停止。论文还对反应器的运行能耗进行了分析,发现反应器耗能与生污泥温度直接相关,当生污泥温度高于25℃时,能耗约15 Kwh/m3左右;当生污泥温度低于18℃时,能耗将超过40 Kwh/m3。⑦论文最后对TISTD反应器有机物去除动力学进行了分析。基于米-门公式,采用试验数据求定了中试反应器有机物的降解动力学参数K s、νmax。通过对不同投配率下有机物降解速率与产甲烷速率关系的研究,得到TISTD反应器的甲烷产率系数y=0.3614mL/mg,该值与理论值0.35 mL/mg接近,说明该研究得到的中试装置设计合理,运行状态良好。研究成果为TISTD反应器的工程设计、启动和运行提供了较系统的理论和技术支撑,对推动污泥浓缩消化一体化反应技术工程化应用具有重要意义。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 研究背景与研究意义
• 1.2 污泥处理技术概述
• 1.2.1 污泥浓缩
• 1.2.2 污泥稳定化
• 1.2.3 污泥脱水与干化
• 1.2.4 污泥浓缩、脱水一体化
• 1.3 污泥的厌氧消化处理
• 1.3.1 厌氧消化工艺类型
• 1.3.2 厌氧反应器技术发展历程
• 1.3.3 典型的新型厌氧反应器
• 1.4 污泥浓缩消化一体化反应技术
• 1.4.1 污泥浓缩消化一体化反应技术的提出与发展
• 1.4.2 污泥浓缩消化一体化反应技术原理
• 1.4.3 前期研究成果和亟待解决的问题
• 1.5 课题的提出和主要研究内容
• 1.5.1 课题的提出和研究目的
• 1.5.2 主要研究内容
• 1.5.3 主要研究方法
• 1.5.4 课题来源
• 2 TISTD 小试反应器的流态分析及优化
• 2.1 计算流体动力学（CFD）基本理论与方法
• 2.1.1 概述
• 2.1.2 计算流体动力学的控制方程
• 2.1.3 计算流体动力学的求解过程
• 2.1.4 FLUENT 软件简介
• 2.2 TISTD 反应器计算模型的建立
• 2.2.1 物理模型
• 2.2.2 网格划分
• 2.2.3 计算模型
• 2.2.4 边界条件和初始条件
• 2.3 TISTD 反应器内部流场数值模拟结果及分析
• 2.3.1 结果分析前的准备工作
• 2.3.2 y 方向上等值面流动矢量图及分析
• 2.3.3 x 方向上等值面流动矢量图及分析
• 2.3.4 z 方向上等值面流动矢量图及分析
• 2.3.5 内部数据分析
• 2.4 TISTD 反应器流态优化分析
• 2.4.1 针对流态提出的改进意见
• 2.4.2 TISTD 反应器流态优化正交试验设计
• 2.4.3 等值面上流速方差加权平均值分析
• 2.4.4 等值面上总动能分析
• 2.4.5 等值面上湍流强度分析
• 2.5 TISTD 反应器细部结构的优化组合
• 2.6 本章小结
• 3 TISTD 反应器中试装置设计及流态特性研究
• 3.1 TISTD 反应器中试装置设计
• 3.1.1 TISTD 反应器主体构造
• 3.1.2 TISTD 中试试验系统
• 3.2 中试反应器流态特性研究
• 3.2.1 流态模型及液龄分布函数
• 3.2.2 试验内容及方法
• 3.2.3 试验结果及分析
• 3.3 本章小结
• 4 反应器的运行效能研究
• 4.1 试验背景
• 4.1.1 试验场地
• 4.1.2 中试试验流程
• 4.1.3 试验内容及试验计划
• 4.1.4 试验测试项目及分析方法
• 4.1.5 试验主要仪器设备
• 4.2 反应器的启动及启动效果
• 4.2.1 启动方式的选择
• 4.2.2 启动过程
• 4.2.3 启动阶段试验结果
• 4.3 反应器的运行效果及影响因素
• 4.3.1 容积负荷
• 4.3.2 含水率
• 4.3.3 产气量
• 4.3.4 VS/TS
• 4.3.5 出水SS
• 4.3.6 辅酶F420
• 4.4 试验结果分析
• 4.4.1 投配率对处理效能的影响
• 4.4.2 剩余污泥与初沉污泥混合处理效能分析
• 4.4.3 温度对产气量的影响
• 4.4.4 pH 值、碱度和VFA 对处理效能的影响
• 4.4.5 污泥浓缩消化上清液的TN
• 4.4.6 出水TP 的释放情况
• 4.4.7 能耗分析
• 4.4.8 生物相分析
• 4.5 本章小结
• 5 污泥浓缩消化一体化反应器的动力学模型
• 5.1 基质降解动力学
• 5.1.1 模型的推导
• 5.1.2 动力学参数推求
• 5.2 产甲烷速率与基质降解速率之间的关系
• 5.3 本章小结
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 存在的问题和建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录
• A. 作者在攻读博士学位期间发表的学术论文
• B. 作者在攻读博士学位期间主持和主研的科研项目
• C. 作者在攻读博士学位期间的获奖情况