ABR产氢—产甲烷耦合工艺水力特性及运行效能研究

【摘要】：有机废水生物产氢-产甲烷技术以其能源回收率高、稳定性好、可实现废水资源化等优势，成为解决当前能源需求与环境问题的重要途径之一。有机废水生物产氢-产甲烷技术实现产业化的关键在于如何提高系统产氢-产甲烷能力，降低生产成本。ABR反应器结合了有机废水厌氧发酵理论与分阶段多相厌氧生物处理思想，用于生物产氢-产甲烷具有显著优势。目前，利用ABR反应器进行产氢-产甲烷的研究报道较少，开展ABR反应器水力特性及运行效能研究，以获得较高的微生物持有量和能源回收率，对于产氢-产甲烷耦合工艺的推广具有重要意义。 本文采用改进型ABR反应器进行产氢-产甲烷耦合工艺的研究，探讨了反应器内部的流动特性，考察了产氢-产甲烷耦合工艺的启动特性，并进一步研究了有机负荷对产氢-产甲烷耦合工艺运行效能的影响。通过分子生物学的方法，初步解析了ABR反应器不同格室微生物群落结构的演替规律。 ABR反应器内的流体力学特性直接影响到生物量和微生物与基质的混合程度，影响反应器的运行效能。针对传统ABR反应器布水不均、污泥截留能力较弱等缺点，通过增加挡板和改进布水区对其进行改良，并采用FLUENT软件对改进型ABR反应器单格室进行泥水两相数值模拟，结果表明当废水以0.12m/h的上升流速流经反应器，格室内增加挡板使反应器内返混效果明显增强，具有更高的污泥截留能力，可保持较高的微生物持有量。在反应器高度0.13～0.20m范围内，改进型ABR反应器的污泥相体积分率高于传统型ABR，0.25～0.29m范围内，改进型ABR反应器污泥相体积分率明显低于传统型ABR，其它范围内二者基本相同。 以糖蜜废水为底物研究改进型ABR反应器的启动策略，在HRT为28h，温度(35±1)℃条件下，容积负荷从初始1.71kg COD/(m~3·d)提高到5.13kg COD/(m~3·d)，ABR产氢-产甲烷耦合工艺可在85d内完成启动，COD去除率稳定在77.6%左右，气体产量达134.74L/d。产氢段COD去除率保持在24%左右；出水pH值为4.7～5.0，液相末端产物中乙酸和丁酸分别为521.52mg/L、517.34mg/L，占总量的65.72%，呈丁酸型发酵；气体产量平均为0.449m~3/(m~3·d)，氢气含量为34.6%。产甲烷段COD去除率稳定在50%～55%，出水pH值约为7.0，气体产量平均为2.4m~3/(m~3·d)，甲烷含量为58.3%。 进一步研究ABR产氢-产甲烷耦合工艺的运行特性。研究发现，进水COD浓度为7000～10000mg/L，HRT从32h缩短到20h，COD去除率稳定在81%～85%，出水pH、VFAs浓度变化不大。进水浓度为7000mg/L，HRT为24h时反应器污泥浓度达到最大，系统能源回收率最高，产氢段、产甲烷段和系统能源回收效率分别为3.24%、76.9%及80.14%。 采用PCR-DGGE技术对系统内微生物种类及沿程变化规律进行分析。结果表明：ABR反应器具有很好的相分离效果，各格室内形成了各自的优势菌群。产氢段优势种群为：Pseudomonas sp.和Clostridium butyricum strain，产甲烷段优势种群为：Alpha proteobacterium、Uncultured bacterium clone、Uncultured Nitratireductor、Roseomonas sp。 【关键词】：ABR 产氢-产甲烷 运行效能 能源回收率
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703;TQ116.2;TQ221.11
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-22
• 1.1 产氢-产甲烷技术的研究进展11-16
• 1.1.1 生物制氢技术11-13
• 1.1.2 甲烷发酵技术13-14
• 1.1.3 产氢-产甲烷技术14-16
• 1.2 厌氧折流板反应器(ABR)研究的进展16-19
• 1.2.1 ABR 工艺原理与特点16-18
• 1.2.2 厌氧折流板反应器的研究现状18-19
• 1.3 ABR 产氢-产甲烷耦合技术19-20
• 1.3.1 分阶段多相厌氧生物处理系统(SMPA)19-20
• 1.3.2 ABR 与产氢-产甲烷技术20
• 1.4 本课题研究的目的、意义与内容20-22
• 1.4.1 课题的来源20
• 1.4.2 研究的目的与意义20-21
• 1.4.3 研究的内容21-22
• 第2章 实验装置与分析方法22-26
• 2.1 实验装置22
• 2.2 实验条件22-23
• 2.2.1 实验废水22
• 2.2.2 接种污泥22-23
• 2.3 分析项目与检测方法23-26
• 2.3.1 常规分析项目与检测方法23-24
• 2.3.2 PCR-DGGE 分子生物学分析24
• 2.3.3 反应器流场实验测量与数值模拟方法24-26
• 第3章 ABR 结构对流场特性影响26-37
• 3.1 ABR 流场数值模拟基本思想26
• 3.2 CFD 数值模拟过程26-31
• 3.2.1 几何模型与网格划分26-28
• 3.2.2 欧拉多相湍流模型28-29
• 3.2.3 边界条件29
• 3.2.4 数值求解方法29-31
• 3.3 模型的验证31
• 3.4 ABR 反应器流场分析31-35
• 3.4.1 反应器结构对速度场分布影响32-34
• 3.4.2 反应器结构对相体积分率影响34-35
• 3.4.3 反应器结构对迹线的影响35
• 3.5 本章小结35-37
• 第4章 ABR 产氢-产甲烷耦合工艺的启动37-48
• 4.1 启动工况与实验条件37-38
• 4.2 产氢段启动过程分析38-41
• 4.2.1 COD 浓度变化及去除率38
• 4.2.2 气体产量38-39
• 4.2.3 发酵液相末端产物39-40
• 4.2.4 pH 值变化特征40-41
• 4.3 产甲烷段启动过程41-46
• 4.3.1 COD 变化情况41-43
• 4.3.2 各格室 VFAs 的降解规律43
• 4.3.3 pH 值的变化特征43-45
• 4.3.4 产甲烷段气体产率的变化状况45-46
• 4.4 启动效果分析46-47
• 4.4.1 有机负荷与 COD 去除率46
• 4.4.2 气体产量与单位 COD 比产气量46-47
• 4.5 本章小结47-48
• 第5章 ABR 产氢-产甲烷耦合工艺的运行特性48-60
• 5.1 HRT 对产氢-产甲烷运行特性影响48-53
• 5.1.1 COD 去除效果48-49
• 5.1.2 对 VFAs 的影响49
• 5.1.3 污泥量及 pH 值的变化49-51
• 5.1.4 气体产量与能源回收51-53
• 5.2 进水浓度对产氢-产甲烷运行特性影响53-55
• 5.2.1 COD 去除率分析53-54
• 5.2.2 不同格室 VFAs 及 pH 值变化54-55
• 5.2.3 气体产量与组分55
• 5.3 微生物群落沿程变化规律55-58
• 5.3.1 ABR 系统中的微生物学分析56-57
• 5.3.2 各格室微生物菌群的变化规律57-58
• 5.4 本章小结58-60
• 结论60-62
• 参考文献62-70
• 攻读硕士学位期间发表的论文70-72
• 致谢72

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