污泥厌氧消化反应器CFD数值模拟研究进展

污泥作为典型的不透明非牛顿流体,在厌氧消化反应器内的流场具有复杂性,难以直接进行流场测试分析。结合计算流体力学(CFD)技术,分析污泥厌氧消化反应器内的流场分布情况,探讨污泥在反应器内混合效果和对消化过程的影响,以验证校核反应器优化设计和运行,改善污泥在消化反应器内的流动和混合性能并最终提高反应器性能。在综合文献及前期研究工作的基础上,系统分析并重点关注了CFD数值模拟过程当中多相流模型和湍流模型的选取、污泥流变特性应用、反应器流场评估优化及耦合生化模型等的研究现状及进展,总结了目前污泥厌氧消化反应器CFD数值模拟过程存在的问题。并指出在考量污泥流变学特性的基础上,利用传质模型将反应器流场和生化过程相耦合,构建流场-生化耦合模型,获取基质转化规律,为优化污泥厌氧消化反应器设计运行提供理论依据,是CFD应用于厌氧消化反应器数值模拟的发展方向。     

卧式厌氧消化反应器处理高含固污泥的特性研究

采用容积为200L的卧式厌氧消化反应器(以下简称卧式反应器),对高含固污泥(总固体(TS)≥10%(质量分数))的厌氧消化特性进行研究。通过序批运行、低负荷半连续运行、提负荷半连续运行逐步提高污泥TS从10.09%至12.58%,并对污泥颗粒的运动轨迹进行了计算机流体力学(CFD)模拟。结果表明,序批运行阶段污泥水解酸化特征显著;在低负荷半连续运行阶段,沼气产率平稳上升,在提负荷半连续运行阶段,沼气产率稳定在(0.359 2±0.011 0)m~3/(m~3·d),挥发性固体(VS)降解率稳定在22.05%±0.52%,高含固污泥在卧式反应器中厌氧消化产气性和稳定性良好。CFD模拟结果显示,污泥颗粒在卧式反应器中得到充分混合,卧式反应器运行稳定后,污泥厌氧消化剩余能量可达2.42MJ/(m~3·d),经济效益明显,具备良好的应用前景。     

污泥流变学及其厌氧消化混合特性数值模拟研究进展

污泥作为一种非牛顿流体,其流变特性对厌氧消化过程中的传质、传热、搅拌和物料输送等有着重要影响。系统阐述了污泥流变学属性,如流变特性的影响因素、流变模型以及其测试方法。由于污泥在厌氧消化反应器中流场的复杂性及其本身的不透明性,难以对其流场进行高效的实验测试,利用计算流体力学(CFD)技术结合流变学参数对流场进行数值模拟是一种有效工具。因此,综合分析了CFD技术在污泥厌氧消化过程中的研究现状及其搅拌混合过程中旋转桨叶处理方法的选择,并对污泥厌氧消化过程中进行数值模拟存在问题及进一步研究方向进行了展望。随着深入研究,以污泥流变学、计算流体力学为基础结合污泥厌氧消化生化反应过程联合数值模拟研究,将会为控制污泥的厌氧消化工艺提供更加全面和重要的技术措施。     

污泥消化液的磷浓度对anammox-HAP系统磷回收的影响

厌氧氨氧化-羟基磷酸钙(anammox-hydroxyapatite,anammox-HAP)技术可实现污泥厌氧消化液高效自养脱氮同步磷回收.污泥厌氧消化液中磷的浓度与污泥性质、厌氧消化过程相关,变化范围很大.为探索anammox-HAP 系统中的磷回收效率,通过基于anammox-HAP长期运行的膨胀颗粒污泥床反应器...     

高含固厌氧消化污泥流变特性

采用完全混合式反应器R1、R2和R3(搅拌频率分别设为不搅拌、每10 min转动5 min和每10 min转动8min),在序批式运行的状态下,考察了不同搅拌频率对高含固厌氧消化过程中污泥流变特性的影响,探究了污泥表观黏度降低的主要原因以及污泥流变特性与各项物化指标的关系。结果表明,各个反应器消化污泥表观黏度μ值在发酵的前4天均出现大幅降低,下降幅度依次达到73.3%、77.8%和80.0%,从厌氧装置设计和运行的角度来看,脱水污泥高含固厌氧消化具有可行性。各反应器消化污泥的含固率(total solid,TS)以及挥发性固体(volatile solid,VS)占TS的比例VS/TS与表观黏度μ值以及稠度系数K值呈现显著性的指数关系,而污泥颗粒中胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)的含量与污泥表观黏度之间的相关关系则较弱。厌氧消化的初始阶段,微生物(主要是水解菌与产酸菌)的作用是污泥黏度急剧降低的主要原因。     

ICSTD反应器处理污泥的启动试验研究

新型内循环污泥浓缩消化反应器（ICSTD）处理污泥的启动运行试验采用某污水处理厂二沉池好氧活性污泥进行驯化培养,使反应器正常启动运行。在日处理量为50 L/d,进泥含水率为99.23％～99.46％,进泥VS/TS为0.65～0.73,进泥COD为4 115～5 780 mg/L,反应器容积负荷为1.31 kg COD/(m³·d)时,排泥含水率在96.2％～97.3％,排泥VS/TS为0.48～0.57,COD去除率在95％以上,出水pH在6.6～7.1,且上清液澄清。试验结果表明： ICSTD反应器处理污泥的启动试验,采用直接培养污泥启动的方式培养厌氧污泥历时66 d,能较快地培养厌氧污泥且运行稳定,对污泥的浓缩消化起到较好的作用,同时对反应器后续运行的消化效果提供了一个良好的条件。     

剩余污泥厌氧共消化技术研究现状及应用趋势

污水处理厂碳中和运行目标使得剩余污泥厌氧消化产CH4途径重获新生。然而,剩余污泥量取决于进水中有机物(COD)浓度,而我国污水碳源低的特点决定了不可能仅靠剩余污泥转化能源便完全满足碳中和运行目标。研究显示,多种外源有机废弃物与剩余污泥厌氧共消化可以取得"1+12"的能量转化效果,这就为我国污水处理厂碳中和运行提供了一种潜在能量来源。在简述剩余污泥厌氧共消化技术特性的基础上,对7种典型外源有机废弃物与剩余污泥共消化试验研究进行了归纳,同时列举国外6个业已实现碳中和运行的污水处理厂共消化应用实例,充分说明外源有机废弃物与剩余污泥共消化的工程应用前景。虽然我国目前环境政策限制了污泥厌氧共消化的工程化进程,但污泥与餐厨垃圾、市政修剪花草/树木、旱厕粪便等几种基质共消化将会是共消化的未来研究方向,更是综合解决市政有机固体废弃物的现实需要。     

剩余污泥混合对絮凝污泥厌氧消化的强化

为了考察絮凝污泥与剩余活性污泥混合中温(35℃)厌氧消化效果,分析了不同混合比例、不同投配率下的总化学需氧量(TCOD)去除率、挥发性固体(VS)降解效果,通过p H值与氨氮浓度的变化来分析各反应器的稳定性。结果表明:污泥混合后消化效果明显得到提高,且污泥消化效率随着投配率的增加先提高后下降。5%投配率时,絮凝污泥/剩余污泥(VS比)为1∶2时厌氧消化效果最好,TCOD去除率达到47.8%,VS降解率达到46.8%,分解单位VS产气量达到了435 m L/g,p H值与氨氮浓度分别保持在7.4和269 mg/L左右,混合污泥厌氧消化系统较稳定。这说明与剩余污泥的混合消化能有效提高絮凝污泥的厌氧消化性能。污泥絮体的显微分析表明:厌氧消化过程中絮体面积百分比逐步减小,污泥结构逐步解体,可以解释污泥消化的微观过程。     

上流式多级厌氧反应器中厌氧颗粒污泥特性研究

高品质厌氧颗粒污泥是厌氧反应器实现高效、稳定运行的关键和基础.在实现上流式多级厌氧反应器(UMAR)处理木薯变性淀粉废水高效运行的基础上,对厌氧颗粒污泥的浓度分布、粒径分布、沉降速度、产甲垸活性,辅酶F420和生物相等作进一步的研究.根据在实验工艺条件下培养得到的厌氧颗粒污泥的性能,探讨厌氧颗粒污泥的可能形成机制.     

内循环厌氧反应器多相流流场的三维数值分析

利用数值模拟的方法,引入欧拉双流体多相流模型及标准k-s紊流模型,模拟计算内循环厌氧反应器的三相流三维流场,并通过改变污泥颗粒密度及进水流量,针对固相流速及固含率的变化情况,分析条件的改变对流场的影响。研究结果表明,应用数值模拟方法可以获得内循环厌氧反应器内的流场特征;污泥颗粒密度及进水流量的改变对于反应器内污泥颗粒的流速及分布的均匀性有较为明显的影响。模拟结果对反应器的应用及优化设计具有一定的参考价值。     

pH控制下果蔬垃圾酸化反应器中微生物优势菌群识别

以污水处理厂厌氧消化池污泥作为接种物,考察中温,pH为4.0±1,有机负荷13 g·(L·d)~(-1),水力停留时间3 d的酸化反应器处理果蔬垃圾的运行情况,并通过16S rRNA高通量测序技术及厌氧滚管分离技术识别反应器内优势菌群。结果表明,在pH为4的全混流反应器(CSTR)运行过程中,发酵产物以乳酸为主。反应器稳定运行期,乳酸杆菌属(Lactobacillus)的相对丰度达81.9%,为反应器中优势菌属。经厌氧滚管技术分离筛选获得的菌株EL1为乳酸杆菌,其发酵类型为异型发酵。     

小麦秸秆预处理对厌氧消化性能的影响研究

针对小麦秸秆厌氧消化水解限速步骤,研究了酸、碱和污泥发酵消化液(以下简称消化液)预处理对小麦秸秆厌氧消化性能的影响。结果表明,酸和消化液预处理可以加速小麦秸秆水解酸化,在厌氧发酵第4天时产气中测得甲烷,早于对照和碱预处理。与对照相比,酸、消化液和碱预处理后小麦秸秆和污泥共消化体系的产气量可分别提高13.7%、12.0%和9.2%,产甲烷量可分别提高7.4%、9.5%和5.2%,但碱预处理会延滞厌氧消化产甲烷阶段。厚壁菌门(Firmicutes)是厌氧消化反应器中最主要的菌门,主要包括己酸菌属(Caproiciproducen s)、乙醇生孢产氢菌属(Hydrogenispora)、瘤胃梭菌属(Ruminiclostridium)、罗伊氏乳杆菌属(Lactobacillus)和Ruminiclostridium_1属等,其中己酸菌属和乙醇生孢产氢菌属可以作为小麦秸秆和污泥共消化的监测指标,在厌氧消化前期反应器中微生物主要为己酸菌属,而后期主要为乙醇生孢产氢菌属。     

改良型UASB厌氧氨氧化反应器运行效能对比

为探究组合启动模式实现厌氧氨氧化反应器高效启动和稳定运行的可行性,分别采用接种短程硝化污泥结合提高进水基质(A)和接种厌氧氨氧化污泥结合缩短水力停留时间(B)2种组合方式启动改良型UASB厌氧氨氧化反应器,对反应器启动效果进行研究,并通过改变进水基质比和低温冲击探究启动成功后的反应器性能。结果表明:A反应器启动成功时的总氮去除负荷(NRR)为0.520 kg·(m~3·d)~(-1)、亚硝化单胞菌Nitrosomonas相对丰度大幅下降、主要厌氧氨氧化菌属由Candidatus Kuenenia转化为Candidatus Brocadia;而B反应器NRR达到1.950 kg·(m~3·d)~(-1)、Candidatus Kuenenia始终为优势菌属。随着进水基质比的提高,B反应器的NRR和上升幅度始终高于A反应器,具有更强的抗负荷能力。当温度由35℃下降至15℃时,A和B反应器污泥对基质的降解速率分别下降92.94%和81.38%;温度恢复至35℃后,A反应器污泥降解速率的回升率大于B反应器污泥。因此,接种厌氧氨氧化污泥和缩短水力停留时间的组合方式更有利于改良型UASB厌氧氨氧化反应器的高效启动和稳定运行。     

富磷污泥厌氧消化磷释放与回收的研究进展

生物强化除磷(EBPR)工艺会产生大量的富磷污泥。富磷污泥中的聚磷菌(PAOs)在厌氧消化过程中吸收外界碳源并释放大量正磷,高浓度的磷会对厌氧消化系统中厌氧微生物的代谢产生影响,使得消化过程更加复杂。富磷污泥厌氧消化过程会产生磷、氮、有机物和金属离子等物质,其中磷的回收利用可以减少磷矿资源的开采,从而实现磷资源的可持续循环利用。因此,研究富磷污泥厌氧消化过程中磷的变化规律,既为厌氧消化系统的稳定运行提供理论依据,又为磷的资源化回收利用提供参考。对富磷污泥厌氧消化释磷的相关研究成果以及磷回收进行分析和总结,并提出了相应的研究方向。     

内循环厌氧反应器多相流流场的三维数值分析简

利用数值模拟的方法,引入欧拉双流体多相流模型及标准k-ε紊流模型,模拟计算内循环厌氧反应器的三相流三维流场,并通过改变污泥颗粒密度及进水流量,针对固相流速及固含率的变化情况,分析条件的改变对流场的影响。研究结果表明,应用数值模拟方法可以获得内循环厌氧反应器内的流场特征;污泥颗粒密度及进水流量的改变对于反应器内污泥颗粒的流速及分布的均匀性有较为明显的影响。模拟结果对反应器的应用及优化设计具有一定的参考价值。     

土霉素对剩余污泥中温厌氧消化的短期和长期影响

在中温(35℃)条件下,考察了土霉素(OTC)对剩余污泥厌氧消化的短期和长期影响。在短期影响实验中,采用间歇实验装置研究了OTC浓度为5、50和500 mg/L时对累计甲烷产气量的影响。结果表明,50 mg/L的OTC短期暴露下中温厌氧消化污泥的产甲烷活性会受到急性抑制,但经过141 h的驯化后系统能够恢复产气,表明中温厌氧污泥经过驯化后,可处理含高浓度OTC的剩余污泥。采用完全混合反应器进行了为期230 d的OTC长期影响实验,反应器进泥中OTC浓度从0 mg/L逐步提高为40、200和1 000 mg/L,通过定期监测产气量、甲烷含量和挥发性脂肪酸等指标来表征反应器的运行状况。当OTC浓度≤200 mg/L时系统产气量和气体中甲烷含量稳定并且消化液中挥发性脂肪酸未出现累积,表明厌氧系统未受到影响。但在OTC浓度为1 000 mg/L时运行43 d(2个污泥停留时间)后,污泥中发酵产酸细菌类群代谢活性受到抑制,导致系统产气量下降。上述结果表明,经过驯化,中温厌氧消化系统可处理OTC浓度≤200 mg/L的剩余污泥。     

厌氧消化污泥与菌渣对煤矸石特征污染物释放的原位控制效果研究

为评价厌氧消化污泥与菌渣对煤矸石特征污染物释放的原位控制效果,分别向煤矸石中添加厌氧消化污泥、菌渣、厌氧消化污泥与菌渣混合物,稳定、陈化30d后测定煤矸石浸出液pH、电导率(EC)、氧化还原电位(Eh)、总Fe、Fe~(2+)、SO_4~(2-)及煤矸石有效态Fe、Mn、Cu、Zn等指标进行控制效果研究。结果表明:(1)厌氧消化污泥、菌渣及其混合物的添加均能不同程度提高煤矸石浸出液pH。(2)厌氧消化污泥、菌渣及其混合物的添加均可不同程度降低煤矸石浸出液总Fe、Fe~(2+)、SO_4~(2-)及煤矸石有效态Fe,且厌氧消化污泥与菌渣混合组降低效果总体上最明显。(3)厌氧消化污泥、菌渣及其混合物对煤矸石中Mn、Zn、Cu释放的影响存在明显差别,其中厌氧消化污泥、厌氧消化污泥与菌渣混合组均增加煤矸石浸出液总Mn、总Zn及煤矸石有效态Mn、Zn;菌渣组、厌氧消化污泥与菌渣混合组均能有效降低煤矸石浸出液总Cu及煤矸石有效态Cu。     

不同泥源对厌氧氨氧化反应器启动的影响

采用2套上流式生物膜反应器,分别接种少量厌氧氨氧化污泥和大量硝化污泥,考察其对厌氧氨氧化反应器启动的影响。污泥接种入反应器后,测得接种厌氧氨氧化污泥的反应器(R1)内MLSS为0.22 g/L,另一个反应器(R2)MLSS为2.7 g/L。与直接接种厌氧氨氧化污泥相比,R1经过72 d的运行才显现出厌氧氨氧化特性。经过114 d的培养,前者氮去除速率由0.23 kg/(m3.d)提升到5.29 kg/(m3.d),总氮去除率大于89%;R2的氮去除速率由0.01 kg/(m3.d)提升到1.1 kg/(m3.d),总氮去除率大于84.6%。说明普通污泥启动需要一个较长的筛选过程,直接接种少量的厌氧氨氧化污泥比接种普通的污泥能够更快启动厌氧氨氧化反应器。     

常温下向ABR反应器中加入惰性载体促进颗粒污泥形成

常温条件下(21～25℃),用实验室规模的2个厌氧折流板反应器进行颗粒污泥培养实验,向其中一个反应器(称为B反应器)接种厌氧污泥的同时加入惰性载体,另一个反应器(称为A反应器)作为对照只接种厌氧污泥,考察了惰性载体对ABR反应器中颗粒污泥的形成和反应器运行效果的影响.结果表明,惰性载体的加入促进了反应器中颗粒污泥的形成,提高了反应器的处理效果.运行162 d后,B反应器每个隔室均出现大量颗粒污泥,4个隔室中粒径>0.5 mm的颗粒达到57.6%～72.7%;A反应器仅第1隔室中形成了大量颗粒污泥,其他3个隔室中粒径>0.5 mm的颗粒仅占11.3%～34.7%.COD去除率稳定保持在85%以上所需时间,B反应器比A反应器少用了51 d.     

旋流诱导界面(SII)反应器流动优化与泥/水分离性能研究

提出了一种新型诱导界面反应器(SII),通过优化反应器内的旋流流动,有效降低了活性污泥颗粒与水相的分离因子,改善了污泥床反应器内的泥/水两相接触状况,提升了反应器的污水处理负荷。构建了基于旋流修正的湍流模型和随机轨道模型,结合相应的计算流体力学(CFD)方法,模拟并预测了反应器内流体强烈湍动以及由此引发的颗粒涡流扩散。改进后的SII反应器实现了三维结构的循环流动以及污泥颗粒在装置内的自沉降,促进了颗粒与水相的充分接触。