超效厌氧反应器床层压变、流变与传质行为研究

Compared with the ordinary-rate anaerobic bioreactor(organic loading rate(OLR)≤20gCOD/(Lod)), the super-high-rate anaerobic bioreactor(OLR≥40gCOD/(Lod)) has a higher volumetric loading, less occupied area and operation cost. Therefore, it is researched popularly by scholars at home and abroad. This project will be studied in a super-high-rate anaerobic bioreactor and a ordinary-rate anaerobic bioreactor for comparison. Bed pressure change behavior, such as mechanism of coalescence and breakage of bubble and instability and bursting of granular sludge, will be investigated to lay the theoretical foundation of controlling the concentration distribution of granular sludge and maintain its stability of structure. Bed rheological behavior, such as rheological properties and their influence factors, will be investigated to provide theoretical basis of exploring component elements and optimum hydrodynamics conditions of granular sludge. Bed mass transfer behavior, such as structure and morphology of granular sludge, its inner flow law and the mass transfer resistance between different phases, will be investigated to provide theoretical guides of diagnosing the bottleneck of mass transfer resistance and seeking the strengthening method of mass transfer. The research results will deeply reveal the high-rate mechanism of super-high-rate anaerobic bioreactor, enrich the theory of anaerobic bioreactor and guide the designs, operations and engineering scale-up of anaerobic bioreactors.

超效厌氧反应器（有机负荷(OLR)≥40gCOD/(Lod)）比常效厌氧反应器（OLR≤20gCOD/(Lod)）具有更高的容积负荷、更少的占地面积和运行费用等优点，因而备受国内外学者青睐。项目以超效厌氧反应器为对象，以常效厌氧反应器为参比，开展床层压变（压力变化）行为研究，探明床层气泡聚并和破碎机制、颗粒污泥失稳和爆破机制，可为控制颗粒污泥浓度分布和维持其结构稳定性奠定理论基础；开展床层流变行为研究，探明床层不同区域颗粒污泥流变特性及其影响因素，可为探索颗粒污泥组成要素和最佳水力条件等提供理论依据；开展床层传质行为研究，探明床层颗粒污泥结构形貌、内部流动规律和相际传质阻力，可为诊断传质阻力瓶颈和寻找传质强化途径提供理论指导。研究成果将深入揭示超效厌氧反应器高效机理，丰富厌氧反应器理论，为厌氧反应器的设计、操作和工程放大提供理论指导。

项目所研发的螺旋对称流厌氧专利反应器（SSSAB）日前获得新的突破：容积有机负荷高达365kgCOD/( m^3•d)，刷新了当前国内外同类型厌氧反应器所见报道的最高记录（300kgCOD/( m^3•d)）；SCI期刊Water Science and Technology陆续两篇论文报道了相关成果。开展了厌氧反应器床层压变、流变和传质行为研究，以揭示SSSAB的高效机理，并为其工程放大提供理论支撑和数据参考。主要研究成果是：. （1）揭示了SSSAB床层厌氧颗粒污泥（AGS）的流变行为，建立了SSSAB内AGS的本构方程，探明了AGS的剪切变稀行为和触变行为，同时考察了污泥浓度及温度等因素对SSSAB内AGS流变行为的影响。相关研究成果发表于Water Science & Technology（2015）上。. （2）系统研究了SSSAB处理效率和厌氧颗粒污泥吸附、沉降和凝聚性能及其波动性等特征，探明了床层厌氧颗粒污泥的梯级分布，考察了螺旋对称流厌氧反应器（SSSAB）的抗冲击性能，首次建立了厌氧反应器抗冲击性能的评价体系。相关研究成果已被Water Science & Technology（2015）录用。. （3）在分析床层厌氧颗粒污泥宏观形貌、微观菌群分布的基础上，从微生物层面阐释了超效厌氧反应器的高效机理；在分析厌氧颗粒污泥内部气泡爆破机理及床层压变行为的基础上，从物理层面阐释了超效厌氧反应器的高效机理，为厌氧反应器的设计、操作和工程放大提供理论指导，相关研究成果正在投稿中。. （4）采用水力学模型和计算机流体力学软件模拟相结合，研究了SSSAB的整体和局部轴向扩散性能，揭示了反应器床层内部流动规律，同时探究了颗粒污泥内部的元素组成及时空分布，为强化反应器液固传质提供理论指导，相关研究成果发表于Journal of Chemical Technology & Biotechnology（2013），其他相关研究成果正在投稿中. 已发表第一或通讯作者论文6篇，其中SCI3篇；授权专利7项，其中发明专利3项。项目核心成果“螺旋对称流厌氧专利反应器”是极具推广价值的超效厌氧反应器，现已制成规模为Ø400mm×2000mm的Ⅰ系列产品，正在进行成果转化。