论文总字数：19065字

摘 要

我国环境污染问题的问题越来越引严重，废水污染已成为环境污染中比较难解决的严重问题。然而，现有废水处理技术有能耗大，投资和建设费用高，使用面积大等问题。所以必须马上开发低耗，高效，占地面积少的新型废水处理技术。

本论文将进行厌氧生物流化床处理高浓度PTA废水的实验研究，并获得生物流化床来处理污水的优化工艺及其参数。借助计算流体力学（CFD）手段对流化床内流场进行数值模拟，归纳总结能有效描述反应器内部复杂流动的设和计放大规律。

1. 反应器分别以颗粒活性炭和PP有机填料为微生物载体，均显示出良好的污染物降解效能。
2. 反应器在分别装填两种不同载体情况下，COD和TA去除率均随着HRT的缩短呈现一定程度的下滑，系统有机容积负荷增加。

（3）以Monod方程为基础，建立快速传质厌氧生物流化床底物降解动力学模型：，通过改变系统运行参数进行数据拟合，得到动力学方程：，饱和常数Ks为2422.10mg/L，最大降解速率ν_max为3.32d^-1。

关键词：污水处理， PTA废水，厌氧流化床反应器

ABSTRACT

Nowadays, the environmental pollution in our country is very serious; was te water treatment is an important is sure to be resolved. However, the problems such as large energy exhaustion, high investment and operating cost, and large covering are ubiquitous in the present was te water treatment

This paper will be of PTA wastewater anaerobic biological fluidized bed processing research of experimental research, and optimization of process and its parameters of biological fluidized bed sewage. With the help of computational fluid dynamics (CFD) method, a numerical simulation of the flow field in the fluidized bed generalizations can effectively describe the counsels and reactor complex internal flow law of amplification.

（1）Two kinds of granular activated carbon is organic filler and PP microbial carrier reactor, all show good degradation efficiency of pollutants.

1. Reactor under the condition of loading two different carrier, COD removal efficiency and TA are increased with the shorten of HRT presents a cert a in degree of decline, or ganic volume load increase.

（3）Based on Monod equation, build fast mass transfer an aerobic biological fluidized bed kinetics of substrate degradation model,by changing the system operation parameters for data fitting, dynamics equation is obtained: saturation constant Ksis2422.10mg/L, maxi mum degradation rate argument Max 3.32d^-1.

Key Words： Sewage; treatment PTA; waste water an aerobic fluidized bed

目录

摘要 I

ABSTRACT Ⅱ

第一章文献综述 1

1.1研究背景 1

1.2生物流化床 1

1.3废水处理方法 3

1.31物理方法 3

(1)吸附法 3

(2)混凝法 3

(3)膜分离技术 3

(4)磁分离技术 3

1.32化学方法 4

(1)臭氧 4

(2)氯气 4

(3)酸碱 4

1.33生物方法 5

(1)活性污泥法 5

(2)生物膜法生物膜法 5

1.4研究目的和方法 6

1.5研究内容 7

第二章传质厌氧生物流化床处理PTA废水小试研究 8

2.1引言 8

2.2实验材料和方法 9

2.2.1实验装置与流程图 9

2.2.2实验用水、接种污泥及微生物载体 10

2.2.3实验仪器与试剂 11

2.2.4实验主要检测项目及分析方法 12

2.3反应器启动与挂膜 13

2.4实验结果与分析 13

2.4.1厌氧流化床反应器对污染物去除效能评价 13

2.4.2不同HRT条件下COD和TA去除率变化情况 17

2.5本章小结 20

第三章传质厌氧生物流化床底物降解动力学研究 22

3.1前言 22

3.2莫诺特方程 22

3.3底物降解动力学模型的建立 23

3.4底物降解动力学参数的确定 24

3.5本章小结 26

第四章结论与展望 27

4.1结论 27

4.2展望 28

第一章 文献综述

1.1 研究背景

20世纪20年代首先在煤的气化上使用了流态化技术，并对其进行了流态化技术的研究 ^[1]。研究表明：流态化能够快速的提高传导速率，方便处理大量颗粒和温度均匀等优点。早在20世纪50年代W. Oswald等^[2]人开始研究利用生物处理手段进行污水治理，二十世纪七十年代污水处理利用流化态技术的这些优点产生了一种新的污水处理技术-生物流化床污水处理技术。20世纪70年代中后期，生物流化床开始慢慢运用到城市和工业污水处理上 ^[3-8]。

1.2 生物流化床

在生物流化床方法具有以下特征：系统中的微生物较少；一旦基质负荷高，生物污泥回收利用率将变小；不会因为生物质并导致系统堵塞的积累；一旦生物质浓度变高就可以调节，而液-固体接触面积大；BOD容积负荷，使用率高；占地面积小，投资少。

流化床测试技巧大概分为两大类：侵入式非侵入式测试技术。

侵入式测试技术于可以速度完成局部特性参数的测量，侵入式测试所用传感器类型主要有皮托管、超声探头、热探头和针探头等。利用侵入式测量技术能够测定气含率、气泡频率、气泡形状、局部液相速度、液相混合特性、流化床相含率、获得相含率的径向分布规律^[9-10]。局部特性参数测试技术包括放射颗粒示踪技术、摄像技术、颗粒图像测试技术等，利用这些技术可以测定相含率、气泡的运动状况、颗粒流动速度、运动规律。

通过对过程研究所研制的PV-4A型光纤速度密度测量仪中国科学院自行研制开发的流化床在不同轴向和径向位置在不同表观液速和颗粒循环速率不同视角下的位置，颗粒浓度和颗粒速度进行测量^[11]。

生物流化床在整个流化过程中涉及到了诸多的参数：与液相相关的参数如流体的粘度、最小流化速度等，与颗粒相相关的参数如颗粒速度、颗粒在轴向和径向的分布状况、颗粒的返混状况、颗粒的受力状况等，在G-L-S三相流化床中还涉及到了气含率，氧传递系数。正是如此决定了流化床动力学研究的复杂性，其中有些参数可以通过上述的测量方法得出，但有些参数要通过现有的理论来计算或通过试验得出。

液-固流化系统中颗粒的初始流化速度是生物流化床的重要参数，其算法也是多种多样多达几十种。初始流化速度大体可以分成三种算法^[12-13]：第一种是以Ergun公式为基础，引入经验系数来计算。第二种以流体力学关系为基础。第三种是应用纯经验公式。其中，第一种算法是应用最多一种，陈罕等^[14]比较了一些算法的优缺点，并根据Ergun公式提出了球形颗粒与非球形颗粒的初始流化速度，与所进行的试验所得的结果一致。颗粒流的规律中载体是研究的重点，颗粒本身在流动中受到多个力如曳力、重力、附加质量力、Basset力、Magnus力、Saffman力等^[15]。

许多研究者对整个流化过程进行了研究，对在不同的操作条件下的流动状况进行了比较，加深了对生物流化床内多相流的认识，也为生物流化床的工业放大提供了依据。聂向峰^[16]等利用水和玻璃珠研究了循环流化床的流动特性，试验表明颗粒固体含有率和颗粒速度径向分布均为抛物线分布。XuJing^[17]等研究了颗粒特性（颗粒密度、颗粒大小、颗粒粒度）对流化过程的影响，试验表明较重的颗粒不论是在轴向或径向都比较轻的载体密度要大，颗粒大小对流化状况的影响在流化床底部更加明显，颗粒的形状越规则颗粒在流化床中密度越大。

生物流化床在污水处理中已经有广泛的应用，在生活污水、工业污水处理方面都显示出了很好效果，生物流化床技术较传统的活性污泥法，明显的缩短的水力停留时间，提到了污水处理的效果。

1.3 废水处理方法

1.31 物理方法

(1) 吸附法

吸附法是一般使用的方法，通常是混合粉末或多孔无机吸附剂颗粒和水，或者允许废物通过其过滤床由粒状材料制成，因此,污染物被吸附在水或吸附在多孔材料表面过滤。高效低成本的吸附剂的发展是环境工程研究的一个重要领域^[18]。

(2) 混凝法

混凝法是目前废水中最合算的方法。凝血机制被公认有压缩双电层，电荷中和，吸附架桥和网。现在有两种有机-无机絮凝剂，而有机絮凝剂的应用日益广泛。；有机-无机复合型混凝剂变成现在的热门学科。

(3) 膜分离技术

作为一种新的水处理技术，膜技术是现在使用的超滤和反渗透染料废水。反渗透是给于一定的压力为推动力在半透膜上完成水与染料的分离过程，最后回收燃料。电催化氧化处理染料废水实验研究。

(4) 磁分离技术

磁分离技术是最近几年来发展起来的一种新型水处理技术,先粒子磁化后分开。利用活性炭的吸附性能和铁的化合物是目前用于处理有机废水的方法。

1.32 化学方法

(1) 臭氧

臭氧是一种活性非常强的氧化剂,可能与淤泥中的化合物发生直接或间接地反应,破坏细胞壁,细胞质释放,也将不会溶于水的大分子分解成水溶性小分子片段。Sakai Y等人表明回流率0.3 / D，和臭氧浓度超过0.02毫克/毫克，,可以实现完整的减少污泥^[19]已成功研制出一种活性污泥法和间歇臭氧化联合方法，是一个方法来减少剩余污泥生产和进一步改善污泥沉降性能的有效技术,未来的研究将集中在优化臭氧剂量和加入方法。

(2) 氯气

对污泥减量的原则是氯^[20] ，臭氧的同时，促进细胞的氧化溶解的细胞。虽然氯低于臭氧，它具有以下缺点：（1）污泥沉降性能较差；（2）出水COD升高；（3）污泥产生泡沫。最重要是氯气可以和污泥中的有机物发生反应，生成三氯甲烷((THMs)等一些致癌物质，这会变成棘手的问题。

(3) 酸碱

酸或碱的作用是抑制细胞生长的活动的同时,细胞壁的溶解释放出胞内物质,所以它可以很容易地使用其他活性污泥。相同酸碱条件下，NaOH的溶胞效果比KOH好，H₂SO₄的效果比HCl好，酸没有碱的效果好。碱一热处理污泥(pH值为10，60℃，20min)，碱和热处理污泥在(pH值为10，60℃，20分钟)，细胞溶菌作用最稳定的污泥量是传统活性污泥量的38%到43%^[21] 。

1.33 生物方法

(1) 厌氧工艺活性污泥法

厌氧微生物附着在载体上实现微生物的固定化，通过水力循环实现微生物与废水中有机物的快速传质，而且较高液体流速能够使载体表面衰老微生物及时脱落、更新，维持载体表面较高的微生物活性，大大提高废水的处理效率。

(2) 生物膜法

生物膜法处理：废水生物膜接触的固体，液体交换材料，使用有机物的膜微生物氧化，所述废水净化。由于生物膜具有效率高，耐冲击负荷性能，低污泥产量，占地面积小，操作管理方便等优点，很有竞争力。

1.4 研究目的和方法

厌氧生物流化床是一种将厌氧生物处理技术、膜生物处理技术和化工流态化技术结合起来的高效废水处理装置。厌氧微生物附着在载体上实现微生物的固定化，通过水力循环实现微生物与废水中有机物的快速传质，而且较高液体流速能够使载体表面衰老微生物及时脱落、更新，维持载体表面较高的微生物活性，大大提高废水的处理效率。厌氧生物流化床反应器不仅具有生物膜法处理效率高、污泥量小等特点，同时克服了生物膜法存在的易堵塞、不易脱膜等缺点。与其他废水处理生物处理装置相比，厌氧生物流化床反应器以其微生物浓度高、占地面积小、传质快、微生物活性强、抗负荷冲击等诸多优点成为国内外研究和报道的热点。

本论文采用颗粒活性炭和PP有机填料作为快速传质厌氧生物流化床小试装置的微生物载体，以PTA废水作为处理对象进行小试实验试验。考察并掌握快速传质厌氧生物流化床装置运行规律和工艺控制参数，以此为基础进行结构优化、放大快速传质厌氧生物流化床反应器，为进一步的工业放大提供有效参考。

1.5 研究内容

本论文将进行快速传质厌氧生物流化床处理PTA废水小试实验研究，对反应器运行参数进行优化调整，考察快速传质厌氧生物流化床反应器对PTA废水的降解效能并初步对底物降解动力学进行研究。并在此基础上设计出主体容积为337L规模的放大型快速传质厌氧生物流化床反应器，选用PTA废水作为研究对象进行污染物降解效能研究。具体研究内容如下：

（1）选用颗粒活性炭和PP有机填料作为微生物载体，PTA废水为研究对象，考察快速传质厌氧生物流化床小试装置对废水的处理效能，研究厌氧流化床反应器在运行过程中的工艺参数控制，积累运行经验。

（2）对快速传质厌氧生物流化床反应器降解PTA废水的底物降解动力学进行初步研究，利用底物降解动力学模型，通过改变运行参数得到的数据进行拟合，得到降解动力学方程，从而得出底物降解的最大比降解速率νmax和饱和常数Ks。

第二章 传质厌氧生物流化床处理PTA废水小试研究

2.1引言

2010年国内PTA产能为1626万吨，到2014年产能为4342万吨，伴随着国内PTA产能逐年提升，PTA生产废水也大幅度增加。这些污水中含有大量有毒、难降解有机化合物，可生化性较差。目前国内PTA生产企业大多采用传统的生物处理技术处理PTA生产废水，存在着处理效率低、占地面积大、运行费用高和操作不便等问题[13]。在废水处理领域，影响微生物对有机污染物代谢速率的最重要原因是相间传质效率。传统生物处理反应器内的流体流化不均匀、相间相对流速小，导致相间传质速率慢、处理效果差。同时“年老”微生物不能及时更新换代，导致具有高活性的微生物数量少，废水处理效率低。因此，迫切需要对现在的生物反应器进行升级改造，开发高效、新型废水处理装置及技术已迫在眉睫。

厌氧生物流化床反应器内装填着适合微生物生长挂膜的载体，载体在流体的推动下处于循环流化状态。污水中的有机污染物与载体表面的厌氧微生物接触充分，传质速率快，废水处理效率高。本研究利用快速传质厌氧生物流化床反应器，分别以活性炭和PP有机填料为厌氧微生物载体进行PTA废水处理的小试实验研究。考察快速传质厌氧生物流化床反应器对PTA废水的处理能力，为放大型快速传质氧生物流化床反应器的运行积累更多经验。

2.2 实验材料和方法

2.2.1 实验装置与流程图

图2-1.实验装置示意图

Fig.2-1Schematicdiagramofexperimentalsystem

1-水罐2-计量泵3-循环泵4-三相分离器5-沼气气口6-沉淀池7-水封

（1-watertank2-meteringpump3-circulatingpump4-threephasesepatator

5-methaneexport6-settlingponds7-liquidseal）

实验装置示意图及流程图如图2-1所示。反应器利用无色透光的有机玻璃制作而成，反应器总体积5.0L，有效流化体积2.7L。反应器主体主要由升流区、降流区和三相分离器三部分组成，升流区和降流区由内导流筒隔开，内导流筒的高度可以通过上面的螺杆调整。装置运行过程中，微生物载体在循环水流的推动下由内导流筒上升，当载体溢出内导流筒后经过上部缓冲区到达三相分离器，在其自身重力和水流因素的作用下沿着内外筒之间的间隙下沉到反应器底部重新参与流化。流体的流化速度通过循环泵的流量大小调整，外部进水通过隔膜计量泵从反应器底部打入，反应器出水进入沉淀池，沼气由出气口进入水封后再由集气袋收集后处理。实验装置实物图2-2所示。

图2-2.实验装置图

Fig.2-2Pictureofexperimentalsystem

2.2.2 实验用水、接种污泥及微生物载体

实验用水：PTA废水取某石化水厂净二车间AF反应器进水，主要水质指标：COD浓度为5000~6000mg/L，TA浓度1200~1800mg/L，pH4.5~5.5。

接种污泥：取自某石化水厂净二车间AF反应器内的厌氧污泥。

微生物载体：实验选用椰壳活性炭和有机PP有机填料为微生物载体，两种载体的主要物理参数如表2-1所示。这两种载体都具有凹凸不平的物理表面和发达的孔隙结构，可以为微生物的生长繁殖提供良好的场所，常用作微生物载体运用在污水处理当中。

表2-1.载体的主要物理参数

Table2-1Activatedcarbonphysicalparameters

2.2.3 实验仪器与试剂

表2-2.主要实验仪器

Table2-2Mainexperimentalinstrument

表2-3.主要实验试剂

Table2-3Mainexperimentalagents

续表2-3

2.2.4 实验主要检测项目及分析方法

本实验主要检测项目有：COD、TA、pH等，其中COD采用重铬酸钾法测定，TA采用紫外分光光度计法，pH用pH计测定。其他检测项目采用文献中方法进行。

1. COD：标准重铬酸钾滴定法

COD浓度计算公式：

COD=(mg/L)

式中：C—(NH₄)₂Fe(SO₄)₂标准液浓度，mg/L；

V₀—(NH₄)₂Fe(SO₄)₂标准溶液的用量，mL；

V₁—测定时(NH₄)₂Fe(SO₄)₂标准溶液的用量，mL；

V—水样体积，mL。

1. TA：紫外分光光度法

TA贮备液：准确称取0.1000gTA于100mL烧杯中，加入5mL1.0mol/LNaOH溶液使TA溶解后转入50mL容量瓶中，用蒸馏水稀释至刻度。此贮备液每1.00mL含有1.00mgTA。

TA使用液：按参考文献配制TA使用液，并绘制标准曲线。对于实际PTA废水，首先通过COD浓度估算TA的含量，再对其进行稀释、测定。

2.3 反应器启动与挂膜

首先向反应器内加入微生物载体，以活性炭为载体时装填量为有效流化体积的30%，以PP填料为载体时装填量为有效流化体的50%。然后向反应器内加入厌氧污泥，污泥的加入量为反应器有效体积的50%，污泥的加入分三次进行，每次加入的厌氧污泥体积相等。反应器启动挂膜初期，调节循环泵流量使生物载体实现微小扰动，之后视情况调节循环泵流量来改变载体流化速度[16]。实验过程中维持温度在30~35℃之间，进水pH在6.5~7.5之间。反应器启动初期，需要添加适量营养物质以保证厌氧反应器的成功启动，添加成分如表2-4所示。通过稀释调整进水COD低于1000mg/L，同时在进水中加入适量的酵母粉和甲醇促进厌氧微生物的生长和繁殖，待进水COD浓度提高到1000mg/L以上时停止补加。

表2-4营养物质

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