上升流速对反硝化颗粒污泥UASB反应器运行的影响及其数值模拟

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生物法去除硝酸盐废水是一种环保和经济的技术。在生物法中,反硝化颗粒污泥(Denitrification granular sudge,DGS)因其具有沉降性好、处理效率高且占地面积小等优点而受到关注。本课题在培养出反硝化颗粒污泥并确定合适的进水氮负荷的基础上,探讨不同上升流速提升策略对反硝化颗粒污泥UASB(Up-flow anoxic sludge blanket reactor,UASB)反应器的影响,并运用FLUENT对不同上升流速提升下的反应器进行数值模拟,根据模拟数据并结合实验数据计算作用在颗粒污泥表面的水力剪切力,从流体力学的角度分析不同上升流速对反硝化颗粒污泥反应器的影响,以期为反硝化颗粒污泥反应器稳定运行提供指导。本研究得到主要实验结论如下:以絮状污泥为接种污泥,通过逐步提升UASB反应器内进水NO3--N浓度和氮负荷的方式,成功培养出反硝化颗粒污泥,反应器的NO3--N和COD去除率分别在95%和90%以上,其中,反应器进水氮负荷为2.32 g·(L·d)-1条件下,颗粒污泥性能和反应器运行最稳定。基于培养成功的反硝化颗粒污泥,在固定进水氮负荷为2 g·(L·d)-1条件下,通过调控不同的回流流速提升幅度,考察不同上升流速提升策略对反硝化颗粒污泥UASB反应器运行特性和颗粒污泥性能的影响。结果表明,反应器在上升流速为0.49 m·h-1时,慢速提升策略的运行更稳定。进一步分析原因,慢速提升策略下粒径主要分布在中间粒径1.4~2.36 mm(占比为49.2%),并逐渐富集较高含量的TB-EPS(56.2mg·(g·VSS)-1)。同时,Firmicutes(占比为6.7%)和Planctomycete(占比为7.1%)门水平丰度及Paracoccus(占比为9.92%)水平丰度得到富集,从而促进反应器在更高的上升流速下运行保持稳定。通过比较FLUENT计算方法和模型,选择欧拉-欧拉法中的Mixture计算模型,依据上一章中实验所得的颗粒污泥粒径和密度的数据,对UASB反应器内不同上升流速的各阶段进行数值模拟,并计算出在不同上升流速作用与颗粒污泥的水力剪切力。模拟结果发现,水流在升流穿过污泥层中空隙通道的路径呈现弯曲不规则并随着上升流速提升逐渐加剧,其中上升流速为0.49 m·h-1时,快速提升策略反应器内的湍动明显高于慢速提升策略反应器,水力剪切力的计算结果显示,快速提升策略在此流速下颗粒污泥的水力剪切力是慢速提升策略的1.12倍,进一步分析,颗粒粒径的破坏进一步加剧反应器内的水力剪切力,导致颗粒污泥所受内剪切力的增加更大,进而加剧了对颗粒污泥的破坏。
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