污泥在水热反应中的颗粒相转变规律及预热堵塞成因分析

本实验研究了不同温度条件下,污泥固体在水热反应中的颗粒相形态变化过程,以及有机质在固、液相间的转化规律,并根据实验结果对污泥预热堵塞过程及成因进行分析.结果表明,蛋白质和糖是水溶液中的主要大分子中间产物,当温度大于260℃时,污泥固体极不稳定,有机质快速溶出,同时固相沉降比(SV)迅速降低.在反应初期,固体颗粒脱水速度大于有机质降解速度,造成颗粒出现团聚、固结现象,这可能是污泥预热堵塞的主要原因.当温度低于220℃时,固相有机物分解缓慢并持续溶出到液相中,蛋白质和糖在溶液中持续累积.该条件下,颗粒相形态不会快速变化,从而较长时间内保持其絮体特征.

活性污泥动力学模型的建立及在完全混合式污泥系统中的应用

首先建立了微生物衰减系数和污泥浓度、底物浓度的函数关系式,带入Lawrence-McCarty第一方程式得到了Logistic方程形式的微生物生长方程式.在分析污泥泥龄和污泥停留时间关系基础上,引入Monod方程建立了活性污泥动力学模型,推导证明了Lawrence-McCarty方程式是模型静态条件下的表达形式.用建立的活性污泥动力学模型对完全混合式污泥系统进行了模拟,并分析了水力停留时间Hydraulic retention time(HRT)和污泥停留时间Sludge retention time(SRT)对完全混合式污泥系统的影响,表明模型能很好地对活性污泥系统的动态过程进行模拟.根据模型编程画出了污泥系统相关变量关于HRT和SRT变化的三维曲面图,通过编程将复杂模型看作一定输入输出的函数,使得模型更易于应用和推广.

典型醇类物质超临界水氧化反应途径研究

采用自主设计的连续流动气封壁超临界水氧化反应装置,研究了典型醇类物质甲醇、乙醇和异丙醇在超临界水中氧化的反应途径,并归纳了醇类物质超临界水氧化反应的规律及特点。研究结果表明,甲醇超临界水氧化反应的主要中间产物为甲醛,同样条件下转化率较乙醇和异丙醇低;乙醇和异丙醇超临界水氧化反应的主要中间产物为丙酮、乙酸、乙醛和甲醇等。三种醇超临界水氧化过程中均涉及到大量活性自由基的相互作用,表现为脱氢、裂解和聚合等反应形式;产物包括碳链增长、不变、降低三种类型。总体来看,醇类物质超临界水氧化反应的趋势是向碳链降低的方向进行,即通过一系列中间产物最后生成CO2和水。

多粒径碳组合的微生物燃料电池阳极制备及其性能研究

微生物燃料电池(MFC)的阳极性能差,导致其输出功率较低,实际应用受到了极大的限制。针对这一问题,本文提出了一种基于多粒径碳组合构筑高性能阳极的方法,以40~60目、100目的活性碳与碳黑为原材料,在不锈钢基底上,制备了三维多孔阳极(CCB),同时在其制备过程中引入碳酸氢铵,获得了孔隙率更高的阳极(CCB-N)。表征实验结果表明,CCB、CCB-N与单一活性碳阳极(C40:40~60目、C100:100目)相比,不仅提高了比表面积,还增强了导电性。在产电性能方面,装配CCB-N的MFC最大功率密度达1831.7 mW/m^(2),比CCB、C40、C100分别提高了9.5%,24.8%和52.3%,这得益于碳酸氢铵辅助造孔,增大了阳极表面可供微生物利用的孔隙率。本研究制备的阳极有效提升了MFC性能,也为高性能阳极的构筑提供了一种新思路。

A/O双污泥工艺脱氮性能

针对传统A/O(anaerobic/oxic)工艺中反硝化细菌对有机物的利用效率低、A_(2)N(anaerobic/anoxic-nitrification)工艺工序繁琐和出水氨氮浓度较高的问题,提出了一种泥水分离反应器,将双污泥体系与A/O工艺结合构建A/O双污泥工艺。对工艺运行过程的脱氮性能、微生物群落变化及氮素转化规律进行了研究,根据研究结果评估泥水分离反应器和A/O双污泥工艺在实际应用中的开发潜力,并总结工艺和反应器需要优化的问题,提出解决问题的思路。结果表明:在进水氮负荷为0.11 kg·(m^(3)·d)^(-1)条件下,工艺的氮去除负荷可以达到0.089 kg·(m^(3)·d)^(-1),NH_(4)^(+)-N去除率超过95%、COD去除率超过90%,TN去除率达到80%以上,该工艺能够实现长期稳定运行。反硝化过程反应速率是提升A/O双污泥工艺脱氮效率的限速步骤,强化有机物在缺氧池中的接触停留是有机物利用率提高的关键。因此,需要对现有碳源的投加方式、污水的进水方式或工艺的反应器数量进行优化,进一步提高工艺对碳源的利用效率。微生物群落结构表明陶厄氏菌(Thauera)、硝化螺杆菌(Nitrospira)、Caldilineaceae等硝化反硝化功能菌属与主导异养硝化-好氧反硝化过程的副球菌(Paracoccus)共同协作是维持高NH4+-N去除率和TN去除率的原因之一。综上所述,A/O双污泥工艺具有良好的脱氮性能,具备实际应用价值,同时该研究结果可为工艺及反应器存在的缺陷进行后续优化研究提供参考。

基于机理模型与数据模型融合的污水处理智能控制系统构建思路

污水处理智能控制是水污染控制领域的前沿方向。人工智能技术的快速发展,为污水处理智能化控制系统研发注入了新的活力。当前亟须探索污水处理机理模型与数据驱动方法交叉融通的科学路径,重构污水处理智能控制系统的逻辑模式,以提升污水处理智能控制技术研发水平。为此,从污水处理过程的确定性-随机性特征出发,提出了融合机理模型与数据模型的双回路控制系统设想,未来通过充分的实践探索,有望为污水处理智能控制提供新的技术路线。首先,分析了污水处理智能控制系统的基本要素,分别探讨了基于确定性的机理模型及基于随机性的数据驱动模型对污水处理系统的控制作用,进而提出了机理模型与数据模型融合驱动的双回路控制系统基本逻辑架构及控制原理,并分析了该系统在污水处理复杂过程中应用的拓扑结构。最后,围绕未来污水处理智能控制技术发展作了展望。

基于动态气封壁反应器的湿式氧化工艺

将动态气封壁反应器应用于湿式氧化,利用空气与亚临界水的界面张力将腐蚀性反应液局限在多孔壁以内实现＂气封＂,并在9.1~10.9 MPa、242~338℃的实验条件下得到了验证。对应的湿式氧化工艺在处理固含量2.9%的城市污泥和回收固含量1.6%~10.5%的污泥用活性炭的实验过程中,设备运行稳定,＂防腐抗堵＂性能良好。进一步分析表明,动态气封壁反应器能强化气液混合、降低设备投入和减少系统能耗,具有一定的开发潜力。但由于受限于反应器体积,过氧量和停留时间不足,导致处理效率偏低,需进一步优化改进。

气封壁高浓度有机污染物超临界水氧化处理系统

利用干燥空气替换亚临界水作为蒸发壁流体,对传统蒸发壁超临界水氧化反应器进行了改进,即将干燥空气用作污染物超临界水氧化反应氧化剂的同时,又作为该超临界水氧化反应体系的密封介质,避免其与反应器内壁的直接接触,以改善超临界水氧化反应器的耐腐蚀性能。通过对采用城市活性污泥和异丙醇配制的高浓度难降解污染物悬浮液进行超临界水氧化处理后,发现反应器内衬陶瓷管在实验前后无论是外观形貌,还是结构组成均未发生明显变化;处理后液体COD降至80 mg/L以下,去除率达到99.6%以上,固体残渣量约为污染物总量的1%,且体系运行过程中压力和温度控制准确,可操作性强。进一步验证了将干燥空气作为超临界水氧化体系的密封介质具有可行性,同时表明,该气封壁超临界水氧化反应系统可用于高浓度难降解有机污染物的环境处理。

基于微生物库仑量抑制率的水体重金属污染监测方法

为实现对水环境重金属污染的实时原位监测,利用单室微生物燃料电池(microbial fuel cell,MFC)传感器搭建了单程连续流装置,并对其预警稳定性进行了探讨。结果表明:以Cr(Ⅵ)作为目标污染物,MFC传感器的检出限为0.4 mg·L^(-1),在0.2~1 mg·L^(-1)的质量浓度区间内,库仑量抑制率与Cr(Ⅵ)质量浓度具有较高的共变趋势;设定模拟废水中Cr(Ⅵ)的质量浓度为1 mg·L^(-1),MFC传感器对乙酸钠质量浓度分别为384.62、480.77和576.92 mg·L^(-1)的模拟废水预警的库仑量抑制率为34.71%±1.65%、36.60%±3.82%和36.28%±10.64%;对分别含有谷氨酸、乳酸和蔗糖(质量浓度均为50 mg·L^(-1))的模拟废水预警的库仑量抑制率为35.22%±6.51%、37.05%±3.74%和24.23%±1.90%,这说明MFC传感器对水样中的可生化降解有机物具有一定的抗干扰能力;MFC传感器连续3次对含有1 mg·L^(-1)Cr(Ⅵ)模拟废水预警的库仑量抑制率为35.37%±3.21%、39.48%±0.95%和41.50%±4.24%,证明MFC传感器的预警信号重现性较好。以上研究结果可为MFC传感器实时原位监测水体重金属污染提供技术参考。