一种流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的测量方法及装置

摘要

本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的测量方法及装置。通过对微生物聚集体反应区进行压力调控，模拟微生物聚集体流化过程中流化颗粒运动因高度差引发的周期性静压波动，为微生物聚集体中微观传质行为及生化反应过程提供近似环境，可定量解析流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的影响。本发明方法可以有效量化研究微生物聚集体中分子扩散与对流扩散等微观传质行为及生化反应过程。

说明书

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，具体涉及一种流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的测量方法及装置。

背景技术

在水污染控制过程中，生物处理是核心技术手段，而生物处理过程中，微生物聚集体以废水中的有机污染物作为营养源进行新陈代谢，逐级释放能量，最终使废水中的污染物无害化，释放到自然环境中。

微生物聚集体在消化废水中的污染物时存在着“肺呼吸”现象：废水经微生物聚集体中的孔道结构进入微生物聚集体内部，从而被进一步消化并产生气体。污染物被继续消化时，附着在微生物聚集体的气泡将会长大，内部压强进一步升高(可能出现微生物聚集体上浮的现象，进入流化状态)，当气泡大到一定程度时，气泡脱离微生物聚集体，由于液压的存在废水将再次进入微生物聚集体内部，反复上述过程直到污染物被去除。

由“肺呼吸”作用可知，微生物聚集体处理废水中的关键步骤是废水与微生物聚集体之间的传质作用。这种传质作用主要分为分子扩散、对流传质。

分子扩散是指由于分子的无规则热运动而形成的物质传递现象，本质上是由于物理量沿梯度运输。

对流传质本质是一种宏观上的物质运动，有两种方式引发对流运动：一种是强制对流，直接加压力或边界移动，让流体发生运动，可能是层流，也可能是湍流；另一种是自然对流，是由于流体间的密度差造成流体间浮力不同的运动。

无论是分子扩散还是对流传质，迄今为止都没有相关的检测方案。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的测量方法及装置，可以有效量化研究微生物聚集体中分子扩散与对流扩散等微观传质行为及生化反应过程。

一种流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的测量方法，通过对微生物聚集体反应区进行压力调控，模拟微生物聚集体流化过程中流化颗粒运动因高度差引发的周期性静压波动，为微生物聚集体中微观传质行为及生化反应过程提供近似环境，可定量解析流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的影响。

当微生物聚集体消化污染物进行产气时减小外部压强，从而使气泡更容易排出；当气泡排出后增大外部压强，将废水再次压入微生物聚集体，从而模拟“肺呼吸”作用，从而得到可控可靠的流化微生物聚集体传质行为测试方法。

进一步地，所述压力调控范围在0.1MPa-0.6MPa。

进一步地，所述微生物聚集体是厌氧颗粒污泥、好氧颗粒污泥、微生物填料中的一种或多种。

进一步地，所述生化反应过程是产甲烷、反硝化、厌氧氨氧化微生物代谢过程中的一种。

进一步地，所述微观传质行为包括液相与微生物聚集体之间的分子扩散或对流扩散。

进一步地，所述分子扩散是指在静止状态下，废水中的分子通过扩散作用，进入微生物聚集体进而被代谢；所述对流扩散是在加压状态下，废水被压入微生物聚集体进而被代谢。

本发明还提供上述流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的测量方法的装置，包括加热装置、主体反应区和压强控制装置；

所述加热装置包括依次连接的进水管、加热控制器、出水管Ⅰ；

所述主体反应区包括设置在主体反应区顶部的压力表、设置在主体反应区内部的搅拌装置，主体反应区内部由下至上依次设置微生物聚集体层区和废水区；主体反应区还设有恒温装置，环绕反应区四周及下部；

加热装置和恒温装置通过出水管Ⅰ连通；

压强控制装置包括压力控制器以及分别和压力控制器连接的进气管、出气管Ⅰ、进出气管、出气管Ⅱ，进气管另一端连接有气罐；

压强控制装置的出气管Ⅰ和进出气管分别和主体反应区顶部连通。

进一步地，主体反应区中的废水区与微生物聚集体层区体积比为(1-4)：1，且总体积不超过反应器总体积的四分之三；所述恒温装置为水浴装置，并设置有出水管Ⅱ。

进一步地，利用上述装置进行流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的测量方法，具体包括以下步骤：

1)：水通过进水管进入加热装置，在加热控制器作用下调整水温后由出水管Ⅰ进入恒温装置；

2)：将微生物聚集体与废水依次加入到主体反应区中，封闭反应器；

3)：启动搅拌装置；

4)：设置压力控制器参数：保压时间、静止时间、主体反应器压强、循环次数；

5)：打开气罐阀门，气体由气罐经进气管进入压力控制器，变压后由进出气管进入主体反应区，进入保压状态；

6)：保压状态结束后气体由进出气管进入压力控制器，进而由出气管Ⅱ排出主体反应区，进入静止状态；

7)：静止时产生的气体由出气管Ⅰ进入压力控制器中测量出静止状态时的产气量；

8)：静止状态结束后，压强控制装置重复步骤5-步骤8，直至达到所设循环次数。

进一步地，所述步骤1)中水温控制在10-60℃；所述步骤4)中保压时间15min，静止时间1min，循环次数90次，主体反应器压强0.1MPa-0.6MPa。

本发明的技术原理：

通过对反应器压力调控，模拟微生物聚集体流化过程中的周期性静压波动，从而模拟实际反应器内流化颗粒运动时的高度差，从而量化研究微生物聚集体中分子扩散与对流扩散等微观传质行为。

具体的，通过对反应釜进行有规律的增压减压，并控制保压时间、静止时间、气压大小、循环次数等参数。从而模拟微生物聚集体处理有机废水时的传质作用。并通过传质贡献系数、比活性评估污染物的降解程度；采用传质贡献系数和反应的比活性作为一定的流化状态下微生物聚集体中分子扩散与对流扩散等微观传质行为的参考标准。

所述保压时间是指加压后，微生物聚集体与废水在高压下的时间，这段时间微生物聚集体对进入内部的废水充分反应，所述静止时间是指减压后，微生物聚集体与废水在常压下的时间，所述气压大小是指向反应釜通入气体的大小，所述循环次数是指微生物聚集体模拟“肺呼吸”作用的次数；

所述传质贡献系数的计算方法如下：

其中，η为传质贡献系数，％；

Rb与Rj分别为厌氧反应器出水的TOC的静态试验值、变压试验值，mg/L。

进一步的，所述比活性的计算方法如下：

其中，r为比活性，kg污染物/kgVSS；

Tc为一次实验中去除的总TOC含量，mg/L；

Vs为每升污泥中具有生物活性的质量，mg/L。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1)有效量化研究微生物聚集体中分子扩散与对流扩散等微观传质行为及生化反应过程；

2)通过控制气压变化，模拟微生物聚集体在反应器中的流化状态；

3)压强计量装置能准确测量静止时产气量，从而判断微生物聚集体活性；

4)装置结构简单，操作方便，可根据需要调节所需参数。

附图说明

图1为本发明实施例1所使用的流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的测量装置图；

其中16为加热装置，17为主体反应区，18为压强控制装置；

1为压力表、2为恒温装置、3为搅拌装置、4为出水管Ⅰ、5为废水区、6为加热控制器、7为微生物聚集体层区、8为进水管、9为出气管Ⅰ、10为进出气管、11为压力控制器、12为出水管Ⅱ、13为出气管Ⅱ、14为进气管、15为气罐。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明以下实施例中所使用的流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的测量装置图见图1；

其中16为加热装置，17为主体反应区，18为压强控制装置；

1为压力表、2为恒温装置、3为搅拌装置、4为出水管Ⅰ、5为废水区、6为加热控制器、7为微生物聚集体层区、8为进水管、9为出气管Ⅰ、10为进出气管、11为压力控制器、12为出水管Ⅱ、13为出气管Ⅱ、14为进气管、15为气罐。

加热装置16包括进水管8、出水管Ⅰ4、加热控制器6；

主体反应区17包括设置在主体反应区17顶部的压力表1、设置在主体反应区17内部的搅拌装置3，主体反应区17内部由下至上依次设置微生物聚集体层区7和废水区5；主体反应区17还设有恒温装置2，环绕主体反应区17四周及下部；

加热装置16和恒温装置2通过出水管Ⅰ(4)连通；

压强控制装置18包括压力控制器11以及分别和压力控制器11连接的进气管14、出气管Ⅰ9、进出气管10、出气管Ⅱ13，进气管14另一端连接有气罐15；

压强控制装置18的出气管Ⅰ9和进出气管10分别和主体反应区17顶部连通。

所述恒温装置2为水浴装置，并设置有出水管Ⅱ12。

实施例1

探究压强大小对于微生物聚集体传质的影响：

模拟废水成分：葡萄糖和乙酸钠按照COD浓度比为1：1配制成COD浓度为2000mg/L的溶液，并用乙酸调节溶液PH至7；

微生物聚集体来源：某造纸厂厌氧颗粒污泥，粒径在0.5-3mm，颗粒度70-80％，含水率90％。

1)：水通过进水管8进入加热装置16，在加热控制器6作用下调整水温后由出水管Ⅰ4进入恒温装置2；

2)：将微生物聚集体与废水依次加入到主体反应区17中，封闭反应器(将微生物聚集体与模拟废水以体积比1：2加入到主体反应区17内，且总体积为300ml)；

3)：启动搅拌装置3；

4)：设置压力控制器11参数：保压时间15min、静止时间1min、主体反应器压强0.3MPa、循环次数90次；

5)：打开气罐15阀门，气体由气罐15经进气管14进入压力控制器11，变压后由进出气管10进入主体反应区17，进入保压状态；

6)：保压状态结束后气体由进出气管10进入压力控制器11，进而由出气管Ⅱ13排出主体反应区17，进入静止状态；

7)：静止时产生的气体由出气管Ⅰ9进入压力控制器11中，测量出静止状态时的产气量；

8)：静止状态结束后，压强控制装置18重复步骤5-步骤8，直至达到所设循环次数。

对比例1

通过压力控制器11控制进入反应器的气压大小为0.2MPa，其余操作与实施例1相同。

对比例2

不对压力控制器11进行操作，控制反应器1中的压力为常压0.1MPa，其余操作与实施例1相同。

结果验证

分别测量实施例1和对比例1-2中的Rb、Rj、Tc、Vs计算传质贡献系数、比活性；

Rb为厌氧反应器出水TOC的静态试验值，mg/L。

Rj为厌氧反应器出水TOC的变压试验值，mg/L。

Tc为一次实验中去除的总TOC含量，mg/L。

Vs为每升污泥中具有生物活性的质量，mg/L。

Rb、Rj、Tc数值利用总有机碳分析仪进行检测。

Vs的计算方法如下：

Vs＝Ts-SAH 式Ⅱ

其中，Ts为污泥干重，g；

SAH为灰分质量，g。

Ts数值利用电子天平称量。

SAH数值利用电子天平称量。

所述传质贡献系数的计算方法如下：

其中，η为传质贡献系数，％；

进一步的，所述比活性的计算方法如下：

其中，r为比活性，kg污染物/kgVSS；

结果见表1；

表1

由表可知，实施例1与对比例1和2相比，加压对于颗粒污泥传质有影响，压强越大去除效率越高，对流传质的贡献越高。

实施例2

探究流化状态对厌氧颗粒污泥微观传质及生化反应过程的影响：

模拟废水成分：葡萄糖和乙酸钠按照COD浓度比为1：1配制成COD浓度为2000mg/L的溶液，并用乙酸调节溶液PH至7；

微生物聚集体来源：某造纸厂厌氧颗粒污泥，粒径在0.5-3mm，颗粒度70-80％，含水率90％。

采用和实施例1相同的装置和方法进行所述流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的测量方法的操作，其中，将厌氧颗粒污泥与模拟废水以体积比1：2加入到主体反应区Ⅰ内，且总体积为300ml；密封后用搅拌装置(3)对混合物进行搅拌，使反应器内废水与厌氧颗粒污泥处于充分混合状态；通过压力控制器(11)控制进入反应器的气压大小为0.3MPa，保压时间15min，静止时间1min，循环次数90次，总时间为24h，进行废水厌氧处理。

重复实验3次，分别测量Rb、Rj、Tc、Vs。计算传质贡献系数、比活性；

Rb为厌氧反应器出水TOC的静态试验值，mg/L。

Rj为厌氧反应器出水TOC的变压试验值，mg/L。

Tc为一次实验中去除的总TOC含量，mg/L。

Vs为每升污泥中具有生物活性的质量，mg/L。

Rb、Rj、Tc数值利用总有机碳分析仪进行检测。

Vs的计算方法如下：

Vs＝Ts-SAH 式Ⅱ

其中，Ts为污泥干重，g；

SAH为灰分质量，g。

Ts数值利用电子天平称量。

SAH数值利用电子天平称量。

所述传质贡献系数的计算方法如下：

其中，η为传质贡献系数，％；

进一步的，所述比活性的计算方法如下：

其中，r为比活性，kg污染物/kgVSS；

结果见表2：

表2

由表可知，该反应装置可量化并评估厌氧颗粒污泥与废水之间的分子扩散与对流扩散等微观传质行为，并提升了废水处理效率。

实施例3

探究流化状态对好氧颗粒污泥微观传质及生化反应过程的影响：

模拟废水成分：葡萄糖和乙酸钠按照COD浓度比为1：1配制成COD浓度为2000mg/L的溶液，并用乙酸调节溶液PH至7；

微生物聚集体来源：某污水处理厂好氧颗粒污泥，粒径在2-3mm，颗粒度70-80％，含水率90％。

采用和实施例1相同的装置和方法进行所述流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的测量方法的操作，其中，将好氧颗粒污泥与模拟废水以体积比1：2加入到主体反应区Ⅰ内，且总体积为300ml；密封后用搅拌装置(3)对混合物进行搅拌，使反应器内废水与好氧颗粒污泥处于充分混合状态；通过压力控制器(11)控制进入反应器的气压大小为0.3MPa，保压时间15min，静止时间1min，循环次数90次，总时间为24h，进行废水好氧处理。

重复实验3次，分别测量Rb、Rj、Tc、Vs。计算传质贡献系数、比活性；

Rb为厌氧反应器出水TOC的静态试验值，mg/L。

Rj为厌氧反应器出水TOC的变压试验值，mg/L。

Tc为一次实验中去除的总TOC含量，mg/L。

Vs为每升污泥中具有生物活性的质量，mg/L。

Rb、Rj、Tc数值利用总有机碳分析仪进行检测。

Vs的计算方法如下：

Vs＝Ts-SAH 式Ⅱ

其中，Ts为污泥干重，g；

SAH为灰分质量，g。

Ts数值利用电子天平称量。

SAH数值利用电子天平称量。

所述传质贡献系数的计算方法如下：

其中，η为传质贡献系数，％；

进一步的，所述比活性的计算方法如下：

其中，r为比活性，kg污染物/kgVSS；

结果见表3：

表3

由表可知，该反应装置可量化并评估好氧颗粒污泥与废水之间的分子扩散与对流扩散等微观传质行为，并提升了废水处理效率。

实施例4

探究流化状态对厌氧氨氧化颗粒污泥微观传质及生化反应过程的影响：

模拟废水成分：亚硝酸钠1g/L；葡萄糖和乙酸钠按照COD浓度比为1：1配制成COD浓度为2000mg/L的溶液。

微生物聚集体来源：某制糖厂厌氧氨氧化颗粒污泥，粒径在2-3mm，颗粒度70-80％，含水率90％。

采用和实施例1相同的装置和方法进行所述流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的测量方法的操作，其中，将厌氧氨氧化颗粒污泥与模拟废水以体积比1：2加入到主体反应区Ⅰ内，且总体积为300ml；密封后用搅拌装置(3)对混合物进行搅拌，使反应器内废水与厌氧氨氧化颗粒污泥处于充分混合状态；通过压力控制器(11)控制进入反应器的气压大小为0.3MPa，保压时间15min，静止时间1min，循环次数90次，总时间为24h，进行废水处理。

重复实验3次，分别测量Rb、Rj、Tc、Vs。计算传质贡献系数、比活性；

Rb为厌氧反应器出水TOC的静态试验值，mg/L。

Rj为厌氧反应器出水TOC的变压试验值，mg/L。

Tc为一次实验中去除的总TOC含量，mg/L。

Vs为每升污泥中具有生物活性的质量，mg/L。

Rb、Rj、Tc数值利用总有机碳分析仪进行检测。

Vs的计算方法如下：

Vs＝Ts-SAH 式Ⅱ

其中，Ts为污泥干重，g；

SAH为灰分质量，g。

Ts数值利用电子天平称量。

SAH数值利用电子天平称量。

所述传质贡献系数的计算方法如下：

其中，η为传质贡献系数，％；

进一步的，所述比活性的计算方法如下：

其中，r为比活性，kg污染物/kgVSS；

结果见表4；

表4

由表可知，该反应装置可量化并评估厌氧氨氧化颗粒污泥与废水之间的分子扩散与对流扩散等微观传质行为，并提升了废水处理效率。

实施例5

探究流化状态对微生物填料微观传质及生化反应过程的影响：

模拟废水成分：葡萄糖和乙酸钠按照COD浓度比为1：1配制成COD浓度为2000mg/L的溶液，并用乙酸调节溶液PH至7；

微生物聚集体来源：某普通生物滤池中的微生物填料，滤料径介于70-100mm，空隙率为45％，比表面积为65-100m

采用和实施例1相同的装置和方法进行所述流化状态对微生物聚集体微观传质及生化反应过程的测量方法的操作，其中，将微生物填料与模拟废水以体积比1：2加入到主体反应区Ⅰ内，且总体积为300ml；密封后用搅拌装置(3)对混合物进行搅拌，使反应器内废水与微生物填料处于充分混合状态；通过压力控制器(11)控制进入反应器的气压大小为0.3MPa，保压时间15min，静止时间1min，循环次数90次，总时间为24h，进行废水处理。

重复实验3次，分别测量Rb、Rj、Tc、Vs。计算传质贡献系数、比活性；

Rb为厌氧反应器出水TOC的静态试验值，mg/L。

Rj为厌氧反应器出水TOC的变压试验值，mg/L。

Tc为一次实验中去除的总TOC含量，mg/L。

Vs为每升污泥中具有生物活性的质量，mg/L。

Rb、Rj、Tc数值利用总有机碳分析仪进行检测。

Vs的计算方法如下：

Vs＝Ts-SAH 式Ⅱ

其中，Ts为污泥干重，g；

SAH为灰分质量，g。

Ts数值利用电子天平称量。

SAH数值利用电子天平称量。

所述传质贡献系数的计算方法如下：

其中，η为传质贡献系数，％；

进一步的，所述比活性的计算方法如下：

其中，r为比活性，kg污染物/kgVSS；

结果见表5：

表5

由表可知，该反应装置可量化并评估微生物填料与废水之间的分子扩散与对流扩散等微观传质行为，并提升了废水处理效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。