高效厭氧生物反應(yīng)器研制與應(yīng)用
“十五”期間，由北京市環(huán)境保護(hù)科學(xué)研究院、清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系、西安交通大學(xué)和濟(jì)南十方環(huán)保有限公司共同承擔(dān)了國家“863”計劃的“高效厭氧生物反應(yīng)器研制與應(yīng)用”課題（2002AA601190）。本項(xiàng)目針對目前我國高效厭氧反應(yīng)器工程實(shí)踐中存在的問題，在充分分析和研究國內(nèi)外現(xiàn)有高效厭氧反應(yīng)器如UASB、 EGSB、IC等的基礎(chǔ)上，通過對反應(yīng)器結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化設(shè)計，配合反應(yīng)區(qū)內(nèi)循環(huán)、出水循環(huán)和沼氣循環(huán)多重復(fù)合循環(huán)，開發(fā)出具有污泥床層高、污泥濃度高、混合程度高、基質(zhì)降解推動力高等特點(diǎn)的高效厭氧生物反應(yīng)器——厭氧復(fù)合循環(huán)顆粒污泥懸浮床反應(yīng)器，使我國在新型厭氧生物反應(yīng)器領(lǐng)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展。
本項(xiàng)目組提出了厭氧懸浮床反應(yīng)器的概念，并從基礎(chǔ)理論、數(shù)學(xué)模擬、小試研究以及示范工程的實(shí)際應(yīng)用與研究等多個層面上全面展開了對厭氧懸浮床反應(yīng)器的研究。課題的技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在如下幾個方面：
1、成功開發(fā)出顆粒污泥復(fù)合循環(huán)厭氧懸浮床反應(yīng)器
課題組成功開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的顆粒污泥復(fù)合循環(huán)厭氧懸浮床反應(yīng)器，在其基礎(chǔ)理論、流體力學(xué)、生物反應(yīng)動力學(xué)以及功能擴(kuò)展等多個方面取得了創(chuàng)新性成果，并成功建立和運(yùn)行了單池容積為275m3的厭氧懸浮床反應(yīng)器示范工程。生產(chǎn)規(guī)模的厭氧懸浮床反應(yīng)器可以在容積負(fù)荷為30~40kgCOD/m3.d 之間穩(wěn)定運(yùn)行，COD平均去除率長期穩(wěn)定90%以上，性能指標(biāo)已達(dá)到國際高效厭氧生物反應(yīng)器的先進(jìn)水平。課題組已申請并成功獲得“一種厭氧懸浮床反應(yīng)器” 的國家發(fā)明專利。
課題組創(chuàng)新性提出厭氧懸浮床反應(yīng)器的概念，填補(bǔ)了傳統(tǒng)膨脹床與流化床之間的空白。厭氧懸浮床反應(yīng)器在與EGSB、IC反應(yīng)器同等運(yùn)行條件下，具有適度的水力混合特性，其多種循環(huán)方式確保床層中顆粒污泥完全處于懸浮狀態(tài)，既滿足了厭氧微生物與廢水充分混合的要求，又確保了顆粒污泥結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，使反應(yīng)器在工程投資和運(yùn)行能耗兩個方面均明顯低于同類厭氧反應(yīng)器。
2、成功實(shí)現(xiàn)對生產(chǎn)性厭氧懸浮床反應(yīng)器的數(shù)學(xué)模擬及在線優(yōu)化調(diào)控
課題組一直密切跟蹤國際厭氧反應(yīng)動力學(xué)研究的最新進(jìn)展，在國內(nèi)首次將ADM1模型與流態(tài)級串模型相結(jié)合，成功開發(fā)出了能夠動態(tài)模擬厭氧懸浮床反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)化厭氧動力學(xué)數(shù)學(xué)模型，在對多個小試厭氧懸浮床反應(yīng)器成功進(jìn)行動態(tài)模擬的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了對生產(chǎn)性規(guī)模厭氧懸浮床反應(yīng)器（275m3）的動態(tài)模擬。同時，還首次將系統(tǒng)動力學(xué)（SD）的理論與研究方法引入?yún)捬躅I(lǐng)域，將結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化模型相互結(jié)合，成功構(gòu)建了厭氧系統(tǒng)動力學(xué)模型(ASDM1)。
在理論研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合厭氧懸浮床反應(yīng)器的特性成功建立了厭氧動態(tài)模擬自控系統(tǒng)，可以根據(jù)進(jìn)水水量和水質(zhì)的變化，自動實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外氣液復(fù)合循環(huán)方式和強(qiáng)度比例的在線自動反饋控制；根據(jù)在線pH控制系統(tǒng)自動實(shí)現(xiàn)酸堿藥劑的投加，實(shí)現(xiàn)了厭氧懸浮床反應(yīng)器內(nèi)pH和堿度自動控制的關(guān)鍵技術(shù)；動態(tài)模擬系統(tǒng)還能成功實(shí)現(xiàn)厭氧反應(yīng)器的最佳工藝運(yùn)行條件的優(yōu)化和輔助設(shè)計，為工藝優(yōu)化提供了保障。
3、高效(自)固定化技術(shù)及獨(dú)特的顆粒污泥特性
在厭氧反應(yīng)器內(nèi)通過(自)固定化形成高效優(yōu)質(zhì)的顆粒污泥或顆粒生物膜是厭氧反應(yīng)器實(shí)現(xiàn)高效穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，針對不同的廢水水質(zhì)，培養(yǎng)并維持具有特殊優(yōu)勢復(fù)合菌種種類顆粒污泥或顆粒生物膜，就能在單一厭氧反應(yīng)器中同時實(shí)現(xiàn)多種復(fù)合功能。本課題組在研究過程中，成功培養(yǎng)獲得了高效厭氧產(chǎn)甲烷、同時產(chǎn)甲烷反硝化、高溫厭氧發(fā)酵產(chǎn)氫、厭氧氨氧化、好氧亞硝化等多種高效復(fù)合功能顆粒污泥。
課題組建立了衡量顆粒污泥性能的指標(biāo)體系，并對多種顆粒污泥性能指標(biāo)的測試方法進(jìn)行了規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化。課題組不僅引進(jìn)了DNA提取、PCR擴(kuò)增、變性梯度電泳（DGGE）、熒光原位雜交技術(shù)（FISH）等現(xiàn)代分子生物學(xué)技術(shù)，還針對一些顆粒污泥的特殊性能指標(biāo)，專門開發(fā)研制了顆粒污泥粒徑分布儀、顆粒污泥強(qiáng)度測定儀以及顆粒污泥沉速測定儀等三個專用儀器，其中的顆粒污泥粒徑分布儀已經(jīng)申請了國家發(fā)明專利。
課題研究與示范工程的應(yīng)用有效帶動了我國厭氧廢水生物處理技術(shù)的改革與發(fā)展，厭氧反應(yīng)器的處理負(fù)荷和效率大幅提高，廢水處理工程的基建投資和運(yùn)行費(fèi)用均大幅降低；在課題研究過程中，還培養(yǎng)出一批具有堅實(shí)理論基礎(chǔ)和豐富實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的厭氧技術(shù)專業(yè)人才；并申請國家發(fā)明專利五項(xiàng)，其中三項(xiàng)已獲得授權(quán)，另兩項(xiàng)處于公開階段；形成了一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的厭氧生物處理的關(guān)鍵技術(shù)。
本項(xiàng)目獲2006年度國家環(huán)境保護(hù)總局科技進(jìn)步貳等獎
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