厨余垃圾厌氧水解生物反应器结构设计及生物反应动力学研究

作     者：王浩博 

作者单位：广西科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：吴璇

授予年度：2023年

学科分类：083002[工学-环境工程] 0830[工学-环境科学与工程（可授工学、理学、农学学位）] 07[理学] 08[工学] 070304[理学-物理化学(含∶化学物理)] 0703[理学-化学] 

主      题：厌氧水解 混合效果 水解效率 反应动力学 

摘      要：随着经济的高质量发展,城市的生活垃圾数量也在日益增加,其中厨余垃圾作为生活垃圾的重要组成部分,其处理方法被人们越来越重视。由于厨余垃圾具有高有机物含量、含水量高易被降解的特性,是厌氧消化处理的良好底物。厌氧消化处理厨余垃圾的方法有助于提高厨余垃圾资源化利用水平和减少环境污染,这种利用厨余垃圾反应生产氢气、甲烷等清洁能源的方式也成为了众多学者的研究方向。本文主要研究厌氧消化的第一阶段(厌氧水解阶段),通过数值模拟和实验验证的方法,对机械搅拌式生物反应器(CSTR)的桨叶和反应器缸体进行设计和优化,并且通过单因素实验和响应面实验分析找到适合厌氧水解阶段的生物反应器操作参数,同时运用最佳操作参数进行实验,将实验数据拟合不同的生物反应动力学数学模型,找到合适的动力学数学模型对反应器内的生物反应进行描述和预测。为实现上述目标,本文运用COMSOL软件对反应器模型进行数值模拟,通过湍流场耦合稀物质传递物理场进行理论分析,通过比较不同桨型产生的流场速度分布、剪切速率分布和混合程度,选择混合效率最高的搅拌桨用于生物反应器的搅拌,并通过比较不同的半径比和高径比选择混合效率最高的反应缸体用于生物反应器。通过单因素实验和响应面实验的分析探究反应温度、环境p H、电机转速和转停比对水解效率的影响与显著程度,以及各参数间的交互作用,选出最适合厨余垃圾厌氧水解的反应条件作为反应器的最佳操作参数。最后通过Logistic模型、Dose Resp模型和SGompertz模型对实验数据进行非线性拟合,选择出最能准确描述反应过程的反应动力学数学模型。本文主要研究结果和结论有:(1)通过实验验证了所设置的CFD模型的准确性。(2)通过湍流场耦合稀物质传递物理场得出45°的折页涡轮采用下吸式安装在生物反应器中混合效果较好。(3)反应器的缸体采用半径比为1:0.6、高径比为5:3时CSTR的搅拌效果最好。(4)通过响应面实验分析得到:反应温度为36.24℃;环境p H为5.68;电机转速为104.78 r/min;转停比取11min:60min时厨余垃圾厌氧水解的效率最高。(5)通过对实验数据的非线性拟合得出Logistic模型可以很好描述和预测反应过程的规律,相关系数R达到0.9982。本文明确了生物反应器的结构参数和操作参数对厨余垃圾厌氧水解的影响,系统地研究了不同搅拌桨及搅拌桨夹角对反应器内流场的影响,讨论了不同反应动力学模型对厨余垃圾厌氧水解过程的拟合效果,研究成果可以为厨余垃圾厌氧水解的生物反应器设计优化提供参考。