ASBR處理高濃度有機廢水?dāng)?shù)學(xué)模型

靳文東 岳秀萍

1 概述

近十幾年來國內(nèi)外學(xué)者對ASBR反應(yīng)器的啟動[1-7]、工藝和操作特性[8-12]、廢水處理應(yīng)用研究[13-15]等方面進(jìn)行了研究，在厭氧條件下，糖類和簡單有機物等易降解有機物能很快轉(zhuǎn)化為揮發(fā)酸，然而只有少數(shù)幾種厭氧微生物能夠?qū)⒁宜猁}代謝轉(zhuǎn)化成甲烷，容易造成VFA積累，抑制甲烷菌的活性，厭氧反應(yīng)器的“酸化”會使處理過程徹底失敗。

本文根據(jù)化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)基本原理，借鑒MATLAB數(shù)學(xué)工具對ASBR模擬試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，建立ASBR處理高濃度有機廢水的反應(yīng)速率數(shù)學(xué)模型。旨在及時掌握和有效控制反應(yīng)器中底物(有機物)降解速率、產(chǎn)物(甲烷)生成速率和中間產(chǎn)物(揮發(fā)性脂肪酸)的積累程度，并了解進(jìn)水中不同的堿度對這些動態(tài)因素的影響，以保證ASBR工藝長期穩(wěn)定運行。

2 試驗裝置與材料

2.1 試驗裝置

ASBR反應(yīng)器用有機玻璃柱加工而成，有效容積6 L，上部留有2 L的氣室。ASBR反應(yīng)器置于礦棉絕熱保溫的恒溫箱內(nèi)，用WMXK-01型溫控儀控制環(huán)境溫度在30℃～35℃范圍內(nèi)。混合液用氣體間歇攪拌，氣體由反應(yīng)器自身生產(chǎn)的生物氣回流。攪拌時間與間隔時間為每間歇30 min攪拌3 min，由DHS-S型數(shù)顯時間繼電器控制。氣體循環(huán)攪拌流量由轉(zhuǎn)子流量計顯示和控制，約為 300 mL/min。ASBR反應(yīng)器的循環(huán)周期8 h，每個循環(huán)周期內(nèi)反應(yīng)時間6 h，每周期的進(jìn)水和排水量均為3 L。

2.2 廢水配制與測試方法

ASBR反應(yīng)器進(jìn)水以葡萄糖作為碳源，NaHCO3用于調(diào)節(jié)pH值。進(jìn)水的堿度水平由進(jìn)水COD濃度(mg/L)和所投加的NaHCO3產(chǎn)生的堿度濃度(mgCaCO3/L)的比值來表征，即:進(jìn)水 COD/Alk。本文考察堿度水平COD/Alk分別為 2.0∶1和4.8∶1條件下的運行特征。COD濃度測定采用重鉻酸鉀法。VFA組分與濃度、沼氣組分分析采用氣相色譜法。

3 建模過程

3.1 建模原理

厭氧硝化過程可以簡化為僅涉及兩大類微生物:即產(chǎn)酸菌和產(chǎn)甲烷菌的生長與衰亡過程，葡萄糖在產(chǎn)酸菌的作用下被轉(zhuǎn)化為揮發(fā)性脂肪酸(VFA)，VFA在產(chǎn)甲烷菌的作用下被轉(zhuǎn)化為CH4和CO2。假設(shè)ASBR反應(yīng)器內(nèi)部的顆粒污泥和氣相完全混合，生物氣主要含有CH4和CO2兩種氣體組分。如果把葡萄糖兩步降解過程近似看成是兩個簡單反應(yīng)的連續(xù)反應(yīng)，則可以表示為:

在這一串聯(lián)反應(yīng)中速率常數(shù)k1≠k2，厭氧處理系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)取決于產(chǎn)酸反應(yīng)速率與產(chǎn)甲烷反應(yīng)速率的相對平衡。如果A的初始濃度為 CA0，則在時刻 t的濃度CA，CB及CC間存在下列關(guān)系:

上述關(guān)系可表示為圖1。由串聯(lián)反應(yīng)條件得出下列速率關(guān)系。

由式(3)積分得:

將式(6)代入式(4)積分整理后可得:

將式(7)代入式(5)得:

寫成下列積分形式:

進(jìn)行積分:

3.2 求解反應(yīng)速率常數(shù)

堿度COD/Alk為 2.0∶1時(即中性環(huán)境下)，k1＜k2;堿度COD/Alk為4.8∶1時(即偏酸性環(huán)境下)，k1＞k2。而且，兩種堿度條件下 k1的差值為0.26，k2的差值僅0.01，說明堿度對產(chǎn)酸速率常數(shù)k1的影響程度大于對產(chǎn)甲烷速率常數(shù)k2的影響。將k1，k2值代入式(6)、式(7)和式(9)后，得到兩種堿度條件下的反應(yīng)速率數(shù)學(xué)模型，如表1所示。

表1 不同堿度下的反應(yīng)速率方程

3.3 模型精度驗證

圖2，圖3分別為VFA濃度(以 CODVFA計)和甲烷產(chǎn)率(以CODCH4計)的實測值與數(shù)學(xué)模型計算值的對比。由圖看到，所建立的模型計算值與試驗數(shù)據(jù)之間有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù) R平均值大于0.95，表明該模型對ASBR反應(yīng)器處理以葡萄糖為底物的配制廢水中的VFA濃度和甲烷產(chǎn)率CODCH4的模擬具有良好的適用性。

4 結(jié)語

本文建立了不同堿度條件下ASBR反應(yīng)器處理溶解性高濃度有機廢水的反應(yīng)速率數(shù)學(xué)模型。

當(dāng)進(jìn)水COD/Alk為2.0∶1時，反應(yīng)器內(nèi)底物、中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物的濃度可用下式表示:

當(dāng)進(jìn)水COD/Alk為4.8∶1時，反應(yīng)器內(nèi)底物、中間產(chǎn)物和最終產(chǎn)物的濃度可用下式表示:

與其他碳水化合物相比葡萄糖的酸化速率最大，因此該數(shù)學(xué)模型可用于高濃度有機廢水ASBR處理工藝運行的控制和預(yù)測中。

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