厌氧生物处理的动力学综述

综述专论化工科技,200816(5):68~71SciENCE TECHNOLOGY IN CHEMICAL INDUSTRY厌氧生物处理的动力学综述胡成亮1,冯权莉1,宁平2,任友昌3(1.昆明理工大学化学工程学院云南昆明650224:2.昆明理工大学环境科学与工程学院,云南昆明6500933昆明冶金高等专科学校环境与化工学院,云南昆明650033)要:综逑了有机物厌氧生物处理的动力学模型,对厌氧生物的降解机理、生物处理技术的特点了概括性论逑,并对典型的UASB厌氧生物处理反应器的流场数值和动力学进行了模拟关键词:厌氧;生物;动力学;UASB;敷值模拟中图分类号:X703.1文献标识码:A文章编号:1008-0511(2008)05-006804目前,国内外对有机废水的治理主要有物理泥的费用,厌氧生物处理不需要供氧设备,因而能法化学法和生物法12。其中生物法中的厌氧生耗较少。其最终产物为甲烷、二氧化碳(沼气)等物技术又是应用非常广泛的技术。厌氧生物处理可作能源利用是在既无氧又无硝酸盐存在的条件下,通过兼性微(2)厌氧法所需营养成分较少生物及专性厌氧微生物的作用,使复杂有机物分解厌氧生物处理所需营养成分比值(质量分数成无机物,最终产物是CH4、CO2以及少量的H2S、比,下同)为:BOD3:N:P=100:2.5:0.5,处NH3、H2等,从而使废水得到净化处理。理一般有机污水时可不必投加营养成分。而好氧生物处理所需的需营养成分比值:BOD3:N:P1厌氧生物处理技术=100:5:1。1.1有机物的厌氧生物降解过程(3)负荷高厌氧生物反应大致可分为三个阶段:水解通常,好氧法的容积负荷为(2~4) kg bOd3/发酵阶段;产酸脱氢阶段;产甲烷阶段(m3·d)。高速厌氧生物法的容积负荷约为(5~厌氧反应的三个阶段以产甲烷阶段的反应15) kg COD(m3·d),甚至高达50 kg COD/(m3速度最慢,产甲烷细菌将乙酸、乙酸盐、二氧化碳·d和氢气等转化为甲烷。此过程由两组生理上不同1.22厌氧生物处理技术的缺点的产甲烷菌完成,一组把氢和二氧化碳转化成甲(1)处理程度低,一般不能达到排放标准,需烷另一组从乙酸或乙酸盐脱羧产生甲烷前者约好氧法或其它处理法作补充占总量的1/3,后者约占2/31,这也是厌氧消化(2)厌氧生物处理技术不能除磷的限制阶段。与好氧氧化相比,厌氧消化的产能(3)厌氧生物处理过程反应速度较慢,反应量是很少的,所产生的能量大部分用于细菌自身产能也较少。所以合成新细胞的速度也慢,故厌的活动,只有少量用于合成新细胞,厌氧生物处理氧处理的启动与处理时间较好氧法要长产生的能量少于好氧氧化2厌氧生物反应的动力学模型1.2厌氧生物处理技术的特点1.2.1厌氧生物处理技术的优点2.1厌氧生物反应的动力学模型的研究进展(1)运行成本与能耗较低厌氧过程动力学涉及底物的降解、微生物的厌氧生物处理的污泥产率低,可节省处理污生长和甲烷的生成等三方面的关系式。虽然研究厌氧栈中国煤化工计有意义的范收稿日期:2008-06-10围内,作者简介:胡成亮(1984-),男,安徵巢湖人,昆明理工大学CNMHG性污泥法的Monod刀在理人戰丑性的降解和微生硕士研究生,主要从事环境污染治理方面的研究基金项目:云南省教育厅重点基金项目(14036076)物的生长,用化学计量学的方法计算甲烷的生成第5期胡成亮,等厌氧生物处理的动力学综述具有足够的准确性。对于厌氧生物反应的动力学研究最有代表性和可扩展性的模型是2002年3月国际水质学会式中为微生物比增值速率,d;pm为基质达(IWA)推出的针对厌氧消化反应的厌氧消化模到饱和浓度时,微生物的最大比增值速率,d;型 ADMll(The Anaerobic Digestion Model No.Ks为饱和常数数值上等于在H=k/2时的基1)。ADM1主要描述了厌氧消化中的生化过质浓度,mg/L程,将厌氧消化过程的生化反应分为胞内和胞外与微生物的比增值速率H相对应的底物比降两大类,共涉及厌氧体系中的7大类微生物26个解速率v也可以用莫诺模式描述:组分,包括14个可溶性组分和12个不溶性组分19个生化动力学过程,共有在ADM1模型中各Ks+s种生化过程的反应速率方程是用形如M6nod方式中:v为基质比降解速率,d;-m为基质的最程的基质降解动力学方程来描述。对于每一个组大比降解速率,d。分,根据物料衡算,可以得到如下的微分方程对于污水处理,有机物的降解是基本目的,根据实验1),新细胞的产生数量对某种给定基质具ds=。.s-45“分n(1)有重现行,所以上式更有实际意义式中:V为液相或气相的体积;S=,S=,为组分i(3) Lawrence-McCarty(劳伦斯-麦卡蒂)模流人、流出体系的浓度,mg/L;t为时间,d;qn式[1qc为组分i流人、流出体系的流量,m3/d;v,为Lawrence-McCarty模式描述反应器内处理组分对应于反应过程j的速率系数为反应过水基质浓度(S)微生物浓度(X)程j的反应速率。与生物固体平均停留时间的关系。由于厌氧消化过程中涉及的中间产物和微生物种类繁多,有机物降解转化的途径复杂以及厌氧工艺所处理的水质差别很大。ADM1中忽略了厌Ks+s氧反应的一些过程如:葡萄糖降解的其它途径,如乳酸型或乙醇性发酵;硫酸盐还原以及由此引起的x=0Ka56硫化氢的抑制作用;长链脂肪酸的抑制作用;乙酸式中:6为细胞平均停留时间,dX为微生物浓氧化途径;同型产乙酸过程;固体沉降物的生成等。度, moss/L;S,S.为入流、出流中基质浓度对厌氧消化过程中生化反应动力学的参数获取较cOD浓度,mg/L困难,也没有对于参数识别和校正以及误差分析的2.2.2 Eckenfelder模式和Gau模式有效方法,这就限制了模型的推广应用Eckenfelder模式和Grau模式是普遍被认可22厌氧生物反应的动力学模型- Eckenfelder的厌氧生物动力学模型。 Eckenfelder模式将反应模式和Grau模式器内的处理系统看作是理想状态的,系统是稳态22.1活性污泥反应动力学的基本动力学模型运行;Grau模式认为进水的基质浓度是随时间变(1)米门公式化的。由于实际运行时,反应器进水的水质是变化活性污泥反应动力学的最基本的动力学模型的,Grau模式的条件更接近于实际情况,作者选是含单一基质反应的酶促反应动力学公式,即米用这两种模式进行讨论门公式:(1) Eckenfelder模式Ka+ sEckenfelder模式模型的假设条件①处理系统看作是理想状态的,系统是稳态式中:v为酶促反应中产物生成反应速率d2;运行,即进水的基质浓度是不变的vmx为产物生成的最高速率,dh;K为米氏常数入反应器内的废水的基质均是溶解性(饱和常数),mg/L;S为基质浓度,mg/L的中国煤化工(2)莫诺模式CNMH雄行代谢活动;莫诺模式是与之相似的表达微生物比增值速④出水甲乍污泥积累,固、液分离良好;率与基质浓度间的动力学关系式。⑤反应器内的物料是充分混合的。70·化工科技第16卷Eckenfelder模式模型的建立态生物膜的微生物生长动力学进行模拟研究,推Eckenfelder认为处理低浓度有机污水导得出:在试验温度为(22±1)℃时,竖向回转式(BOD3<300mg/L)时,污泥处于生产率下降阶生物反应器处理生活污水时,附着态生物膜的微段,基质的降解速率由残存的基质浓度控制,并与生物反应速度常数K=33.59d-1,在污泥去除之呈一级反应,其单位污泥的基质降解速率为:负荷Us=4.64~11.06d-时,其理论产率Y=一K2XS(8)0.5084 mg VSS/ mg COD,衰减系数为0.08dGrau模型可以直接用于小试研究,可以在小试中式中S为t时的基质浓度,mg/L;X为t时反应器校正涉及的动力学参数等模型参数,从而使模型中厌氧污泥浓度,mgSs/L;K2为减速增长速度达到可以实际应用的程度由于基质浓度低,而且厌氧污泥增长量小,计3典型厌氧反应器内流场数值模拟及动算时可假定X数值不变。力学模型按反应器污泥床内基质的平衡得到:目前,对厌氧反应器流体力学研究已初步展(9)开,但厌氧反应器的流场十分复杂,对其研究非常困难。刘永红等5从流体力学角度研究了式中:v为污泥床的有效容积,m3;Sn,S,为进UASB反应器内颗粒污泥的沉降性能与终端沉降入、流出反应器的基质浓度, maCoN/L;Q为流入、流出污水流量,m3。速度,并建立了相应模型。左剑恶等10建立了膨胀颗粒污泥床反应器的动力学模型。 Ashish上推导得出Singhal等建立了UASB反应器的轴向扩散模S,=KiS(10)型,而 Min w lee等则利用神经网络模型对厌式中:t为污泥床中的水力停留时间,t≈v氧滤器(AF)进行描述。这些研究从不同侧面对厌氧反应器流体力学规律进行了探索,但厌氧反(2)Grau模式应器内的流体流动还远没有得到充分的研究。Grau模式模型的假设条件13.1UAsB反应器内流场数值模拟①进水的基质浓度是随时间变化的;UASB反应器是一种广泛应用的、重要的厌②进入反应器内的废水的基质均是溶解性氧反应器,王卫京等人利用计算机对UASB厌氧的,且水中不含有微生物群体;反应器流场进行数值模拟,研究了该反应器内流③出水微生物没有活性,不进行代谢活动;动规律,其对UASB厌氧反应器内气液两相流动④出水中没有污泥积累,固、液分离良好;进行二维模拟,由于该反应器流场具有旋转对称⑤反应器内的物料是充分混合的。性,可选择UASB厌氧反应器轴截面的一半作为Gmu模式模型的建立:Gmu认为微生物增长与计算域。使用Ishi"的两流体模型和k~e双方基质浓度有关,呈一级反应进水的基质浓度随时间程湍流模型来描述UASB厌氧反应器内气液两变化,得到UASB反应器内的基质降解方程为:相湍流流动,得出重要相互作用力公式20:K,XE(11)2A√式中:S为t时的基质浓度,mg/L;X为t时反应器41-u|(-u)(13)中厌氧污泥浓度, mg vss/L;K2为基质去除常方程离散和计算的详细过程及有关细节见文数,mg/( mg VSS·d);n为反应级数,一般假定n献[[2l]:1模拟结果表明,液体在厌氧反应器内存在着循由上推导得出:环流动这会导致一定程度的返混。同时,在气液成k§两相流动的作用下气体在厌氧反应器内的气含率(12)空间中国煤化工凌大,且气体分需要说明的是 Eckenfelder模式中的K2与别集CNMHG中间的位置。Grau模式中的K2意义及数值都是不相同的动力学研究通过试验分析,利用Grau模型对附着状UASB反应器的动力学研究是废水厌氧生物胡成亮,等.厌氧生物处理的动力学综述处理动力学研究的主要方面之一,就是描述甲烷5]唐受印度水处理工程[M].北京;化学工业出版社,198产量与COD去除、微生物增长之间的定量关[郭晓高极低浓度生活污水UASB处理技术及促进厌氧污系,有助于解决UASB反应器的设计型问题和操泥颗粒化技术研究[D广州:华南理T大学,2001作型问题。[7]任友羁,亚麻沤麻废水处理工艺试验研究[D]昆明昆明理工大学,2007,11对一个运行稳定的UASB反应器来说,其处【8]左剑恶,瘦雪峰,顾夏声厌氧消化1号模型(ADM)简介理量、进液浓度、出液浓度和产气量之间存在一定[].环境科学研究,2003,16(1):57~61的关系。如果已知其中3个量的值,则可求出另[9顾夏声.微生物处理数学模型[M],北京:清华大学出版社一个量的值。当然因不同条件,反应器中底物降[10]韩贻仁,分子细胞生物学[M].北京高等教育出版社,解动力学模型中参数存在较大的差异。郝建东等人对投加石英砂的UASB反应器的动力学模型[11] Borja R, Martin A, Duran MM, et al Kinetic study of anae-robic digestion of brewery wastewater[]. Process Biochem进行了研究,其动力学模型[2为Istry,199429:645~650QSi-Se)(3.75×10-4)S+1487×10[12] C P Leslie Grady, Jr Henry C Lim废水生物处理理论与应7S用[M]北京:中国建筑工业出版社,1989.268[13]张育杰.环境工程手册一水污染防治卷[M].北京:高等(14)教育出版社,1996.535~541并进行了小试验对运行稳定的UASB反应器来14]孙宗键,王金生彦围Gmu模型在囊生物膜生长动力学中的应用[J水处理技术,2007,33(5):15~17说,产气的实验值与理论值基本相似,这说明其反[15刘水红,贺廷齡,李耀中,等UASB反应器中污泥颗粒的沉应器的动力学模型可信度较高降性能与终端沉降速度[J].环境科学学报,2005,25(2)176~1794结语[16]左剑恶凌雪峰王研春等EGSB反应器的动力学模型研究(1)—模型的建立[门.中国沼气,200321(1)3~7在运用动力学理论去分析具体情况时,要结17 ASHISH SINGHAL, AMES GOMES, VV PRAvEEN,et合不同的条件运用不同的理论,根据具体环境,从ket reactors[]. Bioteeh Pmg. 1998,14(4)1645--648.实际出发,运行相关理论来解决问题以满足实际[18] MIN W LEE, JEA Y JPUNG, DAE S SEE,cta. Applica-的需要。on of a moving window-adaptive neural network to themodeling of a full-scale anaerobic filter process]. Ind Eng[参考文獻]Chem Re2005,44(11):3973~3982[19] SHIT M. Thermo-fluid dynamic theory of two-phase flows[1] Fang HH P, Chui H K, Li YY, et al Performance and[M]. 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Faculty of Environmental and Chemical Engneering, Kunming metallurgical College, Kunming 650033, China)Abstract: This paper reviews the dynamics model aboutter, also generally discussed the degradation mechanism中国煤化工 lassification andcharacteristics of biological treatment technology, andC Gal anaerobic bio-logical treatment UASB reactor as well as the kinetics have been simulated,Key words: Anaerobic; Biological; Kinetics: UASB; Numerical simulation