UASB反应器处理沤制亚麻废水的动力学研究.ppt
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UASB反应器处理沤制亚麻废
水的动力学研究
小组成员:辛世纪 ,吴云奇,薛士琼,郑琪琪
*
目 录
研究背景
实验方案和研究方法
UASB处理沤麻废水的实验设定
UASB反应器相关动力学研究分析
2
第一部分
研究背景
1、亚麻沤制废水
亚麻作为纺织原料加工时要进行脱胶处理,目前国内亚麻脱胶工艺都是
利用微生物的自然发酵进行的,称之为沤麻。这一生产工艺产生的废水是亚
麻生产过程中产生的污染负荷最大的废水,称之为脱胶废水或沤麻废水。
目前亚麻沤制工艺大多数仍然采用沿袭多年的废水生物沤麻工艺,其废
水排放量大,且沤麻废水具有浓度高、pH低、水质及水量变化幅度大等特点,
处理难度大,沤麻废水是经过好氧菌、兼性菌及厌氧菌协同作用,分解亚麻原
茎后产生的废水,废水中除含有高浓度的有机底物外,还含有大量微生物群。
本实验采取一种厌氧生物处理方法,即上流式厌氧污泥床反应器(简称UASB
反应器)。
3
研究背景
2、UASB工艺概述
UASB(上流式厌氧污泥反应器)是由荷兰
wageningen农业大学于1977年正式公开的技术,是
国际上废水生物处理技术研究方面取得的最具有
划时代性的研究成果之一。适用于降解好氧反应
所不能降解及难降解的有机物。UASB反应器与
其他大多数厌氧生物处理装置不同之处是:(1)废水
由下向上流过反应器;(2)污泥无需特殊的搅拌设
备;(3)反应器顶部有特殊的三相(气、液、固)分离
器。与其它厌氧生物处理装置相比,其突出优点是
处理能力大、处理效率高、运行性能稳定、构造 图1.1 上流式厌氧污泥反应器
比较简单。
4
实验方案和研究方法
1、实验水系
本实验主要针对亚麻沤制废水。由于实验的启动需要驯化颗粒污泥,所以
本实验用水分两部分,一部分是前期初步驯化颗粒污泥所用的人工合成废水,另
一部分是让颗粒污泥适应到成熟阶段的沤麻废水。
2、人工合成废水
人工合成废水以无水葡萄糖作为碳源(1g葡萄糖=1.067gCOD;0.4686g葡萄糖
+1000ml水=500mg/LCOD),尿素为氮源,磷酸二氢钾为磷源(本实验比例选
为:C:N:P=100:5:1),醉母浸膏作为微生物的营养补充,并添加镍、锰、锌、铜等
微量元素,其中微量元素配置成原液,浓度为人工配水中所需的1000倍。在实验
过程中,配好的人工合成污水使用前必须用碳酸氢钠溶液调节pH值7.0左右,以
让溶液有足够的酸碱缓冲能力,防止前期反应器内过度酸化而导致实验失败。
5
实验方案和研究方法
3、沤麻废水
颗粒污泥培养成功后,本实验主要是对亚麻沤制废水进行处理,实验用
水为实验室自制沤麻废水。从云南农业科学研究院取一定量亚麻,为保证实
验能连续用水,实验时提前沤制亚麻,并根据实验需要配制成1000~6000mg/L
不等的COD(由于沤制的废水的COD最高可达10000多,而其自消化的影
响,COD会不断降低至一个平稳值,实验选择的COD值不是最高的,而是中等
值,目的是研究其特性,所以选择一个较稳定的COD范围),为实验所有。废水
组分见下表,指标为实验室分析值:
项目
CODCr(mg/L)
SS(mg/L)
PH
水温(℃)
浓度
3400~9600
200~700
4.5~5.0
28~34
平均值
6500
450
4.5
31
6
污泥的接种与反应器的启动
本实验UASB中所采用的接种颗粒污泥来自昆明市第四污水处理
厂的活性污泥。种泥的特性见表3.1所示:
表3.1
种泥的特性
特性
干重-SS(mg/mL)
SVI(mL/g)
含水量(%)
参数
55
17.9
94.71
7
实验方法
1一盛水器
2一UASB反应器
3一三相分离器
4一集气瓶
5一水槽
6一数显温控仪
7一取样分布口
8一控制阀
9一水泵
8
实验方法
首先取污泥放入UASB反应器中,取污泥6L溶于水中,搅拌后静置;其次,
用烧杯取470ml的活性碳然后均匀搅拌于污泥中从UASB上部倒入。注入人
工模拟营养废水,每天进水量控制在10到16L水量, 温度为35摄氏度左
右,PH值控制在6.8-7.2,用NaHCO3进行调节,控制营养废水上升流速在
0.6-1.2m/h内,进水COD的提高和有机负荷的增加根据稳定的COD去除率
和出水挥发酸VFA来进行。这样操作的目的是使污泥适应新的基质,并提
供适宜的养料,提高污泥的活性实现污泥初步颗粒化。实验前一个星期,
采用进水10L/d,相当于水力停留时间为0.625d,间歇进水。后面水力停留
时间控制在ld。
9
实验方法
实验运行方式采取连续循环进水,实验进程计划见表3.2如下(其中有机负荷是
根据其定义计算得出):
表3.2实验进程计划表
阶段
进水COD(mg/L)
有机负荷(kgCOD/m3•d)
1
1000
0.6875
2
1500
1.031
3
2200
1.512
4
3000
3.0
5
4500
4.5
6
6000
6.0
7
8000
8.0
10
沤麻废水调试步骤
UASB反应器对沤麻废水的适应调试经过以下几个步骤:
1.污泥适应期,首次用COD为1000mg/L左右的沤麻废水进行浸泡,污
泥适应期内采用间歇进水,待COD去除率稳定在70%以上4、5天后,逐步增
加亚麻沤制废水的COD浓度
2.逐步提高负荷,在每日进水量不变(16L)的情况下,逐步增加进水
COD, 当COD去除率在70%以上并能稳定运行4到5天后,方可进入下一阶段。
3.满负荷运行期,在这个阶段,越来越大的反应器有机负荷把大量
的沉降性能差的颗粒污泥冲散并冲出反应器,其余在不同水质下重新生成
微生物群形成一层颗粒污泥层。
11
表3.3 实验主要数据总表
时间
COD入
COD出
有机负荷
上流速度
PH出
VFA出
废水量
COD去除率
1
1000
404
0.6875
1.2
5.8
860
10
59.61
2
1000
302.5
0.6875
1.1
6
750
10
69.75
3
1000
557
0.6875
1
5.5
948
10
44.32
4
1000
282
0.6875
1.3
6.4
675
10
71.84
5
1000
186
0.6875
0.8
6.7
560
10
81.4
6
1000
76
0.6875
0.9
6.9
493
10
92.42
7
1000
132
1.031
1.2
6.8
227
10
86.87
8
1500
148
1.031
1.2
6.9
199
10
90.13
9
1500
94
1.031
1
6.7
208.5
10
93.73
10
1500
72
1.031
0.88
6.9
180
10
95.2
11
1500
128
1.031
0.81
6.8
180
10
91.47
12
2200
87.3
1.512
0.9
7
146.9
10
96.03
13
2200
95.24
1.512
0.8
6.9
274.9
10
95.67
14
2200
99.2
1.512
0.81
6.8
251
10
95.49
15
2200
126.99
2.2
0.9
6.9
303
16
94.23
16
2200
194.5
2.2
0.9
6.7
488
16
91.16
17
2200
83
2.2
0.99
6.6
455
16
96.23
18
2200
43.65
2.2
0.8
6.9
398
16
98
19
3000
150.8
3
0.9
6.9
322
16
94.97
12
时间
COD入
COD出
有机负荷
上流速度
20
3000
123
3
21
3000
155.7
22
4500
23
废水量
PH出
VFA出
0.9
6.8
265
16
95.9
3
0.8
7
223
16
94.4
337
4.5
1
6
824.7
16
92.5
4500
256
4.5
0.76
6.5
402.8
16
94.31
24
4500
128
4.5
0.9
6.7
493
16
97.16
25
4500
224
4.5
1
6.9
455
16
95.02
26
6000
408
6
0.73
6.6
586
16
93.2
27
6000
336
6
0.6
6.9
408
16
94.4
28
6000
208
6
0.8
6.8
303
16
96.5
29
6000
240
6
1
6.9
213
16
96.09
30
6000
208
8
0.7
6.9
237
16
96.5
31
8000
336
8
0.9
6.8
427
16
95.8
32
8000
232
8
1
6.8
322
16
97.1
33
8000
958
8
0.8
6.7
540
16
88.13
34
8000
1360
8
0.7
6.2
588
16
83
35
8000
860
8
0.8
6.3
711
16
89.25
36
8000
456
8
1
6.9
486
16
94.31
37
8000
420
8
0.9
6.7
430
16
94.75
38
8000
360
8
0.8
6.6
386
16
95.5
13
COD去除率
UASB反应器相关动力学研究分析
(一)UASB反应器模型
(二)UASB反应器处理沤麻废水启动的动力学分析
①启动模型的建立
②UASB小试实验的启动模型分析
(三)UASB反应器处理沤麻废水生化反应动力学
①反应级数的确定
②产气动力学
14
UASB反应器模型
、
出
沉淀区
如图4.1所示为UASB反应器内整体分
区及总体物料流动数学模型示意图。
F为进水流量,S入、S出分别为进入和
流出反应器的基质浓度。
悬浮层区
污泥层区
、
入
图4.1 UASB反应器物料工作流动示意图
15
为了给后期实验做铺垫,此部分实验在初次启动实验
完成后,继续连续进水20d来做小试实验,进水基质浓度
为1000mg/L,通过对UASB处理人工合成废水的启动实验的
模型分析,找出规律性动力学参数从动力学角度判断启动
是否成功。
16
启动模型的建立
反应器间歇与连续运行相结合,根据UASB内部结构特点对其做一下
假设前提:
⑴在向上流和厌氧消化过程中产生沼气的搅拌作用下,污泥床区和
悬浮层区分别作为完全混合流态考虑;
⑵在运行几天后产气良好,控制好水流上升速度使污泥层区和悬浮
层区相关数据差不多,视为相等;
⑶由于初次启动期间所用废水为人工合成废水,进水中无微生物,
通过污泥床区的连续回流在该区不发生生化反应,且在沉淀区也不发生
生化反应,进水中所有可生物降解的基质均为溶解性的;
⑷沉淀区固液分离良好,反应区所产沼气都立即释放,整个处理系
统是在稳态下运行。
17
启动模型的建立
Q、Se
沉淀区
Q、Sd
Qg
Vb Sb qb X
反应区
Q——废水流量;
S0、Sb、Sd和Se——分别是反应器进口、
污泥层区、悬浮层区和反应器出口废水浓
度;
Vb——污泥层区容积;
qb——污泥层区比降解速率;
Qg——产气量。
根据图得平衡式为
Q、S0
图4.2 UASB反应器预设模型
Vb
18
dSb
QS0 QSd qb X bVb
dt
(4-1)
启动模型的建立
根据UASB反应器内的特点,当其处于稳定状态时,dSb / dt 0
式(4-1)简化为:
qb X bVb QS 0 QS d
(4-2)
此实验阶段进水控制为1000mg/L,属于低浓度进水 ,
Echenfelder认为,当进水基质浓度较低时,污泥处于生产率下
降阶段,基质的降解速率受残存的基质浓度所控制,呈一级反
应:基质降解速率为: dS
K 2 XSe
(4-3)
dt
将(4-3)代入(4-2)得:S0 Se
K2 X
Se
19
(4-4)
启动模型的建立
UASB的处理能力主要取决于2个参数:反应器内保存的生物体数量
和残留生物体的比活性,体现了比活性的表现变化。受水质、实验室控
制情况等多种条件影响,实验和工程中反应器内有效微生物浓度很难准
确确定,一般采用污泥浓度代替,采用式(4-4)计算出的难免会产生
偏差,为此,引入一个新的动力学参数K2′,即:
S0 Se
K 2' S e
(4-5)
K2′可综合反映K2和污泥浓度的变化。将式(4-5)变为:
S
1
(4-6)
( 0 1) K 2'
Se
由于 1 Se / S0 ,代入上式得:
20
1
1
K 2'
(1/ ) 1
(4-7)
UASB小试实验的启动模型分析
根据前面可知, K2′比K2有更丰富的物理意义。
因为启动阶段微生物活性尚处在较低的水平,加之一部分
微生物会随出水流失,反应器还远未达到稳定,因此存在出水浓
度的波动, K2′难以保持线性增加,但无论从微生物的数量还是
活性来讲,启动过程中K2′的变化趋势应是不断增大的。当K2′
趋于稳定时启动基本顺利完成。
21
UASB反应器COD去除率随时间变化
图4.3 UASB反应器COD去除率变化图
22
图4.4
UASB反应器启动实验K2′变化趋势
23
UASB反应器处理沤麻废水生化反应动力学
一、反应级数的确定
在生化反应过程中,底物的降解速率是与反应器中的底物
浓度有关。
d[S ]
降解速率为:
V
k[ S ]n
dt
(4-8)
式中:k——反应速率常数;
n——反应级数。
设反应物为A,生成物为P(在生化反应中,反应物即为底
物S,生成物为细胞X及最终产物P′;以下温度条件均为中温
35℃)。
24
现从UASB处理沤麻废水实验中抽取一部分数据绘制相应浓度与
反应时间的曲线,根据曲线的相关性来判定其反应级数。如下表4.1(t
即HRT统一为24小时,实际实验中HRT大概范围在20h一30h之间)。
反应时间
t(h)
表4.1 反应级数确定数据表
COD进(
COD出(
lnCOD出
mg/L)
mg/L)
1/COD出
19
4000
1536
7.337
0.0006510
20
4000
1362
7.218
0.0007342
22
4000
967
6.874
0.0010341
24
4000
869
6.767
0.0011507
25
4000
792
6.675
0.0012626
26
4000
690
6.537
0.0014493
28
4000
567
6.340
0.0017637
25
将表4.1中的
数据分别按零级、
一级和二级反应用
最小二乘法进行曲
线拟合作图如下4.5
、4.6和4.7(图中直
线为拟合直线):
Y=-105.8789X+3449.5919
R2=0.9439
C C0 kt
图4.5
26
零级反应验证图
图4.6
Y=-0.1084X+9.3606
R2=0.9828
Y=-1.18552 × 10-4X-0.00163
R2=0.9795
一级反应验证图
图4.7 二级反应验证图
1
1
kt
C C0
ln C ln C0 kt
由图4.5至4.7可以看出,根据本试验数据,COD的去除速率
基本趋向于一级反应,在本实验规模下采用UASB反应器处理沤麻
废水,35℃时反应速率常数k=0.1084。
27
(二)动力学分析
在对UASB反应器进行动力学分析之前,首先作以下假设:
①整个反应器系统处于稳定状态;
②进水污染物均为可溶性有机物且不含微生物;
③颗粒污泥中微生物的生长始终处于对数生长期;
④反应器中颗粒污泥的生长为均质增长,其密度不变;
⑤反应器产生的气体全部以甲烷计。
28
甲烷的氧当量可按下式计算:
CH 4 2O2 CO2 2 H 2O
(4-13)
从式(4-13)中可以看出,氧化lmol(16g)的甲烷需
2mol(64g)的氧,这相当于2mol(64g)的COD生成lmol(16g)甲烷。
在标准状态(O ℃,latm)下,甲烷可视为理想气体,1mol甲烷的体
积为22.4L,因此1gCOD在标准状态下可生成22.4/64=0.35L甲烷
。如果令G0为甲烷的产率系数,则G0的理论值为0.35L/COD。在
非标准状态下的产气率系数GOTP,可按Boyle-Charles定律计算:
T
1
T
(4-14)
G0' G0
=1.28 10-3
273 P
P
式中:T——UASB反应器中的热力学绝对温度(K);
P——UASB反应器中的气压(atm)。
29
对一个UASB厌氧反应器来说,在稳定状态时,用COD代表废
水中有机物的浓度。厌氧系统内的COD物料平衡关系如下:
CODin CODout CODCH 4 (废水)
+COD( 微生物) (4-15)
根据(4-15)转化为
1
Q
(Si Se ) ' G1 YQ ( Si Se ) f
(4-16)
G0
式中:Q——进、出水流量(m3/d);
Si、Se——分别为进、出水底物质量浓度(用COD
表示,g/m3);
G1——废水所产生的甲烷(L/d);
Y——产率因数,它代表每克营养物所产生的微生物
质量;
f——氧化单位微生物的氧当量,即1g微生物所代表
的C0D值。
30
Speece和McCarty提出厌氧微生物细胞可以用分子式
C5H9NO3表示,微生物的氧化分解可以写成下面简单的化学计量关
系:
C5H9NO3+5O2 →5CO2+3H2O+NH3
(4-17)
按上式计算,每克干微生物细胞的完全氧化约需单体氧
1.22g,即f=1.22。而厌氧反应器的总甲烷产量为废水和污泥(微
生物)自身消化共同产生,即:
G=G1+GS
(4-18)
式中:G——厌氧反应器所产甲烷总量(L/d);
GS ——污泥自身消化(内源呼吸)所产生的甲烷量
(L/d)。
31
Gs G0' bX aVf
而
(4-19)
式中:b——污泥自身消化系数(1/d);
Xa ——反应器中厌氧颗粒污泥浓度(kg/m3,),可用
反应器中污泥浓度表示;
V——UASB反应器中污泥的容积(m3),取反应器中反
应区的体积。
将(4-19)代入(4-18)再代入(4-16),其中f=1.22,得:
G G0' [Q( Si Se(
) 1 1.22Y)1.
+ 22bX aV ] (4-20)
将(4-14)代入(4-20)得:
-3 T
G =1.28 10
[Q( Si Se )(1 1.22Y ) 1.22bX aV ] (4-21)
P
32
G
如图,UASB反应器底物的物料衡算方程为:
(
Q S e Sr
Ss
Xa
Y
dSr
dM
dM
)V QSi [
X
V
a
X sV QSe ]
dt
dt
dt
a
s
(4-22)
式中:(-dSr/dt)——为UASB反应器中底物浓度
变化速率,kg/(m3·d);
(-dM/dt)a——为单位质量的颗粒污泥对
底物的降解速率,kg/(kg·d);
(-dM/dt)s——为单位质量的悬浮生长微
生物对底物的降解速率,kg/(kg·d);
Q S1
Xs——为UASB反应器的悬浮生长微生物的
3
UASB反应器中反应 质量浓度,kg/m 。
物底物平流示意图
33
通常可以认为微生物的增殖速率dX/dt与限制营养物的减少速率
dS/dt之间存在以下正比例关系:
dX / dt Y dS / dt
(4-23)
式中:X=Xa+Xs,即得:
dM
dX a
Ya
X
a
dt
dt
a (4-24)
dM
dX s
Ys
X
s
dt
dt
s (4-25)
式中,Ya和Ys分别为颗粒污泥和悬浮生长微生物的表观产率因数。
(4-24)和(4-25)变换得:
dM dX s / dt s
dM dX a / dt a
dt
Y
X
Ys (4-27)
s s
Ya X a
Ya (4-26)
dt
式中, a和 s,分别为颗粒污泥和悬浮生长微生物的比增殖率。
将式(4-26)和式(4-27)代入式(4-22),并考虑稳态条件,即
a
s
(-dSr/dt)=0则可得:
Q Si S e
Ya
X aV
34
Ys
X sV
(4-28)
一般来说,因为UASB反应器中颗粒污泥的量远远多于反应
器中悬浮生物量,因而前者的表面积远远大于悬浮生物量的表面
积,同时,反应器中悬浮物主要是颗粒污泥老化而破碎的产物,其
活性较差。故可认为,UASB反应器中对废水中底物起主要作用的
是反应区的颗粒污泥。式(4-28)中的后一项可以忽略,得:
Q Si Se a X aV
(4-29)
Ya
一般地,厌氧微生物的生长可以用Monod方程描述,其准确
性较好。 a表达如下式(4-30):
max a Se
a
(4-30)
K a Se
将(4-30)代入(4-29)得:
( )
Se
(4-31)
Q Si Se max a X a
Ya
35
K a Se
对于上式右边,通常( max)a只与反应器的操作条件有关,
而与其运行过程无关。在此,操作条件都是一定,因而在此(
) =C ;另外,因为使用的进
max)a可以认为是一个常数,即(
max a
1
水为同一种废水,只是浓度稍有不同,故每克COD所产生的微生物
质量为一常数,即:Ya=C2(常数)。而反应器的反应区的体积一
般为一定的,本实验在此可用常数表示:
max a / Ya C1 / C2 C
(4-32)
将(4-20)、(4-31)和(4-32)组成方程组,整理得:
Q Si S e C
Q Si Se (1 1.22Ya )
1.22b
36
GP
1.28 103 T
Se (4-33)
K a Se
将实验条件T=273+35=308K,P==latm, Ya=C2代入式(433)得:
Q Si Se (1 1.22C2 ) 2.54G
Se
Q Si S e C
1.22b
K a Se (4-34)
上式进一步简化得:
2.54GSe
Q Si S e
1 1.22C2 1.22b / C Se 1.22b / CK a(4-35)
式 (4-35) 中 , 令 a1 1 1.22C2 1.22b / C , a2 1.22b / CK a ,
则(4-35)可变成:
G
Q Si Se a1Se a2
2.54Se
(4-36)
对上式用Matlab软件进行分析计算得:a1=4.78 × l0-4,
a2=0.0124,故对本实验用投加活性炭驯化而成的UASB反应器处
理沤麻废水的产气动力学模型为:
Q Si Se 4.78 104 Se 0.0124
(4-37)
G
2.54Se
37
(三)产甲烷动力学模型验证
表4.2 UASB反应器处理沤麻废水过程中产气实验值和理论值
进水液
Q(L/d)
Si(mg/L)
Se(mg/L)
产气实验值
(L/d)
16.0
2000
423
3.15
4.46
25232
16.0
2000
227
5.26
4.73
28368
16.0
3000
726
3.89
6.60
36384
16.0
3000
340
7.28
7.40
42560
16.0
4000
1536
6.45
7.29
39424
16.0
4000
1362
7.36
7.79
42208
16.0
4000
967
9.33
8.89
48528
16.0
4000
681
10.01
9.61
53104
16.0
6000
1208
12.59
14.12
76672
16.0
6000
686
14.36
15.40
85024
38
产气理论值 X=Q(Si-Se)
(L/d)
(mg/d)
将实验中部分
结果测得的Q、Si、Se
和G与利用式(4-37)
计算得到的产气量的
理论值列于表4.2,并
将产气实验值与理论
值对比绘于图4.8 。
R2=0.9200
图4.8 产气实验值与理论值的比较
39
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