ABR厌氧消化过程的数值模拟与反应动力学分析

发布时间：2017-12-12 13:31

  本文关键词：ABR厌氧消化过程的数值模拟与反应动力学分析

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【摘要】：厌氧折流板反应器(ABR),具有显著的生物相分离特征,对有机污染物的降解有序而高效,在有机废水处理领域受到了广泛关注,但其处理效能和运行稳定性有待进一步提高,有关厌氧消化过程的数值模拟和反应动力学分析,对于ABR的优化控制具有重要意义。本文以一个4格室ABR的运行为基础,针对其生化反应动力学过程、微生物生长动力学过程和物理化学反应动力学过程,分别构建了动力学模型,对ABR系统厌氧消化过程所涉及的生化反应、物化反应和微生物生长过程进行数值模拟和动力学分析。在挥发性悬浮固体(MLVSS)5.66 g L-1、进水生化需氧量(COD)2 g L-1、水力停留时间(HRT)2.0 d和35℃等条件下,采用施加进水碱度(Na HCO3,3.36 g L-1)和缩短HRT(2.0 d到1.0 d)的调控,4格室ABR可在30 d内达到稳定运行状态,此时各格室呈现出了明显的生物相分离特征,COD去除率高达94%左右。启动后的调控运行结果表明,ABR各个格室的有机挥发酸(VFAs)、p H、COD及产气量,均会受到HRT或进水COD浓度的影响。在进水COD浓度为4 g L-1的条件下,当HRT分阶段从2.0 d缩短至0.3 d时,VFAs出现积累,系统的p H从6.8~7.4下降为5.2~6.4,COD去除率大幅下降。在HRT 1.7 d的条件下,当进水COD浓度分阶段从2 g L-1提高至8 g L-1时,ABR前端格室的p H明显下降,但后端格室的p H无明显变化,MLVSS的显著提高使系统的甲烷产量和COD去除率分别从4.2 L d-1和88.0%增加到了18.0 L d-1和96.4%。将VFAs降解热力学抑制系数引入到厌氧消化1号模型(ADM1)中,构建了有机挥发酸模型,很好地模拟了ABR在启动运行期VFAs产生和降解的动力学过程,以及冲击负荷对ABR内厌氧消化过程的影响。其中,丁酸、丙酸、乙酸和H2的产酸化学计量学参数fbu,su、fpro,su、fac,su和fh2,su的置信区间分别为±0.028、±0.070、±0.050和±0.004。引入功能菌群生长概率方程,并与有机挥发酸模型耦合,构建了元胞自动机模型,模拟了ABR系统中产酸发酵、产氢产乙酸和产甲烷等功能菌群在颗粒污泥中的二维生长及扩散过程,以及ABR系统在不同p H条件下的VFAs和生物量分布。分析表明,p H为4.5~4.6的酸性环境,会显著抑制产氢产乙酸菌群和产甲烷菌群的生长,但有利于颗粒污泥中产酸发酵菌群的富集;p H为6.7~7.3的中性环境,会刺激产氢产乙酸和产甲烷菌群在颗粒污泥核心区域的富集,而产酸发酵菌群则主要分布于颗粒的外层,进而使颗粒污泥形成具有不同疏水性的多层结构。将液-气传质系数和生物截留系数引入到ADM1中,构建了ABR运行特征模型,模拟并分析了ABR在HRT调控下的VFAs、COD、产气量和生物量的变化特征。结果表明,HRT为1.0~2.0 d时,ABR系统的生物截留能力最强,其生物截留系数δ高达0.55,此时的产酸化学计量学参数fbu,su、fpro,su、fac,su和fh2,su均保持相对稳定,液-气传质系数kLa CH4、kLa CO2和kLa H2也都保持相对稳定。良好的生物截留能力和传质效能保证了废水有机物的降解转化效率,使ABR系统的COD去除率始终维持在90%以上。将基质降解动力学方程与甲烷发酵化学计量学方程耦合,构建了基质降解-甲烷发酵模型,模拟了ABR在进水COD浓度影响下的出水COD浓度和甲烷产量变化。反应动力学分析表明,VFAs对微生物活性的抑制系数Ki为关键动力学参数,在2.0~8.0 g L-1的范围内,进水COD浓度越高,Ki值越高,ABR系统对VFAs的耐受程度越强。将氢分压(PH2)引入产酸发酵动力学方程,构建了产酸发酵特征模型,模拟和分析了不同产酸发酵类型的特征。依据PH2校对的化学计量学参数(fac,su、fpro,su、fbu,su、fet,su和fh2,su)可对厌氧消化系统的产酸发酵类型进行判定,即:当(fac,su+fet,su)/(fbu,su+fpro,su+fac,su+fet,su+fh2,su)≥66.0%时,为乙醇型发酵;(fac,su+fbu,su)/(fbu,su+fpro,su+fac,su+fet,su+fh2,su)≥63.0%时,为丁酸型发酵;(fac,su+fpro,su)/(fbu,su+fpro,su+fac,su+fet,su+fh2,su)≥74.0%时,为丙酸型发酵。基于数值模拟与动力学分析,对ABR系统启动及调控的运行策略进行了探讨。结果表明,影响ABR启动、启动后的调控运行以及产酸发酵类型的关键因子分别是p H、OLR和PH2。适宜的pH为6.7~7.3,OLR为2.0~4.0 kg COD m-3 d-1(固定进水COD,改变HRT)或1.2~4.8 kg COD m-3 d-1(固定HRT,改变进水COD)。将PH2分别控制为0~0.07、0.07~0.31和0.31~0.50 atm,可使系统分别呈现为混合酸发酵、丙酸型发酵和丁酸型发酵,而在PH2大于0.50 atm的条件下,系统则会形成乙醇型发酵。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：X703
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本文编号：1282703