綜述專論化工科技,200816(5):68~71SciENCE TECHNOLOGY IN CHEMICAL INDUSTRY厭氧生物處理的動力學(xué)綜述胡成亮1,馮權(quán)莉1,寧平2,任友昌3(1.昆明理工大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院云南昆明650224:2.昆明理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,云南昆明6500933昆明冶金高等專科學(xué)校環(huán)境與化工學(xué)院,云南昆明650033)要:綜逑了有機(jī)物厭氧生物處理的動力學(xué)模型,對厭氧生物的降解機(jī)理、生物處理技術(shù)的特點(diǎn)了概括性論逑,并對典型的UASB厭氧生物處理反應(yīng)器的流場數(shù)值和動力學(xué)進(jìn)行了模擬關(guān)鍵詞:厭氧;生物;動力學(xué);UASB;敷值模擬中圖分類號:X703.1文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A文章編號:1008-0511(2008)05-006804目前,國內(nèi)外對有機(jī)廢水的治理主要有物理泥的費(fèi)用,厭氧生物處理不需要供氧設(shè)備,因而能法化學(xué)法和生物法12。其中生物法中的厭氧生耗較少。其最終產(chǎn)物為甲烷、二氧化碳(沼氣)等物技術(shù)又是應(yīng)用非常廣泛的技術(shù)。厭氧生物處理可作能源利用是在既無氧又無硝酸鹽存在的條件下,通過兼性微(2)厭氧法所需營養(yǎng)成分較少生物及專性厭氧微生物的作用,使復(fù)雜有機(jī)物分解厭氧生物處理所需營養(yǎng)成分比值(質(zhì)量分?jǐn)?shù)成無機(jī)物,最終產(chǎn)物是CH4、CO2以及少量的H2S、比,下同)為:BOD3:N:P=100:2.5:0.5,處NH3、H2等,從而使廢水得到凈化處理。理一般有機(jī)污水時可不必投加營養(yǎng)成分。而好氧生物處理所需的需營養(yǎng)成分比值:BOD3:N:P1厭氧生物處理技術(shù)=100:5:1。1.1有機(jī)物的厭氧生物降解過程(3)負(fù)荷高厭氧生物反應(yīng)大致可分為三個階段:水解通常,好氧法的容積負(fù)荷為(2~4) kg bOd3/發(fā)酵階段;產(chǎn)酸脫氫階段;產(chǎn)甲烷階段(m3·d)。高速厭氧生物法的容積負(fù)荷約為(5~厭氧反應(yīng)的三個階段以產(chǎn)甲烷階段的反應(yīng)15) kg COD(m3·d),甚至高達(dá)50 kg COD/(m3速度最慢,產(chǎn)甲烷細(xì)菌將乙酸、乙酸鹽、二氧化碳·d和氫氣等轉(zhuǎn)化為甲烷。此過程由兩組生理上不同1.22厭氧生物處理技術(shù)的缺點(diǎn)的產(chǎn)甲烷菌完成,一組把氫和二氧化碳轉(zhuǎn)化成甲(1)處理程度低,一般不能達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),需烷另一組從乙酸或乙酸鹽脫羧產(chǎn)生甲烷前者約好氧法或其它處理法作補(bǔ)充占總量的1/3,后者約占2/31,這也是厭氧消化(2)厭氧生物處理技術(shù)不能除磷的限制階段。與好氧氧化相比,厭氧消化的產(chǎn)能(3)厭氧生物處理過程反應(yīng)速度較慢,反應(yīng)量是很少的,所產(chǎn)生的能量大部分用于細(xì)菌自身產(chǎn)能也較少。所以合成新細(xì)胞的速度也慢,故厭的活動,只有少量用于合成新細(xì)胞,厭氧生物處理氧處理的啟動與處理時間較好氧法要長產(chǎn)生的能量少于好氧氧化2厭氧生物反應(yīng)的動力學(xué)模型1.2厭氧生物處理技術(shù)的特點(diǎn)1.2.1厭氧生物處理技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)2.1厭氧生物反應(yīng)的動力學(xué)模型的研究進(jìn)展(1)運(yùn)行成本與能耗較低厭氧過程動力學(xué)涉及底物的降解、微生物的厭氧生物處理的污泥產(chǎn)率低,可節(jié)省處理污生長和甲烷的生成等三方面的關(guān)系式。雖然研究厭氧棧中國煤化工計(jì)有意義的范收稿日期:2008-06-10圍內(nèi),作者簡介:胡成亮(1984-),男,安徵巢湖人,昆明理工大學(xué)CNMHG性污泥法的Monod刀在理人戰(zhàn)丑性的降解和微生碩士研究生,主要從事環(huán)境污染治理方面的研究基金項(xiàng)目:云南省教育廳重點(diǎn)基金項(xiàng)目(14036076)物的生長,用化學(xué)計(jì)量學(xué)的方法計(jì)算甲烷的生成第5期胡成亮,等厭氧生物處理的動力學(xué)綜述具有足夠的準(zhǔn)確性。對于厭氧生物反應(yīng)的動力學(xué)研究最有代表性和可擴(kuò)展性的模型是2002年3月國際水質(zhì)學(xué)會式中為微生物比增值速率,d;pm為基質(zhì)達(dá)(IWA)推出的針對厭氧消化反應(yīng)的厭氧消化模到飽和濃度時,微生物的最大比增值速率,d;型 ADMll(The Anaerobic Digestion Model No.Ks為飽和常數(shù)數(shù)值上等于在H=k/2時的基1)。ADM1主要描述了厭氧消化中的生化過質(zhì)濃度,mg/L程,將厭氧消化過程的生化反應(yīng)分為胞內(nèi)和胞外與微生物的比增值速率H相對應(yīng)的底物比降兩大類,共涉及厭氧體系中的7大類微生物26個解速率v也可以用莫諾模式描述:組分,包括14個可溶性組分和12個不溶性組分19個生化動力學(xué)過程,共有在ADM1模型中各Ks+s種生化過程的反應(yīng)速率方程是用形如M6nod方式中:v為基質(zhì)比降解速率,d;-m為基質(zhì)的最程的基質(zhì)降解動力學(xué)方程來描述。對于每一個組大比降解速率,d。分,根據(jù)物料衡算,可以得到如下的微分方程對于污水處理,有機(jī)物的降解是基本目的,根據(jù)實(shí)驗(yàn)1),新細(xì)胞的產(chǎn)生數(shù)量對某種給定基質(zhì)具ds=。.s-45“分n(1)有重現(xiàn)行,所以上式更有實(shí)際意義式中:V為液相或氣相的體積;S=,S=,為組分i(3) Lawrence-McCarty(勞倫斯-麥卡蒂)模流人、流出體系的濃度,mg/L;t為時間,d;qn式[1qc為組分i流人、流出體系的流量,m3/d;v,為Lawrence-McCarty模式描述反應(yīng)器內(nèi)處理組分對應(yīng)于反應(yīng)過程j的速率系數(shù)為反應(yīng)過水基質(zhì)濃度(S)微生物濃度(X)程j的反應(yīng)速率。與生物固體平均停留時間的關(guān)系。由于厭氧消化過程中涉及的中間產(chǎn)物和微生物種類繁多,有機(jī)物降解轉(zhuǎn)化的途徑復(fù)雜以及厭氧工藝所處理的水質(zhì)差別很大。ADM1中忽略了厭Ks+s氧反應(yīng)的一些過程如:葡萄糖降解的其它途徑,如乳酸型或乙醇性發(fā)酵;硫酸鹽還原以及由此引起的x=0Ka56硫化氫的抑制作用;長鏈脂肪酸的抑制作用;乙酸式中:6為細(xì)胞平均停留時間,dX為微生物濃氧化途徑;同型產(chǎn)乙酸過程;固體沉降物的生成等。度, moss/L;S,S.為入流、出流中基質(zhì)濃度對厭氧消化過程中生化反應(yīng)動力學(xué)的參數(shù)獲取較cOD濃度,mg/L困難,也沒有對于參數(shù)識別和校正以及誤差分析的2.2.2 Eckenfelder模式和Gau模式有效方法,這就限制了模型的推廣應(yīng)用Eckenfelder模式和Grau模式是普遍被認(rèn)可22厭氧生物反應(yīng)的動力學(xué)模型- Eckenfelder的厭氧生物動力學(xué)模型。 Eckenfelder模式將反應(yīng)模式和Grau模式器內(nèi)的處理系統(tǒng)看作是理想狀態(tài)的,系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)22.1活性污泥反應(yīng)動力學(xué)的基本動力學(xué)模型運(yùn)行;Grau模式認(rèn)為進(jìn)水的基質(zhì)濃度是隨時間變(1)米門公式化的。由于實(shí)際運(yùn)行時,反應(yīng)器進(jìn)水的水質(zhì)是變化活性污泥反應(yīng)動力學(xué)的最基本的動力學(xué)模型的,Grau模式的條件更接近于實(shí)際情況,作者選是含單一基質(zhì)反應(yīng)的酶促反應(yīng)動力學(xué)公式,即米用這兩種模式進(jìn)行討論門公式:(1) Eckenfelder模式Ka+ sEckenfelder模式模型的假設(shè)條件①處理系統(tǒng)看作是理想狀態(tài)的,系統(tǒng)是穩(wěn)態(tài)式中:v為酶促反應(yīng)中產(chǎn)物生成反應(yīng)速率d2;運(yùn)行,即進(jìn)水的基質(zhì)濃度是不變的vmx為產(chǎn)物生成的最高速率,dh;K為米氏常數(shù)入反應(yīng)器內(nèi)的廢水的基質(zhì)均是溶解性(飽和常數(shù)),mg/L;S為基質(zhì)濃度,mg/L的中國煤化工(2)莫諾模式CNMH雄行代謝活動;莫諾模式是與之相似的表達(dá)微生物比增值速④出水甲乍污泥積累,固、液分離良好;率與基質(zhì)濃度間的動力學(xué)關(guān)系式。⑤反應(yīng)器內(nèi)的物料是充分混合的。70·化工科技第16卷Eckenfelder模式模型的建立態(tài)生物膜的微生物生長動力學(xué)進(jìn)行模擬研究,推Eckenfelder認(rèn)為處理低濃度有機(jī)污水導(dǎo)得出:在試驗(yàn)溫度為(22±1)℃時,豎向回轉(zhuǎn)式(BOD3<300mg/L)時,污泥處于生產(chǎn)率下降階生物反應(yīng)器處理生活污水時,附著態(tài)生物膜的微段,基質(zhì)的降解速率由殘存的基質(zhì)濃度控制,并與生物反應(yīng)速度常數(shù)K=33.59d-1,在污泥去除之呈一級反應(yīng),其單位污泥的基質(zhì)降解速率為:負(fù)荷Us=4.64~11.06d-時,其理論產(chǎn)率Y=一K2XS(8)0.5084 mg VSS/ mg COD,衰減系數(shù)為0.08dGrau模型可以直接用于小試研究,可以在小試中式中S為t時的基質(zhì)濃度,mg/L;X為t時反應(yīng)器校正涉及的動力學(xué)參數(shù)等模型參數(shù),從而使模型中厭氧污泥濃度,mgSs/L;K2為減速增長速度達(dá)到可以實(shí)際應(yīng)用的程度由于基質(zhì)濃度低,而且厭氧污泥增長量小,計(jì)3典型厭氧反應(yīng)器內(nèi)流場數(shù)值模擬及動算時可假定X數(shù)值不變。力學(xué)模型按反應(yīng)器污泥床內(nèi)基質(zhì)的平衡得到:目前,對厭氧反應(yīng)器流體力學(xué)研究已初步展(9)開,但厭氧反應(yīng)器的流場十分復(fù)雜,對其研究非常困難。劉永紅等5從流體力學(xué)角度研究了式中:v為污泥床的有效容積,m3;Sn,S,為進(jìn)UASB反應(yīng)器內(nèi)顆粒污泥的沉降性能與終端沉降入、流出反應(yīng)器的基質(zhì)濃度, maCoN/L;Q為流入、流出污水流量,m3。速度,并建立了相應(yīng)模型。左劍惡等10建立了膨脹顆粒污泥床反應(yīng)器的動力學(xué)模型。 Ashish上推導(dǎo)得出Singhal等建立了UASB反應(yīng)器的軸向擴(kuò)散模S,=KiS(10)型,而 Min w lee等則利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對厭式中:t為污泥床中的水力停留時間,t≈v氧濾器(AF)進(jìn)行描述。這些研究從不同側(cè)面對厭氧反應(yīng)器流體力學(xué)規(guī)律進(jìn)行了探索,但厭氧反(2)Grau模式應(yīng)器內(nèi)的流體流動還遠(yuǎn)沒有得到充分的研究。Grau模式模型的假設(shè)條件13.1UAsB反應(yīng)器內(nèi)流場數(shù)值模擬①進(jìn)水的基質(zhì)濃度是隨時間變化的;UASB反應(yīng)器是一種廣泛應(yīng)用的、重要的厭②進(jìn)入反應(yīng)器內(nèi)的廢水的基質(zhì)均是溶解性氧反應(yīng)器,王衛(wèi)京等人利用計(jì)算機(jī)對UASB厭氧的,且水中不含有微生物群體;反應(yīng)器流場進(jìn)行數(shù)值模擬,研究了該反應(yīng)器內(nèi)流③出水微生物沒有活性,不進(jìn)行代謝活動;動規(guī)律,其對UASB厭氧反應(yīng)器內(nèi)氣液兩相流動④出水中沒有污泥積累,固、液分離良好;進(jìn)行二維模擬,由于該反應(yīng)器流場具有旋轉(zhuǎn)對稱⑤反應(yīng)器內(nèi)的物料是充分混合的。性,可選擇UASB厭氧反應(yīng)器軸截面的一半作為Gmu模式模型的建立:Gmu認(rèn)為微生物增長與計(jì)算域。使用Ishi"的兩流體模型和k~e雙方基質(zhì)濃度有關(guān),呈一級反應(yīng)進(jìn)水的基質(zhì)濃度隨時間程湍流模型來描述UASB厭氧反應(yīng)器內(nèi)氣液兩變化,得到UASB反應(yīng)器內(nèi)的基質(zhì)降解方程為:相湍流流動,得出重要相互作用力公式20:K,XE(11)2A√式中:S為t時的基質(zhì)濃度,mg/L;X為t時反應(yīng)器41-u|(-u)(13)中厭氧污泥濃度, mg vss/L;K2為基質(zhì)去除常方程離散和計(jì)算的詳細(xì)過程及有關(guān)細(xì)節(jié)見文數(shù),mg/( mg VSS·d);n為反應(yīng)級數(shù),一般假定n獻(xiàn)[[2l]:1模擬結(jié)果表明,液體在厭氧反應(yīng)器內(nèi)存在著循由上推導(dǎo)得出:環(huán)流動這會導(dǎo)致一定程度的返混。同時,在氣液成k§兩相流動的作用下氣體在厭氧反應(yīng)器內(nèi)的氣含率(12)空間中國煤化工凌大,且氣體分需要說明的是 Eckenfelder模式中的K2與別集CNMHG中間的位置。Grau模式中的K2意義及數(shù)值都是不相同的動力學(xué)研究通過試驗(yàn)分析,利用Grau模型對附著狀UASB反應(yīng)器的動力學(xué)研究是廢水厭氧生物胡成亮,等.厭氧生物處理的動力學(xué)綜述處理動力學(xué)研究的主要方面之一,就是描述甲烷5]唐受印度水處理工程[M].北京;化學(xué)工業(yè)出版社,198產(chǎn)量與COD去除、微生物增長之間的定量關(guān)[郭曉高極低濃度生活污水UASB處理技術(shù)及促進(jìn)厭氧污系,有助于解決UASB反應(yīng)器的設(shè)計(jì)型問題和操泥顆粒化技術(shù)研究[D廣州:華南理T大學(xué),2001作型問題。[7]任友羈,亞麻漚麻廢水處理工藝試驗(yàn)研究[D]昆明昆明理工大學(xué),2007,11對一個運(yùn)行穩(wěn)定的UASB反應(yīng)器來說,其處【8]左劍惡,瘦雪峰,顧夏聲厭氧消化1號模型(ADM)簡介理量、進(jìn)液濃度、出液濃度和產(chǎn)氣量之間存在一定[].環(huán)境科學(xué)研究,2003,16(1):57~61的關(guān)系。如果已知其中3個量的值,則可求出另[9顧夏聲.微生物處理數(shù)學(xué)模型[M],北京:清華大學(xué)出版社一個量的值。當(dāng)然因不同條件,反應(yīng)器中底物降[10]韓貽仁,分子細(xì)胞生物學(xué)[M].北京高等教育出版社,解動力學(xué)模型中參數(shù)存在較大的差異。郝建東等人對投加石英砂的UASB反應(yīng)器的動力學(xué)模型[11] Borja R, Martin A, Duran MM, et al Kinetic study of anae-robic digestion of brewery wastewater[]. Process Biochem進(jìn)行了研究,其動力學(xué)模型[2為Istry,199429:645~650QSi-Se)(3.75×10-4)S+1487×10[12] C P Leslie Grady, Jr Henry C Lim廢水生物處理理論與應(yīng)7S用[M]北京:中國建筑工業(yè)出版社,1989.268[13]張育杰.環(huán)境工程手冊一水污染防治卷[M].北京:高等(14)教育出版社,1996.535~541并進(jìn)行了小試驗(yàn)對運(yùn)行穩(wěn)定的UASB反應(yīng)器來14]孫宗鍵,王金生彥圍Gmu模型在囊生物膜生長動力學(xué)中的應(yīng)用[J水處理技術(shù),2007,33(5):15~17說,產(chǎn)氣的實(shí)驗(yàn)值與理論值基本相似,這說明其反[15劉水紅,賀廷齡,李耀中,等UASB反應(yīng)器中污泥顆粒的沉應(yīng)器的動力學(xué)模型可信度較高降性能與終端沉降速度[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,2005,25(2)176~1794結(jié)語[16]左劍惡凌雪峰王研春等EGSB反應(yīng)器的動力學(xué)模型研究(1)—模型的建立[門.中國沼氣,200321(1)3~7在運(yùn)用動力學(xué)理論去分析具體情況時,要結(jié)17 ASHISH SINGHAL, AMES GOMES, VV PRAvEEN,et合不同的條件運(yùn)用不同的理論,根據(jù)具體環(huán)境,從ket reactors[]. Bioteeh Pmg. 1998,14(4)1645--648.實(shí)際出發(fā),運(yùn)行相關(guān)理論來解決問題以滿足實(shí)際[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]. 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Faculty of Chemical Engineering, Kunming University of Science and Technology, Kunming 650224, China; 2. Faculty of Environmental Science and Engineering, Kunming University ofScience and Technology, Kunming 650093, China; 3. 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中國煤化工 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