本文關(guān)鍵詞：ABR厭氧消化過程的數(shù)值模擬與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析

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【摘要】：厭氧折流板反應(yīng)器(ABR),具有顯著的生物相分離特征,對(duì)有機(jī)污染物的降解有序而高效,在有機(jī)廢水處理領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注,但其處理效能和運(yùn)行穩(wěn)定性有待進(jìn)一步提高,有關(guān)厭氧消化過程的數(shù)值模擬和反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析,對(duì)于ABR的優(yōu)化控制具有重要意義。本文以一個(gè)4格室ABR的運(yùn)行為基礎(chǔ),針對(duì)其生化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程、微生物生長動(dòng)力學(xué)過程和物理化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程,分別構(gòu)建了動(dòng)力學(xué)模型,對(duì)ABR系統(tǒng)厭氧消化過程所涉及的生化反應(yīng)、物化反應(yīng)和微生物生長過程進(jìn)行數(shù)值模擬和動(dòng)力學(xué)分析。在揮發(fā)性懸浮固體(MLVSS)5.66 g L-1、進(jìn)水生化需氧量(COD)2 g L-1、水力停留時(shí)間(HRT)2.0 d和35℃等條件下,采用施加進(jìn)水堿度(Na HCO3,3.36 g L-1)和縮短HRT(2.0 d到1.0 d)的調(diào)控,4格室ABR可在30 d內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài),此時(shí)各格室呈現(xiàn)出了明顯的生物相分離特征,COD去除率高達(dá)94%左右。啟動(dòng)后的調(diào)控運(yùn)行結(jié)果表明,ABR各個(gè)格室的有機(jī)揮發(fā)酸(VFAs)、p H、COD及產(chǎn)氣量,均會(huì)受到HRT或進(jìn)水COD濃度的影響。在進(jìn)水COD濃度為4 g L-1的條件下,當(dāng)HRT分階段從2.0 d縮短至0.3 d時(shí),VFAs出現(xiàn)積累,系統(tǒng)的p H從6.8~7.4下降為5.2~6.4,COD去除率大幅下降。在HRT 1.7 d的條件下,當(dāng)進(jìn)水COD濃度分階段從2 g L-1提高至8 g L-1時(shí),ABR前端格室的p H明顯下降,但后端格室的p H無明顯變化,MLVSS的顯著提高使系統(tǒng)的甲烷產(chǎn)量和COD去除率分別從4.2 L d-1和88.0%增加到了18.0 L d-1和96.4%。將VFAs降解熱力學(xué)抑制系數(shù)引入到厭氧消化1號(hào)模型(ADM1)中,構(gòu)建了有機(jī)揮發(fā)酸模型,很好地模擬了ABR在啟動(dòng)運(yùn)行期VFAs產(chǎn)生和降解的動(dòng)力學(xué)過程,以及沖擊負(fù)荷對(duì)ABR內(nèi)厭氧消化過程的影響。其中,丁酸、丙酸、乙酸和H2的產(chǎn)酸化學(xué)計(jì)量學(xué)參數(shù)fbu,su、fpro,su、fac,su和fh2,su的置信區(qū)間分別為±0.028、±0.070、±0.050和±0.004。引入功能菌群生長概率方程,并與有機(jī)揮發(fā)酸模型耦合,構(gòu)建了元胞自動(dòng)機(jī)模型,模擬了ABR系統(tǒng)中產(chǎn)酸發(fā)酵、產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷等功能菌群在顆粒污泥中的二維生長及擴(kuò)散過程,以及ABR系統(tǒng)在不同p H條件下的VFAs和生物量分布。分析表明,p H為4.5~4.6的酸性環(huán)境,會(huì)顯著抑制產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌群和產(chǎn)甲烷菌群的生長,但有利于顆粒污泥中產(chǎn)酸發(fā)酵菌群的富集;p H為6.7~7.3的中性環(huán)境,會(huì)刺激產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸和產(chǎn)甲烷菌群在顆粒污泥核心區(qū)域的富集,而產(chǎn)酸發(fā)酵菌群則主要分布于顆粒的外層,進(jìn)而使顆粒污泥形成具有不同疏水性的多層結(jié)構(gòu)。將液-氣傳質(zhì)系數(shù)和生物截留系數(shù)引入到ADM1中,構(gòu)建了ABR運(yùn)行特征模型,模擬并分析了ABR在HRT調(diào)控下的VFAs、COD、產(chǎn)氣量和生物量的變化特征。結(jié)果表明,HRT為1.0~2.0 d時(shí),ABR系統(tǒng)的生物截留能力最強(qiáng),其生物截留系數(shù)δ高達(dá)0.55,此時(shí)的產(chǎn)酸化學(xué)計(jì)量學(xué)參數(shù)fbu,su、fpro,su、fac,su和fh2,su均保持相對(duì)穩(wěn)定,液-氣傳質(zhì)系數(shù)kLa CH4、kLa CO2和kLa H2也都保持相對(duì)穩(wěn)定。良好的生物截留能力和傳質(zhì)效能保證了廢水有機(jī)物的降解轉(zhuǎn)化效率,使ABR系統(tǒng)的COD去除率始終維持在90%以上。將基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)方程與甲烷發(fā)酵化學(xué)計(jì)量學(xué)方程耦合,構(gòu)建了基質(zhì)降解-甲烷發(fā)酵模型,模擬了ABR在進(jìn)水COD濃度影響下的出水COD濃度和甲烷產(chǎn)量變化。反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析表明,VFAs對(duì)微生物活性的抑制系數(shù)Ki為關(guān)鍵動(dòng)力學(xué)參數(shù),在2.0~8.0 g L-1的范圍內(nèi),進(jìn)水COD濃度越高,Ki值越高,ABR系統(tǒng)對(duì)VFAs的耐受程度越強(qiáng)。將氫分壓(PH2)引入產(chǎn)酸發(fā)酵動(dòng)力學(xué)方程,構(gòu)建了產(chǎn)酸發(fā)酵特征模型,模擬和分析了不同產(chǎn)酸發(fā)酵類型的特征。依據(jù)PH2校對(duì)的化學(xué)計(jì)量學(xué)參數(shù)(fac,su、fpro,su、fbu,su、fet,su和fh2,su)可對(duì)厭氧消化系統(tǒng)的產(chǎn)酸發(fā)酵類型進(jìn)行判定,即:當(dāng)(fac,su+fet,su)/(fbu,su+fpro,su+fac,su+fet,su+fh2,su)≥66.0%時(shí),為乙醇型發(fā)酵;(fac,su+fbu,su)/(fbu,su+fpro,su+fac,su+fet,su+fh2,su)≥63.0%時(shí),為丁酸型發(fā)酵;(fac,su+fpro,su)/(fbu,su+fpro,su+fac,su+fet,su+fh2,su)≥74.0%時(shí),為丙酸型發(fā)酵�；跀�(shù)值模擬與動(dòng)力學(xué)分析,對(duì)ABR系統(tǒng)啟動(dòng)及調(diào)控的運(yùn)行策略進(jìn)行了探討。結(jié)果表明,影響ABR啟動(dòng)、啟動(dòng)后的調(diào)控運(yùn)行以及產(chǎn)酸發(fā)酵類型的關(guān)鍵因子分別是p H、OLR和PH2。適宜的pH為6.7~7.3,OLR為2.0~4.0 kg COD m-3 d-1(固定進(jìn)水COD,改變HRT)或1.2~4.8 kg COD m-3 d-1(固定HRT,改變進(jìn)水COD)。將PH2分別控制為0~0.07、0.07~0.31和0.31~0.50 atm,可使系統(tǒng)分別呈現(xiàn)為混合酸發(fā)酵、丙酸型發(fā)酵和丁酸型發(fā)酵,而在PH2大于0.50 atm的條件下,系統(tǒng)則會(huì)形成乙醇型發(fā)酵。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：X703
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本文編號(hào)：1282703