ASBR處理高濃度有機廢水數學模型

靳文東 岳秀萍

1 概述

近十幾年來國內外學者對ASBR反應器的啟動[1-7]、工藝和操作特性[8-12]、廢水處理應用研究[13-15]等方面進行了研究，在厭氧條件下，糖類和簡單有機物等易降解有機物能很快轉化為揮發酸，然而只有少數幾種厭氧微生物能夠將乙酸鹽代謝轉化成甲烷，容易造成VFA積累，抑制甲烷菌的活性，厭氧反應器的“酸化”會使處理過程徹底失敗。

本文根據化學反應動力學基本原理，借鑒MATLAB數學工具對ASBR模擬試驗數據進行處理，建立ASBR處理高濃度有機廢水的反應速率數學模型。旨在及時掌握和有效控制反應器中底物(有機物)降解速率、產物(甲烷)生成速率和中間產物(揮發性脂肪酸)的積累程度，并了解進水中不同的堿度對這些動態因素的影響，以保證ASBR工藝長期穩定運行。

2 試驗裝置與材料

2.1 試驗裝置

ASBR反應器用有機玻璃柱加工而成，有效容積6 L，上部留有2 L的氣室。ASBR反應器置于礦棉絕熱保溫的恒溫箱內，用WMXK-01型溫控儀控制環境溫度在30℃～35℃范圍內。混合液用氣體間歇攪拌，氣體由反應器自身生產的生物氣回流。攪拌時間與間隔時間為每間歇30 min攪拌3 min，由DHS-S型數顯時間繼電器控制。氣體循環攪拌流量由轉子流量計顯示和控制，約為 300 mL/min。ASBR反應器的循環周期8 h，每個循環周期內反應時間6 h，每周期的進水和排水量均為3 L。

2.2 廢水配制與測試方法

ASBR反應器進水以葡萄糖作為碳源，NaHCO3用于調節pH值。進水的堿度水平由進水COD濃度(mg/L)和所投加的NaHCO3產生的堿度濃度(mgCaCO3/L)的比值來表征，即:進水 COD/Alk。本文考察堿度水平COD/Alk分別為 2.0∶1和4.8∶1條件下的運行特征。COD濃度測定采用重鉻酸鉀法。VFA組分與濃度、沼氣組分分析采用氣相色譜法。

3 建模過程

3.1 建模原理

厭氧硝化過程可以簡化為僅涉及兩大類微生物:即產酸菌和產甲烷菌的生長與衰亡過程，葡萄糖在產酸菌的作用下被轉化為揮發性脂肪酸(VFA)，VFA在產甲烷菌的作用下被轉化為CH4和CO2。假設ASBR反應器內部的顆粒污泥和氣相完全混合，生物氣主要含有CH4和CO2兩種氣體組分。如果把葡萄糖兩步降解過程近似看成是兩個簡單反應的連續反應，則可以表示為:

在這一串聯反應中速率常數k1≠k2，厭氧處理系統的正常運轉取決于產酸反應速率與產甲烷反應速率的相對平衡。如果A的初始濃度為 CA0，則在時刻 t的濃度CA，CB及CC間存在下列關系:

上述關系可表示為圖1。由串聯反應條件得出下列速率關系。

由式(3)積分得:

將式(6)代入式(4)積分整理后可得:

將式(7)代入式(5)得:

寫成下列積分形式:

進行積分:

3.2 求解反應速率常數

堿度COD/Alk為 2.0∶1時(即中性環境下)，k1＜k2;堿度COD/Alk為4.8∶1時(即偏酸性環境下)，k1＞k2。而且，兩種堿度條件下 k1的差值為0.26，k2的差值僅0.01，說明堿度對產酸速率常數k1的影響程度大于對產甲烷速率常數k2的影響。將k1，k2值代入式(6)、式(7)和式(9)后，得到兩種堿度條件下的反應速率數學模型，如表1所示。

表1 不同堿度下的反應速率方程

3.3 模型精度驗證

圖2，圖3分別為VFA濃度(以 CODVFA計)和甲烷產率(以CODCH4計)的實測值與數學模型計算值的對比。由圖看到，所建立的模型計算值與試驗數據之間有較好的相關性，相關系數 R平均值大于0.95，表明該模型對ASBR反應器處理以葡萄糖為底物的配制廢水中的VFA濃度和甲烷產率CODCH4的模擬具有良好的適用性。

4 結語

本文建立了不同堿度條件下ASBR反應器處理溶解性高濃度有機廢水的反應速率數學模型。

當進水COD/Alk為2.0∶1時，反應器內底物、中間產物和最終產物的濃度可用下式表示:

當進水COD/Alk為4.8∶1時，反應器內底物、中間產物和最終產物的濃度可用下式表示:

與其他碳水化合物相比葡萄糖的酸化速率最大，因此該數學模型可用于高濃度有機廢水ASBR處理工藝運行的控制和預測中。

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