二相UASB反应器处理草浆黑液动力学研究王子波

第18卷第2期1997年4月华侨大学学报(自然科学版)JournalofHuaqiaoUnievrsity(NatuarSleienee)Vol.18APrN0.21997二相uAsB反应器处理草浆黑液动力学研究`王子波(华侨大学环境保护研究所,泉州362011)摘要采用二相UASB反应器处理碱法草浆黑液,并对结果进行了动力学分析,结果表明经过修正的Monod方程能够描述甲烷相基质的降解规律.当酸化相进水COD(化学耗氧量)为7.550~n.9819·L一’,甲烷相进水(酸化相出水)COD为5.059~8.8359·L一’时,由模型计算得难厌氧生物降解物质为1.316gCOD·L一’.由此可知,在本实验条件下甲烷相COD的最大去除率E二.二~85.11%.关键词二相UASB反应器,动力学模型,基质降解分类号X793.3废水生物处理的基本任务是去除基质,微生物的生长只是基质去除的结果.因此,在废水生物处理中,基质降解规律的研究就显得尤其重要.利用二相UASB反应器对草浆黑液进行动力学方面的基础研究,建立动力学模型并确定动力学常数,为工程中实际应用提供依据.1基质降解动力学模型基质(底物)降解的同时,微生物在生长.常用的微生物增长动力学关系式应推Monod方程式〔,〕,即S产一汽。石双-干~厕(1)式中产为微生物比增长速度,丙a二为微生物最大比增长速度,K,为饱和常数,S为基质浓度.微生物的增长是基质降解的结果,彼此之间存在定量的关系dX_,ds一~`-一~Ies丁esdtdt(2)式中X为微生物(污泥)浓度(g·L一’),Y为产率系数.基质比降解速度为dSq一灭石诬dX产一叉百层-_,dsI福下二“、dt`本文19洲一12一23收到华侨大学学报(自然科学版)1997年产。ax一Y又q,一Y又qma二,(3)将式(3)代入式(1)得Sq一qm一万天于干不’(4)2微生物生长动力学模型基质降解是微生物(污泥)生长的必然结果,Heukeleikan等人通过废水生物处理的大量实验研究,提出了如下的方程式〔“”〕dX(亩)g,,ds、,,,,一x弋丽)一八`人,(5)dX、、.`.,.,、`.、二,,、一_ds、、,_一_、_、一___、,__`一、l’,式中(赞),为微生物净增长速度,(赞)。为基质降解速度,Kd为衰减系数.扒’、dt尸“/Jp叭出一rJ/’了`目卜、~~’、dt/“/J~纵’,附~沃’`叨/J~护洲刁、~’在UASB反应器中微生物生长相当慢,污泥量变化很小.假定反应器为完全混合,污泥浓度为常数,对一个连续流的流通系统作微生物的物料衡算,式(5)可表示为、少、、产几卜é行才了、了`、(S。一S)一Kd,XY一X一一戈一下q一Xn(S。一S)一Kd,一一x一夕式中0一XV/QX。为污泥停留时间(d),X。为出水55的浓度(g·L一`),t为基质停留时间d(),Q为进水流量(L·d一`).50为进水基质COD(g·L一`),S为出水基质COD(g·L一`),V为反应器有效体积(L),,:一Y/X为常数.用10/和(S。一S)t/作图,可求得动力学常数Kd和,:.3试验方法和结果取某造纸厂草浆黑液,加工业H多04酸化析出木质素,用石灰乳调pH一5.5一6.0,测得溶液中eOD和50犷的浓度分别为7.550一11.9809·L一`和4·906一5.5009·L一`·二相UASB反应器,均用有机玻璃制成.酸化相为不带三相分离器的升流式反应器,体积8.87L;甲烷相为升流式厌氧污泥床,体积28.75L,酸化相、甲烷相均置于同一恒温箱内,温度(35.5士l)℃,试验结果如表1所示.表中t为甲烷相基质停留时间,L。为酸化相进水基质COD,S。为甲烷相进水基质COD度,S为甲烷相出水基质COD,G。为酸化相产气量,G。为甲烷相产气量,Q为进水流量,Ia为酸化相产气率,Ib为甲烷相产气率.表1二相UASB反应器试验结果O/L·d一’￡/dL。/g·L一’oS/g·L一’S/g·L一’G。/L·d一’G“L·d一’I。/L·g一’几/L·g一’500.5758.1545.708251638.9576.600320.4850057510.()527.2512.71742.35106.520.300.475005751102280122.87242.70115.620.28().45500.57511.2158.2752.91546.55128.610320.48510.5648.4155.4712.52535.0567.610.230.45第2期王子波:二相UASB反应器处理草浆黑液动力学研究195续表1Q/L·d一’l/dL。/g·L一’S。/g·L一’S/g·L一’aG/L·d一,G。/L·d一’aI/L·g一’几/L·g一’八口八0C6Udl匕1上OJ亡dA人自JQé9翻八Jn口n合9é,éno...……0000000门UO0.5640.5640,5640.5990.5990.5990.5990.5990.5990.5870.5870.5870.5870.5870.58710.05510.2959.46811:66311.2517.5509.5338.91811.9818.3538.3129.9019.75510.16210.5587.2857.0056.3448.4268.22550596.6735.7968.8356.43162256.6346.8297.2887.5122.7622.7922.5012.98529252.1892.7602.6622.9172.3792.3572.7722.5952.7642.76846.1146.98一óJ叮I月任月峪37.15106.1196.6888.19122.74114.4869.9088.2769.18127.8291.3385.2990.8399.08101.97109.250.460.45.4551d11oA几0OQ…4亡doJ任亡J工JJ月了八O通几J斗CJ八blb八乙004A工J改44..…000000.310.460.47只én八bOJ、l弓曰q曰口乙O自勺」..…000000亡d000CJōXé。d11,é。勺山0OJ,100山41匀...……0QLJ1.1QU八6只ùū了,lōb4Q口亡CJ乙勺一J任勺dJ任改,t111100QUQU八0OUOUOJO廿OJOJOJQù亡;dJ亡d4J任力任改几J任J任注二444月性d人从表1看出,甲烷相产气率在0.SL·g一’上下波动,基本符合理论值.实验结果说明,由于酸化相的存在,甲烷相反应器运行较稳定.3.1基质中难降解有机物浓度计算黑液成分复杂,除了可被厌氧生物降解的低分子有机物外,还有难厌氧生物降解的物质.在应用Moond方程时,应考虑这部分物质的浓度(S。).通常认为有机物的降解速度符合一级反应〔。ds___一丁一~广气合at其中K为基质降解速度常数(d一`).式(8)可写成箫一犬(S一“·’当反应器中物料处于完全混合状态时,式(9)变为(S。一S)t=K(S一Sn).利用表1数据对(S。一S)t/和S进行一元线性回归,得动力学方程式(S(,一S)~5.3555一7.046,相关系数:~。.7蛇1,检验r值有无显著意义〔5」.按t一}:}〔(,,一2)/(1一尸)〕`/艺公式计算可得t一5.524,查t值表,则t().)1〔,、,=2.55,即tt(〕.〔),18。=2.55.所以式(11)线性相关.(11)可知Sn一1.3169·L一’.3.2甲烷相Monod方程当基质中存在难降解的有机物时,Mo,:coI方程修正为(8)(9)(10)(11)t值.由式华侨大学学报(自然科学版)1997年(S一Sn)q=qm一犬:+(S一S。)(12)厌氧消化过程反应器内污泥量变化很小,假定污泥浓度不变,式(12)可写成dS-丁-一“气0~,,dt(S一S。)K。十(S一Sn)(13)由于沼气的搅拌作用,可假定UASB反应器为稳态完全混合,则(S。一S)U(S一Sn)t一K:+(S一Sn)’(14)式中U一Xqma二,其它符号同前.将式(14)取倒数,可得t(S。一S)K,、,1.1万下入丁1二-一一下布,芍.十节亨.口火O一On少LJ(15)利用表1数据,对t/(S。一S)和1/(S。一S)一元线性回归,可得甲烷相Monod方程为t(S。一S)=0.1641(S一S。)+0.0189(16)相关系数r一0.7428,检验r值有无显著意义〔5,.按t一卜}「(n一2)/(1一尸)〕`2/公式计算t值,可得t=4.707.查t值表知to.。:(18)~2.55,即tto.。1(18)一2.55,所以式(一6)线性相关,K。=8.677.3.3污泥生长动力学甲烷相污泥浓度可通过测定反应器不同高度的55浓度(g·L一`),如表2所示.表中C`为反应器不同高度的55浓度,反应器高度H为200。m,h,为取样口高度.表255沿反应器高度分布数据h`/em01938577593110127145160200C`/g·L一’82.176.372.767.364.538.534.631.729.725.50.0_.、.__、___、_、_、.___艺hC甲沉相汉厘器朽扼依度入~一万下一2又表3一45.429·L一’,表3为甲烷相污泥生长关联数据表·甲烷相污泥生长关联数据Q/L·d一’X。/g·L一’夕/d(S。一S)/z5050505051515l5l48484848481.04781.96001.70151.75190.89921.62811.64251.22011.70051.69501.22451.25470.982`124.9313.3315.3514.9128.4715.7315.5920.9916.0016.052222216827.690.040110.075020.065150.067070.035130.063570.064140.047640.062500.062310.045010.04613O()36115.5517.8858.9399.3225.2238.0207.4706.7969.0848.8484.7916.5335.232第2期王子波:二相UASB反应器处理草浆黑液动力学研究Q/L·d一’X。/g·L一’续表30/d1/8(S。一S)/t484949494949491.36081.23011.25021.28871.30151.63681.658119.9921.6723.3420.6820.4816.2816.070.050030.046150.042850.048360.048830.061430.062239.8806.9036.5596.5797.2137.7078.082利用表3数据,对10/和(S。一S)t/作一元线性回归分析,得动力学方程1______.(S。一S)二万~U.UU匕,dl—一U.UIUUl,Ut(17)相关系数r一。.7564,检验r值有无显著意义〔5〕.按t~{川「(n一2)/l(一尸)〕工2/公式计算t值,得t=4.91.查t值表可知to.。;(18,=2.55,即tto.。1(18)~2.55,所以式(17)线性相关.从式(17)得n~0.005931,Kd=0.01001(d一`),Y=0.2694.3.4产气动力学二相UASB反应器的运行基本上是连续、稳态的过程,产气量正比于基质(底物)的降解,可以建立如下产气动力学模型G=M(S。一S)Q+b,(18)利用表1有关数据进行回归分析,就可得到酸化相、甲烷相动力学模型.(1)酸化相产气动力学模型G。一0.284(L。一S。)Q+2.095,(19)相关系数r一。.7552,检验r值有无显著意义〔5,.经计算t~4.98,查t值表,得ot.。:。18)一2.55,即tto.。1(:8,=2.55,所以式(20)线性相关.(2)甲烷相产气动力学模型G、=0.444(S。一S)Q+4.212.(20)相关系数r=0.98