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EGSB反应器的动力学模型研究_参数估计与过程模拟.pdf

EGSB反应器的动力学模型研究_参数估计与过程模拟

包子
2011-04-13 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《EGSB反应器的动力学模型研究_参数估计与过程模拟pdf》,可适用于工程科技领域

收稿日期: 修回日期:项目来源:国家“”计划(课题编号:AA)国家自然科学基金(课题编号:)作者简介:左剑恶(),男,湖南常德人,工学博士,副教授,主要从事废水生物处理工程的研究和教学。EGSB反应器的动力学模型研究(Ⅱ)参数估计与过程模拟左剑恶,凌雪峰,王妍春,顾夏声(清华大学环境科学与工程系,北京 )摘 要:本文利用实验室处理葡萄糖自配水的EGSB反应器在第~d的运行数据对厌氧动力学模型进行了参数估计,然后利用该模型对EGSB反应器在第~d的实际运行进行动态模拟,模拟结果如出水COD值、反应器内部pH值、出水碱度、沼气产量、沼气中的甲烷含量以及反应器内部生物量等与实际运行数据吻合良好。关键词:动力学模型参数估计厌氧生物处理EGSB反应器中图分类号:XS  文献标识码:A  文章编号:()AStudyonDynamicModelofanEGSBReactor∏:ParameterEstimationandDynamicSimulationZUOJiane,LINGXuefeng,WANGYanchun,etal(DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing,China)Abstract:TheoperationaldataofalabscaleEGSBreactorwithglucosefeedduringtherdtothdaywasusedtoestimatethemaindynamicparametersforthepreviouslydevelopeddynamicmodelThisdynamicmodelwasthenusedtosimulatetheperformanceofthesameEGSBreactorfromsttothdayTheresultsshowedthatthismodelcouldbasicallysimulatetheoperationalparametersaseffluentCOD,pHvalueinthereactor,effluentalkalinity,biogasyield,contentofmethaneandbiomassKeywords:dynamicmodelparameterestimationanaerobicbiologicaltreatmentEGSBreactor  前文已经详细介绍了描述EGSB反应器内生化过程和物化过程的动力学数学模型的建立过程,本文则重点讨论如何利用EGSB反应器的运行结果进行动力学参数估计以及对实际运行的EGSB反应器进行动态模拟。 材料和方法 EGSB反应器及工艺流程试验中所采用的EGSB反应器及其工艺流程如图所示。EGSB反应器为有机玻璃制成,总体积为L,反应区有效体积为L,采用夹套式水浴加热,控制反应器内部温度为℃,接种颗粒污泥取自处理制药废水的生产性UASB反应器,VSSSS为,反应器的接种污泥浓度约为gVSS·L。试验中采用葡萄糖自配水,即在自来水中加入一定量的葡萄糖作为有机基质,并按COD∶N∶P=∶∶(启动期)或∶∶(运行期)加入尿素和磷酸二氢钾,同时加入微量元素(Fe=mg·L,Co=mg·L,Mo=mg·L,Ni=mg·L)和酵母浸膏(mg·gCOD),还加入适量NaCO调节反应器内部pH值在~之间。自来水中含有约mg·L的SO。主要分析项目及方法()COD:TLA型污水COD速测仪()pH值及温度:TPXipH计及水银温度计()碱度:标准酸碱滴定法()沼气产量:湿式气体流量计()沼气组分:气相色谱法()VSS:参见文献。中国沼气ChianBiogas,() EGSB反应器的启动与稳定运行EGSB反应器在天内完成了启动,启动结束时,容积负荷为kgCOD·md,HRT为h,COD去除率在以上。随后进入稳定提高负荷的运行期,在第d~d的运行期中,共分四次提高了反应器的负荷:第~d,负荷稳定在kgCOD·md,HRT为h第~d,负荷稳定在kgCOD·md,HRT为h第~d,负荷稳定在kgCOD·md,HRT为h第~d,负荷稳定在kgCOD·md,HRT为h在此期间,反应器COD去除率一般在以上,最高甚至达到。在本文中,首先利用上述EGSB反应器在第到d之间的运行数据对前文【】中所建立的数学模型中的主要动力学参数进行估计,然后应用该模型对反应器第~d之间的运行状况进行了动态模拟。 动力学参数的估计正确选取动力学参数对于动力学模型的应用十分重要。一般来说,动力学参数可以通过以下几种途径获取:从已发表的文献中直接选取理论分析和计算通过专门设计的小型间歇试验求取直接从动态试验过程中获取,。在本文中,结合上述第和第种方法,采用如下策略进行动力学参数的估计:根据不同的文献资料中所给出的各动力学参数值(见表),确定各参数的取值范围在取值范围内根据经验选取初始参数值,利用前文建立的数学模型以及前述的EGSB反应器在第~d之间的运行数据对模型中各动力学参数按图所示的流程进行估计。由此最终确定的各主要动力学参数值见表。表 动力学参数的取值范围及本文所确定的动力学参数值产酸细菌YgVSS·gCODμmdKsgCOD·LKdd数据来源Ghosh,Zoetemeyer,gVSS·gBVST(℃)(<T<)gBVS·LHill,Mosey,Denac,本文产甲烷细菌YcgVSS·gCODμmcdKscgCOD·LKdcd数据来源Mosey,LawrenceMacarty,ZinderMah,(gVSS·gVFA)T(℃)(<T<)(gBVS·L)Hill,本文  注:Ki和Kic取gCOD·LBVS指可生物降解挥发性固体(包括可溶性有机物和不溶的有机物)。 动力学模型对EGSB反应器实际运行的动态模拟完成了动力学参数的估计后,就可以利用已确定了动力学参数的数学模型对EGSB反应器的实际中国沼气ChianBiogas,()运行过程进行动态模拟。本文中主要对EGSB反应器的出水COD值、反应器内部pH值、出水碱度、沼气产量以及沼气中的甲烷含量以及反应器内部生物量等进行了模拟,并分别与反应器第~d之间共天的实际运行结果进行了对比,其结果分别讨论如下: 对反应器出水COD值的模拟图所示为EGSB反应器在运行第~d之间共天的出水COD浓度及相应的模型计算值,图中还同时给出了反应器的容积负荷。可知在此阶段中,反应器主要在两个负荷下运行,即~d之间的kgCOD·md和~d之间的kgCOD·md。在负荷提高的前几天,出水COD值略有升高,但随着运行时间的延长,又会逐渐下降并稳定在约mg·L(第~d)和mg·L(第~d)。从图中可以看出,由模型计算的出水COD值与实际运行结果基本吻合。 对反应器内部pH值和出水碱度的模拟图和图所示分别为在第~d期间反应器内部pH值和出水碱度的实际运行结果与模型模拟值的对比。可看出,尽管反应器在此期间有两次较大幅度的负荷提升(即在第d由原来的kgCOD·md突然提升并稳定在kgCOD·md以及由kgCOD·md再次提升至kgCOD·md),但反应器内部的pH值以及出水碱度均没有大的波动。分析表明,由于反应器内碱度维持在~mgCaCO·L,而且实测和模型模拟的结果均表明,反应器出水碱度中的主要组成是碳酸氢根,如此高的碳酸氢根碱度提供了足够的缓冲能力,保证了在提高负荷初期反应器内的pH值不会有明显的下降。在厌氧反应器中,由于酸化细菌的增殖速率远高于产甲烷细菌,因此在负荷突升时,可能会有大量的酸化中间产物VFA的产生和累积,如果系统内没有足够的缓冲能力,将会导致pH值迅速下降,如果pH值下降幅度过大,就可能会对产甲烷细菌产生抑制,导致VFA更多累积,由此产生恶性循环,最终导致反应器运行失败。但在本文所研究的EGSB反应器中,图和图的实测结果与模型模拟结果均表明,系统内的缓冲能力是足够的,可以承受如前所述的负荷突然提升。从图中还可以看出,在运行的第天,由于进水碱度的突然降低,反应器内的pH值从下降到,而模型也较好的模拟出这一过程。由此,从理论计算和实际运行两个方面均能证明在运行厌氧反应器时,维持稳定的进水碱度对于保证反应器内pH值的稳定具有重要意义。图中还同时给出了反应器的进水碱度,可见,EGSB反应器的出水碱度总是高于进水碱度,二者的差值约为mgCaCO·L。一般认为,中性碳水化合物如葡萄糖等的降解不会影响厌氧体系的碱度,硫酸根的还原及有机氮的降解通常使得体系的碱度增加。在本试验中,进水中投加了一定量的尿素作为氮源物质,同时配水中还含有约mg·L的硫酸根,因此导致出水碱度升高。 对沼气产量及沼气中甲烷含量的模拟图和图所示为反应器的沼气产量以及沼气中甲烷含量的实测值与模拟值的对比。从图中可以看出,在第~d之间,模型模拟值与沼气产量的实测值较吻合而在~d之间,模拟值明显高于实测值,这主要是由于此阶段反应器集气管路出现故障,导致大量的沼气未能被收集而集气装置经过改进之后,实测的产气量有了较大的提高,在最后两天,已经基本接近模拟值。从图可见,沼气中国沼气ChianBiogas,()中甲烷含量的实测值与模拟值基本吻合。 对反应器内部生物量的模拟图所示为模型对EGSB反应器内的生物量的模拟结果,同时给出了第d和第d两个生物量的实测值。图中可以看出,反应器内的生物总量与负荷有很好的相关性,一定的负荷对应于一定的生物量。反应器在第d时,生物浓度约为gVSS·L,当负荷从kgCOD·md提高到kgCOD·md以后,随着运行时间的延长,生物浓度逐渐升高到gVSS·L,随后即稳定在这一水平上。当运行至第d时,负荷提高到kgCOD·md,生物量也相应逐渐升高到约gVSS·L。 结论本文利用EGSB反应器的实际运行数据对其动力学模型进行了参数估计和过程模拟,主要可以得到如下的结论:()利用EGSB反应器在第~d的实际运行数据对动力学模型中所涉及的产酸菌和产甲烷菌的各主要动力学参数如μm,μmc,Ks,Ksc,Y,Yc,Kd,Kdc进行了估计。()应用动力学模型对EGSB反应器在第~d期间共天的实际运行进行动态模拟。结果表明,该模型对反应器的出水COD值、内部pH值、出水碱度变化、沼气产量及沼气中甲烷含量、生物量等的模拟值与反应器的实际运行结果较为吻合。参考文献: 左剑恶,凌雪峰,王妍春EGSB反应器的动力学模型研究(Ⅰ)模型的建立J中国沼气,,(): 王妍春EGSB反应器处理含氯苯有机废水的试验研究D北京:清华大学环境科学与工程系, LuLin,Ananaerobictreatmentprocessmodel:developmentandcalibration(wasteactivatedsludge,methanogensis)DMichiganTechnologicalUniversity, BatstoneDJ,etalModellinganaerobicdegradationofcomplexwastewaterII:ParameterestimationandvalidationusingslaughterhouseeffluentJBioresourceTechnology,,: GhoshS,KlassDLTwophaseanaerobicdigestionJProcBiochemJ,: ZoetemeyerRJ,ArnoldyP,CohenA,BoelhouwerC,InfluenceoftemperatureontheanaerobicacidificationofglucoseinamixedcultureformingpartofatwostagedigestionprocessJWatRes,,: HillDTAcomprehensivedynamicmodelforanimalwastemethanogensisJTransactionsoftheASAE,,(): MoseyFEMathematicalmodelingofanaerobicdigestionprocess:regulatorymechanismsfortheformationofshortchainvolatileacidsfromglucoseJWatSciTech,,: DenacM,MiguelA,DunnIJModellingdynamicexperimentsontheanaerobicdegradationofmolasseswastewaterJJBiotechnolBioengng,,: Lawrence,AWandMcCarty,PL,KineticsofmethanefermentationinanaerobictreatmentJJWarPollContFed,,: Zinder,SHandMah,RA,IsolationandcharacterizationofathermophilicstrainofMethanosarcinaunabletouseHCOformethanogenesisJApplEnvironMicrobiol,,: 左剑恶,等厌氧消化过程中的酸碱平衡及pH控制的研究J中国沼气,,():中国沼气ChianBiogas,()

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