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分阶段多级厌氧一交义流好氧反戍器处理印染废水中试研究 摘要 印染废水属于高浓度难降解有机废水，采用常规的生物处理方法难以达标排 放。通过分析印染废水水质特点和浙江省某污水处理厂实际废水处理技术路线， 提出了利用“强化混凝沉淀一分阶段多级厌氧一交叉流好氧反应器”这一技术路 线处理该种废水的方案。 本文采用强化混凝沉淀一分阶段多级厌氧一交叉流好氧反应器处理印染废 水，试验结果表明：强化混凝沉淀一分阶段多级厌氧一交叉流好氧反应器处理印 染废水在技术上是可行的，能够长期稳定运行。强化混凝沉淀池平均c o d 、b o d 、 s s 以及色度的去除率分别为4 5 、1 6 6 、6 1 、4 0 ，进水b c 大约维持在o 2 9 ， 出水b c 平均值为0 4 4 ，废水的生化性能有一定的提高，有利于后续的生化处 理。分阶段多级厌氧反应器在不调节进水p h 条件下，平均c o d 、b o d 、s s 以 及色度的去除率分别为1 4 6 、3 8 、1 0 、2 5 ，b c 提高到平均值o 5 2 ，最 高时可达0 7 4 ，生化性能进一步得到改善，有利于后续好氧生物处理。交叉流好 氧反应器进水c o d 变化范围为6 5 5 - - 1 0 2 3 m g l ，出水c o d 变化范围为7 9 1 9 1 m g l ，c o d 去除率平均值为8 1 6 ，出水c o d 大于1 0 0 m g l 是因为污泥 负荷较高，污泥浓度较低的缘故，适当控制h r t 或污泥浓度，出水是可以小于 1 0 0 m e d l 的；进水b o d 多在3 1 1 - - 6 3 6 m g l 之间，出水b o d 小于1 5 m g l ，b o d 去除率平均值为9 7 3 ：此外，对t n 、t p 、n h 4 + - n 、s s 及色度也有较好的去除， 去除率分别可达8 0 、6 3 、9 0 、6 7 、6 4 5 ，以上数据说明出水可以达标 排放。 以国际水质污染与控制协会i w a 推出的厌氧活性污泥数学模型( a d m l ) 为理论基础，建立了分阶段多级厌氧反应池处理印染废水的数学模型，从而为处 理印染废水的设计、优化运行、出水水质预测与控制提供理论依据。基于a d m l 的模拟结果表明：分阶段多级厌氧反应池第一格室出水c o d 浓度的模拟值和实 测值有较大的差距，相对偏差为1 6 2 一2 5 2 ，而第三格室、第五格室和第七格 室出水c o d 模拟效果较好，相对偏差分别为7 7 一2 0 0 ，6 4 一2 0 3 ， 7 2 一1 8 6 。另外，该模型也表现出对v f a 、m l v s s 和p h 有较好的模拟结果。 关键词：印染废水；强化混凝沉淀；分阶段多级厌氧；交叉流好氧反应器；厌氧 消化模型 分阶段多级厌氧一交叉流好氧反应器处理印染废水中试研究 a b s t r a c t p r i n t i n ga n dd y e i n gw a s t e w a t e rb e l o n g st oh i g h l yc o n c e n t r a t e da n dd i f f i c u l t l y d e g r a d a b l eo r g a n i cw a s t e w a t e r , w h i c hi sd i f f i c u l tt ob er e l e a s e du pt os t a n d a r db y c o n v e n t i o n a lb i o l o g i c a lt r e a t m e n t a f t e ra n a l y z i n gt h ec h a r a c t e ro fp r i n t i n ga n d d y e i n gw a s t e w a t e ra n dt h ep r a c t i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g yr o u t eo fa s e w a g ed i s p o s a lp l a n ti nz h e j i a n gp r o v i n c e ，w eb r i n gf o r w a r dt h ep l a nt h r o u g hw h i c h t h e t e c h n o l o g y r o u t eo f “e n h a n c e dc o a g u l a t i o na n ds e d i m e n t a t i o n - m u l t i - s t a g e a n a e r o b i cp h a s e s - - c r o s sf l o wa e r o b i cs l u d g er e a c t o r i su t i l i z e dt ot r e a tt h i sk i n do f w a s t e w a t e r t h i s p a p e re m p l o y s e n h a n c e d c o a g u l a t i o n a n d s e d i m e n t a t i o n - m u l t i s t a g e a n a e r o b i cp h a s e s - c r o s sf l o wa e r o b i cs l u d g er e a c t o rt ot r e a tp r i n t i n ga n dd y e i n gw a s t e w a t e r a n dt h ef i n d i n g so ft h ee x p e r i m e n ts h o w st h a tt h ep r o c e s so ft h i sr e a c t o ri s t e c h n i c a l l yf e a s i b l e ，a n d c a nb e o p e r a t e ds t a b l y i ne n h a n c e dc o a g u l a t i o n a n d s e d i m e n t a t i o nt a n k ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fc o d 、b o d 、s sa n dc o l o ra r e4 5 、 1 6 6 、6 1 a n d4 0 ，r e s p e c t i v e l y ，w h i l et h ei n f l u e n tb ci sa b o u t0 2 9a n dt h e e f f l u e n tb ci su pt o0 4 4 ，t h i sb i o c h e m i c a lp r o p e r t i e so ft h ew a s t ew a t e rh a sb e e n i m p r o v e dt os o m ee x t e n t ，w h i c hi su s e f u lf o rt h es u b s e q u e n tb i o c h e m i c a lt r e a t m e n t u n d e rt h ec o n d i t i o n so fm u l t i - s t a g ea n a e r o b i cp h a s e sr e a c t o rw i t h o u tt h ep hc o n t r o l ， t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo fc o d 、b o d 、s sa n dc o l o ra r e1 4 6 、3 8 、1 0 a n d 2 5 ，r e s p e c t i v e l y ，w h i l et h ei n f l u e n tb ci sa b o u t0 5 2a n dt h ee f f l u e n tb ci ss of a r a st ot o0 7 4 ，b i o c h e m i c a lp r o p e r t i e sh a sb e e nf u r t h e ri m p r o v e d ，w h i c hi sc o n d u c i v et o t h ef o l l o w i n ga e r o b i cb i o l o g i c a lt r e a t m e n t t h eo p e r a t i o ne f f e c to fp i l o ts c a l ea e r o b i c r e a c t o ri ns e r i e sw i t hm u l t i - s t a g ea n a e r o b i cp h a s e sr e a c t o ri se x a m i n e d ，a n dr e s u l t s s h o w ：t h ev a r i a t i o nr a n g eo fp i l o ts c a l ea e r o b i ci n f l u e n tc o di s6 5 5 - 1 0 2 3m g 几t h a t o fe f f l u e n tc o di s7 9 - 1 9 1m g la n dt h ea v e r a g ec o dr e m o v a lr a t ei s8 1 6 ；b u tt h e a e r o b i ce f f l u e n tc o di sl a s t sh i g h e rt h a n1 0 0m g ls o m e t i m e sb e c a u s eo ft h eh i g h e r s l u d g el o a d i n ga n d t h el o w e rs l u d g e c o n c e n t r a t i o n ，p r o p e r c o n t r o lo fs l u d g e c o n c e n t r a t i o no rh r t , t h ee f f l u e n tc o dc a l lb el e s st h a n1 0 0m e l ；i n f l u e n tb o di s u s u a l l y3 1 1 - 6 3 6m g 几e f f l u e n tb o d i sl e s st h a n1 5m 北a n dt h ea v e r a g eb o d r e m o v a lr a t ei sl a r g e rt h a n9 7 ；i na d d i t i o n ，t h ea v e r a g er e m o v a lr a t eo ft n 、t p 、 哈尔滨t 程大学硕+ 学位论文 n h 4 + - n 、s sa n dc o l o ra r e8 0 、6 3 、9 0 、6 7 a n d6 4 5 ，r e s p e c t i v e l y t h e a b o v e m e n t i o n e dd a t ai n d i c a t et h a tt h ee f f l u e n tc a nm e e td i s c h a r g ec r i t e r i a t a k i n ga d m lp r o p o s e db yt h ei n t e r n a t i o n a lw a t e ra s s o c i a t i o n s ( i w a ) t a s k g r o u pf o rm a t h e m a t i c a lm o d e l l i n go fa n a e r o b i cd i g e s t i o np r o c e s s e s ，e s t a b l i s h e da m a t h e m a t i c a lm o d e lo fm u l t i s t a g ea n a e r o b i cp h a s e sr e a c t o rt r e a t i n gd y e i n ga n d p r i n t i n gw a s t e w a t e r ，s oa st od e s i g n ，o p t i m a lo p e r a t i o n ，t op r o v i d ea t h e o r e t i c a lb a s i s f o rp r e d i c t i o na n dc o n t r o lt h i sk i n do ft h ew a t e rt r e a t m e n tp l a n t t h es i m u l a t i o n r e s u l t sb a s e do na d m ls h o wm a tt h el a r g e rd i f f e r e n c eb e t w e e nm e a s u r e da n d s i m u l a t e dv a l u e so fe f f l u e n tc o de x i s ti nt h ef i r s tc o m p a r t m e n to ft h em a c t o r , t h e r e l a t i v ed e v i a t i o ni s 1 6 2 - 2 5 2 ，b u tt h et h i r dc o m p a r t m e n t ，t h ef i f t hc o m p a r t m e n t a n dt h es e v e n t hc o m p a r t m e n ta l lh a v eb e t t e rs i m u l a t i o n ，t h er e l a t i v ed e v i a t i o n sa r e - 7 7 - 2 0 0 ，- 6 4 - 2 0 3 ，7 2 - 1 8 6 ，r e s p e c t i v e l y i na d d i t i o n ，t h em o d e l i n g a l s os h o w sb e t t e rs i m u l a t i o nr e s u l t sf o rv f a 、m l v s sa n dp h 。 k e yw o r d s ：p r i n t i n ga n dd y e i n gw a s t e w a t e r ；e n h a n c e dc o a g u l a t i o na n ds e d i m e n t a t i o n ； m u l t i - s t a g e a n a e r o b i c p h a s e s ；c r o s s f l o wa e r o b i c s l u d g er e a c t o r ； a n a e r o b i cd i g e s t i o nm o d e l 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 研究的目的和意义 随着我国工业生产的迅猛发展和城市化进程的不断加快，向水环境中排放的工业废 水量也在不断增加，由此所造成的水污染现象的普遍性和严重性，已经对我国的国民经 济发展和人民健康造成极大的危害。由此可见，严峻的水污染形势对我国今后的可持续 发展构成了极大威胁，它不仅会束缚和制约我国全面建设小康社会宏伟战略目标的实现， 而且将可能影响社会的稳定。 为了遏制水污染的进一步加剧，必须严格控制向受纳水体等水环境排放污染物的量。 而在我国的废水排放中，印染废水占很大比例【“l 。我国是世界纺织工业第一大国，印 染废水每天的排放量就达到4 x 1 0 6 m 3 ，占我国工业废水排放量的3 5 【5 l ，印染是纺织工 业的重要组成部分，也是主要的纺织工业废水源，是废水排放的大户。印染废水是棉、 毛、化纤等纺织产品在预处理、染色、印花和整理过程中所排放的废水，为国内外公认 的难处理工业废水。 在水质方面，由于印染废水自身水质复杂多变，特别是近年来化学纤维织物的发展， 仿真丝的兴起和印染后整理技术的进步，使p v a 浆料、人造丝碱解物( 主要是邻苯二 甲酸类物质) 、新型助剂等难生化降解有机物大量进入印染废水，其c o d 浓度也由原先 的数百毫克升上升到2 0 0 0 - 3 0 0 0 毫克升，使常规的生物处理系统对c o d ，去除率从 7 0 下降到5 0 左右，甚至更低【吲。因此印染废水已经成为目前我国水环境主要的污染 源之一。 目前，我国印染废水处理普遍采用物化处理+ 生化处理工艺1 8 1 ，出水水质基本达到 纺织染整工业污染物排放标准( g b 4 2 8 7 1 9 9 2 ) 5 b 的二级标准：即c o d 1 8 0 m g l ， b o d 4 0 m g l ，s s 1 2 ) ，而且 有机物浓度高，c o d 可高达9 万毫克升，高分子有机物及部分染料很难被生物降解， 此种废水属高浓度难降解有机废水。 1 2 2 印染废水的水质 单就印染废水水质而言，其中的污染物大部分为有机物，污染物组分相差很大，并 随采用的纤维种类和加工工艺的不同而异。一般情况下，印染废水水质p h 值为6 1 0 、 c o d 为4 0 0 1 0 0 0 m g l 、b o d s 为1 0 0 - 4 0 0 m g l 、s s 为1 0 0 2 0 0 m g l 、色度为1 0 0 , , - 5 0 0 倍。从处理技术角度看，印染废水不是一种废水，而是很复杂的一个大类废水。其特点 之一是污染物成分差异性很大，很难归类求同。特点之二是主要污染指标c o d 高， b o d s c o d 比值一般在0 2 5 左右，可生化性较差。特点之三是色度高，混合水中色母 分子离子微粒大小重量各异性大，较难脱色。 从其来源可以看出，印染废水具有如下特征： ( 1 ) 水量大。纺织印染行业是纺织工业中用水量较大的行业。据1 9 9 9 年统计，全 国国有纺织企业和销售额5 0 0 万元以上的非国有纺织企业用水6 0 6 亿m 3 ，其中新鲜用 水量( 取水量) 为3 4 1 亿m 3 。在新鲜用水中，各类纺织印染行业为1 8 亿m 3 。其余均为纺 纱、制造过程中空调用水。生产过程棉纺印染产品、丝绸印染产品和麻纺印染产品水的 重复利用率为1 0 ，毛纺染整产品水的重复利用率为2 0 【扯2 2 1 。 ( 2 ) 可生化性差，处理难度大。印染工艺过程中排放的废水所含的有机污染物， 主要以人工合成有机物为主，由剩余染料( 染料的上染率一般为8 0 9 0 ，因此染色加 工过程中的1 0 2 0 染料排入废水中) 和大量助剂( 匀染剂、渗透剂、柔软剂、油剂等) 产生【矧。有些染料、染料母体及染料降解产物在自然界中是致癌和致突变的，废水毒性 4 第1 苹绪论 较大。其共同的特点是b o d 5 c o d 值均很低，一般在0 1 加2 ，可生化性差，因此需要 采取措施，使b o d 5 c o d 值提高到o 4 左右或更高些以利于进行生化处理【弘2 9 1 。 ( 3 ) 水质波动大，碱性大。印染厂的生产工艺和所用染化料，随纺织品种类和管 理水平的不同而异，而对于每个工厂，其产品都在不断变化，废水的污染物成分浓度的 变化与波动十分频繁；而且印染废水中的碱减量废水，其c o d 值有的可达1 0 万m g l 作用，p h 值 1 2 。因此必须进行预处理，把碱回收，并投加酸降低p h 值，经预处理达 到一定要求后，再进入调节他，与其它的印染废水一起进行处理 3 0 - 3 1 1 。 ( 4 ) 浓度高，色度大。染料随纺织废水排放到环境，甚至在低浓度( 8 0 ，最 低染化c o d 去除率 4 5 ，色度去除率 8 5 。 从总体上说，目前单独运用厌氧法处理染料和印染废水，出水难以达标排放，原则 上仍需要后处理才能达到较高的排水标准1 8 1 1 。对厌氧消化而言，印染和染料废水的有机 物浓度是比较低的，而且传统的厌氧消化所需的水力停留时间很长，不宜用于废水处理 【8 2 1 。为寻求高效、低耗、省投资的有色废水处理新技术，人们将好氧处理技术与厌氧、 兼氧处理技术相结合，开始研究厌氧好氧或兼氧好氧生物处理工艺【8 3 1 。 1 3 3 3 兼性厌氧生物处理法 好氧法一般只能处理c o d 2 0 9 l ) 到抑制性 ( i c 5 0 ，i_五 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 o o 0 o 0 0 o 0 帅 0 5 o 5 o 5 o 5 o 6 5 5 4 4 3 3 2 2 【1嚣巨v人，一窆娶s1夏 第3 章印染废水中试。i ：艺运行效果分析 考察厌氧系统的性能还应该考虑、碱度、o r p 、容积负荷、硝酸盐和亚硝酸盐氮 以及s 0 4 2 对系统的影响。 3 、交叉流好氧反应器稳定运行后，进水c o d 变化范围为6 5 5 1 0 2 3 m g l ， 平均值为8 8 1 m g l ，出水c o d 变化范围为7 9 - - - 1 9 1 m g l ，平均值为1 6 0 3m g l ， c o d 去除率变化范围为7 3 9 - - 9 0 6 ，平均值为8 1 6 。进水b o d 变化范围 为3 1 1 - - - - 6 3 6 m g l ，平均值为4 7 9 4 m g l ，出水b o d 变化范围为4 1 1 9 6 m g l ， 平均值为1 2 7 m g n _ ，b o d 去除率为9 5 8 - 9 9 1 ，平均值为9 7 3 。进水b c 变化范围为0 2 6 0 8 3 ，平均值为o 5 2 ，出水b c 变化范围为0 0 2 - 0 2 4 ，平均 值为0 0 7 。进水色度变化范围为1 0 0 3 4 0 倍，出水色度的变化范围为4 8 - - 1 2 0 倍，色度去除率为4 0 - 8 2 。进水s s 平均值1 9 2 5 m g l ，出水平均值为6 7 m g l ， 去除率大约为6 4 5 。交叉流好氧反应器对t n 、氨氮均具有较高的去除率，对 t n 的去除率基本在8 0 以上，对1 p 的去除率在6 3 左右，去除效果稍低，氨 氮的去除率在9 0 左右，去除效果明显。试验表明交叉流好氧反应器对稳定出水 水质也有重要的作用，适当控制反应参数出水可以能达到国家标准。试验中出水 c o d 大于1 0 0 m s l 是因为污泥负荷较高，污泥浓度较低的缘故。 4 5 哈尔滨t 程大学硕七学位论文 第4 章基于a d m l 的a b r 数学模型的建立 随着污水处理技术的发展，人们对水质要求也日益提高，相应的水质标准也 随之越来越严格。各类污水厂的新建及已有污水厂的改建工程也相继提上日程。 作为模拟相应参数，指导和辅助此类新建改造工程的工具污水处理数学模型逐渐 受到人们的关注和重视，并在现实生产中进行了一些尝试性的应用。污水处理数 学模型的研究经历了从简单拟合实验数据到采用经典的微生物生长动力学模型， 接着根据污水生物处理过程特性进行过程动态分析、探索辨识的建模发展过程， 实现了从指导污水处理工艺设计，转变成以研究污水处理工艺动态过程、实现系 统高效率低能耗运行为主要目的，并开发了相应的商品化污水处理软件。 建立完善实用的数学模型不仅对于污水生物处理过程的设计和运行管理有 着重要意义，而且对于控制策略的设计也很有借鉴。a b r 是厌氧生物处理领域 极具发展前景的工艺之一，目前对该厌氧反应器动力学、流体力学的研究还比较 少。因此需要一种方便、适用的数学模型来解决这些问题。因此，本论文在a d m l 的基础上建立了a b r 的厌氧消化动力学模型和描述内部水力流态的流体力学模 型，并对中试的组分数据进行模拟，有着极其重要的意义。 4 1 模型假设及底物降解过程 基于a d m l 的a b r 模型包括三个生化细胞的步骤：产酸( 发酵) ；产乙酸 ( 有机酸的厌氧氧化) 和产甲烷步骤；胞外部分包含非生物的分解步骤、胞外水 解步骤。其中，水解、产酸和产乙酸这三个过程中有许多平行反应。 在基于a d m l 的a b r 模型中，所有的胞外步骤都被假定为一级反应，一级 反应是一个反映多步反应过程累积效应的经验函数。细胞动力学可用三种表达式： 吸收、生长和衰减来描述。a b r 模型中主要速率方程式为底物吸收，它是基于 底物水平的m o n o d 形式的动力学。之所以选择与底物吸收相关的而不是与生长 相关的动力学，是因为这样可把生长从吸收中分离并允许产率可变。由于生物所 吸收的底物部分合成与自身物质，所以该模型将生物生长隐藏于底物吸收过程中。 基于a d m l 的a b r 厌氧消化模型包括中间产物。模型假定复杂的底物是均 质的，能够分解成碳水化合物、蛋白质和脂类颗粒性底物。底物降解过程如图 4 1 所示。 第4 章基下a d m l 的a b r 数学模型的建立 图4 1a b r 底物降解过程图 基于a d m l 的a b r 模型把一个非生物分解为主的步骤作为厌氧反应的第一 个反应过程，以允许各种不同的应用，并顾及生物污泥和复杂有机物的溶解。底 物一般为复杂的混合颗粒体( 包括染料分子) 、颗粒性碳水化合物、蛋白质和脂 类。后三种底物也是混合颗粒体分解的产物。其他的分解产物有惰性颗粒和可溶 性惰性物质。碳水化合物、蛋白质和脂类的( 酶) 水解产物分别是单糖、氨基酸 和长链脂肪酸。 a b r 中产酸通常被定义为一个没有外加电子受体和供体的厌氧产酸的微生 物过程，其中包括可溶性单糖和氨基酸降解成的大量较为简单的产物一乙酸、丙 酸、丁酸、戊酸等挥发酸。在产甲烷步骤中，乙酸被分解成c 0 2 和c h 4 。 众所周知，许多的生物过程可以被厌氧反应中间产物所抑制，例如：长链脂 肪酸、游离的酸碱、游离氨等。p h 抑制是细胞同态的破坏和低p h 值下弱酸浓 度增加两相作用的结果；或者是高p h 值下的弱碱抑制和运输限制，它不同程度 地影响所有的生物，本文中只考虑p h 抑制中的高p h 值时存在的抑制。在基于 娲 哈尔滨t 程大学硕十学何论文 a d m l 的a b r 模型中，p h 抑制用于所有的胞内过程，对于产乙酸生物和产酸 生物、利用氢产甲烷生物和分解乙酸产甲烷生物，应使用不同的生化参数。 众所周知，许多的生物过程可以被厌氧反应中间产物所抑制，例如：长链脂 肪酸、游离的酸碱、游离氨等。p h 抑制是细胞同态的破坏和低p h 值下弱酸浓 度增加两相作用的结果；或者是高p h 值下的弱碱抑制和运输限制，它不同程度 地影响所有的生物，本文中只考虑p h 抑制中的高p h 值时存在的抑制。在基于 a d m i 的a b r 模型中，p h 抑制用于所有的胞内过程，对于产乙酸生物和产酸 生物、利用氢产甲烷生物和分解乙酸产甲烷生物，应使用不同的生化参数。 4 2a b r 系统中不同条件下各个组分预测方程的建立 在基于a d m l 的a b r 模型中，有机底物的降解包括五个步骤：分解、水解、 产酸、产乙酸、产甲烷。其中分解、水解、产酸、产乙酸过程发生在产酸的格室 当中( 1 - 4 格室) ，产甲烷过程发生在产甲烷格室中( 5 7 格室) 。 基于a d m l 的a b r 模型采用速率方程矩阵的形式来描述生物动力学模型。 矩阵描述的一个重要优点是可以快速简单地认识各组分的变化过程，列出质量平 衡方程。矩阵中包括生化速率系数( y 玎) 和动力学速率( p ，) 。在任何给定的系统边 界内，质量平衡基本关系式为： 进入量一排出量+ 反应量= 积累量 ( 4 1 ) 进入量和排出量由a j 3 r 的物理性质决定。系统反应量) ，；是通过计算化学计 量系数y 和组分f 的过程速率式p j 乘积之和得到： 胪p ，( 4 - 2 ) 反应器中各组分的物料平衡方程酊方程( 4 3 、4 4 ) 所示： y - 勰t = q s i , 玉, - 鹕+ ，薹尸儿j ) y 百d a i q x i , 如- 弘一，譬儿， 式中，s ；期为进水可溶组分；墨为反应器中可溶组分；x i ，如为进水颗粒组分； 五为反应器中颗粒组分；v 为反应器有效容积；g 为反应器进出水流量。为简 化模型，本文考虑高p h 值抑制，非竞争性抑制和次级底物吸收，以及温度的影 响。 第4 章基t - a d m l 的a b r 数学模型的建立 因为印染废水p h 8 ，故p h 值抑制方程如5 5 所示： ， 1 + 2 x 1 0 0 5 ( 州一p h u l ) 州2 1 + 1 0 ( p n - p n z ) + 1 0 ( p h - p h ) ( 4 - 5 ) 非竞争性抑制，主要是游离氨和氢的抑制，其抑制公式如下： ”以2 丽茏 次级底物吸收( 当无机氮浓度s i n 趋于零时，将抑制吸收) ，其吸收公 式如下： r 一 1 l 琢汹1 + k l s l 。4 综上，令抑制因子分别为1 1 ，1 2 ，i s ，其抑制方程如( 4 8 ) 所示： i l 誊ip h il n 融 1 2 f f ii p h k 。k 灿 ￥3 刮i k 眠1n h 3 0i n , l i m ? 嗡 为抑制参数，s 为过程j 的底物浓度，s i 为抑制剂浓度，p h r n _ 和p h l l 分 别是生物种群受到5 0 抑制时的上限和下限。 a b r 从进水槽进水，每一格室自下而上地通过反应器，首先通过底部的污 泥床，污泥床是一个高浓度、高活性的污泥层，在这里大部分有机物水解，产酸， 部分被转化为c h 4 和c 0 2 。由于气态产物( 消化气) 的搅动和气泡粘附污泥， 在污泥床之上形成一个污泥悬浮层。被分离的消化气从上部导出，被分离的污泥 则自动滑落到悬浮污泥层中，因此格室内部的流体流态比较复杂。通过对此反应 过程的分析，发现轴向离散模型和全混串联模型能够较好的反映反应器内部的流 体流动状态。 离散模型是对理想模型的一种修正，是用来描述非理想反应器的主要流动模 型之一。特别适用于返混程度不大的系统。它是在推流模型基础上再叠加了一个 与流动方向相反的轴向扩散，该模型有如下假设：( 1 ) 与流体流动方向垂直的每 一截面上，具有均匀的径向浓度；( 2 ) 轴向离散系数眈为常数，既不随时间变化， 也不随位置变化；( 3 ) 物料浓度为流动位置的连续函数。如图4 2 ，流体进入反应 器的截面位置为l = 0 ，离开反应器的位置为l = l ，反应器截面面积为a ，体积为 v ，对示踪剂在d v 微元内做物料衡算，则有： 4 9 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 驴+ 冀 一日( “等) 眈i d s + 一 一。工鲁( s + 等 ld t 图4 2 a b r 中单格室轴向物料衡算 进入量： 秘+ 见丢( s + 鲁) 卜 件叻 流出量： g ( s + 筹) + p c 鲁】彳。4 1 。， 忽略高次微分项，整理得到： 边界条件如下： 筹一见窘一口鲁 z 。g & i 秘+ 妇一d - ( i d 讲s 、i + 加( 4 1 2 ) 工2 。 ( 4 - 1 3 ) 全混串联模型是把实际的反应器模拟成由几个容积相等的串连全混流区域 所组成的反应器，从而等效地描述返混对反应过程的影响，如图4 3 所示。 q 图4 3 全混串联模型 平衡方程如( 4 - 1 4 ) - - ( 4 - 1 5 ) 所示。 第4 章基于a d m l 的a b r 数学模犁的建立 i v 百d s i 啦跏一鹕+ ，薹缈 ( 4 - 1 4 ) 等警喇抽馘+ ，渺吖 ， 结合a d m l 速翠方程矩阵和分阶段多级厌氧反应器早硌至流体力字力栏， 所得到的平衡方程如( 4 - 1 6 ) - ( 4 - 3 5 ) 所示。方程( 4 - 1 6 ) - ( 4 2 5 ) 为溶解性组分，方程 ( 4 2 6 ) 一( 4 3 5 ) 为颗粒性组分。在方程( 4 1 6 ) - ( 4 3 5 ) 中，i = 1 - - 7 ，分别代表a b r 反 应器的格室。 舡争一目等1 嘁圹+ 以， 、7 竹。1 6 ) c - q 一3f 4 囊k h y d 蕾x n j k m 册i 】三瓦。s u , i x “j i l 争争一口等) 哦圹吨棚惫 净争一g 鲁卜圹峨， 一i k m , p 瓦s f a , i x 扣 ( 4 - 1 8 ) 牛争叶d s v a i ) - 诫舢一以棚去9 ， x 。，j 。一七w i s 瓦v a j x 。 1 4 i + s 6 | s 。 牛争一目鲁卜h 一筘撕j + ( 1 一l ) 允, s u k m , s ui i 等= x 。，。+ + ( 1 一圪) 厶, a a k m , a a 甄s a a d x 。4 丽1 卜4 若瓷 5 1 ( 4 - 2 0 ) 哈尔滨丁程大学硕十学何论文 牛争一留等) 峨圹廿饥 删 枣争一口鲁卜纠哦廿说 删甄s s u , i k + + ( 1 也) 厶 朋惫k + o 7 ( 1 一) 糍 x 扣。，z + 0 3 1 ( 1 一k k 。，乏i ! ! 鸶i x 。 1 1 1 + s 豫t s 。j + o 8 ( 1 也k l 丽1 ，： + 0 5 7 0 一k ， s m j k s + sp r o ix 吵i 1 2 一k m 微 s n c j k s + s 睇l x 雠j i3 ( 4 - 2 1 ) ( 4 - 2 2 ) 牛争一日鲁) - 警x a c d l 3 + 慨) k m , h 2 s h 2 午争一口鲁卜圹吼屯w 。j + k d c c 】【。xm j + k d e c xh x m + k d e c 。x 。xc i j + k d e c x 。x p , o ，i q 五q 诎钯c 盖。x i + k 如c , x i t x h 2 $ 净争一留鲁卜砒 彘 z 蹦，厶+ + ( 1 一匕) ， ：脚七，脚i 惫x , , f l l + 0 3 ( 1 一) 姜宇拿苦j 向，z + o 1 5 ( 1 一k 。k 艉。 s 。 4 k s ：+ s w iz 。4 丽1 + o 2 忆k 去鼍 + 0 4 3 ( 1 一k 西s p 瓦r o , i 1 4 i + s 。s 6 i i x 一2 “m 毒x 峨1 1 5 2 ( 4 - 2 5 ) 第4 章基丁a d m i 的a b r 数学模巧! 的建立 净争一目警) 哦川氓以以。 净争一日鲁) 鸭“鸭以一和， 牛争一g 警卜h 诫“z 一 j 舡争一q 警1 氓h 讽以k i 雌。x 。； j 舡争一g 等1 = “4 一扎哪。 一i 妊墨x 。； j 舡争一日警1 鸣圹“哪。 s 。 一k ，+ s j “j s 。 脚k ，+ s 。j s 向j k ，+ s 向j ( 4 - 2 6 ) ( 4 - 2 7 ) ( 4 - 2 8 ) x “j ，1 ( 4 - 2 9 ) x m j ，1 0 ) x 以 1 ) 牛争一日警卜圹彘邑j 力 i ：丽1 ，z + 匕七。，。4j 云工。t ，i ：_ 丽1 ，z 一七缸，工。x 。4 ， 午争一口孕) 呶“峨， + y 即，k m 。旷1 ：瓦s p , o , i x 畔。i2 一k t 五。x 。， ( 钙3 ) 净争一口等) 哦圹+ 等k 午争一g 警卜聃- 峨+ 鬻剐- ： ( 4 - 3 5 ) 4 3 模型参数确定 在a d m l 模型中主要的参有数：化学计量系数、平衡系数和动力学参数。 5 3 哈尔滨下稗大学硕十学位论文 厌氧模型中含有大量的参数，不过厌氧反应动力学参数的变化一般小于活性污泥 系统。对厌氧消化工艺模型进行研究的时候，必须根据实际情况，对各参数进行 估测。m a 课题组的策略一般是将生化参数减到最少，然后通过以下几个方面 进行数值优化：对于变化很小的参数如局，】，等，根据文献取值；对于变化 大的参数，根据所研究的相似反应器设计和进水模式取值( 在可能的条件下) ； 通过灵敏度、相关性和可鉴别性的数值分析，减少参数。 在对厌氧消化模拟系统进行参数调整的过程中发现，一些参数对模拟误差影 响较大，即通常所说的敏感参数，而一些参数的变化并不会引起模拟误差的较大 改变。因此参数调整时应抓住敏感参数，但参数对各指标模拟误差的影响趋势不 一致，这就需要在选择参数的最终结果时进行折中，尽量使各指标的模拟误差不 致过大。 模型参数受进水水质影响较大，所以根据实际情况对模型参数进行调整是十 分必要的。参数的校正之所以是模型应用的难点之一，一方面是由于模型中涉及 的参数过多；另一方面则是由于校正过程比较繁琐。校正时要顺序进行，每次仅 可改变一个参数，因而比较耗时。 根据a d m l 所提供的化学计量学参数和动力学参数的灵敏度和可变性，从 中挑选出可能对模型影响较大的几个参数进行调整( 动力学参数：x 凼、 州- c h 、 k h y d 咫、七圳、七脚一胛、k s 刖、k 。、k 喇、k s - h 2 ；化学计量参数： 凡，蹦、厶，蹦、厂胛，埘、厂卵，埘、厂胛，衄、凡，埘、凡，) ，以便达到更 好的模拟效果。各参数值见表4 1 。 表4 1 a b r 模型参数 第4 章基丁a d m l 的a b r 数学模型的建立 4 4 模型求解 建立数学模型的最终目的就是应用到实际中，指导水处理厂设计、运行和优 化等方面。两相厌氧工艺的平衡方程是一组相关联的微分方程，解这些方程需要 采用数值积分技术。 5 5 哈尔滨t 程大学硕十学位论文 m a t l a b 原意为矩阵实验室( m a t r i xl a b o r a t o r y ) ，1 9 6 7 年由c l e r em a l e r 用 f o r t r a n 语言编写而成，后来m a t l a b 改用c 语言编写。m a t l a b 作为一个 多学科、多操纵平台的优秀科技软件，它自身也在不断的发展和进步，其处理运 算的功能不断地加强。现在，m a t l a b 已经成为高等院校、科研院所以及广大 工程技术人员首选的编程语言。在本章研究中，使用m a t l a b 的符号工具箱中 o d e 4 5 命令求常微分方程组的数值解，此函数基于显示的r u n g e k u t t a 公式，采 用单步法来计算。 4 5 基于a d m 的a b r 模型模拟结果分析 本节主要对a b r 中部分格室的c o d 、挥发酸、m l v s s 、p h 等进行了模拟 和分析，如图4 4 图4 1 5 所示。 a b r 第一格室、第三格室、第五格室和第七格室出水c o d 试验值和模型模 拟值对比见图4 4 图4 7 。 1 4 0 0 1 2 0 0 1 0 0 0 _ 、 蛊8 0 0 昌 q6 0 0 o o 4 0 0 2 0