（环境工程专业论文）自养脱氮过程模型模拟研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着氮素污染的加剧，废水生物脱氮技术已引起世界各国的普遍关注。 废水生物脱氮已经成为水污染控制的一个重要研究方向。自养脱氮技术是一 项具有广阔应用前景的新型生物脱氮技术，具有很高的开发价值。对自养脱 氮工艺建模以及开发相应的模拟系统，必然会提高废水处理系统的设计质量 和运行效率。 本研究在已有短程硝化数学模型基础上，建立了包括短程硝化和厌氧氨 氧化两过程的自养脱氮数学模型，在a q u a s i m 仿真器中运行此数学模型。 并对一厌氧氨氧化启动试验进行了模拟，通过试验鲒果与计算机的仿真结果 的对比，证明模型能有效仿真厌氧氨氧化过程。 基于对自养脱氮技术处理高氮废水主要影响因素的分析，对自养脱氮过 程从曝气强度，水力状况，迸流情况几方面进行了动态分析，并对异养菌与 厌氧氨氧化菌间的竞争做了模拟研究。对一级反应器的c a n o n 系统，氧气 传质对此系统有重要影响，所以控制曝气对c a n o n 系统是至关重要的，这 也增加了控制难度：进水浓度动态变化也会导致厌氧氨氧化菌活性降低，这 主要是氧和亚硝酸盐抑制引起。厌氧氨氧化菌和其它菌种竞争电子供体和受 体也会使其活性降低。对于二级反应器系统第一个反应器会起缓冲的作用， 所以浓度动态变化对二级反应器系统危害要小些。可以看出，在工程应用中， 二级反应器中有较大优势。同时，这些动态分析研究也能为自动控制工作者 制定控制策略提供帮助。 关键词：自养脱氮模型；厌氧氨氧化；生物膜反应器：脱氮 西南交通大学硕士研究生学位论文第j i 页 b e c a u s eo fi n t e 璐i 丘c a t i o no fn i t r o g c p o l l u t i o n ，t h cw 豳t ew a t c rb i o l o 舀l n j t m g c nr e m o v a lt c c h n o l o g y h a sa m u s e dt h cu n i v e r s a l洫盯c s to ft h cm a n y c o u n 研e s t h cw 弱t ew a t 盯b i 0 1 0 百c a ln i t r o g e n 咖o v a la l r c a d yb e c 枷eo n e i i l l p o n 姐tr c s e a r c hd i r e c t i o ni nt h cw a t e rp o l l u f i o nc o n t l 日lf e l d a u t o t r o p h i c n “r o g e nf c m o v a lt e c h n o l o g yi san o v e lp r o m i s i n gb i o l o 昏c a ln i t r o g r e m o v a l p r o c e s sa n dh 勰t h cv e r yh i g hr e s e a r c hv a l u e i ft h c 功o d e lo fa u t o 呐p h i cn “f o g c d r c m o v a lc a nb ec o n s t n l c t e d 卸d r r e s p o n d i n gs i m u l a t i n gs y s t e mc 趾b ed e v e i o p e d ， i n e v i t a b l yc a nc n h a n c et h 嚣d e s i 乒q u a l i t ya n do p c r a t i n ge f f i c i 钮c 于o ft h cw a s t e w a t e rp r o c e s s i n gs y s t c m b a s c do nap a f t i a ln i t r i t a t i p r o c e s sm a t h c m a t i c a lm o d c li nt h ca n i c l e s ，t h c t h e s i se s t a b l i s h e da u t o t r o p h i cn i t r o g c n 托m o v a lp r o c e s sm a t h e m a t i c a lm o d e l ， w h i c hi n c l u d cp a r t j a li t r i t a t i o n p r o c c s s扑d 札a c r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o n p r o c c s s ，如di m p l e n c n tt h e m a t h e m a t i c a lm o d c li na q u a s i ms o f c w a r c a 卫 a n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o ni d be x a m i n a t i o nw 醛s i m u l a t c d b yc o m p a r i n gt h c l a be x 锄i n a t i o nr c s u l t s 柚dc o m p u t c rs i m u l a t i o n 坤s u l t s ，p m v c dt h a ts i m u l a t i o n m o d e l sa r cc f i k c t i v et os i u l a t ea 衄。由ao x i d a t i o np r o c c s s b a s e do nt h ea n a l y s i sf o fm a j o rf a c t o r so fo p c r a t i o no fa u t o t r o p h i cn i t r o g e n r e m o v a lt c c h n 0 1 0 9 y ，t h cd y 衄j ca n a l y s i so fa u t o t r o p h i cn n r o g c nr e m o v a lw a s d o n ef | 0 ms e v e r a la s p e c t s ：a e r a t i o ni n t e n s i t y ，h y d r a u l i cc o n d i t i o n s ，t h ci n n u n e n t c o n d i t i o n s ， 龃dt h ec o m p e t i t i b e t w c e nh e t e r o 仃p h s趾da 丑a m m o xw c r e s t u d i e d n eh 如d y n 锄i cc o n d i t i o n si n n u e n c c da n 鼬m o xb i o 丘i s y s t e ml i t t l e ； o nt h ec o n t r a r y ，也c yi n n u e n c e dc a n o nb i o f i l ms y s t e ml a 唱e b c c a u s et h e t r a n s f e l 。o fo x y g e nm a s s 主丑c a n o ns y s t 锄i si m p o r t 蛆tf a c t o t ，t h e r e f o r e 也e c o n t r o lo na e r a t i o ni t e n s i t yt 0t h e ( ：a n o ns y s t e mi sv e r yi m p o n 柚t d y n a m i c i n 丑u e n tc o n d i t i o 璐a l s ol e a dt 0l a w e ra n a m m o x a c t i v i t y ，t h c s cf e s u h sf m mm a i n l y t h eo x y g c na n dj h a b i t a 廿衄o fn i t r i t e a n 衄m o x 柚do t h c rb a c t e r i ac o m p c t e s c l e c t r o n sd o a t o r 柚dt h ca c c e p t o ra l s o 锄1 0 w c ri t sa c t i v i t y f i r s tr c a c t o ro f r c a c t 0 i ss y s t e m sp l a yt h eb u 圩e rr o l c ，t h e 删f 0 r et h ed y n 锄i ci n f l u e n tc o n d i t i o n sd o l i t t l ch a mt ot _ l or e a c t o r ss y s t e m s i na p p l i c a t i o n ，t h ct w or e a c t o r ss y s t c mh a s a d v a n t a g c m e 如t i m e ，t h es t u d yo fd y n a m i c 缸a l y s i so fa u t o t m p h i cn i t r o g e n 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 fi 页 r e m o v a lp m c e s sc a nh e l pt od e c i d ea n dc o e c tt h ep o l i c yo fa u t o m a t i o n k e y w o r d ：a u t o t m p h l cn i t m g e nm m 们8 lm o d e i 蚰a e m b i ca m m 雠i u m o 】d d a h o n ；m o m mn a c t o r ；n i t m g 蛆n m o v a i 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 1 1问题的提出 第一章绪论 水是地球上最宝贵的资源，在地球表面，海洋占表面积的7 1 ，全球水 储量约为1 3 6 亿k m 3 。目前能供人类利用的水资源，即地下水和地表水分别 占总水量的o 7 2 和o 0 1 6 ，也就是说，便于人类直接利用的淡水量约为 o 1 亿立方千米。所以对这部分水资源的利用、管理、再利用就成为一个棘 手的问题，特别是在这个人口爆炸的时代。 水资源的管理可以说是古已有之，但对水资源问题的关注在过去三、四十 年变得更加突出。在1 9 7 2 1 9 7 3 年期间，公众对各种环境问题的关注达到高 峰，在以后的1 5 年中逐渐减少。在8 0 年代后期，对各种环境问题的全面关注 重新开始回升。在9 0 年代初，它变成了一个重要的政治问题。随着1 9 9 2 年7 月在巴西里约热内卢联合国环境与发展大会的召开，对它的关注达到高潮。 在废水处理领域，氮素污染的治理是一个很受重视的问题。为了向全球 人口供应蛋白质食物，农业中大量使用工业氮肥( 用h a b e r b o s c h 工艺将大 气中的氮气转化为氨氮) 。上个世纪，全世界每年平均施用氮肥从1 9 6 0 年的 1 0 0 0 万吨氮到1 9 9 8 年的9 0 0 0 万吨氮【1 】。同时，全球生物固氦量大约在 2 0 0 0 0 2 4 0 0 0 万吨氮，也就是说，人类的活动已对全球氮循环产生很重要影 响。这些含氮有机物排放到水体中会导致一些环境和健康问题。比如氨氮进 入水体会因起水体富营养化问题；饮水和食品中过量的硝酸盐会导致高铁血 红蛋白症，此病症对婴儿的威胁特别大，死亡率可达8 5 2 ：而且还有致 癌的危险，因为硝酸盐进入体内后被还原成亚硝酸盐，亚硝酸盐再与仲胺、 酰胺或类似的氮化合物发生反应，形成致癌和致突交的亚硝基化合物【2 1 。 在大多数城市污水处理厂中，氮素形式基本是氨氮和有机氮，通过生物 硝化和反硝化过程去除。第一步是将氨氮转化为硝酸盐氮( 硝化) ，第二步是 将硝酸盐氮转化为氮气( 反硝化) 。此过程的优点是高去除效率，运行稳定可 靠，过程控制较容易，占地面积也不大【3 1 。污水处理厂脱氮处理中，有较大 一部分氮素污染是含氮量较高的回流污泥滤液，它占总氮负荷的2 5 ，但它 的体积负荷只占1 2 【4 】如用传统的硝化反硝化工艺处理它将需要大量的 氧，并且还需另外添加碳源因为它的特点就是高氦浓度和具有不适于反硝 化的碳氮比( c n ) ；这将会增加费用，使运行难以进行。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 但是厌氧氨氧化过程却能很好地处理这类污水。三十年前b r o d a 【5 】就曾 推断出厌氧氨氧化过程的存在，1 9 9 2 年m u l d c r 等【6 】发现了此过程。对于高 含氮量和低碳氮比的废污水比如垃圾渗滤液、养殖废水都可以用此工艺处理。 厌氧氨氧化过程中，氨氮在厌氧情况下被氧化，同时亚硝酸氮作为电子受体。 氨氮和亚硝酸氮的消耗量大致相等。一般而言厌氧氨氧化过程应该和短程硝 化过程联合起来应用，比如s h a r o n 过程【7 】，经过短程硝化过程将有近一半 的氨氮被氧化成亚硝酸盐氮。由于两个自养过程不需外加碳源( 污泥量也随 之减少) ，氨氧化时的需氧量也减少很多，这样就使处理运行变得可行。两个 自养过程，短程硝化和厌氧氨氧化过程的联合即称之为自养脱氮过程。此过 程在污水处理厂中的应用可见图1 1 。 污泥消化 图1 1 自养脱氮过程在城市污水处理厂中的应用 1 2国内外研究现状 泥 废水中氮的去除方法有物理法、化学法和生物法三种，某些化学法或物 理化学法可以有效地从废水中脱氮除磷。但一般来说，化学法或物理化学法 所需的运行费较高。废水生物脱氮除磷技术在近2 0 年来取得了飞速的发展， 并已在生产实践中应用。事实上，选择物化法还是生物法也要看废水中氮浓度 大小【。可以大致如下划分： 废水氮氮浓度在1 0 0 m g n l 以下。在此范围内，传统的生物脱氮技术完全 可以胜任。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 废水氨氮浓度在1 0 0 5 0 0 0m g n 几。一个典型的例子就是污泥脱水时产生 的废水，一般认为生物法是较合适处理此类废水【9 j 。当然也可以采用吹脱 法或絮凝沉淀法，但此类方法运行费较高【1 0 】。随着生物脱氮技术的发展， 一些新的脱氮过程开发出来应用于处理此类废水如s h a r o n a n a 吼o x 过程 【1 1 1 ，o l a n d 过型1 2 1 和c a n o n 过程f 1 3 】【1 4 】。下文将详细介绍这些过程。 废水氨氮浓度大于5 0 0 0 m g n 几。在这个范围内物化法是较适合的。许多垃 圾渗滤液处理都采用此法。 1 2 1 生物脱氮技术发展概况 本文只关注氨氮浓度在5 0 0 0m g n 几以下的废水处理，所以生物脱氮技术 就成为关注焦点。按文献【”，可将生物脱氮法作如下的划分： 带有传统硝化反硝化的活性污泥法。全世界应用最广泛的脱氮活性污泥法 就是此方法了。它有许多的设计形式如氧化沟，序批式反应器等。在硝化 过程，铵氮先被氧化成亚硝酸盐氮，亚硝酸盐氮再被氧化成硝酸盐氮。硝 酸盐氮最后转化为氮气，而被脱除。平均每去除1 9 氮要消耗4 5 7 9 氧气 和3 6 9 c o d 。 带有部分硝化反硝化的活性污泥法。在这个过程中铵氮( n h 。一n ) 被氧化 成亚硝酸盐氮( n 0 t n ) ，然后亚硝酸盐氮转化为氮气，而被脱除。平均每 去除1 9 氮要消耗3 2 9 氧气和2 4 9 c o d 。 带有自养脱氮的活性污泥法。厌氧氨氧化过程的发现( m u l d e r ) 使这种方 法成为可能。在厌氧氨氧化过程中铵氮( n 1 4 + 一n ) 在缺氧情况下被氧化， 亚硝酸盐氮( n o ：。一n ) 为电子受体，生成氮气。在带有自养脱氮的活性污泥 法中，铵氮( n h 。+ 一n ) 首先被氧化为亚硝酸盐氮( n o 。一一一n ) ，然后发生厌氧 氨氧化反应。平均每去除1 9 氮要消耗1 7 9 氧气，不需消耗c o d 。 人工湿地，海藻塘和浮萍塘。在人工湿地，海藻塘和浮萍塘中氨氮被海藻 微生物同化吸收。海藻塘的能量需求主要用于海藻塘的混合和泵送。 就能量耗费角度看，最后一项的是最低的，但同时它的处理能力也是最低 的。目前看来，最有前景，又符合可持续利用的选项是自养脱氮法，它优点如 下：反硝化不需其它有机物质低污泥产量，高氦负荷，占地面积小。 1 2 2 废水生物处理的数学仿真模型发展概况 仔废水生物处理系统的设计中，往往采用经验或半经验的方法。这些方法 很难反映生化反应过程中各种变量之间的相互关系。因此用这些方法进行设计 带来一定的盲目性，难以经济合理地设计处理系统，也难以预测和指导当系统 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 发生变化时的运行管理。1 9 4 2 年，m o n o d 发现均衡生长的细菌增长曲线与活 性酶催化的生化反应曲线类似，把反映生化机理的酶反应( m i c h a e l i s m e n t e n ) 动力学引入废水处理领域，发表了在静态反应器中经过系统研究得出的 m o n o d 方程【1 6 】。使废水生物处理的设计和运行更加理论化和系统化，提高了 人们对废水生物处理机理的认识，进一步促进了生物处理设计理论的发展。由 于微生物生长动力学模型描述的是微生物生长和限制微生物生长的基质浓度 之间的关系，它是活性污泥法数学模型的理论基础。微生物生长动力学模型的 不断发展和计算机技术的普及同时也推动了活性污泥数学模型研究的日趋深 入。 传绝的活性污泥模型始于2 0 世纪5 0 年代中期，其中最有代表性的有： w w e c k e n f c l d e rj r 【1 7 】1 9 5 5 年对间歇试验反应器内微生物的生长情况进行观 察后，基于v s s ( 挥发性悬浮固体) 积累速率经验公式提出的活性污泥模型： r e m c k i n n e y 【l s 】等在6 0 年代初基于污泥全混和假设提出的活性污泥模型 和l a w r e n c c m c c a r t y i l 9 】等在1 9 7 0 年基于微生物生长动力学理论提出的活 性污泥模型。与e c k e f c l d e r 模型相比， m c “n e y 模型忽略了微生物浓度 对基质去除速度的影响，认为在活性污泥反应器内，与微生物浓度相比，属 于低基质浓度，微生物处于生长率下降阶段，代谢过程为基质浓度所控制， 遵循一级反应动力学。m c k i n n e y 模型还首次提出活性物质的概念，认为活 性污泥中只有部分具有活性的微生物对基质降解起作用。虽然当时还无法直 接测定活性物质，但这一概念的提出，为活性污泥模型的研究开拓了新的思 路。l a w r e n c e m c c a r t y 模型强调了生物固体停留时间( 污泥龄s r t ) 的重要性， 由于污泥龄可以通过控制污泥的排放量进行调节，因此增强了模型在实际应 用，在污水处理学术的得到了比较广泛地承认。这些模型1 2 0 】都对实际的生化 反应系统作了很大简化，其区别仅在于有机物降解速率表达式和活性污泥组 分划分的差异。由于模型计算结果可基本满足活性污泥工艺设计的要求，且 具有模型变量易测、动力学参数确定及方程求解方便等特点，这些模型迄今 仍广泛用于活性污泥的工艺设计【2 l 2 3 】。但是，由于这些模型只考虑了污水中 含碳有机物的去除，不能解释和描述废水生物处理中常见的有机物“快速去 除”的现象，也不能很好地预测实际观察中存在的有机物浓度增加时，微生 物增长速率变化的滞后效应以及不能预测有机物浓度降低时活性污泥过程的 瞬变响应，因此这些静态活性污泥模型虽然参数求解和计算过程相对简单， 但无法精确地模拟废水处理中氧利用和微生物代谢的动态变化，不能很好地 描述活性污泥系统的动态特性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 2 0 世纪8 0 年代以来，随着人类对环境要求的提高及污水处理技术的 发展，数学模型和计算机技术在活性污泥法中的应用日趋活跃，对于活性污 泥法数学模型的研究也发展到根据废水生物处理过程的特性进行过程动态分 析和探索辨识建模的阶段1 2 4 】，实现了从指导活性污泥工艺设计，向研究活性 污泥工艺的动态过程的转向。 活性污泥法动态模型主要有3 种【2 伽：机理模型、时间序列模型和语言模 型。基于经验积累和“i f t h e n ”推理规则的语言模型，主要指专家系统， 其研究尚处在初始阶段。基于系统辨识技术建立的时间序列模型又称为辨识 模型，如b c n h o u e x 等l 用一阶ar 模型描述污水厂的进水b o d ；n a g h d y 等( 1 9 9 1 ) 用a r i m a 楱型预测进水流量和负荷：n o v o t n y l 2 6 悃a r m at f 模 型描述进、出水b o d 和s s 之间的关系等，辨识模型对监测控制系统的要 求较高。 机理模型目前主要有3 种： a 皿d r e w s 模型【2 7 】：该模型提出了贮存代谢机理。将系统中的微生物 划分为活性生物体、储存物质和惰性代谢产物三个部分。认为在活性污泥过 程中，非溶解性有机物和部分溶解性有机物首先被生物絮体快速吸附，以胞 内贮存物x s t c 的形式被贮存，然后再被微生物利用。这一机理的引入，区 别了溶解和非溶解性底物，合理解释了有机物的“快速去除”现象，很好的 预测了实际中观察到的有机物浓度增加时微生物增长速度变化的滞后现象和 耗氧速率的瞬变响应特性。 w r c 模型【2 0 1 ：该模型引入了存活非存活细胞代谢机理。认为有机物 的降解可以在不伴随微生物量增长的情况下完成，以此解释在应用m o n o d 方程描述废水生物处理过程导致细胞浓度预测值偏高的问题。 i a w q 模型：1 9 8 5 年国际水污染控制研究协会( 认w p r c ) 组织五国专 家组成的专家组，经两年多研究于1 9 8 7 年推出了活性污泥法1 号模型 ( a s m l ) 【2 7 1 。该模型着重于废水生物处理的基本原理、过程及其动态模拟，首 次把氮的去除纳入模型，它包含1 3 种模型组分和8 种生物化学反应过程， 在表述上采用矩阵形式，使模型更加直观，易于理解。它不仅描述了碳素的 氧化过程，还包括含氮物质的硝化与反硝化，但它的缺陷是未包含磷的去除； 为了弥补a s m l 模型的缺陷，1 9 9 5 年l a w q 专家组又推出了活性污泥法 2 号模型( a s m 2 ) 1 27 1 ，它不仅包含污水中含碳有机物和氮的去除，还包含 了生物除磷和化学除磷过程，以物料平衡为计算基础。用矩阵来描述各有关 物质浓度、反应速率、反应动力学参数及化学计量系数之间的关系，这样， 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 使用者能同时看出各种反应对各种物质浓度变化的影响。它包含1 9 种物质， 1 9 种反应，2 2 个化学计量系数及4 2 个动力学参数。但a s m 2 适用于一 般城市污水，若用于工业废水或特殊废水，则会出现较大偏差。此外，它适 用于p h 为6 3 7 8 的污水。因模型碱度平衡计算基于p h 为6 9 的假设条 件。模型适用的温度范围为1 0 2 5 。聚磷菌在高温及低温条件下的性能变 异至今尚未弄清，因此a s m 2 还不能说是一个很成熟的模型1 2 8 】。 1 9 9 9 年，国际水质协会n w 正式发布了活性污泥模型a s m 3 【2 引。该 模型修正了a s m l 的某些缺陷，增加了有机物的存储过程，将以水解反应代 表的衰减过程改为用内源呼吸过程来解释，从而更真实地展示了衰减过程。 由于a s m 3 将异养菌的“死亡再生乍循环过程与硝化菌的衰减过程清晰地 分开了，使得a s m 3 的c o d 数据流图比a s m l 简单了许多。但迄今为止 a s m 3 模型尚未经过大量的不同的试验数据验证，模型结构对存储现象的描 述还有待改善。 1 2 3 生物貘数学仿真模型概述 过去二十几年，科学家们一直努力建立一个具有普遍意义的生物膜模 型。基本上，有两种模型是被普遍接受了的。第一种是由w a n n e r 和g u i e r 开发的经典模型及其扩展【2 9 。”】，他们用微分方程表达生物膜实体的增长。它 假设由数据平均值所构成的各类函数能够描述生物膜实体的各个方面属性。 另一种是，由p i c i o r c a n u 和h c i j n c n 等提出的生物膜模型【3 舢3 们，此模型阐释 了一个复杂异质结构，还引入了细胞自动机的概念。其他模型基本上是在他 们的模型基础上进行的细化和补充。图1 2 为w a n n e r 提出的生物膜模型及传 质过程。 图1 2 多物种生物膜模型 气报 蕞相主体 诅鼻呈 生钾 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 9 8 6 年w h n c r 等人提出了多物种生物膜的一维模型，建立了一系列物 料衡算方程。这个模型可以描述生物膜厚度的变化，颗粒( 包括菌体和颗粒) 和溶解物质的空闻分布和随时间的变化。此模型假设生物膜以层状模式从载 体端开始生长，传质以扩散为主。在1 9 8 6 年w h n n e r 提出m c b 模型后，许 多有关生物膜的试验又发现了许多新现象。比如：发现溶解性物质在生物膜 中的传质不仅仅包括扩散传质，还包括平流传质：固体物质( 活性细胞和颗 粒物) 的移动不是一定会因起细胞菌落体积的变化：细胞和颗粒物在生物膜 表面可以同时发生附着和脱附过程：生物膜的孔隙率随时间和空间变化。所 有这些现象用原来的模型无法模拟，所以w a n n c r 等人又推出了扩展的m c b 模型。扩展的m c b 模型增加了一个状态变量一孔除度( p o r o s i t y ) ，增加了 有效扩散过程等，基本可以描述以上全部现象。 扩展的和原来的m c b 模型中的方程都建立在两个假设之上：连续性假 设一维空间假设。由连续性假设，微生物组分被描述为生物膜体积微元内 的平均数量，也就是说微生物浓度定义为生物膜内给定位置生物膜体积微元 内微生物的质量除以微元体积。生物膜体积微元的最佳空间尺度在1 0 um 级 别。太大将失去分辨率，也就是说模型将失真；太小就不能保证微生物浓度 是连续的了。一维空间假设，将生物膜在平行于载体方向的属性视为同质的。 即，一维模型意味着，我们只考虑垂直于载体方向的空间坐标，并且所有的 数值都是平行于附着物平面的数量平均值。另外，扩展的m c b 模型还提供 了几种不同的描述生物膜载体几何形状的方法，如柱状载体上的，在球状载 体上的，原来的m c b 模型只提供了在平板载体上生物膜的描述方法。本论 文主要应用的是w a n n c r 提出的模型。 生物膜的空间属性如表面形状，各点密度，还有细胞簇中的微生物活性 和分布都会对生物膜的形成有很大影响。但一维模型，将生物膜在平行于载 体方向的属性视为同质的，它无法考虑这些属性的影响。而且一维模型假设 生物膜以层状模式生长，但试验观察生物膜似乎以复杂的生物菌落群结构生 长。所以许多科学家都试图建立一个异质结构的生物膜模型。在众多模型中， 由p j c i o r e a n u 和h e i j n c n 等提出的多维空间生物膜模型是较杰出的一个。 p i c i o r e a n u 和h c i n e n 等提出的多维空间生物膜模型实际上是个混合模 型，是离散的自动细胞机模型和微分方法的混合。自动细胞机模型处理的是 有关生物膜结构的计算，丽微分方法处理的是传质通量，反应速率等用关动 力学方面的问题。p i c i o r e a n u 和h c i i n e n 等还提出的多维空间生物膜模型的算 法结构f 3 4 1 。对于一维模型，它的一些常数和边界条件是指定的，但是一个三 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 维异质模型，必须能够处理时变常数和变化的边界条件的问题。b i s h o p 和 r i f t m a n n 认为【3 7 】一维模型适合于描述生物膜的反应过程结果，但如果还要预 测生物膜的结构特性就必须开发多维的模型。实事上，以上对于生物膜模型 的研究还主要以研究为目的，它们在对大规模的实际工程设计的应用方面远 远比不上活性污泥法模型。要将它应用于实际工程设计，还需要一系列模型 的支持。而且相对来说，一维模型比多维模型更合适应用于实际工程，多维 模型更合适于科学研究。 1 3研究内容、意义及技术路线 1 3 1 研究内容 譬 本课题的研究主要是基于数学模型，利用相应软件模拟、分析自养脱氮过 程。本论文将研究以下几方面问题： 1 ) 用p e t e r s o n 矩阵法建立自养脱氮过程模型。 2 ) 在不同进水浓度，不同温度和不同h l 玎时如何得到优化的自养脱氮 过程运行。 3 ) 一级反应器( c a n o n ) 和二级反应器( s h a r o n a n 蝴m 0 x ) ，哪个 在工程应用有更多的优势。 1 3 2 研究意义 现在的城市污水处理厂普遍应用硝化反硝化过程去除水体中的氮素。这样 的过程的优点是过程的稳定程度和可靠程度高，容易控制，占地面积小且费用 也不高。但是对于高氨氮含量的水体，如用硝化反硝化过程处理将使费用变得 很高，因为它将耗费大量的氧气，还需外加碳源。自养脱氮过程能有效克服传 统工艺的缺点，它不需耗氧，也不需外加碳源。在废水( 尤其是含低有机碳的高 氨氮废水) 生物脱氮领域具有良好的开发应用前景。因此，近年来受到了各国水 处理专家的重视。对自养脱氮过程建模以及开发相应的模拟系统，必然会提高 废水处理系统的设计质量和运行效率。 1 3 3 研究思路及技术路线 本论文的研究工作遵循资料收集+ 模型建模仿真分析的思路，具体 研究技术路线见图1 3 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 自养脱氮工艺及应用 二i i i i - - - _ - i i j j j j r i l l i l i i i l i l i l l i l i j 自养脱氮过程仿真模型建立i 仿真模拟研究 匪垂亟亘亟歪圈 i 一； 图1 3 本论文研究技术路线 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 0 页 第2 章自养脱氮工艺概述 自养脱氮是将短程硝化过程和厌氧氨氧化过程合并在一起的过程。厌氧氨 氧化过程以亚硝酸盐氮( n o 卜n ) 作为电子受体，氧化氨氮t a n ，氨氮( t 矧) 和亚硝酸盐( n o ，) 的摩尔比是l ：1 3 2 【1 5 】。最新的带有厌氧氨氧化过程的氮循 环见图2 一l 【3 8 1 。下面详细讨论自养脱氮过程的两个过程 2 1 短程硝化 长期以来无论是在废水生物脱氮理论上还是在工程实践中，都一直认为要 实现废水生物脱氮就必须使t 州经历典型的硝化和反硝化过程才能安全地被 除去。这条途径也可称之为全程( 或完全) 硝化一反硝化生物脱氮。实际上。从 微生物转化过程来看，氨氯被氧化成硝酸盐氮是由两类独立的细菌催化完成的 两个不同反应，应该可以分开。对于反硝化菌，无论是n 0 ：还是n o a 均可以作 为最终受氢体，因而整个生物脱氮过程也可以经n h 。一 i n o ：一这样的途径完 成。首先n m 在好氧氨氧化菌作用下被氧化成h n o ：；大约氧化1 m o l 铵生成2 m o l 质子，所以好氧氨氧化个酸化反应。然后 i n 0 ：在亚硝酸盐氧化菌作用下被 氧化为h 0 3 。 _ 自养脱氮过程 图2 一l 带有厌氧氨氧化过程的氮循环( j e t t e n 等，1 9 9 9 ) 表2 一l 中列举了两种类型硝化微生物的物理和动力学特性p ”，这些参数 的数值变化很大，报道过程的进永浓度。温度，p h 值都对参数值的大小有影 响。对模型模拟研究来说，最重要的是确定的研究状态下的参数值。 响。对模型模拟研究来说，最重要的是确定的研究状态下的参数值。 西南交通大学硕士研究生学位论文第n 页 表2 1 好氧氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的物理和动力学特性 3 9 l 最大生长速率的不同可以这样解释当采用不同的自养菌衰减模式时， 比如传统模式和溶解再生长模式，最大生长速率的估计就会不同【9 ”。t a n 和 t n q ：的半饱和系数的不同是因为氨氧化菌的真正底物是氨( n h ，) 而不是铵 ( n h 。+ ) ，亚硝酸盐氧化菌的真正底物是亚硝酸( h n o ：) 而不是亚硝酸盐( n o ：) 【4 0 】：一般都认为硝化菌的最佳生长环境是：p h 范围( 7 2 7 8 ) ，温度范围 在2 5 3 5 。p h 值低于6 5 ，x 。不再生长，可能是因为受n h ，的限制。氨氧 化菌和亚硝酸盐氧化菌的最佳溶解氧浓度是3 4 m g o ：几【”j 。 2 2 短程硝化的影响因素 影响短程硝化的因素重要的有以下几个方面，温度，p h 值，和d 0 浓度。 其它含氮组分如羟胺对硝化也有一定的影响。另外，挥发性脂肪酸、磷酸盐、 光和其它有机物质也会对硝化有一定抑制作用 蝴。氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌 对这些影响因素的敏感程度决定了硝化过程是否会出现亚硝酸盐氮累积。般 认为亚硝酸盐氧化菌对这些因素更敏感。将短硝化单元和厌氧氨氧化单元联合 在一起，就应该压制亚硝酸盐氧化菌的活性，并且应该有大约5 0 的氨氮被氧 化成亚硝酸盐氮。 2 2 1p h 值 p h 是一个非常关键的因素，短程硝化中它比温度在选择氨氧化细菌而抑 制亚硝酸盐氧化菌的作用还要大【1 0 l ，它决定着氨、亚硝酸之间的酸式平衡。 上文曾提到游离态的氨和亚硝酸是氨氧化菌和亚硝酸盐氧化菌的真正底物。 反应器中的游离态的氨和亚硝酸的量可以由温度和p h 值和以下化学方程式 计算： ( 2 1 ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 蹴工d 2 ( 2 - 2 ) 删= 腿堋+ ，酽等手，游离态氨占总氨氦的分数可由下式计 毙 。毒 沼3 ) 同样地，t n o 产h n o 。+ n 0 2 - ，舻- 警，游离态亚硝酸占总亚硝酸 的分数可由下式计算： - 号 ( 2 - 4 ) “箝 上两式中的平衡常数1 4 3 1 k 尸e 器、k ? 。g 穗，这些方程式可用于比 较不同温度下平衡浓度。基本上，高温度高p h 值会让游离态氨浓度增加， 会降低亚硝酸浓度。 n h 3 和h n 0 2 浓度与总氨氮和总亚硝酸浓度及p h 值之间的关系见图 2 2 【4 4 1 。图中标出硝化过程抑制区边界条件，这些边界条件划分出4 个区。 在1 区( n h 。 1 0 1 5 0 m g n h 。一n l ) ，游离态氨氮抑制氨氧化菌和亚硝酸盐氧 化菌；在2 区( 0 1 一1 om g n h 。一n l n h 3 8 ) ，n h 。是主要抑制剂，在 p h o 时， u d 。是u f ( l f ) 一半；当u f ( l f ) ( 0 时，u d 。为零。 对于附着速率有公式， = 志薹号 k 乩；。，l ) 【k 是x k 表面附着速率系数。x k k i 是固体k 在边界层的浓度。在自 养脱氮生物膜模型中，设定k | i 。扯为o ，不考虑附着速率的影响。 将式3 8 、3 1 1 、3 1 2 代入式3 7 ，在结合式3 1 3 就可解算式3 7 。在 a q u a s i m 中，式3 7 的解算过程为：首先用有限差分算法将偏微分方程空 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 5 页 间离散化，然后将离散化的偏微分方程和常微分方程及代数方程一起用 d a s s l 算法进行积分运算。 3 2 4 模型确认 模型确认的含义是，通过比较在相同输入条件和运行环境下模型与实际 系统输出之间的一致性，评价模型的可信度。本文通过对一厌氧氨氧化启动 实验数据进行模拟，从而获得对模型的确认，见第4 1 节。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 6 页 第4 章启动试验模拟及自养脱氮过程动态分析 实验启动厌氧氨氧化反应器的方式是：先利用城市污水厂厌氧消化池中 的污泥作为接种污泥，启动反硝化生物膜反应器，待其成功后，再在此基础 上启动厌氧氨氧化反瘦器。厌氧消化污泥来自城市污水处理厂，接种于上流 式生物膜反应器。首先培育异养型反硝化生物膜，然后，再来进行厌氧氨氧 化反应器的启动和运行。本文模型模拟的是后一阶段的试验。试验将用扩展 的a s m l 模型( 自养脱氮模型) 进行模拟；将启动期的模拟结果与其对应的 测量结果进行比较分析。此仿真模拟研究将得到自养脱氮模型的有效性确认 信息，同时得到生物膜厌氧氨氧化微生物的动力学特性信息。本文所述试验 和数据来源于文献【嘶】。研究自养脱氮过程可以从两方面着手，一方面采用试 验研究，一方面进行模型模拟研究。因为试验需要太多的时间，从节省时间 角度看，模型模拟是较好的方法。以前的文献中，有几项进行模型模拟研究。 h a o 等【”1 4 】对c a n o n 系统在不同条件下的运行进行了很全面的模拟研究， 比如不同温度，不同溶解氧条件等。k o c h 等【9 4 j 也曾进行过相似的模拟研究。 在这两个研究中，厌氧氨氧化过程的一些动力学参数不尽相同，因此对不同 的研究应该进行参数校核。本文根据h a o 等1 1 3 - 1 4 】的数据进行参数校核。而后 考察厌氧氨氧化生物膜系统和c a n o n 生物膜系统在不同输入变化时，不同 系统状态时的运行效果。a q u a s i m 提供的模型模拟环境是一个很好的工具， 本文就是在a q u a s i m 中建立模型，进行模拟。 4 1 实验室试验模拟 4 1 1 试验简述 4 1 1 1 接种污泥 取自杭州市四堡污水处理厂厌氧消化池，取回后静置一夜，虹吸弃除上 清液，底部污泥的主要性状如下：s s8 6 0 4 lv s s2 2 5 6 9 l ，v s s s s 2 7 3 8 。 4 1 1 2 模拟废水 试验采用模拟废水。厌氧氨氧化模拟废水成分见表4 1 ，分别以n a n 0 2 和( n h 4 ) 2 s 0 4 作为电子受体和电子供体。表中n d 表示该成分的浓度不确定， 需根据试验进展调整。 酉鬲爻通丈字硕士研冤生字位论文雾3 7 页 4 1 1 3 试验装置 生物膜反应器采用有机玻璃柱制成，有效容积1 5l ，内挂4 0c m 长的软 性填料一根。为避免光照对微生物的抑制作用，在反应器外包裹一层黑布， 使反应器处于黑暗中。反应装置与流程如图4 - 1 所示。原水由进水泵从反应 器底部进入，经处理后从上部出水口溢流排入气固液三相分离装置，最后排 出。产生的气佳经水封后排放。另设回流泵从反应器上部抽取厌氧混合液， 经底部回流进反应器，以完成搅拌作用，并起到稀释进水，避免底物抑制的 作用。反应器在2 8 3 0 恒温室中运行。 捧气 出水 i 生物震厦应嚣r t2 迸承曩3 日镊臻 气商藏势商墨5 连承扭 图4 1 试验装置图( 张少辉，2 0 0 4 ) 4 1 2 上流式生物膜反应器模型 4 1 2 1 上流式生物膜反应器模型建立 将上述试验反应器做相应的假设以便于模拟研究： 反应器是带有一定反混的推流式反应器。 。忽略不计反应器内的悬浮生物量，只考虑软性填料上的生物膜对有机 物的降解作用。 将每一簇软性填料上的生物膜，简化为生长在平板上的生物膜。以方 便模拟计算。 生物膜密度、微生物特性、溶解性物质在生物膜内的传递特性，在整 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 8 页 个生物膜内是同质的。 假设p h 值不变。 由上假设将上流式生物膜反应器流态视为带有一定反混的推流，用几 个串联的完全混合生物膜反应器模拟上流式生物膜反应器。考虑到运算资 源，笔者用5 个串联的完全混合生物膜反应器模拟上流式生物膜反应器。 串联的完全混合生物膜反应器的总体积为2 l ，由软性填料的规格和反应器 尺寸可得到生物膜总表面积大致为1 5 m 2 。每个完全混合反应器中生物膜 面积为0 3m 2 。所有模拟过程在a q u a s i m 软件中完成【7 6 1 。试验的模拟流 程见图4 2 。 迸水出水 图4 2 仿真模拟试验的流程 4 1 2 2a s m l 扩展模型 为了模拟试验的目的，将a s m l 模型中的硝化过程分成两步来模拟，还 加入了厌氧氨氧化过程( 如在第三章中所述) 。在此模型中用溶解再生长模式 【7 8 l 来模拟厌氧氨氧化菌的衰减，而没有采用传统的衰减模式。进水中可生物 降解基质( s s ) 假定为5 m g c o d 儿。 整个p e t c r s o n 化学计量系数矩阵已如第三章所述。m o n o d 动力学用于描 述厌氧氨氧化过程，n h 3 和1 n 0 2 都是限制性营养物质，同时考虑了氧对厌 氧氨氧化菌的抑制作用，得到如下公式： 叫“景瓦詈蠢瓦筹i 。1 厌氧氨氧化菌的最大比生长速率u n 初定为o 0 7 2 d 1 ( 2 0 ) ，衰减系数 b a n 初定为0 0 0 3 1 ，d ，半饱和系数心洲和k 1 n 0 2 a n 初定为0 3 m l 。厌氧氨 氧化菌的产率设定为0 1 5 9 m g c o d ，m g c o d 【1 5 】。细胞中的氮与c 0 d 的质量比 i 。b 。设定为o 0 5 8 3 m g n m g c