有害芳香烃类物质在好氧生物反应器中的生物降解与挥发的动态建模解析PPT学习教案

1、会计学1有害芳香烃类物质在好氧生物反应器中有害芳香烃类物质在好氧生物反应器中的生物降解与挥发的动态建模解析的生物降解与挥发的动态建模解析主要内容主要内容 论文简介论文简介 材料和方法材料和方法 模型描述模型描述3 3 结果与讨论结果与讨论 结论结论4 41 12 25 5第1页/共31页1 论文简介论文简介 好氧生物处理过程是目前可行的去除工业废水中有害有机物最好的技术之好氧生物处理过程是目前可行的去除工业废水中有害有机物最好的技术之一。但在挥发性有机化合物（苯，甲苯，乙苯，对二甲苯，富马酸二甲酯即一。但在挥发性有机化合物（苯，甲苯，乙苯，对二甲苯，富马酸二甲酯即萘）存在的情况下，挥发对其从液

2、相中去除做了很大的贡献（占很大比例）萘）存在的情况下，挥发对其从液相中去除做了很大的贡献（占很大比例）。其中一个主要课题就是预测生物降解过程中挥发和生物降解之间的竞争，。其中一个主要课题就是预测生物降解过程中挥发和生物降解之间的竞争，它们都取决于目标分子。本研究的目的是开发一个综合的动力学模型，用以它们都取决于目标分子。本研究的目的是开发一个综合的动力学模型，用以评估分子在挥发性有机化合物移除的主要途径（生物降解和挥发）中，不同评估分子在挥发性有机化合物移除的主要途径（生物降解和挥发）中，不同操作条件、反应动力学参数和物理特性带来的影响。操作条件、反应动力学参数和物理特性带来的影响。第2页/共

3、31页2 材料和方法材料和方法实验装置是一个由玻璃材料制成的序批式反应器（实验装置是一个由玻璃材料制成的序批式反应器（SBRSBR），规格为：，规格为：145145毫米毫米245245毫米（内径毫米（内径高度）圆柱型，提高度）圆柱型，提供反应体积为供反应体积为2.5 L2.5 L。反应器中的温度保持在。反应器中的温度保持在2020，pHpH值值维持在维持在7 70.50.5。该反应器装有一个叶轮搅拌器（。该反应器装有一个叶轮搅拌器（4 4刀片船刀片船用螺旋桨，直径用螺旋桨，直径5 5厘米）。入口空气通过一个不锈钢细气厘米）。入口空气通过一个不锈钢细气泡扩散器吹入到反应器中。固定空气流量为泡扩散

4、器吹入到反应器中。固定空气流量为0.528Nm0.528Nm3 3 air air d d1 1，以保持氧浓度达到，以保持氧浓度达到2 mgO2 mgO2 2/L/L。2.1 实验装置第3页/共31页2 材料和方法材料和方法2.1 实验装置运行运行107107天天第一阶段第一阶段0-410-41天天第第二阶段二阶段41-6741-67天天第三第三阶段阶段67-10767-107天天不添加DCP，DMPB: 461, T: 473, E: 190, X: 190, NAP: 46DMP: 59和 DCP: 349B: 326, T: 335, E: 135, X: 190, NAP: 32, D

5、MP: 128 and DCP: 101B: 388, T: 394, E: 159, X: 159, NAP: 38, 6 6小时小时/ /周期周期进水进水1010分钟分钟反应反应305305分钟分钟污水排放污水排放1515分钟分钟沉淀沉淀3030分钟分钟第4页/共31页2 材料和方法材料和方法每天监测混合液每天监测混合液CODCOD，出口可溶性，出口可溶性CODCOD，混合液悬浮固体，混合液悬浮固体（MLSSMLSS）和混合液挥发性悬浮固体（）和混合液挥发性悬浮固体（MLVSSMLVSS）。）。CODCOD测量测量方法符合方法符合AFNOR NFT90-101AFNOR NFT90-101

6、标准。标准。 MLSSMLSS和和MLVSSMLVSS表征方法表征方法分别符合分别符合AFNOR90-105AFNOR90-105和和AFNOR90-029AFNOR90-029标准。标准。液相中芳香族化合物浓度的测量采用液相中芳香族化合物浓度的测量采用HS-GC-MSHS-GC-MS（顶空（顶空- -气气相色谱相色谱- -质谱）法。在质谱）法。在GC-MSGC-MS法中，使用氦气作为载气，法中，使用氦气作为载气，其在塔柱的流速为其在塔柱的流速为1.2 mL min1.2 mL min1 1。2.2 分析技术第5页/共31页2 材料和方法材料和方法 首先于反应器中描述挥发，在软化水体两种不同的

7、首先于反应器中描述挥发，在软化水体两种不同的非生物条件下：第一次测试只搅拌（非生物条件下：第一次测试只搅拌（430430转每分），转每分），第二个测试既曝气（第二个测试既曝气（Q QG G = 0.528 Nm = 0.528 Nm3 3 air d air d1 1）又搅）又搅拌（拌（430430转每分）。瞬时注射后，目标污染物的浓度转每分）。瞬时注射后，目标污染物的浓度随着时间的推移进行了监测。采用气相色谱法测量苯随着时间的推移进行了监测。采用气相色谱法测量苯系和萘的浓度。系和萘的浓度。 同样地，在有生物的条件下做挥发测试。同样地，在有生物的条件下做挥发测试。2.3 挥发的动力学实验第6页

8、/共31页3 模型描述模型描述传统的双膜理论假设质量传递的全部阻力来自（气体和传统的双膜理论假设质量传递的全部阻力来自（气体和液体）穿过相邻气液体）穿过相邻气- -液界面的两个薄膜时的阻力。如果化液界面的两个薄膜时的阻力。如果化合物挥发性十分强，如合物挥发性十分强，如BTEXBTEX和和NAPNAP，界面传质的速率由液，界面传质的速率由液相阻力控制的假设是可以被接受的（气相阻力可忽略不相阻力控制的假设是可以被接受的（气相阻力可忽略不计）。因此，溶质通过水表面的传输速率由下式给出：计）。因此，溶质通过水表面的传输速率由下式给出：3.1 气/液传质模型第7页/共31页气泡曝气模型的根据是质量平衡在

9、上升气泡流气相中的气泡曝气模型的根据是质量平衡在上升气泡流气相中的应用，这里假设空气流速是恒定的，液相混合良好。气应用，这里假设空气流速是恒定的，液相混合良好。气泡的气泡的气- -液传质同样可以由液相传质阻力控制。然而，液传质同样可以由液相传质阻力控制。然而，使用标准几何形状的反应器和细气泡曝气，实验数据表使用标准几何形状的反应器和细气泡曝气，实验数据表明，气泡上升到表面时它与液体的平衡几乎已经完成。明，气泡上升到表面时它与液体的平衡几乎已经完成。在这种假设下，传输速率与气体流率直接相关。这意味在这种假设下，传输速率与气体流率直接相关。这意味着，液相中组分着，液相中组分z z的浓度的浓度S S

10、z z及其在上升气泡空气中的分及其在上升气泡空气中的分压压P Pz z之间的关系为：之间的关系为：3 模型描述模型描述3.1 气/液传质模型第8页/共31页 M Mz z是摩尔质量。在这些条件下，传输速率与传是摩尔质量。在这些条件下，传输速率与传送到大气中的气体量相关：送到大气中的气体量相关：3 模型描述模型描述3.1 气/液传质模型第9页/共31页其中其中Q QG G为气体流率，为气体流率，y yz z为芳族化合物的体积分为芳族化合物的体积分数，数，V Vm m是分子体积，是分子体积，V V是液体体积。依据亨利是液体体积。依据亨利定律可由（定律可由（3 3）和（）和（4 4）导出）导出: :

11、3 模型描述模型描述3.1 气/液传质模型第10页/共31页因此，在这项研究中，气泡曝气挥发是通过常量因此，在这项研究中，气泡曝气挥发是通过常量k kbub,zbub,z的一级反应动力学建模的。其中：的一级反应动力学建模的。其中：3 模型描述模型描述3.1 气/液传质模型第11页/共31页整体挥发过程被视为表面挥发和泡沫转移的整体挥发过程被视为表面挥发和泡沫转移的总和，这都遵循一级反应动力学。因此，总和，这都遵循一级反应动力学。因此，k kvol,zvol,z是挥发过程的全局一阶常量：是挥发过程的全局一阶常量：3 模型描述模型描述3.1 气/液传质模型第12页/共31页如果在反应器中发生挥发（

12、非生物实验，仅如果在反应器中发生挥发（非生物实验，仅仅只有挥发），溶质浓度（仅只有挥发），溶质浓度（S Sz z）的演变如下：）的演变如下：3 模型描述模型描述3.1 气/液传质模型第13页/共31页表表1 好氧生物反应器中七种特定化合物（好氧生物反应器中七种特定化合物（BTEX，NAP，DMP，DCP）和）和易降解化合物的生物降解和传质现象的动态模型的矩阵表示易降解化合物的生物降解和传质现象的动态模型的矩阵表示描述生物反应器中生物降解和气描述生物反应器中生物降解和气/ /液传质过程的液传质过程的集成数学模型被提出来。相关过程动力学和化学集成数学模型被提出来。相关过程动力学和化学计量系数以计量

13、系数以GujerGujer矩阵格式表示出来了（表矩阵格式表示出来了（表1 1），），提出的模型有提出的模型有2020个状态变量。个状态变量。3 模型描述模型描述3.2 生物动力学模型和集成的通用模型第14页/共31页我们考虑了我们考虑了3232种不同的动力学过程。过程（种不同的动力学过程。过程（1 1）和（）和（2 2）与）与OHOOHO利用易于生物降解的底物（利用易于生物降解的底物（S SS S）进行有氧增长和）进行有氧增长和OHOOHO的的衰减有关。过程（衰减有关。过程（3 3）- -（5 5）表示积累过程。过程（）表示积累过程。过程（6 6）- -（1212）描述每个特定的微生物（）描述

14、每个特定的微生物（X XB B，z z）基于特定底物（）基于特定底物（S Sz z）需氧生长过程。而进程（需氧生长过程。而进程（1313）- -（1919）描述了每个特定生物）描述了每个特定生物质的内源呼吸。过程（质的内源呼吸。过程（2020）- -（2626）表示出了各种特定生物）表示出了各种特定生物质基于易生物降解底物（质基于易生物降解底物（S SS S）的好氧增长。最后，（）的好氧增长。最后，（2727）- -（3232）的动力学速率表达式表示出了挥发和氧传递过程。）的动力学速率表达式表示出了挥发和氧传递过程。3 模型描述模型描述3.2 生物动力学模型和集成的通用模型第15页/共31页普

15、通异养微生物基于易生物降解底物、累积化合物的生长和普通异养微生物基于易生物降解底物、累积化合物的生长和积累的动力学表达式，与积累的动力学表达式，与SinSin等人改进的等人改进的ASM3ASM3类似。另外一个类似。另外一个与与DCPDCP浓度有关的长期抑制增加了，假设其为非竞争性抑制。浓度有关的长期抑制增加了，假设其为非竞争性抑制。就特定生物质（就特定生物质（X XB B，Z Z）在芳香物质（）在芳香物质（S Sz z）上的增长速度，莫）上的增长速度，莫诺表达式涵盖了大多数物质（诺表达式涵盖了大多数物质（B B，T T，E E，X X，DCPDCP，DMPDMP）：）：3 模型描述模型描述3.

16、2 生物动力学模型和集成的通用模型第16页/共31页对于萘，使用了一个简化的一阶表达式，因为它的浓度是对于萘，使用了一个简化的一阶表达式，因为它的浓度是非常低的，并且在低浓度下（非常低的，并且在低浓度下（S Sz z 远小于远小于 K KS,zS,z），莫诺表），莫诺表达式变成一个一阶表达式。因此，细菌对萘降解的增长率达式变成一个一阶表达式。因此，细菌对萘降解的增长率表达式为：表达式为：3 模型描述模型描述3.2 生物动力学模型和集成的通用模型第17页/共31页数学模型是用数学模型是用AQUASIMAQUASIM 仿真软件进行实施的，用来模拟单批仿真软件进行实施的，用来模拟单批次试验或者次试验

17、或者SBRSBR工艺。它还包括一个与连续批量处理生物反应工艺。它还包括一个与连续批量处理生物反应器（供给，反应，沉淀，撤回）相对应的质量平衡。批量实器（供给，反应，沉淀，撤回）相对应的质量平衡。批量实验同样在验同样在MatlabMatlab软件上进行模拟，序贯二次规划型运算法则软件上进行模拟，序贯二次规划型运算法则被用来把最小平方函数（它是用实验和模拟值计算出来的）被用来把最小平方函数（它是用实验和模拟值计算出来的）降至最低。降至最低。3 模型描述模型描述3.2 生物动力学模型和集成的通用模型第18页/共31页对于灵敏度分析，对于灵敏度分析，SBRSBR工艺进行了工艺进行了600600天模拟以

18、达到稳定天模拟以达到稳定的状态条件，运行结果表明，实验结果不依赖于初始值的状态条件，运行结果表明，实验结果不依赖于初始值（生物质浓度从（生物质浓度从1 1，1010，2525，100100，500500至至1000 g COD1000 g COD m m3 3进行了测试）。进行了测试）。3 模型描述模型描述3.2 生物动力学模型和集成的通用模型第19页/共31页4 结果与讨论结果与讨论图图1 在带有曝气（在带有曝气（QG G = = 0.528 Nm3 d1）和搅拌（）和搅拌（430rpm）的反应器中，）的反应器中，BTEX和和NAP的挥发动力学：在非生物条件下对比实验（点）和模拟（曲线）数据

19、，以进行尖峰测试（在的挥发动力学：在非生物条件下对比实验（点）和模拟（曲线）数据，以进行尖峰测试（在t =0时注射，甲苯时注射，甲苯7 g COD m3，苯，苯6 g COD m3，乙苯，乙苯1.7 g COD m3，对二甲苯，对二甲苯2.5 g COD m3，萘，萘1 g COD m3）。）。4.1 气/液传质模型的鉴定和验证第20页/共31页4 结果与讨论结果与讨论表表2 挥发速率常数的实验值和预测值挥发速率常数的实验值和预测值4.1 气/液传质模型的鉴定和验证第21页/共31页4 结果与讨论结果与讨论图图2 BOD度量测试模型确定各动度量测试模型确定各动力学参数：苯（力学参数：苯（a）、

20、甲苯）、甲苯（b）、乙苯（）、乙苯（c）、对二甲苯）、对二甲苯（d）以及萘（）以及萘（e）。生物需氧）。生物需氧量（量（mgO2 L1）：实验数据）：实验数据（）和建模的数据（实线）。）和建模的数据（实线）。4.2 生物模型的 鉴定和验证第22页/共31页4 结果与讨论结果与讨论表表3 总结确认苯（总结确认苯（B）、甲苯（）、甲苯（T）乙苯（）乙苯（E）、对二甲苯（）、对二甲苯（X）和萘（）和萘（NAP）的生物降解动力学参数及文献中找到的参数值。）的生物降解动力学参数及文献中找到的参数值。4.2 生物模型的鉴定和验证第23页/共31页4 结果与讨论结果与讨论图图3 集成模型输出结果和实验数据比

21、较（全局参数和氧气）：（集成模型输出结果和实验数据比较（全局参数和氧气）：（a）MLVSS与与MLSS；（；（b）出口溶解性）出口溶解性COD；（；（c）摄氧率；（）摄氧率；（d）需氧量。）需氧量。4.3 集成模型的 验证-性能第24页/共31页4 结果与讨论结果与讨论图图4 集成模型计算结果集成模型计算结果与实验数据的比较（芳香物质在生物反应器中的行为）。第一阶段（苯系物尖峰测试）摄氧率（OUR）和特定化合物浓度建模的鉴定确认。4.3 集成模型的验证-动力学第25页/共31页4 结果与讨论结果与讨论图图5 亨利定律常数对亨利定律常数对（a）活性生物驯化随）活性生物驯化随时间变化的影响；以时间变化的影响；以及（及（b）活性生物质浓）活性生物质浓度（度（）和）和600天后天后COD降解百分率（降解百分率（BF）（）的影响。生质）的影响。生质最大生长速率最大生长速率（max,z）对（）对（c）活）活性生物随时间驯化，性生物随时间驯化，（d）活性生物质浓度）活性生物质浓度（）及）及600天后天后COD降解百分率（降解百分率（BF）（）的影响。）的影响