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

主要内容

论文简介

材料和方法

模型描述3

结果与讨论

结论4125第一页第二页，共31页。1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，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，不同操作条件、反应动力学参数和物理特性带来的影响。第二页第三页，共31页。2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（SBR），规格为：145毫米×245毫米（内径×高度）圆柱型，提供反应体积为2.5L。反应器中的温度保持在20℃，pH值维持在7±0.5。该反应器装有一个叶轮搅拌器（4刀片船用螺旋桨，直径5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0.528Nm3aird−1，以保持氧浓度达到2mgO2/L。2.1实验装置第三页第四页，共31页。2材料和方法2.1实验装置运行107天第一阶段0-41天第二阶段41-67天第三阶段67-107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,DMP:128andDCP:101B:388,T:394,E:159,X:159,NAP:38,6小时/周期进水10分钟反应305分钟污水排放15分钟沉淀30分钟第四页第五页，共31页。2材料和方法每天监测混合液COD，出口可溶性COD，混合液悬浮固体（MLSS）和混合液挥发性悬浮固体（MLVSS）。COD测量方法符合AFNORNFT90-101标准。MLSS和MLVSS表征方法分别符合AFNOR90-105和AFNOR90-029标准。液相中芳香族化合物浓度的测量采用HS-GC-MS（顶空-气相色谱-质谱）法。在GC-MS法中，使用氦气作为载气，其在塔柱的流速为1.2mLmin−1。2.2分析技术第五页第六页，共31页。2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非生物条件下：第一次测试只搅拌（430转每分），第二个测试既曝气（QG=0.528Nm3aird−1）又搅拌（430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系和萘的浓度。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六页第七页，共31页。3模型描述传统的双膜理论假设质量传递的全部阻力来自（气体和液体）穿过相邻气-液界面的两个薄膜时的阻力。如果化合物挥发性十分强，如BTEX和NAP，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/液传质模型第七页第八页，共31页。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。气泡的气-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。这意味着，液相中组分z的浓度Sz及其在上升气泡空气中的分压Pz之间的关系为：3模型描述3.1气/液传质模型第八页第九页，共31页。

Mz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：3模型描述3.1气/液传质模型第九页第十页，共31页。其中QG为气体流率，yz为芳族化合物的体积分数，Vm是分子体积，V是液体体积。依据亨利定律可由（3）和（4）导出:3模型描述3.1气/液传质模型第十页第十一页，共31页。因此，在这项研究中，气泡曝气挥发是通过常量kbub,z的一级反应动力学建模的。其中：3模型描述3.1气/液传质模型第十一页第十二页，共31页。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，kvol,z是挥发过程的全局一阶常量：3模型描述3.1气/液传质模型第十二页第十三页，共31页。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（Sz）的演变如下：3模型描述3.1气/液传质模型第十三页第十四页，共31页。表1好氧生物反应器中七种特定化合物（BTEX，NAP，DMP，DCP）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描述生物反应器中生物降解和气/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计量系数以Gujer矩阵格式表示出来了（表1），提出的模型有20个状态变量。3模型描述3.2生物动力学模型和集成的通用模型第十四页第十五页，共31页。我们考虑了32种不同的动力学过程。过程（1）和（2）与OHO利用易于生物降解的底物（SS）进行有氧增长和OHO的衰减有关。过程（3）-（5）表示积累过程。过程（6）-（12）描述每个特定的微生物（XB，z）基于特定底物（Sz）需氧生长过程。而进程（13）-（19）描述了每个特定生物质的内源呼吸。过程（20）-（26）表示出了各种特定生物质基于易生物降解底物（SS）的好氧增长。最后，（27）-（32）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3.2生物动力学模型和集成的通用模型第十五页第十六页，共31页。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Sin等人改进的ASM3类似。另外一个与DCP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（XB，Z）在芳香物质（Sz）上的增长速度，莫诺表达式涵盖了大多数物质（B，T，E，X，DCP，DMP）：3模型描述3.2生物动力学模型和集成的通用模型第十六页第十七页，共31页。对于萘，使用了一个简化的一阶表达式，因为它的浓度是非常低的，并且在低浓度下（Sz

远小于KS,z），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表达式为：3模型描述3.2生物动力学模型和集成的通用模型第十七页第十八页，共31页。数学模型是用AQUASIM®仿真软件进行实施的，用来模拟单批次试验或者SBR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。批量实验同样在Matlab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）降至最低。3模型描述3.2生物动力学模型和集成的通用模型第十八页第十九页，共31页。对于灵敏度分析，SBR工艺进行了600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（生物质浓度从1，10，25，100，500至1000gCODm−3进行了测试）。3模型描述3.2生物动力学模型和集成的通用模型第十九页第二十页，共31页。4结果与讨论图1在带有曝气（QG=0.528Nm3d−1）和搅拌（430rpm）的反应器中，BTEX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，以进行尖峰测试（在t=0时注射，甲苯7g

CODm−3，苯6g

CODm−3，乙苯1.7g

CODm−3，对二甲苯2.5g

CODm−3，萘1g

CODm−3）。4.1气/液传质模型的鉴定和验证第二十页第二十一页，共31页。4结果与讨论表2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二十一页第二十二页，共31页。4结果与讨论图2BOD度量测试模型确定各动力学参数：苯（a）、甲苯（b）、乙苯（c）、对二甲苯（d）以及萘（e）。生物需氧量（mgO2L−1）：实验数据（Δ）和建模的数据（实线）。4.2生物模型的鉴定和验证第二十二页第二十三页，共31页。4结果与讨论表3总结确认苯（B）、甲苯（T）乙苯（E）、对二甲苯（X）和萘（NAP）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二十三页第二十四页，共31页。4结果与讨论图3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MLSS；（b）出口溶解性COD；（c）摄氧率；（d）需氧量。4.3集成模型的验证-性能第二十四页第二十五页，共31页。4结果与讨论图4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-动力学第二十五页第二十六页，共31页。4结果与讨论图5亨利定律常数对（a）活性生物驯化随时间变化的影响；以及（b）活性生物质浓度（▲）和600天后COD降解百分率（BF）（■）的影响。生质最大生长速率（μmax,z）对（c）活性生物随时间驯化，（d）活性生物质浓度（▲）及600天后COD降解百分率（BF）（■）的影响。4.3集成模型的验证-动力学第二十六页第二十七页，共31页。4结果与讨论图6稳定状态下（600天后），操作条件对底物（甲苯）生物降解比率的影响。COD生物降解百分率（■）参考不同条件以不同形式表示出来。（a）污泥停留时间的影响，（b）空气流率的影响（QG），（c）供给模式的影响。4.3集成模型的验证-动力学第二十七页第二十八页，共31页。4结果与讨论图7稳定状态下（600天后）进料方式对底物生物降解比率的影响：（▲）表示进料时间为10分钟时的生物降解比率，（□）表示进料时间为3小时时的生