以Chen-Hashimoto模型分析污泥兩相厭氧消化系統(tǒng)的動力學(xué)特性

1、以Chen-Hashimoto模型分析污泥兩相厭氧消化系統(tǒng)的動力學(xué)特性論文導(dǎo)讀：種投配污泥的主要理化性質(zhì)如表1所示。試驗(yàn)中采用的小試兩相厭氧消化裝置見圖1。從而影響厭氧過程動力學(xué)。根據(jù)Chen-Hashimoto模型。模型，以Chen-Hashimoto模型分析污泥兩相厭氧消化系統(tǒng)的動力學(xué)特性。 關(guān)鍵詞：污泥，兩相厭氧消化，動力學(xué)，Chen-Hashimoto模型在污水生物處理領(lǐng)域中，經(jīng)常會遇到很多復(fù)雜的系統(tǒng)，基質(zhì)組分、微生物種類及數(shù)量都是變化的，有時某種基質(zhì)濃度過高甚至?xí)φ麄€系統(tǒng)產(chǎn)生抑制作用。論文大全，Chen-Hashimoto模型。那么當(dāng)厭氧生物處理過程中存在抑制物質(zhì)時，微生物體內(nèi)酶的

2、活性就會受到不同程度的影響，從而影響厭氧過程動力學(xué)，因此許多學(xué)者在研究過程中對動力學(xué)模型進(jìn)行了修正1,2。根據(jù)Contois方程，Chen和Hashimoto提出了關(guān)于基質(zhì)利用和產(chǎn)甲烷的動力學(xué)模型，Chen-Hashimoto模型最適合研究厭氧消化工藝的動力學(xué)特性，該模型已經(jīng)十分廣泛地用于考慮進(jìn)水基質(zhì)濃度對出水水質(zhì)影響的研究中，如城市有機(jī)固體廢物的厭氧消化35。然而，該模型用于城市污水污泥的研究尚罕見報道。論文大全，Chen-Hashimoto模型。因此，為了改善污泥厭氧消化效能并回收沼氣，研究者考察了不同進(jìn)料濃度污水污泥的兩相厭氧消化動力學(xué)特性68。 1 材料與方法 分別取某污水處理廠污泥濃

3、縮間剩余污泥、某污水處理站濃縮剩余活性污泥、學(xué)校食堂廚余垃圾，考察了不同有機(jī)基質(zhì)含量污泥以及污泥與廚余垃圾混合物厭氧消化動力學(xué)特性。試驗(yàn)中采用的小試兩相厭氧消化裝置見圖1，三種投配污泥的主要理化性質(zhì)如表1所示。實(shí)驗(yàn)中污泥的理化性質(zhì)及運(yùn)行參數(shù)均按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定。論文大全，Chen-Hashimoto模型。 圖1 小試中溫污泥兩相厭氧消化裝置 Fig.1Diagram of mesophilic TPAD process for sludge treatment in laboratory scale 表1 試驗(yàn)三種投配污泥的主要理化性質(zhì) Table 1 Physicochemical char

4、acteristics of threefeed sludge used in test 性質(zhì)污水廠剩余污泥 (基質(zhì)I)污水站剩余污泥 (基質(zhì)II)污泥與垃圾混合物 (基質(zhì)III) pH6.906.876.68 VFA(HAc)/(mgL-1)34.24.2160.3 TS/ (gL-1)38.539.980.7 VS/ (gL-1)21.224.656.5 COD/ (gL-1)29.834.776.8 TOC/ (gL-1)9.210.418.8 TKN/ (gL-1)1.731.862.07 C/N5.35.69.1 根據(jù)Chen-Hashimoto模型9，在一個完全混合連續(xù)運(yùn)行的消化池

5、內(nèi)微生物量和基質(zhì)濃度的變化可以用如下方程表示： (1) (2) 式中X是微生物濃度，m 是比微生物增長速率，是水力停留時間， S0是進(jìn)料基質(zhì)濃度，S是出料基質(zhì)濃度，r是容積基質(zhì)利用速率。 如果B表示標(biāo)準(zhǔn)條件下投加每克COD產(chǎn)生的甲烷體積（L），B0表示標(biāo)準(zhǔn)條件下基質(zhì)充分利用時投加每克基質(zhì)產(chǎn)生的甲烷體積（L），那么反應(yīng)器內(nèi)可生物降解的COD將與（B0-B）成比例關(guān)系，而且B0與可生物降解的COD負(fù)荷直接成比例。因此可得： (3) 整理式(3)可得： (4) 這樣，首先計算B0，便可以得到與B/(B0-B)之間的直線關(guān)系，該直線截距為1/mmax，斜率為K/mmax。 2 結(jié)果與討論 根據(jù)Chen

6、-Hashimoto模型，本試驗(yàn)主要考察了在停留時間分別為10、15、20、30、50d的條件下污泥中溫兩相厭氧工藝的產(chǎn)氣性能，以及不同VS含量時三種進(jìn)料基質(zhì)濃度（COD濃度分別為29.8、34.7和76.8 g/L）對厭氧消化動力學(xué)的參數(shù)的影響。在對進(jìn)料污泥的主要性質(zhì)分析的基礎(chǔ)上，分析了三種進(jìn)料基質(zhì)濃度時每日產(chǎn)甲烷量隨水力停留時間（HRT）的變化關(guān)系，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。 表2 標(biāo)準(zhǔn)狀況下三種進(jìn)料基質(zhì)濃度時每日產(chǎn)甲烷體積與HRT（）的關(guān)系 Table 2 Correlationship between volume of methane(L CH4d-1, STP) and for thre

7、e substrate concentrations (d)基質(zhì)I (L CH4d-1)基質(zhì)II (L CH4d-1)基質(zhì)III (L CH4d-1) 502.7663.4418.268 304.4525.52713.370 206.5728.11819.81 158.17810.16824.882 1011.87214.76036.160 表3給出了不同進(jìn)料濃度和停留時間條件下的B值（標(biāo)準(zhǔn)狀況下投加每克COD產(chǎn)生甲烷的體積）。這些值由表2中甲烷體積計算而得到，考慮到三種進(jìn)料COD濃度分別為29.8 g/L，34.7 g/L，76.8 g/L。 表3 標(biāo)準(zhǔn)狀況下三種進(jìn)料基質(zhì)濃度時B值與HRT（

8、）的關(guān)系 (d)B(基質(zhì)I)B(基質(zhì)II)B(基質(zhì)III) 500.2330.2480.269 300.2250.2390.261 200.2210.2340.257 150.2070.2200.243 100.2000.2130.235 Correlationship between values of B (L CH4g-1CODfeed,STP) and for three substrate concentrations table3由方程(11)確定B0值，如果mmax時，則B與1/的關(guān)系曲線為直線關(guān)系，當(dāng)時，。圖2給出了三種進(jìn)料基質(zhì)濃度條件下B與1/（d-1）的關(guān)系曲線。由于B與1

9、/（d-1）的關(guān)系曲線在上述的停留時間下為線性關(guān)系，所以采用線性回歸分析來確定截距B0值。論文大全，Chen-Hashimoto模型。 圖2 停留時間對三種進(jìn)料基質(zhì)濃度產(chǎn)甲烷的影響 Fig.2 Effect of retention time on methaneproduction for three substrate concentrations 由此得到每種基質(zhì)濃度的B0值分別為0.259，0.245和0.225 L CH4STP /gCOD。確定參數(shù)B0值后即可得到B值，從而可以得到與B/(B0-B)之間的曲線，如圖3所示。論文大全，Chen-Hashimoto模型。根據(jù)可能抑制現(xiàn)象

10、的研究目的，可以計算動力學(xué)參數(shù)mmax和K。論文大全，Chen-Hashimoto模型。圖3給出了三種基質(zhì)濃度條件下與B/(B0-B)之間的曲線，二者呈直線關(guān)系，當(dāng)采用最小二乘法，可以由校正直線的截距和斜率得到動力學(xué)參數(shù)mmax和K。這樣，根據(jù)方程(10)，mmax =1/截距，K =斜率/截距。 圖3 三種進(jìn)料基質(zhì)濃度與B/(B0-B)之間的關(guān)系曲線 Fig.3 Correlation of and B/(B0-B)for three substrate concentrations 動力學(xué)參數(shù)mmax和K列于表4中。采用的濃縮基質(zhì)（II和III）的相應(yīng)的動力學(xué)參數(shù)值，與那些復(fù)雜固體廢物如污

11、水污泥、牛奶及其牛肉廢物等中溫厭氧消化工藝所獲得的參數(shù)值處于同一數(shù)量級。然而，當(dāng)消化池在高溫運(yùn)行或處理含更多可生物降解基質(zhì)時，文獻(xiàn)中報道的動力學(xué)參數(shù)值卻較高。 表4 三種進(jìn)料基質(zhì)濃度下動力學(xué)參數(shù)mmax和K值 Table 4 Values of mmax and Kfor three substrate concentrations VS (g/L)COD (g/L)mmax (d-1)K 基質(zhì)I21.229.80.1770.239 基質(zhì)II24.634.70.1460.178 基質(zhì)III56.576.80.2090.265 從表4中可以看出，基質(zhì)I和基質(zhì)II均為濃縮的剩余活性污泥，而且基質(zhì)I

12、I的進(jìn)料COD濃度略高于基質(zhì)I，兩個動力學(xué)參數(shù)mmax和K值隨著進(jìn)料基質(zhì)濃度的增加而降低，這說明由于該污水站處理污水中含有一定比例的工業(yè)廢水，因此在基質(zhì)II中可能存在著某種抑制物質(zhì)如重金屬等。而基質(zhì)III的兩個動力學(xué)參數(shù)mmax和K值都高于基質(zhì)I和基質(zhì)II，這表明在剩余活性污泥中添加廚余垃圾提高了厭氧消化工藝的產(chǎn)氣性能，而且廚余垃圾有機(jī)質(zhì)含量較高，說明如果有機(jī)廢物中不含有抑制性物質(zhì)，污泥與有機(jī)固體廢物的聯(lián)合厭氧消化效率要高于污泥單獨(dú)消化。因此，可以考慮實(shí)行在污泥消化時添加有機(jī)固體廢物來提高產(chǎn)氣，但是要控制適當(dāng)?shù)谋壤鸵种莆锏暮俊?3 結(jié)論 采用Chen- Hashimoto模型研究了不同進(jìn)料

13、基質(zhì)濃度下，污泥中溫兩相厭氧消化小試工藝的動力學(xué)特性。當(dāng)基質(zhì)II的進(jìn)料COD濃度略高于基質(zhì)I時，基質(zhì)II的兩個動力學(xué)參數(shù)mmax和K值卻低于基質(zhì)I，說明基質(zhì)II中可能存在著某種抑制物質(zhì)?；|(zhì)III的兩個動力學(xué)參數(shù)mmax和K值都高于基質(zhì)I和基質(zhì)II，這表明在剩余活性污泥中添加廚余垃圾提高了厭氧消化工藝的產(chǎn)氣性能污泥與有機(jī)固體廢物的聯(lián)合厭氧消化效率要高于污泥單獨(dú)消化。參考文獻(xiàn) 1P.L. McCarty, F. E. Mosey. Modeling of anaerobic digestion processes (Adiscussion of concepts). Water Sci. Tec

14、hnol. 1991, 24(8): 17-33 2S.G. Pavlostathis, E. Giraldo. Kinetics of anaerobic treatment. Water Sci.Technol. 1991, 24(8): 35-39 3H. W.Yen, D. E. Brune. Anaerobicco-digestion of algal sludge and waste paper to produce methane. Bioresour.Technol. 2007, 98: 130-134 4O.N. Agdag, D. T. Spoza. Co-digestio

15、n of mixed industrial sludge with municipalsolid wastes in anaerobic simulated landfilling bioreactors. J. Hazard. Mater.2007, 140: 75-85 5C.Liu, X. Yuan, G. Zeng, et al. Prediction of methane yield at optimum pH for anaerobic digestionof organic fraction of municipal solid waste. Bioresour. Technol

16、. 2008, 99: 882-888 6A.Del Borghi, A. Converti, E. Palazzi, et al. Hydrolysis and thermophilic anaerobicdigestion of sewage sludge and organic fraction of municipal solid waste.Bioprocess. Biosyst. Eng. 1999, 20(6): 553-560 7P.Sosnowski, A. Wieczorek, S. Ledakowicz. Anaerobic co-digestion of sewage sludgeand organic fraction of municipal solid waste. Adv. Environ. Res. 2003, 7: 609-616 8X.Gomez, M. J. Cuetos, J. Cara, et al. Anaerobic co-digestion of primary sludge and the fruit andvegetable fraction of