有害芳香烴類物質(zhì)在好氧生物反應(yīng)器中的生物降解與揮發(fā)的動態(tài)建模解析

主要內(nèi)容

論文簡介

材料和方法

模型描述3

結(jié)果與討論

結(jié)論4125第一頁第二頁，共31頁。1論文簡介

好氧生物處理過程是目前可行的去除工業(yè)廢水中有害有機(jī)物最好的技術(shù)之一。但在揮發(fā)性有機(jī)化合物（苯，甲苯，乙苯，對二甲苯，富馬酸二甲酯即萘）存在的情況下，揮發(fā)對其從液相中去除做了很大的貢獻(xiàn)（占很大比例）。其中一個主要課題就是預(yù)測生物降解過程中揮發(fā)和生物降解之間的競爭，它們都取決于目標(biāo)分子。本研究的目的是開發(fā)一個綜合的動力學(xué)模型，用以評估分子在揮發(fā)性有機(jī)化合物移除的主要途徑（生物降解和揮發(fā)）中，不同操作條件、反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)和物理特性帶來的影響。第二頁第三頁，共31頁。2材料和方法實驗裝置是一個由玻璃材料制成的序批式反應(yīng)器（SBR），規(guī)格為：145毫米×245毫米（內(nèi)徑×高度）圓柱型，提供反應(yīng)體積為2.5L。反應(yīng)器中的溫度保持在20℃，pH值維持在7±0.5。該反應(yīng)器裝有一個葉輪攪拌器（4刀片船用螺旋槳，直徑5厘米）。入口空氣通過一個不銹鋼細(xì)氣泡擴(kuò)散器吹入到反應(yīng)器中。固定空氣流量為0.528Nm3aird?1，以保持氧濃度達(dá)到2mgO2/L。2.1實驗裝置第三頁第四頁，共31頁。2材料和方法2.1實驗裝置運行107天第一階段0-41天第二階段41-67天第三階段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小時/周期進(jìn)水10分鐘反應(yīng)305分鐘污水排放15分鐘沉淀30分鐘第四頁第五頁，共31頁。2材料和方法每天監(jiān)測混合液COD，出口可溶性COD，混合液懸浮固體（MLSS）和混合液揮發(fā)性懸浮固體（MLVSS）。COD測量方法符合AFNORNFT90-101標(biāo)準(zhǔn)。MLSS和MLVSS表征方法分別符合AFNOR90-105和AFNOR90-029標(biāo)準(zhǔn)。液相中芳香族化合物濃度的測量采用HS-GC-MS（頂空-氣相色譜-質(zhì)譜）法。在GC-MS法中，使用氦氣作為載氣，其在塔柱的流速為1.2mLmin?1。2.2分析技術(shù)第五頁第六頁，共31頁。2材料和方法

首先于反應(yīng)器中描述揮發(fā)，在軟化水體兩種不同的非生物條件下：第一次測試只攪拌（430轉(zhuǎn)每分），第二個測試既曝氣（QG=0.528Nm3aird?1）又?jǐn)嚢瑁?30轉(zhuǎn)每分）。瞬時注射后，目標(biāo)污染物的濃度隨著時間的推移進(jìn)行了監(jiān)測。采用氣相色譜法測量苯系和萘的濃度。同樣地，在有生物的條件下做揮發(fā)測試。2.3揮發(fā)的動力學(xué)實驗第六頁第七頁，共31頁。3模型描述傳統(tǒng)的雙膜理論假設(shè)質(zhì)量傳遞的全部阻力來自（氣體和液體）穿過相鄰氣-液界面的兩個薄膜時的阻力。如果化合物揮發(fā)性十分強(qiáng)，如BTEX和NAP，界面?zhèn)髻|(zhì)的速率由液相阻力控制的假設(shè)是可以被接受的（氣相阻力可忽略不計）。因此，溶質(zhì)通過水表面的傳輸速率由下式給出：3.1氣/液傳質(zhì)模型第七頁第八頁，共31頁。氣泡曝氣模型的根據(jù)是質(zhì)量平衡在上升氣泡流氣相中的應(yīng)用，這里假設(shè)空氣流速是恒定的，液相混合良好。氣泡的氣-液傳質(zhì)同樣可以由液相傳質(zhì)阻力控制。然而，使用標(biāo)準(zhǔn)幾何形狀的反應(yīng)器和細(xì)氣泡曝氣，實驗數(shù)據(jù)表明，氣泡上升到表面時它與液體的平衡幾乎已經(jīng)完成。在這種假設(shè)下，傳輸速率與氣體流率直接相關(guān)。這意味著，液相中組分z的濃度Sz及其在上升氣泡空氣中的分壓Pz之間的關(guān)系為：3模型描述3.1氣/液傳質(zhì)模型第八頁第九頁，共31頁。

Mz是摩爾質(zhì)量。在這些條件下，傳輸速率與傳送到大氣中的氣體量相關(guān)：3模型描述3.1氣/液傳質(zhì)模型第九頁第十頁，共31頁。其中QG為氣體流率，yz為芳族化合物的體積分?jǐn)?shù)，Vm是分子體積，V是液體體積。依據(jù)亨利定律可由（3）和（4）導(dǎo)出:3模型描述3.1氣/液傳質(zhì)模型第十頁第十一頁，共31頁。因此，在這項研究中，氣泡曝氣揮發(fā)是通過常量kbub,z的一級反應(yīng)動力學(xué)建模的。其中：3模型描述3.1氣/液傳質(zhì)模型第十一頁第十二頁，共31頁。整體揮發(fā)過程被視為表面揮發(fā)和泡沫轉(zhuǎn)移的總和，這都遵循一級反應(yīng)動力學(xué)。因此，kvol,z是揮發(fā)過程的全局一階常量：3模型描述3.1氣/液傳質(zhì)模型第十二頁第十三頁，共31頁。如果在反應(yīng)器中發(fā)生揮發(fā)（非生物實驗，僅僅只有揮發(fā)），溶質(zhì)濃度（Sz）的演變?nèi)缦拢?模型描述3.1氣/液傳質(zhì)模型第十三頁第十四頁，共31頁。表1好氧生物反應(yīng)器中七種特定化合物（BTEX，NAP，DMP，DCP）和易降解化合物的生物降解和傳質(zhì)現(xiàn)象的動態(tài)模型的矩陣表示描述生物反應(yīng)器中生物降解和氣/液傳質(zhì)過程的集成數(shù)學(xué)模型被提出來。相關(guān)過程動力學(xué)和化學(xué)計量系數(shù)以Gujer矩陣格式表示出來了（表1），提出的模型有20個狀態(tài)變量。3模型描述3.2生物動力學(xué)模型和集成的通用模型第十四頁第十五頁，共31頁。我們考慮了32種不同的動力學(xué)過程。過程（1）和（2）與OHO利用易于生物降解的底物（SS）進(jìn)行有氧增長和OHO的衰減有關(guān)。過程（3）-（5）表示積累過程。過程（6）-（12）描述每個特定的微生物（XB，z）基于特定底物（Sz）需氧生長過程。而進(jìn)程（13）-（19）描述了每個特定生物質(zhì)的內(nèi)源呼吸。過程（20）-（26）表示出了各種特定生物質(zhì)基于易生物降解底物（SS）的好氧增長。最后，（27）-（32）的動力學(xué)速率表達(dá)式表示出了揮發(fā)和氧傳遞過程。3模型描述3.2生物動力學(xué)模型和集成的通用模型第十五頁第十六頁，共31頁。普通異養(yǎng)微生物基于易生物降解底物、累積化合物的生長和積累的動力學(xué)表達(dá)式，與Sin等人改進(jìn)的ASM3類似。另外一個與DCP濃度有關(guān)的長期抑制增加了，假設(shè)其為非競爭性抑制。就特定生物質(zhì)（XB，Z）在芳香物質(zhì)（Sz）上的增長速度，莫諾表達(dá)式涵蓋了大多數(shù)物質(zhì)（B，T，E，X，DCP，DMP）：3模型描述3.2生物動力學(xué)模型和集成的通用模型第十六頁第十七頁，共31頁。對于萘，使用了一個簡化的一階表達(dá)式，因為它的濃度是非常低的，并且在低濃度下（Sz

遠(yuǎn)小于KS,z），莫諾表達(dá)式變成一個一階表達(dá)式。因此，細(xì)菌對萘降解的增長率表達(dá)式為：3模型描述3.2生物動力學(xué)模型和集成的通用模型第十七頁第十八頁，共31頁。數(shù)學(xué)模型是用AQUASIM?仿真軟件進(jìn)行實施的，用來模擬單批次試驗或者SBR工藝。它還包括一個與連續(xù)批量處理生物反應(yīng)器（供給，反應(yīng)，沉淀，撤回）相對應(yīng)的質(zhì)量平衡。批量實驗同樣在Matlab軟件上進(jìn)行模擬，序貫二次規(guī)劃型運算法則被用來把最小平方函數(shù)（它是用實驗和模擬值計算出來的）降至最低。3模型描述3.2生物動力學(xué)模型和集成的通用模型第十八頁第十九頁，共31頁。對于靈敏度分析，SBR工藝進(jìn)行了600天模擬以達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài)條件，運行結(jié)果表明，實驗結(jié)果不依賴于初始值（生物質(zhì)濃度從1，10，25，100，500至1000gCODm?3進(jìn)行了測試）。3模型描述3.2生物動力學(xué)模型和集成的通用模型第十九頁第二十頁，共31頁。4結(jié)果與討論圖1在帶有曝氣（QG=0.528Nm3d?1）和攪拌（430rpm）的反應(yīng)器中，BTEX和NAP的揮發(fā)動力學(xué)：在非生物條件下對比實驗（點）和模擬（曲線）數(shù)據(jù)，以進(jìn)行尖峰測試（在t=0時注射，甲苯7g

CODm?3，苯6g

CODm?3，乙苯1.7g

CODm?3，對二甲苯2.5g

CODm?3，萘1g

CODm?3）。4.1氣/液傳質(zhì)模型的鑒定和驗證第二十頁第二十一頁，共31頁。4結(jié)果與討論表2揮發(fā)速率常數(shù)的實驗值和預(yù)測值4.1氣/液傳質(zhì)模型的鑒定和驗證第二十一頁第二十二頁，共31頁。4結(jié)果與討論圖2BOD度量測試模型確定各動力學(xué)參數(shù)：苯（a）、甲苯（b）、乙苯（c）、對二甲苯（d）以及萘（e）。生物需氧量（mgO2L?1）：實驗數(shù)據(jù)（Δ）和建模的數(shù)據(jù)（實線）。4.2生物模型的鑒定和驗證第二十二頁第二十三頁，共31頁。4結(jié)果與討論表3總結(jié)確認(rèn)苯（B）、甲苯（T）乙苯（E）、對二甲苯（X）和萘（NAP）的生物降解動力學(xué)參數(shù)及文獻(xiàn)中找到的參數(shù)值。4.2生物模型的鑒定和驗證第二十三頁第二十四頁，共31頁。4結(jié)果與討論圖3集成模型輸出結(jié)果和實驗數(shù)據(jù)比較（全局參數(shù)和氧氣）：（a）MLVSS與MLSS；（b）出口溶解性COD；（c）攝氧率；（d）需氧量。4.3集成模型的驗證-性能第二十四頁第二十五頁，共31頁。4結(jié)果與討論圖4集成模型計算結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的比較（芳香物質(zhì)在生物反應(yīng)器中的行為）。第一階段（苯系物尖峰測試）攝氧率（OUR）和特定化合物濃度建模的鑒定確認(rèn)。4.3集成模型的驗證-動力學(xué)第二十五頁第二十六頁，共31頁。4結(jié)果與討論圖5亨利定律常數(shù)對（a）活性生物馴化隨時間變化的影響；以及（b）活性生物質(zhì)濃度（▲）和600天后COD降解百分率（BF）（■）的影響。生質(zhì)最大生長速率（μmax,z）對（c）活性生物隨時間馴化，（d）活性生物質(zhì)濃度（▲）及600天后COD降解百分率（BF）（■）的影響。4.3集成模型的驗證-動力學(xué)第二十六頁第二十七頁，共31頁。4結(jié)果與討論圖6穩(wěn)定狀態(tài)下（600天后），操作條件對底物（甲苯）生物降解比率的影響。COD生物降解百分率（■）參考不同條件以不同形式表示出來。（a）污泥停留時間的影響，（b）空氣流率的影響（QG），（c）供給模式的影響。4.3集成模型的驗證-動力學(xué)第二十七頁第二十八頁，共31頁。4結(jié)果與討論圖7穩(wěn)定狀態(tài)下（600天后）進(jìn)料方式對底物生物降解比率的影響：（▲）表示進(jìn)料時間為10分鐘時的生物降解比率，（□）表示進(jìn)料時間為3小時時的生