硝化反应过程中pH值变化的研究及数值模拟

摘要

由硝化细菌催化氨氮氧化的硝化作用是氮循环的关键步骤，也是现代污水处理厂生物处理氨氮废水的重要环节。由于硝化反应过程伴随着质子的释放和碱度的消耗，导致整个系统的pH值下降，当pH值过低时，将严重影响硝化反应的进程。本文通过建立硝化模型和pH模型，模拟硝化反应过程中pH值、氨氮、亚硝态氮以及硝态氮的变化，并通过实验加以验证。 硝化模型的建立以活性污泥3号模型(ASM3)的硝化反应部分为基础，进行三处改进，包括修改原一步硝化反应为亚硝化-硝化两步反应；在模型中加入SIC变量，描述无机碳在硝化反应中的变化，并用于与pH模型的衔接，去除原有变量SALK；增加CO2扩散这一工艺过程。硝化模型中有众多参数，其中表征硝化细菌生长最关键的参数是最大比增长率μAOB、μNOB，μNOB的取值根据硝酸盐的质量浓度变化，μAOB的取值根据经验公式：μAOB/μNOG≈0.60。 pH模型的建立依据是电荷守恒，在硝化反应过程中，影响pH值变化的主要物质有：SNH4，SNO2和SIC，所以本文通过如下电荷守恒方程建立模型：△CH=H+-OH-+NH4+-NO2--HCO3--2CO32--NO3-+Z+。 硝化反应实验采用两个有效容积为5L的反应器，种泥取自广州猎德污水处理厂，实验内容包括以下两个方面： 污泥驯化以及活性实验，污泥驯化包括3个阶段共55天，经过驯化后的硝化细菌的氨氮去除率达到80％以上。在三个阶段的活性实验中，pH值曲线均为下降-上升型，pH值出现最低点的时间与硝化反应完成时间相吻合，即氨氮浓度下降至最低，硝态氮浓度上升至最高，亚硝态氮浓度整体趋势为先上升后下降，中间有波动。碱度变化实验。分别取NaHCO3：NH4+-N：P为50：5：1、35：5：1和20：5：1进行实验。在这三组实验中，pH值曲线均为下降-下降型，碱度的降低，导致pH值下降幅度增大、氨氮去除率下降以及硝化反应时间减短，硝化细菌活性受抑制，反应不完全。实验证明，若要保证硝化反应进行完全，NaHCO3：NH4+-N>10：1。 用模型模拟三个阶段活性实验过程中氨氮、亚硝态氮、硝态氮和pH值的变化，其中氨氮与硝态氮的模拟比较理想，但亚硝态氮的模拟与实测值有一定的差距，pH模拟的最低值高于实测最低值，且出现的时间点与实测有一定差别，但总体模拟结果较理想。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2研究意义

1.3研究现状

1.3.1硝化反应模拟研究现状

1.3.2 pH值模拟研究现状

1.3.3硝化反应过程中pH值变化研究现状

1.4创新点

第2章硝化细菌及硝化反应概述

2.1硝化细菌概述

2.1.1硝化细菌的分类

2.1.2硝化细菌的特征

2.1.3硝化细菌的生长速度

2.1.4硝化细菌的衰减和死亡

2.1.5影响硝化细菌生长的外界因子

2.2硝化反应过程机理

2.3硝化反应与pH、碱度的相互关系

2.3.1 pH对硝化作用的影响

2.3.2碱度对硝化作用的影响

2.3.3硝化反应中pH、碱度变化

第3章硝化反应模型及pH模型的建立

3.1活性污泥模型(ASM)简介

3.1.1 ASM发展过程

3.1.2 ASM3模型

3.1.3 ASM3建立的基础理论方法

3.2硝化反应模型的建立

3.2.1 ASM3中的硝化组分

3.2.2原硝化模型的改进

3.2.3新建硝化反应模型

3.3pH值模型的建立

3.3.1化学电离平衡

3.3.2建立电荷守恒方程

3.3.3电荷守恒方程的计算

3.4硝化反应中pH值模型的建立

3.5计算流程

3.6 本章小结

第4章硝化反应实验及模型应用

4.1硝化反应实验

4.1.1实验材料

4.1.2实验装置

4.1.3实验内容和方法

4.1.4实验结果与分析

4.2硝化反应pH值变化数值模拟

4.2.1硝化模型参数确定

4.2.2模拟结果

4.3本章小结

第5章结论与展望

5.1结论

5.1.1模型的建立

5.1.2硝化反应实验的建立

5.1.3模型模拟结果

5.2不足与展望

参考文献

致谢