厌氧膜生物反应器废水处理系统实验及数学模型

摘要

废水的厌氧生物处理越来越受到关注，厌氧生物处理设施也有了大量的应用。厌氧膜生物反应器（AnMBR）为厌氧反应器和膜组件组合工艺，是一种处理高浓度有机废水的有效方法，已成为国外如水环境研究基金会（WERF）等协会的研究重点之一。AnMBR在实现能源回收和优良的出水水质等方面具有极大的应用潜力。
　　本文以一种新型的厌氧膜生物反应器作为研究主体处理模拟废水，反应器在启动期，上清液COD稳定保持在600-700 mg/L，COD生物去除率稳定在77％左右，膜组件去除的COD效率从启动初期的2.1%增加到19.5%。反应器中乙酸含量不断增加，说明有少量产氢产乙酸菌出现，其他挥发酸浓度甲酸、丙酸和丁酸没有明显的变化。MLSS从16.5 g/L增长为24.8 g/L，MLVSS从12.4 g/L增加至19.7 g/L，MLVSS/MLSS也增加至0.79。
　　反应器在稳定运行期进水COD从3000 mg/L逐步提高至4000 mg/L，COD总去除率超过90%以上，去除效果较好。MLSS和MLVSS继续增加，平均MLSS浓度为31 g/L，MLVSS平均值为24.7 g/L，而膜表面附着污泥的MLSS和MLVSS呈先增加后降低的趋势，膜表面附着污泥的MLVSS/MLSS平均值为0.77。反应器稳定运行期间，VFA值在该阶段先增加后降低，表明产甲烷菌开始分解前期所积累的挥发性脂肪酸。实验运行稳定期时，生物气产量都有了大幅度增加。
　　HRT为48h、36h、24h和18h时，膜出水COD始终小于300mg/L，COD总去除率达到97%。当HRT缩短为12 h时，出水COD增高，COD总去除率也逐渐降低，最低为77.3%。在HRT为48-24h时甲酸、乙酸、丙酸和丁酸浓度变化不是很大，VFA保持较低的值，HRT下降为12h，系统运行效能开始变差。在整个负荷提高期，生物气产量和生物气中甲烷含量保持较高的水平，当HRT缩短为12h，系统生物气产量和甲烷含量急剧下降。
　　进水水质提高期，进水COD浓度分别为8000、12000、15000、18000和21000 mg/L；当进水COD浓度为8000 mg/L时，HRT为48h、36h、24h时，膜出水COD始终小于300 mg/L，COD总去除率达到97.4%，HRT下降到18h时，COD生物去除率平均值下降到70.8%。当进水COD为12000 mg/L时，最佳HRT应控制在36h；当进水COD为15000 mg/L和18000 mg/L时，最佳HRT应控制在48h；然而当进水COD>20000 mg/L时，HRT为48h时，出水水质恶化，反应器效能下降。
　　ADM1为理论基础,建立了厌氧一膜生物反应器处理废水的数学模型。通过ADM1参数的灵敏度分析，考虑到VFA物质指标影响较大的参数进行校核，并在这一基础上对COD影响较大的参数进行校正。模型对乙酸的模拟误差较大，应增加与乙酸反应中参数的调整。所以最终确定调整Y_ac、ks_ac和km_ac这三个参数来校正模型。经过参数调整后，模型对出水 COD、VFA、气体成分的结果较为理想，与出水的实测值非常接近。并根据模型的结构发现反应器中的一些规律。

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第1章 绪论

1.1课题来源及研究目的和意义

1.2厌氧膜生物反应器的分类结构和优缺点

1.3厌氧膜生物反应器的国内外研究及应用现状

1.4 数学模型在厌氧废水处理系统中的研究应用现状

1.5主要研究内容

第2章 试验材料和方法

2.1试验装置

2.2 试验用水的来源与水质

2.3 试验运行与控制

2.4测定项目与分析方法

2.5数学模型应用软件

第3章 厌氧膜生物反应器运行特性

3.1 启动期AnMBR运行效能

3.2稳定运行期厌氧膜生物反应器运行效能

3.3 本章小结

第4章 厌氧膜生物反应器运行影响因素分析

4.1 HRT对厌氧膜生物反应器运行效能的影响

4.2 进水水质提高期AnMBR运行效能

4.3 本章小结

第5章 厌氧反应器模型的建立与实现

5.1 命名法、状态变量及表达

5.2 生化过程

5.3 物理-化学过程

5.4 连续流完全混合式反应器的模型实现

5.5 ADM1在Aquasim软件中的实现

5.6 模型校正

5.7 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢