SBR反硝化动力学模型的建立及其应用

摘要

随着我国社会的不断发展和人民生活水平的不断提高,水体的氮元素污染问题日益严重。然而,如何合理设计污水厂中污水在反应池内停留时间或池容,降低资源的浪费,提高能源利用率是顺应我国当前保护城市环境、节能减排发展要求的一项重要课题。
　　本研究在对硝化反硝化进行试验研究的基础上,建立了适用于描述SBR硝化反硝化脱氮工艺的模型,并利用硝化反硝化模型对不同碳氮比下稳定运行的反硝化过程进行了模拟和理论分析,为污水生物脱氮工艺的优化设计提供技术参考。主要得出以下结论:
　　(1)本研究以葡萄糖为碳源,采用温度为20±0.5℃,pH在6.5~7.8范围内和曝气量为35L/h的策略实现了硝化反硝化脱氮工艺的快速启动。待反应器稳定运行,反应器内MLVSS稳定在3500~4000mg/L,调整进水碳与硝态氮比值分别为37.1、20.3和7.0,由于反应器内碳源—葡萄糖为易生物降级有机物,反硝化碳源充足,硝态氮和亚硝态氮还原速率由快到慢,硝态氮反硝化出水浓度几乎为零。根据异养菌的缺氧反应动力学方程,当硝态氮和亚硝态氮浓度逐渐降低时,硝酸盐便成为反应的限制因素,从而使得硝酸盐还原速率降低。当进水碳与硝态氮比值为2.2时,反应器内的COD不足以去除反应器内的硝态氮,出水亚硝态氮达7.73mg/L,硝态氮达6.39mg/L。
　　(2)选用活性污泥1号模型(ASM1)作为基础模型,完成对ASM1四步脱氮、厌氧水解和发酵的修正和校正,建立了一个适用于描述SBR硝化反硝化脱氮工艺模型。利用MATLAB软件编程,将模型应用于反硝化阶段实测数据的拟合,取得了良好的模拟效果。
　　(3)试验表明:当反应器内微生物浓度一定,降低进水碳与硝态氮比值,反硝化反应时间随碳与硝态氮比值减小而加长。通过修正后的ASM1可以确定不同工况下合适的反硝化、硝化反应时间,减少资源浪费。当反硝化反应完全时,bCOD与硝态氮比值越高,反硝化反应所需时间越短,模拟城市污水厂SBR反应池在不同碳氮比下的反硝化,反硝化反应时间与总反应时间最大百分比为50％。
　　(4)试验测得比反硝化速率和污水水质密切相关,COD与硝态氮比值较小时,以葡萄糖为碳源的废水反硝化表现出两个不同的比反硝化速率,分别是以SS和内源物质为碳源的比反硝化速率及仅以内源物质为碳源的比反硝化速率。
　　(5)去除单位质量硝态氮所需的COD的量是关于SRT,YH和bH(或Kd)的函数,当进水易生物降解物质浓度占总COD质量浓度百分比为15%,慢速可生物降解有机物浓度占总COD质量浓度百分比为85%,排水比为0.3,泥龄为16d时,去除1g硝态氮所需的COD为3.81g/g。
　　(6)基于模型对城市污水处理厂SBR反应池稳定运行下的硝化反硝化过程进行模拟和分析,当硝酸盐未被完全反硝化或者刚好反硝化完时比反硝化速率与F/M存在如下线性关系:SDNR=0.0377×(F/M)+0.0249。

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第一章 绪论

1.1 传统生物脱氮理论

1.2 ASM系列活性污泥数学模型

1.3 课题研究背景

第二章 比反硝化速率试验研究

2.1 试验方法

2.2 试验结果与讨论

2.3 本章小结

第三章 比反硝化速率动力学模型的建立

3.1 基础模型选用

3.2 模型的修正

3.3 模型化学计量矩阵和过程速率矩阵的建立

3.4 模型的校正

3.5 反硝化过程模拟

3.6 本章小结

第四章 比反硝化速率研究

4.1 反硝化反应基础动力学

4.2 城市污水处理厂比反硝化速率研究

4.3 反硝化所需COD及缺氧时间占总反应时间比值计算

4.4 本章小结

结论与建议

参考文献

附录

攻读硕士学位期间取得的研究成果

致谢