升流厌氧污泥层反应器动力学模型_杨玉杰

生物工程学报12(4):440一447,1996ch认口“了阅用aloj升流厌氧污泥层反应器动力学模型杨玉杰(河南师范大学化学系新乡453002)摘要用碘离子作示踪剂,采用矩形脉冲示踪法测定升流厌氧污泥层(UASB)反应器的流动分布。建立了串级返混加沟流模型。模型简单,能够反映反应器流动分布,具有较强的拟合能力和良好的适用性。运用流动模型和Monod方程,建立了UASB反应器稳态模型,并对模型参数进行了估计。通过灵敏度分析,进水基质浓度S。,废水流量Q,最大比基质降解速率拜.:对出水基质浓度有较大影响。在稳态模型的基础上又建立了UASB反应器动态模态,利用此模型,对出水基质浓度序列S。和产气t序列Q`进行计算预测,平均偏差分别.540%和7.46%,标准偏差分别为7.02%和9.“%。关扭词升流厌氧污泥层反应器,污泥,黑液,流动分布,动力学模型,动态模型,参数估计70年代,I沙ettinga等开发的升流厌氧污泥层反应器(UpflowAnaerobieSludgeBlan-ketReactor简称UASB反应器),用于处理高浓度有机废水具有很高的效率〔,’。把此反应器用于石灰草浆黑液的处理,实验室容积负荷巧一30kgCOD/m,·d,COD去除率达75%一85%,取得了很好的效果。UASB反应器关键为其上部的三相分离器,该分离器首先把沼气从体系中分离出来,尔后通过沉淀室分离污泥(菌种)和废水,因此能够对·沼气、污泥、废水进行有效的分离。分离特性除与反应器设计、废水性质有关外,还与操作条件有关。通常我们尽可能使反应器中的污泥浓度维持较高的数值,但这时的三相分离器可能已经超负荷运转,致使污泥回流停止,被大量冲刷出反应器,污泥负荷(单位重量污泥单位时间承担的COD量)变大,处理效率降低,造成恶性循环,使反应器运行破坏;又因为产甲烷细菌繁殖速度很慢,补偿污泥的损失需要很长时间。为指导反应器的设计和操作运行,本文报导对该反应器动力模型的研究结果。1流动模型1.1实验装里及测定方法实验装置简图如图l所示,底部直径12em,高177em;上部直径22em,高32em;三相分离器3.OIJ;总净容积30.SL。碘离子测定采用分光光度法`幻;COD、55测定按文献〔3〕;沼气流量采用SQL一2型湿式气体流量计测量。1.2UASB反应器的特征UASB反应器可分为三部分:(1)反应器底部的污泥床b(污泥浓度70一1209I/,);(2)中部的悬浮层f(污泥浓度10一309I/J);(3)上部为三相分离区P。本文于1995年5月10日收到。DOI:10.13345/j.cjb.1996.04.0134期杨玉杰:升流厌氧污泥层反应器动力学模型由于沼气的搅拌作用,假设污泥床和悬,浮层区为完全混合反应器,并假设污泥床有沟流,三相分离区沉淀室没有沼气搅拌,可视为层流区,用平推流反应器描述。三相分离区内污泥浓度很低,假定在三相分离区不产生沼气和进行基质降解。L3流动模型的建立污泥床产生沼气G。:认一右·QZ(S。一S。)~芍·Q:·叭(1)G`把一部分废水提升到悬浮层(气体提升作用),其流量Qbf等于污泥床区产生的沼气,其在污泥床与悬浮层交界处压力条件下的体积〔`〕Qbf一1.昭。1010+h/+巧=0.886G。(2)为平衡Q盯必然有等量的废水Q介从悬浮层返回污泥床:Q介一Qf6。另外假定污泥床存在沟流Q;,Q一Q,+QZ:Q占厂=Q几一0.372Q2(S。一S。)图1UASB反应器Fig.1UASBreaetor歇了”-之丫Sf丁pS`q.S且CfS`S.Q“Fig图2反应器流动模型FlowmodelofUASBreactor(3)根据以上讨论,建立其流动模型如图2所示。UASB反应器的流动分布模型,前人已作过报道〔5一’〕,多采用扩散模型、多级申连模型、多级串连返混加沟流模型。我们倾向于采用后者,通过参数估计确定沟流太小。分别对污泥床及悬浮层区进行示踪物质量(浓度为C)平衡:,,4巴」了`、`会一Q:·。+Q。·e,一(Q。,+Q:)e,誓一Ql·e。+(Q`,+QZ)·e`一(Q+Q。)·e了流动分布可以通过解方程组(1~5)得出。L4流动分布测定UASB反应器流动分布的测定〔卜’〕常采用P同位素或L+i作示踪剂、阶跃输人法测定。由于P同位素或L+i的测定较为麻烦,且精确度较差,对于大型反应器阶跃法消耗大量的示踪剂,故采用碘离子矩形脉冲示踪法〔8〕测定UASB反应器流动分布。碘离子的测定经济、方便、精确〔幻、效果很好。1.5参数估计442生物工程学报12卷LLS已知参数取值由反应器污泥浓度按反应器高度分布曲线求得:V。~8.50L,V了~18·OL,并已知oS=9.2009/L,Q~2.soIJ/h,V户一3·001洲,套=o·42oIJ/9COD(la