厌氧氨氧化UASB模型研究进展_吴丹

第１８卷第５期２０１９年９月杭州师范大学学报（自然科学版）ＪｏｕｒｎａｌｏｆＨａｎｇｚｈｏｕＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ）Ｖｏｌ．１８Ｎｏ．５Ｓｅｐ．２０１９收稿日期：２０１８－０５－０２修回日期：２０１８－０７－０１基金项目：国家自然科学基金项目（５１５７８２０４）．通信作者：金仁村（１９７９—），男，教授，博士后，主要从事环境工程及环境微生物学研究．Ｅ－ｍａｉｌ：ｊｒｃｚｊｕ＠ａｌｉｙｕｎ．ｃｏｍｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７４－２３２Ｘ．２０１９．０５．０１１厌氧氨氧化ＵＡＳＢ模型研究进展吴丹，史志坚，金仁村（杭州师范大学生命与环境科学学院，浙江杭州３１１１２１）摘要：升流式厌氧污泥床反应器（ｕｐｆｌｏｗａｎａｅｒｏｂｉｃｓｌｕｄｇｅｂｌａｎｋｅｔ，简称ＵＡＳＢ）在培养厌氧氨氧化颗粒污泥上显现了很大的优势．结合中外学者现有研究的ＵＡＳＢ水力学模型、厌氧氨氧化颗粒污泥行为模型、反应动力学模型和菌群群落模型，并展望了厌氧氨氧化ＵＡＳＢ数学及相关模型的未来发展，认为模型的多尺度集成和工程应用是未来发展的两个重要方向．关键词：ＵＡＳＢ；厌氧氨氧化；模型中图分类号：Ｘ７０３文献标志码：Ａ文章编号：１６７４－２３２Ｘ（２０１９）０５－０５２１－０８升流式厌氧污泥床反应器（ＵＡＳＢ）是荷兰学者Ｌｅｔｔｉｎｇａ等人２０世纪７０年代初开发的［１，具有运行费用低、处理效果佳、耐负荷冲击能力强、适应ｐＨ和温度变化、构造简单巧妙和便于操作等优点［２－３．厌氧氨氧化是指在厌氧条件下，以亚硝酸盐为电子受体，将氨氧化为氮气的生物反应．厌氧氨氧化ＵＡＳＢ是一个非常复杂的生物行为过程，受诸多因素的影响（如三相流动、水流扩散、流速、水力停留时间（ＨＲＴ）、基质浓度、生物物种生态位、温度、颗粒污泥的行为、反应动力学等），若能对这些影响因素在相关模型指导下并进行合理调控，可有效优化厌氧氨氧化ＵＡＳＢ过程．本文总结了厌氧氨氧化ＵＡＳＢ数学及相关模型的研究进展，并在此基础上，对未来的研发方向提出了建议．１ＵＡＳＢ水力学模型ＵＡＳＢ反应器存在一个复杂的三相流动问题，目前对三相混合流动的精确模拟还存在一定的困难．反应器的真实行为介于活塞流反应器与ＣＳＴＲ之间，可用多个ＣＳＴＲ串连起来替代其运行效果［４］，见式（１）．ｃｎ＝ｃｉ（１＋θｋ）ｎ＝ｃｉｅｘｐ（－θｃｉｋ）（１）Ｃｈｅｎ等［５］提出了轴向扩散模型（ＡＤＭ１），用示踪剂模拟ＵＡＳＢ反应器内可溶解基质和生物物种分布，优化模型如下：Ｓｉｔ＝ｚＤ１＊Ｓｉ（）ｚ－ｕＳｉｚ＋γＳ，ｉｚ，（）ｔ（２）Ｘｉｔ＝ｚＤ２＊Ｘｉ（）ｚ－ｕＸｉｚ＋γＸ，ｉｚ，（）ｔ（３）模型模拟结果与实验结论吻合良好，标准偏差为０．２６，离散系数为１．２ｄｍ２ｈ－１．Ｒｅｎ等［６］用单区域轴向扩散模型和双区域轴向扩散模型来模拟ＵＡＳＢ反应器中的水流扩散现象，结论显示ＴＺＡＤ模型适用性高．Ｊｕｌｅｓ等［７］用ＢＰ神经网络探究了有机负荷变化下基质浓度随时间变化的特点，取得良好的模拟效果．易赛莉等［３］认为人工神经网络具有准确、简便的优点．Ｌｕ［８］的研究中将固液相作“假想的均一混合相”假设下，采用软件ＦＬＵＥＮＴ，计算流体力学模拟方程如下：混合物连续性方程ｔρ（）ｍ＋·（ρｍｍ）＝０（４）混合物的动量方程表示式：ｔ（ρｍｍ）＋·（ρｍｍｍ）ｘ＝－ｐ＋·μｍ（ｍ＋ｍ［］）＋ρｍｇ＋Ｆ＋·∑ｎｋ＝１αｋρｋｄｒ，ｋｄｒ，（）ｋ（５）代数滑移混合物模型的基本假设是，为相对速度规定一种代数关联，相之间的局部平衡通过较短的空间长度范围达到．相对速度ｃｄ＝τｃｄα（６）加速度α＝ｇ－（ｍ·）ｍ－ｍｔ（７）最简单的代数滑移公式是所谓的漂移通量模型．以上对内循环生物流化床进行了模拟，但是载体分离区的存在使流化床内的流动更加复杂，这种情况下采用标准的ｋ———ε模型处理湍流效应［９］，通用方程如下：ｔ（ρｍ）＋·（ρｍ·ｍ）＝·（μｔｍσ）＋Ｓ（８）其中，＝ｋ，ε，μｔｍ＝ｃμρｍｋ２ε．在ＵＡＳＢ反应器中，液体上升流速一般小于１ｍｈ－１［１０］，水流在升流方向上存在不均匀性，使反应器内基质及中间产物沿反应器高度分布不均匀［１１］．死角指反应器中液体不流动或者说流动极为缓慢的区域，短路流指未经主体流动而流出反应器的部分，沟流是由于颗粒粘结后局部收缩或在颗粒与反应器壁间所形成的裂缝中的水流［５］．反应器中死角、短路流及沟流是反应器偏离理想流型的主要原因．Ｈｅｅｒｔｊｅｓ和ｖａｎｄｅＭｅｅｒ［１２］流态实验的结果表明，污泥床的高度决定了短路流量大小，污泥床高为１．２—２．２ｍ时短路流量最小，实验模型如下：ＱＫ＝（α１＋α２ｈｂ）Ｑ（９）图