ASBR处理高浓度有机废水数学模型

靳文东 岳秀萍

1 概述

近十几年来国内外学者对ASBR反应器的启动[1-7]、工艺和操作特性[8-12]、废水处理应用研究[13-15]等方面进行了研究，在厌氧条件下，糖类和简单有机物等易降解有机物能很快转化为挥发酸，然而只有少数几种厌氧微生物能够将乙酸盐代谢转化成甲烷，容易造成VFA积累，抑制甲烷菌的活性，厌氧反应器的“酸化”会使处理过程彻底失败。

本文根据化学反应动力学基本原理，借鉴MATLAB数学工具对ASBR模拟试验数据进行处理，建立ASBR处理高浓度有机废水的反应速率数学模型。旨在及时掌握和有效控制反应器中底物(有机物)降解速率、产物(甲烷)生成速率和中间产物(挥发性脂肪酸)的积累程度，并了解进水中不同的碱度对这些动态因素的影响，以保证ASBR工艺长期稳定运行。

2 试验装置与材料

2.1 试验装置

ASBR反应器用有机玻璃柱加工而成，有效容积6 L，上部留有2 L的气室。ASBR反应器置于矿棉绝热保温的恒温箱内，用WMXK-01型温控仪控制环境温度在30℃～35℃范围内。混合液用气体间歇搅拌，气体由反应器自身生产的生物气回流。搅拌时间与间隔时间为每间歇30 min搅拌3 min，由DHS-S型数显时间继电器控制。气体循环搅拌流量由转子流量计显示和控制，约为 300 mL/min。ASBR反应器的循环周期8 h，每个循环周期内反应时间6 h，每周期的进水和排水量均为3 L。

2.2 废水配制与测试方法

ASBR反应器进水以葡萄糖作为碳源，NaHCO3用于调节pH值。进水的碱度水平由进水COD浓度(mg/L)和所投加的NaHCO3产生的碱度浓度(mgCaCO3/L)的比值来表征，即:进水 COD/Alk。本文考察碱度水平COD/Alk分别为 2.0∶1和4.8∶1条件下的运行特征。COD浓度测定采用重铬酸钾法。VFA组分与浓度、沼气组分分析采用气相色谱法。

3 建模过程

3.1 建模原理

厌氧硝化过程可以简化为仅涉及两大类微生物:即产酸菌和产甲烷菌的生长与衰亡过程，葡萄糖在产酸菌的作用下被转化为挥发性脂肪酸(VFA)，VFA在产甲烷菌的作用下被转化为CH4和CO2。假设ASBR反应器内部的颗粒污泥和气相完全混合，生物气主要含有CH4和CO2两种气体组分。如果把葡萄糖两步降解过程近似看成是两个简单反应的连续反应，则可以表示为:

在这一串联反应中速率常数k1≠k2，厌氧处理系统的正常运转取决于产酸反应速率与产甲烷反应速率的相对平衡。如果A的初始浓度为 CA0，则在时刻 t的浓度CA，CB及CC间存在下列关系:

上述关系可表示为图1。由串联反应条件得出下列速率关系。

由式(3)积分得:

将式(6)代入式(4)积分整理后可得:

将式(7)代入式(5)得:

写成下列积分形式:

进行积分:

3.2 求解反应速率常数

碱度COD/Alk为 2.0∶1时(即中性环境下)，k1＜k2;碱度COD/Alk为4.8∶1时(即偏酸性环境下)，k1＞k2。而且，两种碱度条件下 k1的差值为0.26，k2的差值仅0.01，说明碱度对产酸速率常数k1的影响程度大于对产甲烷速率常数k2的影响。将k1，k2值代入式(6)、式(7)和式(9)后，得到两种碱度条件下的反应速率数学模型，如表1所示。

表1 不同碱度下的反应速率方程

3.3 模型精度验证

图2，图3分别为VFA浓度(以 CODVFA计)和甲烷产率(以CODCH4计)的实测值与数学模型计算值的对比。由图看到，所建立的模型计算值与试验数据之间有较好的相关性，相关系数 R平均值大于0.95，表明该模型对ASBR反应器处理以葡萄糖为底物的配制废水中的VFA浓度和甲烷产率CODCH4的模拟具有良好的适用性。

4 结语

本文建立了不同碱度条件下ASBR反应器处理溶解性高浓度有机废水的反应速率数学模型。

当进水COD/Alk为2.0∶1时，反应器内底物、中间产物和最终产物的浓度可用下式表示:

当进水COD/Alk为4.8∶1时，反应器内底物、中间产物和最终产物的浓度可用下式表示:

与其他碳水化合物相比葡萄糖的酸化速率最大，因此该数学模型可用于高浓度有机废水ASBR处理工艺运行的控制和预测中。

[1] Randall A W，Dague R R.Enhancement of granulation and start-up in the anaerobic sequencing batch reactor[J].Water Environmental Research，1996，68(5):883-892.

[2] Angenent L T ，Sung S，Raskin L.Methanogenic population dynamics during start-up of a full-scale ASBR treating swine waste[J].Water Research，2002(36):4648-4654.

[3] 孙剑辉，王海燕.ASBR反应器快速启动的研究[J].环境工程，2001(19):10-12.

[4] Masse D I，Masse L，Verville A，et al.The start-up of anaerobic sequencing batch reactors at 20℃and 25℃for the treatment of slaughterhouse wastewater[J].Journal of Chemical Technology&Biotechnology ，2001 ，76(4):393-400.

[5] Wirtz R A，Dague R R.Effect ofinitialseedconcentration and granulation enhancement factors on start-up of the ASBR[J].Adv Filtr Sep Technol，1995(9):654-671.

[6] Ng W J，Ong S L，Tan K Y ，et al.Toxicity assays determine the start-up strategy for an ASBR reactor(an SBR)[J].Water Science Technology，2002 ，46(11):343-348.

[7] Ong S L，Hu J Y，Ng W J，et al.Granulation enhancement in ASBR operation[J].Journal of environmental Engineering，2002，28(4):387-390.

[8] Ioannis S，David M ，Bagley.Improving anaerobic sequencing batch reactor performance by modifying operational parameters[J].Water Research ，2002，36(1):363-367.

[9] 傅大放，靳 强，周培国，等.厌氧序批式活性污泥工艺特性研究[J].中国给水排水，2000，16(10):1-5.

[10] Bagley D M，Brodkorb T S.Modeling microbial kinetics in an anaerobic sequencing batch reactor-model development and experimental validation[J].Water Environmental Research，1999，71(7):1320-1332.

[11] Fernandes L，Kennedy K J，Nine Z.Dynamic modeling of substrate degradation in sequencing batch anaerobic reactors(SBAR)[J].Water Research，1993，27(11):1619-1628.

[12] Kennedy K J，Hamoda M F，Droste R L.A study of anaerobic sequencing batch reactors for the treatment of soluble wastes[J].Lewis Publishers，44th Purdue Industrial Waste Conference Proceedings，Printed in U.S.A ，1990(20):1475-1482.

[13] Masse D I，Masse L，CroteauF.The effect of temperature fluctuations on psychrophilic ASBRs treating swine manure[J].Bioresource Technology，2003(89):57-62.

[14] Masse L，Masse D I.Effect of organic，particulate organic，and hydraulic shock loadson anaerobicsequencing batch reactors treating slaughterhouse wastewater at 20 ℃[J].ProcessBiochemistry，2005(40):1225-1232.

[15] Ammary B Y.Treatment of olive millwastewater using anaerobic sequencing batch reactor[J].Desalination，2005(177):157-165.

[16] 任南琪，王爱杰.厌氧生物技术原理与应用[M].北京:化学工业出版社，2004.

[17] 许保玖，龙腾锐.当代给水与废水处理原理[M].北京:高等教育出版社，2000.