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中文翻译
学院:
市政与环境学院
专业:
2011环境工程
姓名:
韦健
学号:
1123190021
厌氧过滤器污水处理的低温动力学
T.Viraraghavan*&RameshVaradarajan
加拿大萨斯喀彻温省雷日娜大学工程学教师
摘要
在实验室数据数据基础上检测厌氧过滤器处理腐化池出水、奶厂废水、屠宰废水、土豆处理废水和乳清废水时污水水温对处理效率的影响。
三个厌氧过滤器在不同的水力停留时间下分别控制水温在5,10和20℃处理腐化池出水;三个厌氧过滤器在不同的水力停留时间下分别控制水温在12.5,21和30℃处理奶厂废水;一个厌氧过滤器在不同的水力停留时间下分别控制水温在23.6,24.3,25,26.6,26.7和27.1℃处理屠宰废水;一个厌氧过滤器在不同的水力停留时间下控制水温在2,4,10和20℃情况下处理土豆处理废水;一个厌氧过滤器在不同的水力停留时间下控制水温16,20,26和30℃处理乳清废水。
用Arrhenius等式分析数据温度的影响和为每一个厌氧过滤系统在系统温度和一级速率常数之间建立一个关系。
三个污水测试中两个的简化动力模型与实验数据并不能很好的匹配。
关键词:
厌氧过滤器,污水处理,温度影响,动力学。
简介
工艺工程上的进步和最近在化学,生物化学和微生物学的发展已经推动了厌氧处理的发展。
在很多厌氧处理系统中,fixed-film系统由于它们相对较低的费用和在处理高浓度有机废水时良好的效果已经引起人们很大的重视。
由于有较大的生物吸附量和较短的停留时间,这些厌氧系统相对于这些好氧系统有很多的优点,例如活性污泥法(Young&McCarty,1996)。
关于厌氧过滤器处理低,中浓度污水尤其是在低温下的效果的文献,几乎找不到。
虽然很多参数,例如回收率,过滤器媒介大小,形状,过滤器深度,流速等等在厌氧过滤器运行时是很重要的,但温度和水力停留时间在系统设计,运行和管理中起主要作用。
虽然对厌氧过滤器运行情况的描述是一个复杂的事情,但为了发展系统动能学,在过去已经有很多科学家做过了这方面的尝试。
通过在实验室和现场试验进行的反复试验已经取得了污水处理技术的进步。
大多数后来的研究工作都集中在发展合理和基本合理的方法来解释系统中出现的现象(Nandy&Kaul,1991)。
然而,在过去的二十年中,人们在描述基质去除,生物增长量,沼气产量的动力学研究上,为了使动力模型更合理化而做了大量的尝试。
人们发展了过程动力学,用它来对好氧和厌氧生物处理过程进行数学描述(Pavlostathis&Giraldo-Gomez,1991)。
Matsushige在试验结果的基础上提出了一个温度基本模型(1991)。
他们对强调处理低强度生活污水的厌氧过滤器过程中占主要作用的水温和水力停留时间进行了数学描述。
生物膜动力学的基本模型和温度的影响没有被广泛的用来评价一个系统在处理自然或生活污水的效果。
基本动力学和温度作用对于验证一个实际系统运行或研究是重要的。
因此,为了评价一个基本动力模型对不同温度作用下的适应情况,人们做了一项研究。
研究报告显示了厌氧过滤器在处理腐化池出水、奶厂废水、屠宰废水、土豆处理废水和乳清废水时温度对处理效果的影响。
研究方法
系统分析
Matsushigeetal.(1991)提出的模型是建立在大量的污泥平衡(厌氧微生物)和水下厌氧过滤反应器中的有机底物基础上的,假设它们在厌氧过滤反应器中完全混合。
假设反应器处在一种稳定不变的状态下,反应器中的微生物积累率和有机底物积累被降低到零。
因此最终的等式如下:
HRT=水力停留时间,V/Qs;V=反应器容积;dX/dt=反应器中的微生物增长率;Xe=出水中微生物浓度;Qs=流入和流出的流动率;Ss=进水的有机底物浓度;Se=出水的有机底物浓度;dSr/dt=有机底物去除率(或利用率)。
假设厌氧过滤反应器在恒定状态下,下列等式可以表示污泥停留时间和水力停留时间之间的关系:
其中Y=产率系数;SRT=污泥停留时间;Kd=内源衰变系数。
相反,在低强度有机物浓度下的特定基质去除率可用优先动力学表示,公式如下:
其中k1=一级比率常数。
Arrhenius等式确定了一级比率常数和温度之间的关系,其关系如下:
其中A=常数(mg.day/l);R=气体常数(1.987cal/K.mole);E1=活化能(cal/mole);T=绝对温度(K);k1=20℃下的一级比率常数(l/mg.day);∮=温度活化系数;t=温度(℃)。
COD浓度和HRT,微生物浓度和一级比率常数之间的数学关系为:
其中Si=Ss;X=厌氧反应器中的微生物浓度。
动力常数k1,E1,∮由污水公式五确定。
结果和讨论
表格1显示了用于分析的五个厌氧反应器的详细情况。
表格2-6显示了在不同的HRT和水温条件下厌氧反应器处理不同污水的大概情况。
下列各段对这些厌氧过滤系统的效果做了简要的描述。
表格1.各个厌氧过滤器在进行处理研究时的详细数据
污水
过滤器高度(cm)
过滤器内径(cm)
过滤器容积(l)
溶质和尺寸(mm)
介质孔隙率(%)
S/V
(m2/m3)
过滤器结构材料
过滤器运行时间(天)
腐化池
120
10
9.5
50mm
96.5
114
透明腈纶
392
牛奶
120
10
9.5
50mm
96.5
114
透明腈纶
185
屠宰
180
150
3000
100mm
90
105
玻璃纤维
439
土豆
91
15.2
16.2
20-40mm
42
NA
树脂玻璃
560
乳清
40
4
0.5
6.35mm
57
NA
PVC
245
表格2厌氧过滤器在5,10,20℃下处理腐化池出水的COD情况的概要
反应器数量
HRT
(天)
平均温度
(℃)
COD负荷率
进水COD值
出水COD值
去除率
表格3.三个厌氧过滤器在12.5,21,30℃时处理牛奶废水的COD变化情况
反应器数量
HRT(天)
平均温度
(℃)
COD负荷率
进水COD值
出水COD值
去除率
表格4厌氧反应器在2,4,10,20℃时,处理土豆加工废水的COD变化情况
反应器数量
HRT(天)
平均温度
(℃)
COD负荷率
进水COD值
出水COD值
去除率
表格5厌氧反应器在23.6,24.3,25,26.6,26.7,27.1℃时处理屠宰废水的COD变化情况
反应器数量
HRT(天)
平均温度
(℃)
COD负荷率
进水COD值
出水COD值
去除率
表格6厌氧反应器在16,20,26,30℃时处理乳清废水的COD变化情况
反应器数量
HRT(天)
平均温度
(℃)
COD负荷率
进水COD值
出水COD值
去除率
腐化池出水处理
图像1表示了在不同HRT下对应温度的平均COD去除率。
在20℃恒定条件下运行的厌氧过滤器的COD去除率比在5和10℃条件下的去除率高。
在10℃条件下的过滤器比在5℃下的COD去除率高。
过滤器在5℃时受HRT变化的影响最大。
在其他地方有对结果的全面阐述。
牛奶废水处理
图像2展示了过滤器在12.5,21,30℃恒定条件下,不同HRT(1-6天)运行时的COD去除率。
它没有确定在高HRT时温度是否对COD去除率有影响。
30℃时的过滤器比12.5和21℃时有更好的处理效果。
12.5℃时的过滤器受HRT变化的影响最大。
HRT为4天时,这些过滤器在30,21,12.5℃条件下的COD去除率分别为92,85,78%。
在其他地方有对结果的全面阐述。
土豆加工废水处理
Linetal.(1982)在实验室研究了在低于20℃时厌氧曝气过滤系统处理土豆加工废水的情况。
图像3展示了过滤器进水和出水COD浓度。
过滤器的COD去除率在20℃为56%,在2℃下降到了17%。
在2℃时系统基本不能运行。
屠宰废水处理
Harrisonetal.(1991)为了评估上向流厌氧过滤器处理屠宰废水的效果而做了一个中等规模实验。
COD去除率在37到77%之间变化,与HRT的倒数相关。
试验中日常温度的变化在1℃之间,但有时也会波动出这个范围。
在试验中平均温度的微小差别和一天中温度的变化能影响处理效率,虽然没有引起重视,但是研究表明变化很大。
乳清废水处理
Cordobaetal.(1988)研究了在低温时厌氧过滤器处理乳清废水的情况。
研究是在4个平均温度为30,26,20,16℃的过滤器中进行的。
在30℃时各种有机负荷率下COD去除率都是最高的,并且随着温度的下降而下降。
在30℃,有机负荷率不超过3kgCOD/m3.天时,去除率能达到93%,在这个负荷率下16℃时的去除率为80%。
在不同温度下,COD的去除率都随着有机负荷率的下降而下降。
图像1过滤器处理腐化池出水时不同温度下的平均COD去除率
图像2厌氧过滤器处理牛奶废水时在稳定运行时的COD去除率
图像3过滤器处理土豆加工废水时进水和出水的COD浓度
图像4厌氧过滤器处理乳清废水时在不同温度下的COD去除率
厌氧过滤动力学
出水COD浓度和去除率被用来评价等式4中的一级比率常数的值。
图形5展示了一个牛奶废水典型的图像。
表格7展示了厌氧反应器处理各种污水的一级比率常数。
所有的污水处理中k1值都随着温度的增加而增加了,只有屠宰废水没有很明显的变化。
25℃时低k1值对应着最低的COD去除率,过量血液的加入会使COD增加到9400mg/l。
这时挥发性酸从200-300mg/l增加到了550-1200mg/l,进入抑制状态。
从图像中展示的(t-20)℃对应的等式6的一级比率常数可估出温度活化系数。
图像6展示了土豆加工和屠宰废水的典型图形。
就像前面讨论的,由于流入物的增加有一个点远离其他各点。
在一级比例常数和等式5定义的温度两者的图像关系可估计出活化能。
图像7展示了一个典型的图形。
表格8展示了五种污水的温度活化系数和活化能。
图像5乳清废水不同COD浓度对应的COD去除率
表格7.厌氧反应器处理各种污水时的动力常数
图像6一级比率常数对应的污水温度
表格8五种污水的温度活化常数和活化能
污水类型
参数
温度活化系数
活化能
腐化池
1.07
15750
牛奶
1.05
22850
乳清
1.09
39740
土豆加工
1.10
23844
屠宰
1.15
15140
Benefield和Randall(1980)提出了生物污水处理中活化能一般在2000到20000cal/mole之间变化。
分析中的估计值在接受的范围。
分析中得到的温度系数类似于文献中值。
有等式7和等式5,可得到腐化池出水(等式8)、奶厂废水(等式9)、土豆处理废水(等式10)和乳清废水(等式11)的经验公式,如下:
从图像8中显示的对不同温度,不同HRT时腐化池污水,牛奶费时和土豆加工废水的动力学分析中发展的经验公式可得到Se/Si的真实值和理论值,乳清废水和屠宰废水不能通过经验公式得到Se/Si的理论值,因为反应器或出水微生物浓度不可利用。
人们发现土豆加工废水系统分析的Se/Si理论值基本和真实值相同。
在腐化池出水处理中,20℃时Se/Si的真实值和理论值最接近,在10℃时就有所偏差,5℃时偏差最大。
在牛奶废水处理中,理论值不和真实值非常吻合。
在腐化池出水和牛奶废水处理中,简单动力模型并不和实验数据非常吻合,因此这些模型不能应用于所有的测试污水。
较差的适应性可能是由于这些厌氧过滤系统相当较差的处理效果,尤其是在低温(5和10℃时的腐化池出水和12.5和21℃时的牛奶废水)和低HRT时。
图像7污水温度对应的一级比例常数
图像8腐化池出水,牛奶废水和土豆加工废水的Se/Si的理论值与观测值的比较。
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