反硝化耦合甲烷化过程的数学模拟与控制

【摘要】：同步反硝化甲烷化能充分利用废水中的有机碳源,在实现生物脱氮的同时回收能源。本文利用间歇及连续流实验研究了单一厌氧反应器中反硝化耦合甲烷化过程。对间歇实验中乙酸钠为电子供体条件下反硝化耦合甲烷化过程进行了数学模拟,明晰了反硝化与甲烷化竞争与耦合机理,通过间歇实验选取合适的电子供体。在间歇实验基础上利用连续流实验在上流式污泥床反应器(UASB)构建SDM体系,探究合适的COD/N、负荷及水力停留时间(HRT),主要结论如下：(1)基于化学计量学与生物力能学确定生化反应的理论反应式,结合multiplicative Monod及non-competitive Monod方程,建立了反硝化耦合甲烷化的数学模型,结果表明该模型能较好分析反硝化耦合甲烷化过程。(2)利用蔗糖、乙酸钠和甲醇为电子供体,探究不同COD/N条件下厌氧颗粒污泥的SDM过程。分析证实乙酸钠和蔗糖为电子供体,COD/N为10时,可达到较好的COD及N去除效果。(3) UASB反应器运行条件设置为：温度(35±1)℃、水力停留时间38.4h,选取乙酸钠和蔗糖为电子供体,构建单一反应器中SDM体系。结果表明,蔗糖为电子供体时,COD/N4;乙酸钠为电子供体时,COD/N10可实现甲烷化和反硝化的耦合。(4)采用逐步提高反应器有机负荷(OLR)和氮负荷(NLR),研究了负荷对单一反应器中SDM体系的影响,蔗糖和乙酸钠为电子供体时,反应器所承受的最大OLR分别为6.25和3.125kg/(m3·d),相应的NLR分别为0.625和0.3125 kgN/(m·d)。(5)研究了HRT对单一反应器中SDM体系的影响,结果表明,蔗糖和乙酸钠为电子供体时,实现反硝化耦合甲烷化的最小HRT分别为6.4h和9.6h。 【关键词】：厌氧 UASB反应器 反硝化 甲烷化 模型 数学模拟
【学位授予单位】：安徽大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 引言9-24
• 1.1 单一反应器中同步反硝化甲烷化10-13
• 1.2 不同电子供体对NOx还原途径的影响13
• 1.3 NO_x对甲烷化的抑制作用13-16
• 1.4 耦合反硝化过程的厌氧消化模型16-22
• 1.5 研究的目的、意义和内容22-24
• 1.5.1 研究目的及意义22
• 1.5.2 研究内容22-23
• 1.5.3 技术路线23-24
• 第二章 乙酸钠为电子供体下反硝化耦合甲烷化过程的数学模拟24-34
• 2.1 材料与方法24-28
• 2.1.1 间歇试验24-25
• 2.1.2 SDM模型的建立25-27
• 2.1.3 模拟计算27-28
• 2.1.4 分析方法28
• 2.2 结果和讨论28-33
• 2.2.1 底物降解及甲烷累积产量模拟29-30
• 2.2.2 NO_3-N、NO_2-N及N_2累积产量的模拟30-31
• 2.2.3 生物量的模拟31-32
• 2.2.4 参数灵敏度分析32-33
• 2.3 小结33-34
• 第三章 不同电子供体对SDM影响研究34-42
• 3.1 材料与方法34-35
• 3.1.1 实验方法34-35
• 3.1.2 分析方法35
• 3.2 结果与讨论35-40
• 3.2.1 硝氮、亚硝氮的转化35-37
• 3.2.2 氮气及甲烷累积产气量37-39
• 3.2.3 蔗糖体系中VFAs变化39-40
• 3.3 小结40-42
• 第四章 不同电子供体下COD/N对单一应器中SDM影响42-51
• 4.1 材料与方法42-44
• 4.1.1 接种污泥和合成废水42-43
• 4.1.2 实验装置43
• 4.1.3 操作条件43-44
• 4.2 结果与讨论44-50
• 4.2.1 R1和R2反应器氮的去除44-46
• 4.2.2 R1和R2反应器气体的产生46-47
• 4.2.3 R1和R2反应器COD的降解47-48
• 4.2.4 R1反应器VFAs变化48-49
• 4.2.5 颗粒污泥表观结构49-50
• 4.3 小结50-51
• 第五章 OLR及NLR对SDM影响51-61
• 5.1 材料与方法51-52
• 5.1.1 接种污泥和合成废水51-52
• 5.1.2 R1和R2反应器操作条件52
• 5.2 结果和讨论52-59
• 5.2.1 R1和R2反应器氮的去除52-54
• 5.2.2 R1和R2反应器气体的产生54-56
• 5.2.3 R1和R2反应器COD的降解56
• 5.2.4 R1反应器VFAs及pH的变化56-57
• 5.2.5 颗粒污泥表观结构57-59
• 5.3 小结59-61
• 第六章 HRT对单一反应器中SDM影响61-69
• 6.1 材料与方法61
• 6.1.1 接种污泥和合成废水61
• 6.1.2 R1和R2反应器操作条件61
• 6.2 结果和讨论61-68
• 6.2.1 R1和R2反应器氮的去除61-64
• 6.2.2 R1和R2反应器气体的产生64-65
• 6.2.3 R1和R2反应器COD的去除65-66
• 6.2.4 R1反应器VFAs及pH的变化66-67
• 6.2.5 R2反应器中颗粒污泥SEM照片67-68
• 6.3 小结68-69
• 第七章 总结69-70
• 致谢70-71
• 参考文献71-77
• 附录：作者在攻读硕士学位期间发表的论文77

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