ASBR反应器厌氧氨氧化脱氮II反应动力学

中国环境科学2013,33(12)：2191~2200ChinaEnvironmentalScienceASBR反应器厌氧氨氧化脱氮II:反应动力学李伟刚,于德爽,李津*(青岛大学化学化工与环境学院环境工程系,山东青岛266071)摘要：研究了ASBR厌氧氨氧化(ANAMMOX)反应器稳定条件下周期内的基质动力学特性以及过程抑制动力学特性,并得到适合描述上述特性的动力学模型.其中,稳态下周期内基质去除模型是首次被调查研究,研究发现,修正的Logistic模型和修正的Boltzmann模型相比Grau二级基质去除模型和修正的Gompertz模型而言,更适合描述稳态下周期内基质去除特性,并且通过模型得到了周期内任意t时刻下的出水总氮和总氮去除率预测公式.运用Haldane模型和Aiba模型建立了出水FA浓度与总氮去除负荷(TNRR)以及出水NO2--N浓度与总氮去除负荷(TNRR)之间的关系,结果表明:Haldane模型更适合用来描述基质抑制动力学特性,模型预测得到的出水FA和出水NO2--N抑制浓度分别为72.36mg/L和140.60mg/L.上述动力学模型的应用和动力学参数的获得可能会有助于ASBR反应器的优化设计和过程控制.关键词：厌氧氨氧化；ASBR反应器；周期内动力学；抑制动力学中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-6923(2013)12-2191-10NitrogenremovalintheAnammoxsequencingbatchreactorII:Kineticscharacteristics.LIWei-gang,YUDe-shuang,LIJin*(DepartmentofEnvironmentalEngineering,CollegeofChemicalScienceandEngineering,QingdaoUniversity,Qingdao266071,China).ChinaEnvironmentalScience,2013,33(12)：2191~2200Abstract：Toinvestigatethekineticscharacteristicsofnitrogenremovalatsinglecycleunderpseudo-steady-statecondition,thekineticscharacteristicsofinhibitionperiodandthemostsuitablemodelswereobtainedfromtheprocess.ThekineticscharacteristicsofnitrogenremovalatsinglecycleofANAMMOXprocessunderpseudo-steady-stateconditionwerefirstevaluated.TheresultsshowedthatthemodifiedLogisticmodelandthemodifiedBoltzmannmodelwerefoundtobetheappropriatemodelstodescribetheperformanceoftheASBRatsinglecycleunderpseudo-steady-statecondition.Moreover,theeffluenttotalnitrogenandthetotalnitrogenremovalatanytimeofthecyclewereobtained.TherelationshipbetweentheeffluentFAandtheTNremovalrateandtherelationshipbetweentheeffluentNO2--NandtheTNremovalratewereestablishedbytheHaldanemodelandtheAibamodel,suggestingtheHaldanemodelwasmoreappropriatetopredictthevalues.AccordingtoHaldanemodel,theinhibitionconcentrationsoftheeffluentFAandtheeffluentNO2--Nweresuggestedas72.36mg/Land140.60mg/L,respectively.ThesemodelsandparametersmightbeusedinASBRreactordesignandcontrol.Keywords：ANAMMOX；anaerobicsequencingbatchreactor；singlecyclekinetics；inhibitionkinetics厌氧氨氧化(ANAMMOX)是自养微生物过程,不需投加有机物来维持反硝化,且污泥产率低,同时能够改善硝化反应产酸、反硝化反应产碱均需中和的情况,在高氨氮、低C/N废水方面具有广阔的应用前景[1-2].然而,由于ANAMMOX菌世代周期长(约11d)、细胞产率低[3]、对外界环境变化敏感[1]导致反应器存在启动时间长、菌体易流失、反应器容易失稳等问题,制约了ANAMMOX反应在实际工程中的应用[4-6].为成功启动并稳定运行ANAMMOX工艺,反应器的选择至关重要.SBR反应器的结构特点和运行方式决定了其具有有效的生物截留能力,泥水混合比较充分、基质、产物和微生物能够均匀分布,以及污泥筛选能力强,易形成结构紧凑的颗粒污泥等特点,是目前国内外启动ANAMMOX工艺应用较多的一种反应器[3,7-8].动力学模型被广泛用来描述和模拟生物过程性能,为生物过程的分析与控制,以及对影响生收稿日期：2013-03-18基金项目：国家自然科学基金资助项目(51078191,51278258);青岛市应用基础研究项目(13-1-4-203-jch)*责任作者,讲师,[e-mail]2192中国环境科学33卷物过程的环境因素的调控和反应器的优化设计等方面具有重要的指导意义[9-10].许多动力学模型已经应用到了废水处理过程中:Grau二级基质去除模型目前在描述ANAMMOX过程动力学方面已经有着广泛的应用[10-12];修正的Logistic模型和修正的Gompertz模型最早被用来描述发酵产氢底物降解和产氢细菌(HPB)的生长[13-14],近来被用来描述ANAMMOX受到苯酚、硫化物等抑制后脱氮性能的恢复过程[15];修正的Boltzmann模型广泛应于描述ANAMMOX菌的活性再恢复过程[16-17];进水基质浓度过高,会抑制微生物的生长和代谢,Haldane模型和Aiba模型是描述基质抑制动力学常用的模型[18-20].目前还没有研究ANAMMOX过程稳定条件下适合描述ASBR周期内的基质去除动力学模型,没有得到周期内合适的动力学参数来继续优化ASBR反应器的设计和控制,以方便其更加有利于ANANMMOX菌的培养.大多数关于高基质浓度致使反应器失稳的报道,主要集中在进水高FA和高NO2--N导致的反应器脱氮性能紊乱的研究[4,6,21-23],几乎没有关于出水基质浓度与反应器脱氮性能之间相关关系的动力学报道.本课题首次采用Grau二级基质去除模型、修正的Logistic模型、修正的Gompertz模型以及修正的Boltzmann模型来描述ASBR反应器周期内基质降解动力学,用Haldane模型和Aiba模型来描述基质抑制动力学行为,以期将动力学模型和动力学参数用到缩短反应器启动时间,调控反应器运行环境,分析反应器脱氮性能等实践应用中.1动力学方法1.1周期内基质去除动力学1.1.1Grau二级基质去除模型22i-d()dSSkXtS=(1)对其积分和线性化,并令a=Si/(k2X),基质去除率E=(Si-S)/Si,上式可按如下式表述:iiHRTHRTSabSS=+−(2)HRTHRTabE=+(3)式中:a和b都是常数,其中b接近1;Si、S分别为进水总氮浓度和出水总氮浓度,mg/L;E是总氮去除率,%;k2是Grau二级基质去除率常数,h-1;X是反应器平均污泥浓度,g/L.1.1.2修正的Logistic模型maxmmaxNRENRE1exp[4()/NRE2]Rtλ=+−+(4)加上总氮去除率(NRE,%)可以表示为:ii()NRE100SSS−=(5)式(4)、式(5)联合可以得到式(6):maximmax0.01NRE[1]1exp(4()/NRE2)SSRtλ⋅=−+−+(6)式中:NRE为总氮去除率,%;NREmax为最大总氮去除率,%;Rm为最大脱氮速率,%/h;λ为厌氧氨氧化菌脱氮的延迟时间,h;t为周期内某时刻,h.1.1.3修正的Gompertz模型mmaxmaxNREeNREexp[exp(()1)]NRERtλ=⋅⋅−⋅−+(7)同样,该方程也可以转化为式(8):mimaxmaxe[10.01NREexp(exp(NRE()1))]RSStλ⋅=−⋅⋅−⋅−+(8)1.1.4修正的Boltzmann模型minmaxmaxcdNRENRENRENRE1exp()ttt−=+−+(9)minmaximaxcdNRENRE[10.01(NRE)]1exp()SSttt−=−⋅+−+(10)式中:NREmin为最小总氮去除率,%;t为运行时间,h;tc为1/2NREmax所对应时间,h;td为时间常数,h.1.2基质抑制动力学模型1.2.1Haldane模型12期李伟刚等：ASBR反应器厌氧氨氧化脱氮:Ⅱ反应动力学2193max2IHNRRNRRsSSKSK=++(11)式中:NRR为基质去除负荷,[kg/(m3.d)];NRRmax为最大基质去除负荷,[kg/(m3.d)];S为出水基质浓度,mg/L;Ks为饱和常数,mg/L;KIH为Haldane抑制常数,mg/L.1.2.2修正的Aiba模型maxIANRRNRRexp()sSSKSK=−+(12)式中:KIA为Aiba抑制常数.2结果2.1反应器脱氮性能表1稳态情况下ASBR反应器相同HRT下(3h)不同基质浓度下的脱氮特性Table1NitrogenremovalundersteadystatesatdifferentsubstrateconcentrationsandaconstantHRT(3h)进水浓度(mg/L)出水浓度(mg/L)去除率(%)基质负荷[kgN/(m3⋅d)]NH4+-NNO2--NTNNH4+-NNO2--NTNNH4+-NNO2--NTNNLRNRR130.43172.11317.856.567.6761.6494.9795.5480.612.542.05132.35174.65323.102.947.0459.3297.4895.9781.642.582.10132.33174.60322.413.447.9460.6497.4095.4581.192.582.09131.23173.32320.734.986.9660.7596.2195.9881.062.572.07131.16174.75322.106.019.0162.9495.4694.8480.462.582.07142.13187.45345.806.558.6566.8895.3995.3980.662.772.23143.13189.23348.355.509.1166.8496.1695.1980.812.792.25144.03190.23350.386.788.7667.3395.2995.4080.782.802.26141.34191.04348.436.6212.1369.2695.3293.6579.842.792.23141.23188.45347.345.659.5667.1196.0094.9380.682.642.24142.34189.46345.347.029.4767.2195.0795.0080.54