文摘

在这个研究中,COD降解动力学和沼气生产的移动床生物膜反应器(MBBR)中试规模(10 m3)猪舍污水处理研究。聚乙烯(PE)被用作运送材料,有机负荷利率(olr) 10、15、18 kgCOD / m3天根据液压保留时间(荷尔蒙替代疗法)为0.56,0.37和0.3。结果表明,高COD去除效率获得了68 - 78%的范围内5.2 - -5.8 g / L的入渗鳕鱼3荷尔蒙替代疗法。对COD降解动力学,相比第一和二阶动力学和莫诺模型,Stover-Kincannon模型显示最好的符合R20.98和饱和值常数(KB)和最大利用率(U马克斯)的52.40 g / L和82.65 g / L,分别。第一,与所有3荷尔蒙替代疗法和莫诺二阶动力学模型的荷尔蒙替代疗法也获得很高的0.56天R2值。因此,这些动力学和模型可以进一步被认为是用于预测的动力学特征MBBR系统在猪舍污水处理过程。MBBR的6个操作的结果是沼气生产的运行期主要是天17 - 80,约0.2 - 0.3和0.15 - -0.20 L / gCOD转换分别,然后减少的OLR 18 kgCOD / m3。启动阶段后,35天沼气累积体积波动从20到30米3/天,大约3500米3整个消化过程中为178天。甲烷是约占65 - 70%的沼气浓度约为400 mg / L。

1。介绍

主要环境问题与猪舍污水是缺乏适当的污水处理技术,特别是在发展中国家。移动床生物膜反应器(MBBR)是一种改进的技术用于废水处理的生物过程。MBBR系统设计采用传统活性污泥法与生物膜媒体相结合。MBBR系统包括活性污泥曝气系统的污泥收集塑料航空公司(1]。为了优化接触水,空气,和细菌,这些必须有一个大的内表面。/活性污泥细菌会生长在载体的内表面和猪舍污水中的有机物分解。

先前的研究表明,厌氧消化提供了潜在的好处的甲烷生产与废物管理(2]。厌氧反应器的高加载速率首选是世界范围内使用,因为它们被设计用来在短荷尔蒙替代疗法和长srt将大量的高活跃的生物量;因此允许更高的承载能力和改善污泥稳定(3]。MBBR系统由一个生物处理过程基于活性污泥中的微生物粘附机制和微生物材料体系,两层之间创建一个微生物污水处理膜。近年来,有很多研究关注MBBR系统在载体材料与新修改。这些运营商通常由各种材料,如多孔材料和回收塑料和有一个大的表面在接触水,空气,细菌以最优的方式。博卡等人的研究结果表明,聚乙烯(PE)是一种生物膜载体可能有很大的潜力用于MBBR除去水和废水有机物(4]。这就是为什么体育载体用于这项研究。

更好地了解动力学在消化过程中,数学模型已经被开发和应用。这些是非常有效的工具,学好生物转化和降解机制的成分在蒸煮器(5]。显然,一个数学模型是一个重要的工具来观察、预测、模拟、优化系统的动力学或机制在不同的操作。在厌氧消化中,动力学模型是基质的类型和特点。基质降解动力学模型模拟,中间(例如,vfa)生产,和沼气生产6]。生物降解的动力学研究与一些关键的物理量包括微生物生长速率、底物利用率,biokinetic系数,和增长常数。系统的性能(生物质生产或基质降解)取决于衬底或营养内容和反应堆环境(pH值、温度和溶解氧)[7]。

第一,二阶方程被用来简单地模拟生物降解机制在厌氧消化过程中(8]。此外,在模型适用于底物分解的数量和甲烷生产动力学,莫诺似乎和Stover-Kincannon模型广泛应用(9- - - - - -12]。

本研究的目的是探讨有机生物降解的动力学和甲烷生产猪舍污水处理过程中使用MBBR试点规模。研究结果将提供额外的信息来考虑和选择合适的解决方案和最佳的操作条件。

2。实验方法

2.1。厌氧MBBR系统

半工业规模的厌氧MBBR系统的原理图如图1。


图1
原理图半工业规模的厌氧MBBR系统。

MBBR系统设计结果的基础上阮等人的影响鳕鱼范围5.0 - -6.0 g / L;体育载体;和温度(13]在实验室规模MBBR,包括(1)猪舍污水(均衡水箱):20米3(L×W×D: 5×4×1米);(2)汽缸厌氧反应器(D×H: 2.4×3.6米)与工作卷10米3;(3)导弹6000 LT Pronova-Gas Analysers-multichannel测量设备,德国;和(4)沉淀池:5米3。有两个化学容器(酸和碱)调整影响然而,博士在这项研究中,影响废水的pH值不需要调整。

生物膜载体是一种PE车轮形材料(D×H: 15×10毫米)与特定的表面面积800 - 1000 m2/ m3和密度的60公斤/米3,MBBR体积的30%左右。

种子的厌氧污泥收集上流式厌氧污泥层(UASB)坦克的污水处理厂(容量:600米3/天)Sabeco啤酒制造厂。启动(滞后阶段)持续12天,并继续经营的OLR 5 kgCOD / m3直到天34 OLR之前增加到10 - 18公斤COD / m的范围3的一天。初始污泥浓度是3.5 - -4.0公斤/米3;35天之后,污泥浓度增加到5.5到6.0公斤/米3。

猪舍污水通过了筛选的影响(5×10毫米)到均衡水箱,然后输送到厌氧MBBR槽流速的18岁,27岁,33米3/天的olr 10、15和18 kgCOD / m3天,分别。

2.2。采样和分析方法

入渗和污水废水样本(48个样品每个)被每周两次在大约6个月操作从35天。抽样方法遵循越南标准TCVN 5992 - 1995,和TCVN 5993 - 1995对水quality-sampling-guidance抽样技术;pH值由4801 p在线测量pH / ORP控制器,Gondo、台湾(一式三份)。鳕鱼o和鳕鱼t值被用于动力学模型计算为每个荷尔蒙替代疗法和OLR平均值。鳕鱼、TSS、TN和TP参数分析TCVN 6491: 1999年,6625年TCVN: TCVN 6638: 2000年,2000年和6202年TCVN:分别为2008。

沼气产量和甲烷浓度测量导弹6000 LT Pronova-Gas Analysers-multichannel测量设备,德国。数据测量发生在8 - 9点和下午3 - 4点,一天两次。甲烷体积测量误差±1%。为了确保准确的气体测量结果,传感器自动校准使用Pronova为CH proCal模式4和有限公司2和定期校准H2和H2年代的气体。另外,校准也是由2点测量使用参考气体。沼气中甲烷浓度也分析了GC根据TCVN 8715 - 2011。

2.3。应用动力学方程

COD降解被认为是应用程序的以下动力学。

一阶动力学:

二阶动力学:

2.3.1。莫诺模型

莫诺动力学模型是当给定一个完整的混合系统,它能够找出特定底物利用率与增长率(14]。底物浓度的变化率是微不足道的稳定状态的条件;莫诺方程可以给出reparametrized形式: 在哪里r苏底物利用率(g / m3天),鳕鱼o增长的限制性底物的浓度(g / m3),鳕鱼t其余的底物浓度(g / m3),荷尔蒙替代疗法是水力停留时间(天)k1是一阶速率常数(1 /天),然后呢k2是二阶速率常数(m3/ g)。

斜率k1可以通过策划((鳕鱼o−鳕鱼t)/荷尔蒙替代疗法)与鳕鱼t在方程(3)。一阶反应和莫诺退化模型也适用于合成高COD废水的生物降解动力学使用microalgal物种小球藻pyrenoidosa(10]。

2.3.2。Stover-Kincannon模型

这是设计开发的概念描述总OLR和建立生物膜反应器的动力学模型。Stover-Kincannon模型发现最好的数学模型底物去除率的演示。这个方程被用来计算反应堆体积和废水有机浓度在稳定状态条件下反应器操作。底物利用率仅视为一个函数的OLR见以下方程: 在哪里KB饱和值常数和吗U马克斯是最大的利用率。

饱和值表明衬底被微生物,以及最大利用率显示最大基质已经被好氧生物与时间。当策划(荷尔蒙替代疗法/(鳕鱼o−鳕鱼t)和(荷尔蒙替代疗法/鳕鱼o),线性关系将得到的一阶动力学U马克斯和KB识别。

3所示。结果与讨论

3.1。流体猪舍污水的特点

48抽样调查的结果显示的特点,猪舍污水用作半工业规模的影响废水厌氧MBBR系统总结在表1。

表1
的特点影响半工业规模的猪舍污水厌氧MBBR。

可以看出,除了pH值,所有关键参数影响猪舍污水不符合排放标准。特别是高有机质含量与COD和BOD值超过50 - 60倍相比,标准的监管qcvn01 - 79: 2011 / BNNPTNT列B,和大约20倍相比,QCVN 62: 2016 / BTNMT列B . TSS TN、TP和内容也被发现是非常高的,分别是这边是,3,10 - 13倍的监管标准。

3.1.1。pH值变化

pH值被认为是其中一个最敏感的厌氧过程中环境参数。反应堆的稳定和缓冲能力反映在反应堆废水的pH值。入渗和猪舍污水废水的pH值变化的半工业规模MBBR期间操作表明,pH值不同的细菌成长的最佳pH值中性范围内(图2)。此外,废水的pH值发现有点低于入渗。形成的原因可能是因为vfa在降解过程中,并不是所有vfa被转换为甲烷。我们可以看到在图3,沼气和甲烷产量最高达到0.35和0.22 L / gCOD转换,分别。


图2
MBBR的pH值变化在操作系统(n= 3)。

图3
沼气和甲烷生产产量在不同的荷尔蒙替代疗法。

pH值范围内推荐的健康的环境甲烷形成细菌消化池(6.8 - -7.4)15,16]。然而,在实践中,消化过程可以使用pH范围为6.5 - -8.0 (17]。这些pH值范围也减少游离氨的毒性和free-volatile脂肪酸(18]。

研究太阳et al .,低pH值(约5.0)引起的抑制效应在厌氧消化产甲烷生物质能。观察到,在pH值为5.1,具体分解率增长了约10倍而pH值7.0 [19]。然而,在这项研究中,影响pH值不适应酸性水平,以确保适当的废水pH值从6.5到7.5在接下来的治疗阶段。

3.2。COD去除率和生物降解动力学
3.2.1之上。COD去除效率

图4表明,与olr 10、15和18 kgCOD / m3天,入渗鳕鱼不同范围的5.2 - -5.8 g / L和相当稳定的均衡。废水COD值的范围从1.1到1.8 g / L。获得的COD去除效率相对较高,主要是在66 - 78%的范围。然而,污水废水尚未满足允许标准,应该应用和进一步治疗步骤。研究结果不一致的结果Esmaeilirad et al ., COD去除效率的半工业规模MBBR(30米3)显然依赖于荷尔蒙替代疗法和入渗鳕鱼。COD去除效率从65 - 80年增至近90%按照荷尔蒙替代疗法和48小时鳕鱼范围从550到1500 mg / L (9]。有机降解功效对TOC值显著影响入渗减少90和38% TOC浓度得到1000和5000 mg / L影响COD废水,分别为(10]。然而,在小型实验室规模厌氧填充柱反应器(6升),发现COD去除效率非常低,介于5 - 35%之间为应用olr (1 - 8 g / L天20.]。


图4
在不同的olr COD去除效率。

在实验室规模,Chiemchaisri等人使用一个集成的回流系统结合1.5×1.5×1.5厘米3多孔材料(UAFF-upflow厌氧浮动过滤器)创建一个微生物膜对鳕鱼和去除悬浮固体在厌氧条件下猪污水处理(21]。性能较高的COD去除率达到89%可能由于较低的olr,从4.2到6.1 gCOD / L的一天。

根据Sombatsompop等的研究。22),比较了SBR系统MBBR使用多孔轴承材料治疗猪废水在低有机负荷的0.59 - -2.36 kgCOD / m3天,COD去除效率的两个系统负载从1.18到2.36 kgCOD / m3天达到80%以上。随着负载的增加,MBBR系统提供了更好的处理效率和稳定性比SBR系统。

3.2.2。一线和二阶动力学

COD降解率测定通过应用一线和二阶动力学和莫诺和Stover-Kincannon模型。基于方程(1)- (3)和(5),影响COD值(角之间的关系o(COD)和废水COD值t半工业规模的厌氧MBBR调查期间连续消化时间来确定哪种模式是最适合实验数据。

根据图5,COD降解似乎与第一和二阶动力学与高回归系数(R2值)分别为0.84和0.93。这些结果和一些以前的研究发现R2值从0.75到0.98 (8,23]。的k1和k2值被发现是0.9144 /天,0.7459 L / g的一天。与先前的研究相比,数据收集在不同的操作时间,20 - 30天(8];60 - 80天(9,24];120天(25),没有显著差异的一线和二阶速率常数。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
一阶(a)和二阶(b)的COD降解动力学半工业规模MBBR。

Laowansiri等人研究了鸡在UASB处理屠宰废水的动力学系统,鳕鱼的内容400年,800年、1200年和1600年在pH值为7.00±0.02 mg / L。结果表明,反应顺序鸡屠宰废水的降解有更高的鳕鱼内容从800到1600 mg / L与一阶动力学模型匹配,而二阶动力学是一个更好的适合在低角(400 mg / L)。也发现沼气生产产量增加而增加鳕鱼内容和荷尔蒙替代疗法。最高的沼气生产沼气量达到267.0毫升(64.03% CH4)废水的COD浓度在1600 mg / L(30天8]。

3.2.3。莫诺模型

在方程(3),k1从直线的斜率值确定策划(鳕鱼o−鳕鱼t)/荷尔蒙替代疗法和鳕鱼t。从图6,k1值为2.804,3.248和2.393 /天荷尔蒙替代疗法均获得0.56,0.37,和0.3天,分别。然而,除了荷尔蒙替代疗法是0.56天,回归系数(R2)获得0.90;短的荷尔蒙替代疗法降低了R2值大约0.40 - -0.44,这表明,实验数据不符合一级动力学。这一发现是在协议与Esmaeilirad等人的研究k1值为3.463 /天确定相关系数为0.41 (9]。消极的标志k1在所有3方程表明,鳕鱼t增加,(COD的值o−鳕鱼t)/荷尔蒙替代疗法减少由于鳕鱼o和荷尔蒙替代疗法被认为是常数。


图6
莫诺模型图半工业规模的COD去除率MBBR不同的荷尔蒙替代疗法。

Abu-Reesh调查labaneh乳清的厌氧消化100 L批反应堆和监控沼气生产和化学需氧量(COD)的内容随着时间的推移。四个莫诺的动力学模型,物流,Contois, Tessier研究与模型预测与实验数据相比对鳕鱼的内容。研究结果表明,实验数据拟合的四个模型Tessier模型被发现适合稍微比其他测试模型(26]。

在影片部分包装上流式厌氧固定(UAF)反应器合成橡胶废水COD的6355 - 6735 mg / L和批处理操作五17荷尔蒙替代疗法,14日,10、8和5天,使用莫诺模型分析了实验数据,修改Stover-Kincannon模型和格劳二阶模型。结果表明,数据最匹配与格劳二阶模型(12]。通过应用数据在莫诺动力学模型,它能够获得动力学参数对五氯苯酚(PCP)和2,4,6三氯酚。该模型能够预测同时multisubstrate PCP的降解与其他CPs [11]。

3.2.4。Stover-Kincannon模型

这个模型最初是由Borghei [27MBBR),申请了部分包装上流式厌氧固定膜反应器处理低威力合成橡胶废水(12]。方程被用来研究特定底物的去除率之间的关系和有机加载速率28]。Stover-Kincannon模型(图的应用7)显示相关的荷尔蒙替代疗法/(鳕鱼o−鳕鱼t)与荷尔蒙替代疗法/鳕鱼o。可以看到从方程的线性关系,饱和值常数(KB)和最大利用率(U马克斯)在Stover-Kincannon模型被确定为52.40 g / L和82.65 g / L的一天。的R2值被发现是0.98,表明实验数据完全符合这个模型。结果同意研究Esmaeilirad et al。9]和Kapdan [20.]。然而,在他们的研究中,KB(12.32和37.9 g / L)U马克斯(11.74和12.9 g / L)都低得多,而R2价值是非常高的和类似的(0.99和0.97)。


图7
Stover-Kincannon模型图半工业规模的COD去除率MBBR。

更高效率的衬底被微生物(代表KB)和最大基质被有氧生物根据时间(代表U马克斯)可能是由于有氧和厌氧降解条件的差异和60 - 178天的操作时间,分别Esmaeilirad等的研究(9),本研究。Stover-Kincannon模型应用的小型反应堆UAF预测过程。报道,常量KB和U马克斯6.57和6.31 g / L天了,分别是(12]。

基于计算动能系数和回归系数,Stover-Kincannon模型和莫诺模型安装0.56天的荷尔蒙替代疗法优于一阶模型和莫诺模型和2短荷尔蒙替代疗法来预测半工业规模的性能MBBR(表2)。

表2
总结计算动能系数和回归系数。
3.3。沼气和甲烷生产

图3显示了半工业规模的沼气生产产量MBBR 3荷尔蒙替代疗法。可以看出,沼气生产的减少降低荷尔蒙替代疗法从0.56到0.3天是依照olr的增加10到18 kgCOD / m3的一天。在第一个80天,MBBR系统稳定运行;沼气产量被发现大多在0.2到0.3 L / g鳕鱼转换。有时,沼气生产产量达到顶峰的0.34 - -0.35 L / g鳕鱼转换,而甲烷产量达到多数的范围0.15 - -0.23 L / g鳕鱼转换。如果COD / VS比率从1.2到1.6被认为是研究报告的布洛克et al。29日)和Hallaji et al。30.),这些结果同意Yiang et al。28]。在Yiang等的研究中,发现了甲烷产量为0.263 L / g和在干燥codigestion系统喂养食物浪费/猪粪(1:1)没有pH值调整。在Laowansiri等的研究8与1600 mg / L),废水COD和30天的行动,获得最高的沼气生产0.267 L / g鳕鱼,和分析甲烷含量为64.03%。

沼气生产产量被发现低于先前的研究的报告数据31日,32]。这可能是由于影响衬底的区别。研究Hallaji et al。30.),食物浪费和牛泥浆被用于实验室规模批量厌氧消化器。提高沼气产量得到食物浪费,0.435 L CH4/ g和美联储。沼气产量的数量还取决于其他基质和过程。最大的沼气生产产量达到0.61 - -0.93 L / g和能源作物和动物粪便浆饲料(33]。

动力学沼气生产食物垃圾的厌氧消化单级反应器研究了使用一阶动力学和修改后的龚帕兹和逻辑函数模型。它是发现,在三种模型中,修改后的龚帕兹模型是最好的符合实验数据。荷尔蒙替代疗法的影响研究的结果表明,荷尔蒙替代疗法从35到124天发挥了重要作用在控制的稳定性和性能退化过程。荷尔蒙替代疗法明显影响中间代谢,沼气产量,甲烷产量和去除效率(34]。然而,在哈桑和尼尔森的研究(35),其他因素,如类型的微生物,饲料C: N比率,荷尔蒙替代疗法,反应堆设计、温度、pH值控制,氢压力、添加剂进行调查,以评估他们的效率和稳定性影响厌氧消化过程。

每日测量沼气生产沼气和累积量如图8。这是发现,在第一次10天,沼气不断上升,达到大约10米3/天。在那之后,它大大增加了22米3在17 /天th的一天。18之间th一天80th天,每天产生的沼气量波动在20 - 30米的范围3/天,有些时候,甚至达到了顶峰约35米3/天。然后,沼气生产似乎减少,尤其是从150年th的一天。累计沼气体积逐渐上涨,达到约35003在整个消化过程的178天。


图8
沼气生产和累积曲线在半工业规模的厌氧消化MBBR。

如图8对沼气产量的变化随着时间的推移,接受输入olr的影响可能是由于夏季和冬季之间的温差。MBBR系统2019年6月开始营业,所以头70 - 80天的温度至少5 - 15°C高于后期(秋季和冬季)。因此,分解和沼气生产的效率更高。此外,由于新的小猪窝6月(小猪的平均重量是10 - 12公斤),12月的出口(重量约为100 - 120公斤),可以输入废水成分可能被打扰。在养殖过程中,根据猪(农业)的时代,不同的食物和农业保障条件。不幸的是,这些组件在本研究没有彻底理解。

甲烷的比例在沼气主要从70%到65不等MBBR稳定运行15th直到120年th的一天。从那时起,CH的百分比4内容已经下降到60 - 67%。同时,沼气产量的结果也相应的减少废水的COD值在不同的olr(图9)。这是在协议与Maragkaki [33)的甲烷占67%,高于Hallaji等的研究。30.)和1月Moestedt et al。36]。甲烷浓度变化约400 mg / L。为了演示沼气生产,重要的是要考虑的重要参数与强调过程,利用废物如基质、VFA浓度,和抗生素。此外,由于缺乏有关沼气生产的信息建模,一些有效的方法来解决这个问题得到解决17,37]。


图9
半工业规模生产的沼气甲烷含量MBBR。

4所示。结论

半工业规模的厌氧MBBR治疗系统是一个适当的解决方案与高olr猪舍污水。olr的10、15和18 kgCOD / m3天,5.2 - -5.8 g / L的入渗鳕鱼,COD去除效率高了68 - 78%的范围。

第一,二阶动力学和莫诺和Stover-Kincannon模型应用于有机降解过程进行调查。结果发现最后一个模型是最适合的R20.98和饱和值常数(KB)和最大利用率(U马克斯)的52.40 g / L和82.65 g / L,分别。第一,与所有3荷尔蒙替代疗法和莫诺二阶动力学模型的荷尔蒙替代疗法也与高0.56天R2值。因此,这些动力学和模型可以进一步被认为是用于预测的动力学特征在猪舍MBBR系统治疗过程。

发现沼气的产量和甲烷生产主要是分别在0.2到0.3和0.15 - -0.20 L / g鳕鱼转换,分别。这是因为半工业规模从80年天17 MBBR系统稳定运行。有些日子,沼气产量达到0.34 - -0.35 L / g。在稳定运行阶段,沼气的累积量波动从20到30米3/天,达到大约3500米3在天之消化过程。沼气中的甲烷含量约为65 - 70%,浓度约为400 mg / L。

数据可用性

数据都是在我们实验室在环境科学教师,VNU科学大学334阮火车,Thanh宣,河内,越南,和环境监测中心和建模、VNU科学大学334阮火车,Thanh宣,河内,越南。手稿中的数据可以在环境科学教师,访问VNU科学大学334阮火车,Thanh宣,河内,越南,和环境监测中心和建模、VNU科学大学334阮火车,Thanh宣,河内,越南。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者要感谢全国协议项目NĐT 31。JPA / 17北九州大学的合作,日本的资金和技术支持。