硝化反应过程中pH值变化的研究及数值模拟

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由硝化细菌催化氨氮氧化的硝化作用是氮循环的关键步骤,也是现代污水处理厂生物处理氨氮废水的重要环节。由于硝化反应过程伴随着质子的释放和碱度的消耗,导致整个系统的pH值下降,当pH值过低时,将严重影响硝化反应的进程。本文通过建立硝化模型和pH模型,模拟硝化反应过程中pH值、氨氮、亚硝态氮以及硝态氮的变化,并通过实验加以验证。 硝化模型的建立以活性污泥3号模型(ASM3)的硝化反应部分为基础,进行三处改进,包括修改原一步硝化反应为亚硝化-硝化两步反应;在模型中加入SIC变量,描述无机碳在硝化反应中的变化,并用于与pH模型的衔接,去除原有变量SALK;增加CO2扩散这一工艺过程。硝化模型中有众多参数,其中表征硝化细菌生长最关键的参数是最大比增长率μAOB、μNOB,μNOB的取值根据硝酸盐的质量浓度变化,μAOB的取值根据经验公式:μAOB/μNOG≈0.60。 pH模型的建立依据是电荷守恒,在硝化反应过程中,影响pH值变化的主要物质有:SNH4,SNO2和SIC,所以本文通过如下电荷守恒方程建立模型:△CH=H+-OH-+NH4+-NO2--HCO3--2CO32--NO3-+Z+。 硝化反应实验采用两个有效容积为5L的反应器,种泥取自广州猎德污水处理厂,实验内容包括以下两个方面: 污泥驯化以及活性实验,污泥驯化包括3个阶段共55天,经过驯化后的硝化细菌的氨氮去除率达到80%以上。在三个阶段的活性实验中,pH值曲线均为下降-上升型,pH值出现最低点的时间与硝化反应完成时间相吻合,即氨氮浓度下降至最低,硝态氮浓度上升至最高,亚硝态氮浓度整体趋势为先上升后下降,中间有波动。碱度变化实验。分别取NaHCO3:NH4+-N:P为50:5:1、35:5:1和20:5:1进行实验。在这三组实验中,pH值曲线均为下降-下降型,碱度的降低,导致pH值下降幅度增大、氨氮去除率下降以及硝化反应时间减短,硝化细菌活性受抑制,反应不完全。实验证明,若要保证硝化反应进行完全,NaHCO3:NH4+-N>10:1。 用模型模拟三个阶段活性实验过程中氨氮、亚硝态氮、硝态氮和pH值的变化,其中氨氮与硝态氮的模拟比较理想,但亚硝态氮的模拟与实测值有一定的差距,pH模拟的最低值高于实测最低值,且出现的时间点与实测有一定差别,但总体模拟结果较理想。
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