厭氧水解—二段生物接觸氧化法處理生活污水動力學(xué)研究

摘要：利用厭氧水解-二段生物接觸氧化法處理生活污水的小試試驗(yàn)，對該工藝的基質(zhì)降解動力學(xué)進(jìn)行分析。根據(jù)反應(yīng)器內(nèi)基質(zhì)消耗過程的物料平衡，推算出工藝降解有機(jī)物的動力學(xué)模型及相關(guān)動力學(xué)常數(shù)。

關(guān)鍵詞：厭氧水解；二段生物接觸；生活污水；動力學(xué)研究

中圖分類號：X703.1；X799.3 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2013）20-4923-03

Dynamic Studies on Treatment of Domestic Sewage by Anaerobic Hydrolysis-Binary Biological Contact Oxidation

CHEN JUN-fen，TIAN Liu，ZHANG Li，QU CHUN-xiang，ZHENG Hai-teng，MA Yu-bao，DAI Jie

（College of Chemistry and Environmental Engineering， Yangtze University， Jingzhou 434023， Hubei， China）

Abstract： Based on the small-seake experiments of domestic sewage treatment with anaerobic hydrolysis-binary biological contact oxidation， substrate degradation dynamics of the process was analyzed. According to the material balance of the substrate consumption in reactor， the dynamic model and the relevant dynamic constants of the degradation of organics were calculated.

Key words： anaerobic hydrolysis； binary biological contact oxidation； domestic sewage； dynamic studies

二段生物接觸氧化法（以下簡稱二段法）是將傳統(tǒng)生物接觸氧化池分為兩段，可以充分發(fā)揮同類微生物種群的協(xié)同作用，克服不同微生物種群間的拮抗作用，大大提高處理效率[1，2]。目前國內(nèi)外該類裝置的設(shè)計(jì)大都根據(jù)污水量標(biāo)準(zhǔn)或經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)公式確定處理單元的大小[3]。數(shù)理模型可表征污水處理過程中污染物降解等參數(shù)之間的定量關(guān)系，可用于指導(dǎo)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。應(yīng)用數(shù)學(xué)模型對水解酸化—二段生物接觸氧化工藝處理污染物的機(jī)理過程進(jìn)行分析，計(jì)算出基質(zhì)降解動力學(xué)參數(shù)，以期為工藝的最優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行研究提供依據(jù)。

1 工藝流程

試驗(yàn)裝置如圖1所示，由鋼化玻璃制成，池體內(nèi)設(shè)擋板將其分為三部分，1個(gè)厭氧水解池，2個(gè)生物接觸氧化池，每個(gè)池的有效容積為9.2 L，有效水深184 mm，總有效容積為27.6 L。

系統(tǒng)采用空壓機(jī)供氣，曝氣沙頭曝氣，曝氣量由玻璃轉(zhuǎn)子流量計(jì)控制。反應(yīng)器通過蠕動泵從厭氧端進(jìn)水，經(jīng)降解處理后由好氧端出水。厭氧水解池和A段生物接觸氧化池內(nèi)填料為美國科恩公司生產(chǎn)的懸掛式生物帶，B段生物接觸氧化池內(nèi)填料為湖北科亮生物環(huán)保公司生產(chǎn)的懸浮式蜂窩填料。兩種填料性能比較見表1。

試驗(yàn)期間污水取自長江大學(xué)校園生活污水，進(jìn)水pH 7.0～7.5，化學(xué)需氧量（CODCr）90～150 mg/L，NH4+-N 20～40 mg/L，固體懸浮物（SS）100～150 mg/L。水質(zhì)分析采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法： NH4+-N采用納氏試劑光度法測定；NO3--N采用酚二磺酸分光光度法測定；NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法測定；CODCr采用重鉻酸鉀法測定。

2 動力學(xué)模型的建立

2.1 厭氧水解段

方春玉等[4]通過對厭氧生物流化床處理啤酒廢水動力學(xué)研究得出，厭氧反應(yīng)器中混合基質(zhì)的降解模型用Monod關(guān)系表示時(shí)可能會產(chǎn)生較大誤差。本試驗(yàn)厭氧段選擇Eckenfelder模式[5]，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，可得

Us=K2Se=（S0-Se）/xt （1）

式中，Us為基質(zhì)的比去除速度；S0、Se為進(jìn)、出水基質(zhì)濃度；t為水力停留時(shí)間；x為微生物濃度；K2為動力學(xué)常數(shù)。

依據(jù)公式（1）得厭氧段試驗(yàn)結(jié)果見表2。

以Se為橫坐標(biāo)，Us為縱坐標(biāo)作圖，得圖中曲線斜率即K2=0.000 8（圖2），去除0.003 9的誤差，得水解段基質(zhì)降解動力學(xué)模型為Us=0.000 8Se，相關(guān)系數(shù)R=0.967 4。

2.2 好氧接觸段

生物降解有機(jī)物是一個(gè)非常復(fù)雜的過程，在研究好氧動力學(xué)時(shí)必須有以下假定[6]：整個(gè)工藝處理系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)；反應(yīng)器內(nèi)溶液處于完全混合狀態(tài)，微生物濃度和底物濃度不隨反應(yīng)器位置而變化；進(jìn)入生物反應(yīng)器的污水基質(zhì)為溶解態(tài)，并且不含有微生物群體；生物膜量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水中懸浮生物固體含量，水中懸浮生物量可以忽略。

根據(jù)顧夏聲[7]所提出的接觸氧化動力學(xué)模型，有以下物料平衡公式：

QS0+（ds/dt）AVA+（ds/dt）SVS=QSe （2）

式中，Q為進(jìn)水流量；VA為附著生物膜體積；VS為反應(yīng)器內(nèi)混合液體積；（ds/dt）A單位體積附著生物膜去除基質(zhì)的速率；（ds/dt）S單位體積懸浮生物去除基質(zhì)的速率。

由于生物接觸法處理污水微生物主要吸附于填料上，（ds/dt）A要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于（ds/dt）S，所以公式（2）可以改寫為：

Q（S0-Se）=-（ds/dt）AVA （3）

因?yàn)?/p>

（dX/dt）A=-Y0A（ds/dt）A （4）

（dX/dt）A=μAXA （5）

所以

Q（S0-Se）=■Nad （6）

式中，XA為附著相生物膜質(zhì)量濃度；μA為附著生物膜比增長速度；Y0A為附著生物膜表觀產(chǎn)率；N為填料體積；a為填料比表面積； d為生物膜厚度。

利用Monod經(jīng)典方程：

μ=■ （7）

式（6）轉(zhuǎn)化為

Q（S0-Se）=■×Nad×■ （8）

令

U=■和Umax=■ （9）

得到

U=■ （10）

式中，U為單位面積填料基質(zhì)去除速度；Umax最大基質(zhì)去除速度；Ks有機(jī)基質(zhì)飽和常數(shù)。

當(dāng)基質(zhì)濃度Ks遠(yuǎn)大于Se，則

U=UmaxSe/Ks=KSe （11）

式中，K為常數(shù)。

對式（10）求倒數(shù)則有

■=■×■+■ （12）

當(dāng)污水中含有不可降解基質(zhì)時(shí)，則Se分為可降解部分和不可降解部分，不可降解部分用Sn表示，則式（11）、（12）分別變換為

U=K（Se-Sn） （13）

■=■×■+■ （14）

有機(jī)基質(zhì)飽和常數(shù)Ks和Umax的大小與基質(zhì)性質(zhì)、微生物種類、填料種類和性質(zhì)及環(huán)境因素密切相關(guān)。本研究中，A、B兩段生物接觸氧化池采用不同的填料，填料總體積為0.001 746 m3，總比表面積約為1 563.57 m2/m3，總表面積約為2.73 m2。好氧段試驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析結(jié)果如表3所示。

利用公式（13），以試驗(yàn)數(shù)據(jù)為依據(jù)，U為縱坐標(biāo)、Se為橫坐標(biāo)作圖，得到一元線性回歸方程，見圖3。圖中直線斜率為一級反應(yīng)常數(shù)0.082 4，X軸上的截距為0.780/0.082 4=9.47，即為不可降解基質(zhì)濃度Sn，即出水中不可降解基質(zhì)濃度Sn=9.47 mg/L。

以1/（Se-Sn）為橫坐標(biāo)、1/U為縱坐標(biāo)作圖，得到一元線性回歸方程，見圖4。圖中直線在Y軸上的截距即為1/Umax=0.013 6，所以Umax=73.53 g/（m2·d），由斜率Ks/Umax=11.665 67，所以Ks=857.78。

對圖3、圖4中一元線性回歸方程進(jìn)行相關(guān)性系數(shù)檢驗(yàn)[8]，在a=0.05的相關(guān)性水平下，自變量個(gè)數(shù)為1，剩余自由度分別為2和3，查得R分別為0.950和0.878，由圖3、圖4可知，兩回歸方程的R分別為0.988 6和0.991 7，所以相關(guān)性系數(shù)均能達(dá)到要求。因此好氧接觸段基質(zhì)降解動力學(xué)模型為：

U=■，其R=0.991 7。

3 結(jié)論

常溫下，厭氧水解-二段生物接觸氧化法處理生活污水對CODCr、NH4+-N、SS的平均去除率分別為82%、98%、90%。

通過改變水力停留時(shí)間，得出不同工況下反應(yīng)器運(yùn)行參數(shù)。根據(jù)基質(zhì)消耗物料平衡，得出厭氧水解-二段生物接觸氧化法處理生活污水動力學(xué)模型，厭氧水解段為Us=0.000 8Se，好氧生物接觸氧化段為U=■。

參考文獻(xiàn)：

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