MBR處理制藥廢水中動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定

張勇峰，周子鵬，王延濤，馮志安

(1.鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450002;2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系，河南南陽 473000; 3.山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030001;4.太原市華特森環(huán)境技術(shù)有限公司，山西太原 030024)

MBR處理制藥廢水中動(dòng)力學(xué)參數(shù)測(cè)定

張勇峰1，周子鵬2，王延濤3，馮志安4

(1.鄭州大學(xué)綜合設(shè)計(jì)研究院有限公司，河南鄭州 450002;2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)工程系，河南南陽 473000; 3.山西省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，山西太原 030001;4.太原市華特森環(huán)境技術(shù)有限公司，山西太原 030024)

根據(jù)膜生物反應(yīng)器的特點(diǎn)，利用Lawrence-McCarty模式建立了膜生物反應(yīng)器處理廢水時(shí)的污泥增殖動(dòng)力學(xué)模型和底物降解動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)MBR處理諾氟沙星制藥廢水的試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算出了動(dòng)力學(xué)常數(shù)Y、Kd、Vmax、和Ks，分別為0.31、0.01、0.32、270.22。

MBR;諾氟沙星制藥廢水;動(dòng)力學(xué)參數(shù)

0 引言

多年以來，廢水生物處理在設(shè)計(jì)和運(yùn)行上大多依據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)。自20世紀(jì)50年代以來，國外一些學(xué)者開始在廢水生物處理動(dòng)力學(xué)方面做了大量工作，并已經(jīng)取得了很多成績(jī)，他們對(duì)此提出了一系列數(shù)學(xué)模型［1-2］，并不斷加深了其在污水生物處理運(yùn)用方面的理論研究水平。目前為止，針對(duì)傳統(tǒng)到活性污泥工藝中的污泥動(dòng)力學(xué)參數(shù)研究較多，結(jié)果基本一致［3］，這些參數(shù)的指導(dǎo)作用也已經(jīng)在工程實(shí)踐中得到了驗(yàn)證。而膜生物反應(yīng)器工藝作為一種相對(duì)新興的污水處理工藝，在污泥動(dòng)力學(xué)參數(shù)方面的研究較少，尤其是對(duì)于各工業(yè)廢水處理中MBR工藝污泥動(dòng)力學(xué)參數(shù)的研究比較缺乏。

本研究根據(jù)膜生物反應(yīng)器的特點(diǎn)，利用Lawrence-McCarty模式建立了膜生物反應(yīng)器處理廢水時(shí)的污泥增殖動(dòng)力學(xué)模型和底物降解動(dòng)力學(xué)模型，并根據(jù)MBR處理諾氟沙星制藥廢水的試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)計(jì)算出了動(dòng)力學(xué)常數(shù)Y、Kd、Vmax、和Ks，為膜生物反應(yīng)器在該類廢水中的運(yùn)行控制和設(shè)計(jì)優(yōu)化提供理論依據(jù)。

1 動(dòng)力學(xué)模型的假定

在對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模式進(jìn)行推導(dǎo)之前，為了建立數(shù)學(xué)模式的需要，先對(duì)反應(yīng)器模型做幾點(diǎn)假定:①整個(gè)處理系統(tǒng)的運(yùn)行是在穩(wěn)定狀態(tài)下，反應(yīng)器中微生物濃度及有機(jī)底物濃度不隨時(shí)間變化，為一常數(shù);②生物處理反應(yīng)器按完全混合和均勻分布考慮，即整個(gè)反應(yīng)器中微生物濃度和有機(jī)物底物濃度不隨位置變化，為一常數(shù);③反應(yīng)過程中，微生物氧的供應(yīng)充分。

2 污泥增殖動(dòng)力學(xué)模式

2.1 污泥增殖動(dòng)力學(xué)方程式的建立

膜生物反應(yīng)器的物料平衡圖見圖1。

圖1 反應(yīng)器物料平衡圖

根據(jù)膜生物反應(yīng)器物料平衡圖，建立底物濃度和污泥濃度的物料平衡方程如下［4］:

式中:X、Xi、Xe、Xw分別為反應(yīng)器、進(jìn)水、出水、排放剩余污泥污泥濃度，mg/L;S、Si、Se、Sw分別為反應(yīng)器、進(jìn)水、出水、排放混合液中底物濃度，mg/L;Qi、Qe、Qw分別為反應(yīng)器進(jìn)水水量、出水量、混合液排放量，m3/d;Rg，污泥增殖速率，d-1;R0，有機(jī)物底物降解速率，d-1;V，反應(yīng)器體積，L;t，反應(yīng)時(shí)間，d。

根據(jù)基本假定內(nèi)容及膜生物反應(yīng)器的獨(dú)特性，則有:

式中:Ssup，反應(yīng)器上清液中的COD濃度。Yobs，污泥表觀產(chǎn)率系數(shù):

以Y表示污泥理論產(chǎn)率系數(shù)，mgVSS/mgCOD;Kd，微生物衰減系數(shù)，d-1。則Yobs與Y之間存在如下關(guān)系:

式中:SRT，生物固體停留時(shí)間，d。

由實(shí)際情況，可知:

式中:HRT，水力停留時(shí)間，d。

整理式(1)至式(6)，可得:

把式(6)代入式(7)則有:

又由式(6)可得:

根據(jù)式(7)和式(9)，如果已知膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)進(jìn)水質(zhì)Si、出水水質(zhì)Se、混合液上清液COD濃度Ssup、反應(yīng)器中微生物濃度X及運(yùn)行參數(shù)SRT、HRT等，則可求出污泥表觀產(chǎn)率Yobs，并與相應(yīng)的SRT做圖，進(jìn)而可求得參數(shù)Y、Kd。

2.2 參數(shù)Y、Kd的確定

利用MBR工藝處理諾氟沙星制藥廢水時(shí)的試驗(yàn)運(yùn)行數(shù)據(jù)及運(yùn)行參數(shù)，對(duì)幾種不同污泥齡(SRT)時(shí)的污泥表觀產(chǎn)率Yobs進(jìn)行計(jì)算，各條件下的運(yùn)行參數(shù)及Yobs計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 各運(yùn)行參數(shù)及Y obs計(jì)算值

根據(jù)式(9)，并由上表中值和相應(yīng)SRT值做回歸分析圖，回歸曲線圖見圖2。

圖2 污泥增殖動(dòng)力學(xué)參數(shù)回歸曲線

由圖2線性回歸(相關(guān)系數(shù)R2=0.811 3)可知:

由式(10)及式(11)計(jì)算可得到該系統(tǒng)的兩個(gè)動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別為:Y=0.31 mgVSS/mgCOD;Kd= 0.01 d-1。傳統(tǒng)活性污泥法生物處理系統(tǒng)中這兩個(gè)動(dòng)力學(xué)常數(shù)變化范圍分別為0.4～0.6 mgVSS/mg-COD和0.06～0.12 d-1，由此可見，膜生物反應(yīng)器在處理諾氟沙星制藥廢水時(shí)動(dòng)力學(xué)常數(shù)Y和Kd要比傳統(tǒng)活性污泥法偏低。并且，把兩常數(shù)代入式(9)，可得到該系統(tǒng)中的污泥增長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模式，用下式表示:

3 底物降解動(dòng)力學(xué)模式

3.1 模式的建立

有機(jī)物底物比降解速度方程可描述為:

式中:V，有機(jī)物底物比降解速率，d-1;Vmax，有機(jī)物底物最大比降解速率，d-1;Ks，飽和常數(shù)，為μ =1/2μmax時(shí)的底物濃度，也稱半速度常數(shù)，mg/L;S，有機(jī)物底物濃度，mg/L。

勞倫斯—麥卡迪(Lawrenee-McCarty)在莫諾特方程的基礎(chǔ)上，提出了勞倫斯—麥卡迪第二基本方程式:

式中:Xa，反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度，即活性污泥濃度，mg/L。

又根據(jù)廢水有機(jī)底物降解速率定義有:

運(yùn)行穩(wěn)定情況下，完全混合曝氣池內(nèi)各點(diǎn)的有機(jī)物濃度可認(rèn)為是相同的，并且由于膜生物反應(yīng)器的獨(dú)特性，其反應(yīng)器內(nèi)有機(jī)物濃度應(yīng)以混合液上清液有機(jī)濃度計(jì)，Ssup。同時(shí)，在計(jì)算動(dòng)力學(xué)參數(shù)時(shí)其出水也應(yīng)以Ssup計(jì)。以Ssup代替式(14)及式(15)中S和Se，并整理可得:

對(duì)式(16)取倒數(shù)并整理有:

3.2 動(dòng)力學(xué)參數(shù)Ks及Vmax的確定

根據(jù)表1中數(shù)據(jù)，并進(jìn)行整理可得到表2。

表2 有機(jī)物底物降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)計(jì)算表

對(duì)表2中的S做線性關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 底物降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)回歸曲線

由圖3的回歸分析(相關(guān)系數(shù)R2=0.848 2)可得到:

聯(lián)立式(18)及(19)并計(jì)算可得，反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別為:Vmax=0.32，Ks=270.22，因此，膜生物反應(yīng)器在處理諾氟沙星制藥廢水時(shí)，其有機(jī)底物降解動(dòng)力學(xué)模式可用下式表示:

4 結(jié)論

通過對(duì)膜生物反應(yīng)器處理諾氟沙星制藥廢水時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)分析，試得出該系統(tǒng)的污泥增殖動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別為:Y=0.31 mgVSS/mgCOD;Kd=0.01 d-1，明顯低于傳統(tǒng)活性污泥工藝。該系統(tǒng)的污泥增長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模式，用下式表示:

反應(yīng)器中該污泥降解動(dòng)力學(xué)常數(shù)分別為:Vmax=0.32，Ks=270.22，其有機(jī)底物降解動(dòng)力學(xué)模式可用下式表示:

［1］ Heren M，Wisniewski C，Orantes J，et al.Measurement of kinetie parametersina submerged aerobiemembranee bioreaetor fed on aeetate and operated without biomass discharge［J］.Biochemical Engineering Journal，2008，38 (l):70-71.

［2］ Xianghua Wen，Chuan hong Xing，Yi Qian.A kinetic model for the prediction of sludge formation in a mem branebioreaetor［J］.ProcessBiochemistry，1999，35(3-4):249-254.

［3］ 顧夏聲，廢水生物處理數(shù)學(xué)模式.2版［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1993.

［4］ 顧國維，何義亮.膜生物反應(yīng)器—在污水處理中的研究和應(yīng)用［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.

Determ ination of Kinetic Parameters of MBR Process in PharmaceuticalW astewater Treatment

ZHANG Yong-feng1，ZHOU Zi-peng2，WANG Yan-tao3，F(xiàn)ENG Zhi-an4
(1.Comprehensive Design Institute Co.Ltd of Zhengzhou University，Zhengzhou 450002，China; 2.Departmentof Chemical Engineering Henan Polytechnic Institute，Nanyang 473000，Chian; 3.Shanxi Institute of Urban Planning and Design，Taiyuan 030001，China;4.Taiyuan Watson Environment Technology Co.Ltd，Taiyuan 030024，China)

According to the characteristics ofmembrane bioreactor，the sludge proliferation kineticsmodel and the substrate degradation kineticsmodel ofmembrane bioreactor for wastewater treatment is set up by Lawrence-McCartymodel.According to the testing data in MBR for pharmaceuticalwastewater，the kinetic constantsY，Kd，Vmax，andKsis calculated，they are 0.31，0.01，0.32，2，70.22.

MBR;norfloxacin pharmaceuticalwastewater;kinetic constants

TB383

A

1003-3467(2014)04-0031-03

2014-01-25

張勇峰(1983-)，男，工程師，從事水處理研究工作，E-mail:zyfeng20@126.com。