Carrousel氧化溝中動力學(xué)參數(shù)的測定

鞏書涵，劉玉玲，馬昭，杜浩強(qiáng)，李東旭，張璐

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710048）

廢水處理及回用

Carrousel氧化溝中動力學(xué)參數(shù)的測定

鞏書涵，劉玉玲，馬昭，杜浩強(qiáng)，李東旭，張璐

（西安理工大學(xué)水利水電學(xué)院西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安710048）

以西安市某污水處理廠Carrousel氧化溝工藝為研究對象，在活性污泥2d號模型（ASM2d）的基礎(chǔ)上，運(yùn)用間歇OUR法，測定了該污水處理廠氧化溝內(nèi)自養(yǎng)菌最大比增長速率μmA、異養(yǎng)菌衰減系數(shù)bH和異養(yǎng)菌最大比增長速率μmH的值。測定結(jié)果分別為0.726、0.471和5.200 d-1。測定結(jié)果與國際水協(xié)的推薦值存在差異，分析了存在差異的原因，該測定值可用于污水處理廠后續(xù)模擬與優(yōu)化。

ASM2d；間歇OUR法；比增長速率；衰減速率

近年來，活性污泥數(shù)學(xué)模型（ASM）［1］已逐漸成為污水處理領(lǐng)域中設(shè)計(jì)評估、運(yùn)行優(yōu)化和自動控制的重要工具，在污水處理廠中廣泛應(yīng)用［2-3］?；钚晕勰?d號模型（ASM2d）［4-5］是針對活性污泥系統(tǒng)脫氮除磷機(jī)理而發(fā)展較全面的模型。模型中，降解過程主要包括微生物對有機(jī)污染物的好氧分解、微生物的合成代謝以及自身分解，這些過程都是通過大量的動力學(xué)參數(shù)及化學(xué)計(jì)量參數(shù)描述的?；瘜W(xué)計(jì)量參數(shù)表征了單個過程中各個組分之間相互轉(zhuǎn)換的數(shù)量關(guān)系，動力學(xué)參數(shù)表征了相關(guān)組分濃度對反應(yīng)速率的影響［6］。受污水水質(zhì)和地域環(huán)境的影響，參數(shù)值差異較大，而參數(shù)的測定是模型實(shí)際應(yīng)用的關(guān)鍵。

對眾多的模型參數(shù)都進(jìn)行測定，將會降低模型的實(shí)際應(yīng)用性。國際水協(xié)給出了模型的典型值，對模型不敏感的參數(shù)，可直接采用國際水協(xié)的推薦值。據(jù)相關(guān)報道［7］，對模型有顯著影響的動力學(xué)參數(shù)有自養(yǎng)菌最大比增長速率μmA、異養(yǎng)菌衰減系數(shù)bH和異養(yǎng)菌最大比增長速率μmH。本研究對西安某污水處理廠Carrousel氧化溝工藝活性污泥系統(tǒng)中這3個參數(shù)進(jìn)行測定。以期為工藝模型參數(shù)的確定和模擬提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與水樣

試驗(yàn)研究對象為西安市某污水處理廠三期工程的污水處理系統(tǒng)，采用Carrousel氧化溝工藝，設(shè)計(jì)處理水量為5×104m3／d，進(jìn)水包含城市生活污水和少量生產(chǎn)廢水，污水可生化性好。試驗(yàn)污泥取自污水處理廠好氧段出口混合液。污水取自曝氣沉砂池的出口處。試驗(yàn)前需要對取回的污泥混合液和污水進(jìn)行預(yù)處理：污泥經(jīng)2 mm的紗網(wǎng)過濾，靜置沉淀后排出上清液，加蒸餾水到原體積，連續(xù)充分曝氣一段時間后，再靜置排出上清液，如此重復(fù)2～3次，以消除混合液中殘留有機(jī)物的干擾。污水經(jīng)2 mm的紗網(wǎng)過濾后，自然沉降取上清液保存待用。

所用的耗氧速率測定裝置如圖1所示，其主要原理是通過測定混合液中DO變化速率來確定微生物相關(guān)參數(shù)。裝置由主反應(yīng)器、曝氣系統(tǒng)、DO測定儀和恒溫裝置等組成。通過曝氣砂芯頭向反應(yīng)器內(nèi)充氧，磁力攪拌器用于攪拌反應(yīng)器內(nèi)混合液。

圖1 呼吸計(jì)量裝置Fig.1Respiratory measurement device

1.2 動力學(xué)參數(shù)測定原理及方法

1.2.1 自養(yǎng)菌最大比增長速率

（1）測定原理。自養(yǎng)菌最大比增長速率（μmA）是表征自養(yǎng)微生物生長速率的一個重要參數(shù)。在進(jìn)行模擬和對硝化系統(tǒng)設(shè)計(jì)時，它是確定生物反應(yīng)池尺寸的重要參數(shù)，比半飽和常數(shù)KNH對于廢水的濃度更敏感，而且它能決定防止出現(xiàn)硝化菌流失的最低SRT［8］。因此，測定μmA要盡量準(zhǔn)確。本文以呼吸計(jì)量法［9-11］測定自養(yǎng)菌的最大呼吸速率OUR，間接計(jì)算得到μmA的值。

在DO充足的情況下，活性污泥系統(tǒng)中氧化態(tài)氮SNO濃度的變化與自養(yǎng)菌的增長之間的關(guān)系可用式（1）表示［10］：

式中：YA——自養(yǎng)菌產(chǎn)率系數(shù)，mg［CODCr］／mg［N］，可同時反映亞硝化菌和硝化菌的生長；

SNO——硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度，mg／L；

SNH3-N——NH3-N的質(zhì)量濃度，mg／L；

KNH3-N——自養(yǎng)菌的氨半飽和常數(shù)，g［NH3－N］／m3；

XA——自養(yǎng)菌的質(zhì)量濃度，mg／L。

如果NH3-N的濃度足夠高，即SNH3-N遠(yuǎn)大于KNH3-N，那么上式可簡化為：

此時，自養(yǎng)菌生長速率可用下式近似計(jì)算［10］：

式中：bA——自養(yǎng)菌衰減系數(shù)，d－1。

對上式進(jìn)行積分，得到式（4），即間歇反應(yīng)器中自養(yǎng)菌濃度的計(jì)算公式：

式中：XA0——自養(yǎng)菌的初始質(zhì)量濃度，mg／L。

把式（4）代入式（2），整理得到式（5）：

對式（5）積分得到式（6）：

式中：SNO0——硝態(tài)氮的初始質(zhì)量濃度，mg／L。

由于在試驗(yàn)過程中，同時測定XA0、YA、bA不容易實(shí)現(xiàn)，可以選擇設(shè)計(jì)一個SNO0和XA0較低的試驗(yàn)，假定有下式成立：

則可簡化式（6），并對兩邊取對數(shù)，得到下式：

由式（8）可知，線性表達(dá)式的斜率為（μmA-bA），如果已知bA，就能夠確定μmA。

（2）測定方法。取初沉池的污水，曝氣3～4 h，消除過高有機(jī)負(fù)荷對硝化反應(yīng)的影響，之后測定污水的CODCr、NH3-N、N和濃度。將2 L污水與一定體積的處理過的污泥置于2.5 L的反應(yīng)容器中，保證反應(yīng)器中污泥的初始質(zhì)量濃度為100 mg［VSS］／L。向容器中加入20 mg／L的NH3-N，使NH3-N的初始質(zhì)量濃度在50 mg／L左右，保證自養(yǎng)菌以最大的速率生長。同時，向容器中投加500 mg／L的NaHCO3，調(diào)節(jié)反應(yīng)器的堿度，使pH值保持在7.5～8.0之間。接著利用曝氣砂芯向反應(yīng)器內(nèi)曝氣充氧，DO的質(zhì)量濃度始終保持在6～7 mg／L。反應(yīng)器連續(xù)運(yùn)行4～5 d，每天在反應(yīng)器中取樣2次，2次取樣間隔至少5 h，取樣體積為20 mL，采用文獻(xiàn)［12］中的方法測定水樣和濃度。

1.2.2 異養(yǎng)菌衰減系數(shù)

（1）測定原理。異養(yǎng)菌的衰減過程是活性污泥反應(yīng)動力學(xué)的重要組成部分，對總好氧速率和污泥產(chǎn)量影響較大，它的大小必須根據(jù)所使用的污泥確定。傳統(tǒng)衰減理論模型以內(nèi)源呼吸理論為基礎(chǔ)，沒有考慮死亡后的微生物分解產(chǎn)生的細(xì)胞殘留物質(zhì)XP，可被其他微生物所利用。

傳統(tǒng)衰減理論模式下，異養(yǎng)菌的衰減速率為［7］：

XH——異養(yǎng)菌的質(zhì)量濃度，mg／L；

b′H——異養(yǎng)菌的傳統(tǒng)衰減系數(shù)，d-1。

對式（9）積分得到：

式中：XH（0）、XH（t）——在0時刻及t時刻異養(yǎng)菌的質(zhì)量濃度，mg／L。

內(nèi)源呼吸階段，好氧速率只由微生物自身氧化所致，好氧速率可表示為：

式中：OUR——好氧呼吸速率，mg／（L·min）；

f′p——傳統(tǒng)衰減理論中活性生物量轉(zhuǎn)化為XP的比例，值約為0.2［13］。

將式（10）代入式（11）后兩邊取對數(shù)得：

由式（12）可知，測定的好氧呼吸速率的對數(shù)與時間關(guān)系曲線的斜率，即是傳統(tǒng)衰減系數(shù)

死亡再生理論認(rèn)為，異養(yǎng)菌衰減產(chǎn)生的XP，一部分為不可生物降解有機(jī)物，不能被微生物利用；還有一部分分解產(chǎn)生顆粒性可生物降解有機(jī)物XS，XS緩慢水解后產(chǎn)生易生物降解有機(jī)物SS，可供微生物利用。死亡再生理論模式［7］如下：

式中：bH——異養(yǎng)菌的衰減系數(shù)，d-1；

YH——異氧菌產(chǎn)率系數(shù)，mg［CODCr］／mg［MLSS］；

fp——死亡再生理論中活性生物量轉(zhuǎn)化為XP的比例，值約為0.08［1，14］。

式（13）和式（9）在理論上是等價的，因此可得：

先測定并求出b′H，后由式（14）計(jì)算得到bH。

（2）測定方法。取2 L處理過的混合液放入2.5 L的反應(yīng)器中，加入20 mg／L ATU抑制硝化反應(yīng)，控制pH值在7左右。對混合液連續(xù)曝氣8 d，經(jīng)常用蒸餾水補(bǔ)充因蒸發(fā)而損失的水分，使混合液體積維持在2 L。試驗(yàn)過程中，通過攪拌使反應(yīng)器處于良好混合狀態(tài)，避免微生物在器壁附著生長，影響測定結(jié)果。每天定時記錄反應(yīng)器內(nèi)DO濃度變化。

1.2 .3異養(yǎng)菌最大比增長速率

（1）測定原理。異養(yǎng)菌最大比增長速率（μmH）是表征異養(yǎng)微生物生長的一個重要參數(shù)。傳統(tǒng)兩組分模型中，μmH反映了微生物比生長速率（或基質(zhì)比去除速率）與基質(zhì)濃度的關(guān)系，將莫諾德公式線性化通過測定總CODCr和VSS計(jì)算出但這種方法測得的μmH值較低。本研究采用間歇OUR法［13，16］，測定反應(yīng)器中DO濃度的變化，得到μmH值。

在底物與DO充足的情況下，間歇反應(yīng)器內(nèi)任何時刻DO的消耗速率可以用式（15）來表示［16］：

式中：OUR（t）——t時刻的好氧呼吸速率，mg／（L·min）。

由式（15）可知，好氧呼吸速率的大小由間歇反應(yīng)器在t時刻異養(yǎng)菌濃度XH決定，異養(yǎng)菌濃度變化由式（16）表示：

對式（16）積分有：

將式（17）代入式（15）后兩邊取對數(shù)有：

（2）測定方法。μmH的測定采用間歇OUR法，試驗(yàn)裝置如圖1所示。取處理過的污水和污泥，測定污泥和水樣的濃度，用以確定F／M值。試驗(yàn)過程中，根據(jù)不同的F／M值，向容器中加入不同比例的乙酸鈉營養(yǎng)液和污泥，并加入20 mg／L的ATU抑制硝化反應(yīng)。利用曝氣砂芯充分充氧，使DO質(zhì)量濃度達(dá)到7～8 mg／L，暫停曝氣，密封反應(yīng)器，記錄DO的變化，直到DO質(zhì)量濃度下降至2 mg／L。如此重復(fù)，直至好氧呼吸速率曲線不再上升。

2 結(jié)果與討論

2.1 自養(yǎng)菌最大比增長速率

在μmA的測定過程中，總共取了6組樣品進(jìn)行計(jì)算分析，其中1組μmA測定曲線及其結(jié)果分別如圖2、表1所示。

圖2 μmA測定曲線Fig.2Measured curve of μmA

表1 μmA測定結(jié)果Tab.1Measured results of μmA

圖2反應(yīng)了SNO的自然對數(shù)隨時間的變化趨勢，曲線的斜率為μmA－bA。bA目前還沒有有效的方法進(jìn)行測定，使用國際水協(xié)ASM2d模型推薦值0.15 d－1（20℃條件下），從而可計(jì)算得到μmA。由表1可知，μmA的范圍為0.685～0.763 d－1，平均值為0.726 d－1，低于ASM2d模型推薦值1.0 d－1，表明污水處理廠的硝化程度不是很高，但該值在文獻(xiàn)［13］報道的范圍之內(nèi)（0.168～1.440 d－1）。μmA的R2都在0.9以上，具有良好的線性相關(guān)性，相對標(biāo)準(zhǔn)偏差為4.13%（＜5%），表明上述數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確。

2.2 異養(yǎng)菌衰減系數(shù)

在反應(yīng)溫度為24℃時，采用呼吸計(jì)量法測定b′H，共取6組樣品進(jìn)行計(jì)算分析，其中1組b′H測定曲線及bH測定結(jié)果分別如圖3、表2所示。

圖3 b′H測定曲線Fig.3Measured curve of b′H

表2 bH測定結(jié)果Tab.2Measured results of bH

不同溫度下b′H由圖中直線斜率得到，bH由式（14）計(jì)算得到。溫度對異養(yǎng)菌產(chǎn)量系數(shù)的影響，用Arrhenius公式表示：

式中θ值取1.104［14］，由公式換算得到20℃條件下bH的值，其平均值為0.471。從表2中可以看出，在適宜溫度范圍內(nèi)，溫度升高，異養(yǎng)菌的代謝和活性增強(qiáng)，bH增大。bH的R2都在0.9以上，表明線性相關(guān)性好，測定結(jié)果比較精確。

2.3 異養(yǎng)菌最大比增長速率

圖4 μmH測定曲線Fig.4Measured curve of μmH

表3 μmH測定結(jié)果Tab.3Measured results of μmH

μmH測定曲線及其測定結(jié)果分別如圖4、表3所示。通常情況下，城市生活污水中易生物降解有機(jī)物濃度不高，本污水廠進(jìn)水中易生物降解有機(jī)物的質(zhì)量濃度為25.65 mg／L，若以實(shí)際進(jìn)水中易生物降解有機(jī)物作為底物，μmH的測定值往往偏小，因此在試驗(yàn)中投加乙酸鈉作為底物，保證有機(jī)物不受限制。從表3中看出，μmH的范圍為4.151～5.627 d-1，平均值為5.200 d-1。國際水協(xié)ASM2d模型推薦值為6.00 d-1（20℃條件下），表明該污水廠活性污泥中微生物比增殖速率較慢，與水質(zhì)變化、有機(jī)負(fù)荷對活性污泥影響大有關(guān)；溫度會影響μmH的大小，溫度適當(dāng)升高，異養(yǎng)菌的新陳代謝與活性增強(qiáng)，μmH隨之增大；F／M值的變化對μmH影響不顯著，這是因?yàn)榕c該Carrousel氧化溝工藝的污泥齡20 d相比，試驗(yàn)時間較短（約5 h），在較短時間內(nèi)，系統(tǒng)內(nèi)微生物特性不會隨F／M值的變化而變化。

3 結(jié)語

對活性污泥模型中動力學(xué)參數(shù)的準(zhǔn)確測定是活性污泥模型應(yīng)用于實(shí)際污水處理廠的前提。通過運(yùn)用間歇OUR法對西安市某污水處理廠Carrousel氧化溝工藝系統(tǒng)中的混合液進(jìn)行試驗(yàn)研究，確定了該系統(tǒng)的μmA為0.726 d-1、bH為0.471 d-1、μmH為5.200 d-1，與國際水協(xié)ASM2d模型推薦值1.000、0.400和6.000 d-1（20℃）存在差異，表明不同反應(yīng)器構(gòu)造與運(yùn)行工藝下的活性污泥系統(tǒng)，有其特有的動力學(xué)參數(shù)。其中，μmH和μmA均低于國際水協(xié)的推薦值，反映了該活性污泥系統(tǒng)中微生物生長代謝速率一般，為提高脫氮除磷效果，可以調(diào)整工藝運(yùn)行參數(shù)，改善微生物生存條件，提高微生物的反應(yīng)活性。

［1］張亞雷.活性污泥數(shù)學(xué)模型［M］.上海：同濟(jì)大學(xué)出版社，2002.

［2］李茹瑩，季民，任智勇，等.活性污泥數(shù)學(xué)模型的研究應(yīng)用進(jìn)展與問題討論［J］.工業(yè)用水與廢水，2002，33（4）：4-6.

［3］王文英，黃勇，顧曉丹，等.活性污泥數(shù)學(xué)模型在污水處理中的研究進(jìn)展［J］.工業(yè)水處理，2014，34（7）：1-4.

［4］HENZE M，GUJER W，MINO T，et al.Activated sludge model No.2d，ASM2d［J］.Water Science＆Technology，1999，39（1）：165-182.

［5］陳曉龍，楊海真，顧國維.活性污泥2號模型的應(yīng)用與校正［J］.工業(yè)用水與廢水，2003，34（1）：1-4.

［6］游桂林，樊杰.呼吸計(jì)量法測定安慶市城東污水廠污泥特性參數(shù)［J］.環(huán)境科學(xué)與技術(shù)，2009，32（7）：144-147.

［7］黃勇，楊銓大，王寶貞，等.生物處理動力學(xué)參數(shù)測定研究［J］.中國環(huán)境科學(xué)，1996，16（2）：123-127.

［8］（丹）HENZE M.污水生物處理：原理、設(shè)計(jì)與模擬［M］.施漢昌，譯.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2011.

［9］SU Y M，MAKINIA J，PAGILLA K R.Estimation of autotrophic maximum specific growth rate constant--experience from the longterm operation of a laboratory-scale sequencing batch reactor system［J］.Water Environment Research A Research Publication of the Water Environment Federation，2008，80（4）：355-366.

［10］NOWAK O，SCHWEIGHOFER P，SVARDAL K.Nitrification inhibition-A method for the estimation of actual maximum autotrophic growth rates in activated sludge systems［J］.Physics of Plasmas，2015，22（5）：1093-1095.

［11］劉芳，顧國維.ASM1模型中主要動力學(xué)參數(shù)的測定方法［J］.中國給水排水，2004，20（2）：37-40.

［12］國家環(huán)境保護(hù)總局，《水和廢水監(jiān)測分析方法》編委會.水和廢水監(jiān)測分析方法［M］.北京：中國環(huán)境出版社，2013.

［13］劉芳.城市污水廠活性污泥數(shù)學(xué)模型的參數(shù)測定及模擬研究［D］.上海：同濟(jì)大學(xué)，2004.

［14］李亞新.活性污泥法理論與技術(shù)［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

［15］INSEL G，GüL O K，Orhon D，et al.Important limitations in the modeling of activated sludge：biased calibration of the hydrolysis process［J］.Water Science＆Technology A Journal of the International Association on Water Pollution Research，2002，45（12）：23-36.

［16］EKAMA G A，DOLD P L，MARAIS G V R.Procedures for determining influent COD fractions and the maximum specific growth rate of heterotrophs in activated sludge systems［J］.Waterence＆Technology，1986，18（6）：91-114.

Determination of kinetic parameters of Carrousel oxidation ditch

GONG Shu-han，LIU Yu-ling，MA Zhao，DU Hao-qiang，LI Dong-xu，ZHANG Lu
（Institute of Water Resources and Hydro-electric engineering,Xi′an University of Technology;State Key Laboratory of Eco-Hydraulic Engineering,Xi′an 710048,China）

Taking carrousel oxidation ditch process of a sewage treatment plant in Xi′an city as the research object,on the basis of the activated sludge 2d model(ASM2d),the autotrophic bacteria maximum specific growth rate μmA,heterotrophic bacteria decay rate bH,and heterotrophic bacteria maximum specific growth rate μmHin the oxidation ditch of the sewage plant were determined using intermittent OUR method,and the results were 0.726,0.471 and 5.200 d-1respectively.There are many differences between the determination results and the recommended values of International Water Association,and the causes for those differences were analyzed,the measured values could be used for the following simulation and optimization of sewage treatment plant.

ASM2d;intermittent OUR method;specifica growth rate;decay rate

X505；X703.1

A

1009－2455（2016）06－0012－05

鞏書涵（1992-），女，甘肅慶陽人，在讀碩士研究生，研究方向?yàn)樗幚砑夹g(shù)，（電子信箱）289107635＠qq.com；劉玉玲（1969-），女，陜西合陽人，教授，博士生導(dǎo)師，博士，研究方向?yàn)榄h(huán)境污染控制技術(shù)，（電子信箱）liuyuling＠xaut.edu.cn。

2016-07-18（修回稿）

國家自然科學(xué)基金（51178391）；陜西省科學(xué)研究計(jì)劃項(xiàng)目(2014K15-03-05)