SBR法處理啤酒廢水有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)研究

崔玉波,車明原

（1.大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,遼寧 大連 116605；2.北京市昌平自來水有限責(zé)任公司,北京 102200）

SBR法處理啤酒廢水有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)研究

崔玉波1,車明原2

（1.大連民族學(xué)院生命科學(xué)學(xué)院,遼寧 大連 116605；2.北京市昌平自來水有限責(zé)任公司,北京 102200）

利用活性污泥 SBR法和生物膜 SBR法進(jìn)行有機(jī)質(zhì)降解過程和降解動力學(xué)參數(shù)的比較研究。每個 SBR反應(yīng)器總?cè)莘e為 4 L,有效容積為 3 L。生物膜 SBR法的填料采用海產(chǎn)品廢棄物貝殼,填充的堆積體積為 1.5 L,填充率為 10%；貝殼大小為 2 cm×3 cm。進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)為 COD 396～457m g·L-1,NH 4-N 46m g·L-1,TP 9.4m g·L-1,pH 6.50,水溫 14℃。運(yùn)行周期為 12 h,其中曝氣 10 h,沉淀 1 h,排水和進(jìn)水 1 h。每次排水 1.5 L,進(jìn)水 1.5 L。在試驗(yàn)穩(wěn)定運(yùn)行兩周后開始研究有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)過程,活性污泥SBR法和生物膜 SBR法的MLSS分別為 4 321,7 729m g·L-1,獲得的 Vmax分別為 0.024,0.031 d-1；Ks分別為 121.9,57.71m g·L-1；K2分別為 0.000 20,0.000 54 L·m g-1·h-1。生物膜 SBR法有機(jī)質(zhì)降解過程沒有表現(xiàn)出初期吸附特征,而是 COD濃度持續(xù)下降的過程。

活性污泥 SBR法；生物膜 SBR法；啤酒廢水；動力學(xué)參數(shù)

廢水生物處理系統(tǒng)的動力學(xué)方程和設(shè)計(jì)參數(shù)關(guān)聯(lián)式都涉及到一系列動力學(xué)參數(shù),確定這些參數(shù),對系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行過程的分析和運(yùn)行管理都有重要意義[1-2]。活性污泥法中有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)研究相對成熟,但針對生物膜法的相關(guān)研究要復(fù)雜得多。

生物膜反應(yīng)器中的底物去除動力學(xué)早期是建立在分子擴(kuò)散理論基礎(chǔ)上的,但后期研究發(fā)現(xiàn),生物膜反應(yīng)擴(kuò)散理論的基本假設(shè)中存在若干不合理因素,使得這一理論在許多情況下不能正確描述底物去除動力學(xué),例如假設(shè)對于底物濃度、生物膜反應(yīng)動力學(xué)為零級[3]；但研究發(fā)現(xiàn),在生物膜發(fā)生對底物而言的零級反應(yīng)的可能性不大。人們應(yīng)用這一理論確定不同種群特性的生物膜及底物去除的各種動力學(xué)參數(shù),并沒有對這一理論所提供的方法從根本上分析其可靠性,使得不同學(xué)者報導(dǎo)的生物膜動力學(xué)參數(shù)差別很大,沒有可比性。再者,理論模型和實(shí)際應(yīng)用亦存在較大差別。本研究不考慮理論細(xì)節(jié),而是通過模擬試驗(yàn)的表觀結(jié)果,探討活性污泥法和生物膜法處理啤酒廢水的有機(jī)質(zhì)降解過程和動力學(xué)參數(shù),為處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和運(yùn)行提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)原理

SBR（Sequencing Batch Reactor）即序批式活性污泥法,是一種間歇運(yùn)行的廢水生物處理工藝。關(guān)于 SBR法的基質(zhì)降解動力學(xué)過程,主要有兩種觀點(diǎn)[4]:一是認(rèn)為 SBR法的基質(zhì)降解過程服從莫諾特 （M onod）關(guān)系式,即遵從 V=VmaxS/（Ks+S）關(guān)系,這是一相說的觀點(diǎn)；另一種觀點(diǎn)認(rèn)為,SBR法的基質(zhì)降解在進(jìn)水期服從零級反應(yīng)動力學(xué)關(guān)系:-dS/d t=K1X,在進(jìn)水期完成后的曝氣期服從一級動力學(xué)關(guān)系 -d S/d t=K2XS[4]。

在求解有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)參數(shù)時,有機(jī)質(zhì)通常用BOD表示。但BOD具有測定時間長和準(zhǔn)確度差等缺點(diǎn),不如 COD方便；而以 COD代表基質(zhì)濃度,通過 V=VmaxS/（Ks+S）作圖,來求解 Vmax和Ks具有一定的近似性。

1.1 低基質(zhì)濃度下有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)

在較低基質(zhì)濃度條件下,進(jìn)水后曝氣期的 SBR法基質(zhì)降解速率服從一級反應(yīng)動力學(xué)關(guān)系,即

式中,S為可降解溶解性 COD濃度 （m g·L-1）,t為曝氣時間 （h）,X為混合液污泥濃度 （m g·L-1）,K2為 COD降解速率常數(shù) （L·m g-1·h-1）。

在正常運(yùn)行期,污泥濃度 X較高,可假定反應(yīng)器中污泥濃度的變化速率 d X/d t近似為零,將 X作為常數(shù)對待。設(shè) t=0時 S=S0,t=t時 S=Se,對式 （1）積分可得

式中,S0為進(jìn)水后可降解溶解性 COD濃度 （m g·L-1）,Se為曝氣 t時間的可降解溶解性 COD濃度（m g·L-1）。

完全混合曝氣池內(nèi),以有機(jī)物去除量為基礎(chǔ)的有機(jī)物污泥去除負(fù)荷為

式中,Vmax為有機(jī)底物的最大比降解速率 （d-1）,Ks為飽和常數(shù) （m g·L-1）。

在穩(wěn)定運(yùn)行條件下,完全混合曝氣池內(nèi)各點(diǎn)的有機(jī)底物降解速率是一個常數(shù),可以通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)求解[5]。

1.2 常數(shù)值 K2、V max和 KS值的確定

1.2.1 K2的確定

將 （S0-Se）/X t=K2Se按直線方程 y=aX考慮,以 （S0-Se）/X t為縱坐標(biāo),以 Se為橫坐標(biāo)作圖,直線斜率即為 K2（如圖 1（a））。

圖1 圖解法確定有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)參數(shù)

1.2.2 Vmax和 KS值的確定

取式 （3）的倒數(shù)得

2 試驗(yàn)裝置與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為兩個 SBR反應(yīng)器,由有機(jī)玻璃制成,總?cè)莘e為 4 L,有效容積為 3 L。其中一個反應(yīng)器為生物膜法,填料采用貝殼,其大小為 2 cm×3 cm,填充體積為 1.5 L,填充率為 10%。另一個反應(yīng)器為普通活性污泥法。

2.2 方法

進(jìn)水由啤酒和磷酸氫二鉀、氯化銨人工配置,水質(zhì)指標(biāo)為 COD 396～457m g·L-1,NH4-N 46 m g·L-1,TP 9.4 m g·L-1,pH 6.50,水溫 14℃。運(yùn)行周期為 12 h,其中曝氣 10 h,沉淀 1 h,排水和進(jìn)水 1 h。每次排水 1.5 L,進(jìn)水 1.5 L。在試驗(yàn)啟動并穩(wěn)定運(yùn)行兩周后開始研究有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)過程,進(jìn)水完成后曝氣起始點(diǎn)為計(jì)時零點(diǎn),按照一定時間間隔取樣檢測 COD濃度。穩(wěn)定運(yùn)行后兩個反應(yīng)器的MLSS分別為:活性污泥法 4 321m g·L-1,生物膜法 7 729m g·L-1。

COD用重鉻酸鉀法檢測,NH 4-N用鈉試劑分光光度法檢測,TP用過硫酸鉀氧化—氯化亞錫還原光度法檢測。

3 結(jié)果與討論

3.1 有機(jī)質(zhì)降解過程

兩個反應(yīng)器的有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)過程如圖2,其中,圖 2（a）為普通活性污泥法,圖 2（b）為生物膜法。由圖 2（a）可以看出,有機(jī)質(zhì)降解過程符合活性污泥法的降解規(guī)律,即存在初期吸附現(xiàn)象,此時的 COD去除并非降解,而是被污泥吸附,粘著在生物絮體的表面,這種吸附是由物理吸附和生物吸附交織在一起的初期吸附。之后,COD略有升高后繼而持續(xù)下降。

圖2 活性污泥法和生物膜法有機(jī)質(zhì)降解過程

而圖 2（b）顯示的 COD降解規(guī)律與圖 2（a）差別明顯,表現(xiàn)為快速下降到緩慢下降的過程,沒有表現(xiàn)出 COD解析回升過程。分析其原因?yàn)樯锬?SBR法中的MLSS濃度較高,進(jìn)水后雖然產(chǎn)生初期吸附,但隨后的降解速度高于解析速度,因而表現(xiàn)為 COD濃度的持續(xù)下降。

3.2 動力學(xué)參數(shù)求解

采用瞬時進(jìn)水方式,有機(jī)質(zhì)的生物降解和生物增長主要發(fā)生在反應(yīng)階段。反應(yīng)期活性污泥的增加量相對于系統(tǒng)中的高污泥濃度而言較小,因此在反應(yīng)階段忽略 MLSS的變化。試驗(yàn)中,由于間歇進(jìn)水,反應(yīng)器中滯留液對進(jìn)水有稀釋作用,故曝氣反應(yīng)期間基質(zhì)濃度較低,污泥濃度較高。在較低基質(zhì)濃度下,進(jìn)水后曝氣期 SBR法有機(jī)物降解速率應(yīng)該服從一級反應(yīng)動力學(xué)關(guān)系。

根據(jù)低基質(zhì)濃度下有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)的參數(shù)求解方法作圖,圖 3和圖 4分別為活性污泥法SBR和生物膜法 SBR有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)參數(shù)求解圖示。求解的動力學(xué)參數(shù)見表 1。

由式 （3）推斷,對于相同出水有機(jī)物濃度要求,Vmax和 K2越大,則有機(jī)物污泥去除負(fù)荷越大,相應(yīng)的需要的水力停留時間就越短。從本研究的結(jié)果看,生物膜法 SBR較活性污泥法 SBR具有較高的污染物去除效率。

表1 有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)參數(shù)

4 結(jié) 語

通過試驗(yàn)對比了活性污泥 SBR和生物膜 SBR有機(jī)質(zhì)降解過程,并對有機(jī)質(zhì)降解動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行了計(jì)算。生物膜 SBR法的有機(jī)底物最大比降解速率和降解速率常數(shù)較活性污泥 SBR法大,前者具有更高的處理效率。二者的有機(jī)物降解過程存在明顯差別,生物膜 SBR法沒有表現(xiàn)出初期吸附特征,而是有機(jī)物濃度持續(xù)下降的過程。

[1]孫福德,滿春生,張樹桃,等.焦化廠含酚廢水生化反應(yīng)動力學(xué)常數(shù)的測定[J].吉林化工學(xué)院學(xué)報,1989,6（2）:59-63.

[2]林紅軍,陸曉峰,施柳青.膜生物反應(yīng)器中的基質(zhì)降解動力學(xué)研究[J].環(huán)境科學(xué)與技術(shù),2006,29（10）:10-12.

[3]L IU Y,CHEN G H.A model of energy uncoupling for substrate-sufficient culture[J].Biotechnol.Bioeng.,1997,55:571-576.

[4]韓相奎,周春生,姚秀琴.SBR法過程動力學(xué)研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報,1996,16（4）:394-399.

[5]李圭白,張杰.水質(zhì)工程學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

（責(zé)任編輯 鄒永紅）

Study on Organic Matter Degradation Kinetics in Activated Sludge SBR and Biofilm SBR for Brewery Wastewater Treatment

CUI Yu-bo1,CHE Ming-yuan2
（1.Colloge of Life Science,Dalian Nationalities University,Dalian Liaoning 116605,China；2.Changping Water Company with Limited Liability,Beijing 102200,China）

Organic matter degradation kinetics in activated sludge sequencing batch reactor（SBR）and biofilm SBR were investigated and compared in two experimental SBRs.Each SBR has four liter of volume and three liter of active volume.The research chose shell as carrier in Biofilm SBR,which has1.5 liter of stack volume and 10%of filling rate,the size of shell is 2cm＊3cm.The influent COD,NH 4-N,TP,pH and temperatu re are 396-457 m g/L,46 m g/L,9.4m g/L,6.50 and 14℃,individually.Each operational cycle takes12 h,inc luding 10 h of aeration,1 h of settling,and 1 h of feed and discharge.The reactor feeds 1.5 L and discharges1.5 L in each cycle.Themixed liquor suspended so lids（MLSS）in activated sludge SBR and biofilm SBR are 4321m g/L and 7729m g/L.The resultsofo rganicmatter degradation kinetics experiment showed that activated sludge SBR and biofilm SBR had different degradation curves,obtaining 0.024 d-1and 0.031 d-1of Vmax,121.9 m g/L and 57.71 m g/L of Ks,0.00020 L/m g.h and 0.00054 L/m g.h of K2,individually.Organic matter degradation in Biofilm SBR did no t display the characteristics of initial adsorption,but continued COD decreasing process.

activated sludge SBR；biofilm SBR；brewery wastewater；dynamic parameters

X703 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A

A

1009-315X（2011）01-0001-04

2010-09- 21；

2010-10-26

遼寧省科技廳基金項(xiàng)目 （20081095）。

崔玉波 （1968-）,男,內(nèi)蒙赤峰人,教授,博士,主要從事水污染控制技術(shù)研究。