厭氧水解—二段生物接觸氧化法處理生活污水動力學研究

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，對該工藝的基質降解動力學進行分析。根據反應器內基質消耗過程的物料平衡，推算出工藝降解有機物的動力學模型及相關動力學常數。

關鍵詞：厭氧水解；二段生物接觸；生活污水；動力學研究

中圖分類號：X703.1；X799.3 文獻標識碼：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）是將傳統生物接觸氧化池分為兩段，可以充分發揮同類微生物種群的協同作用，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]。目前國內外該類裝置的設計大都根據污水量標準或經驗數據和經驗公式確定處理單元的大小[3]。數理模型可表征污水處理過程中污染物降解等參數之間的定量關系，可用于指導反應器的設計及優化。應用數學模型對水解酸化—二段生物接觸氧化工藝處理污染物的機理過程進行分析，計算出基質降解動力學參數，以期為工藝的最優化設計及運行研究提供依據。

1 工藝流程

試驗裝置如圖1所示，由鋼化玻璃制成，池體內設擋板將其分為三部分，1個厭氧水解池，2個生物接觸氧化池，每個池的有效容積為9.2 L，有效水深184 mm，總有效容積為27.6 L。

系統采用空壓機供氣，曝氣沙頭曝氣，曝氣量由玻璃轉子流量計控制。反應器通過蠕動泵從厭氧端進水，經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填料為美國科恩公司生產的懸掛式生物帶，B段生物接觸氧化池內填料為湖北科亮生物環保公司生產的懸浮式蜂窩填料。兩種填料性能比較見表1。

試驗期間污水取自長江大學校園生活污水，進水pH 7.0～7.5，化學需氧量（CODCr）90～150 mg/L，NH4+-N 20～40 mg/L，固體懸浮物（SS）100～150 mg/L。水質分析采用國家標準方法： 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研究得出，厭氧反應器中混合基質的降解模型用Monod關系表示時可能會產生較大誤差。本試驗厭氧段選擇Eckenfelder模式[5]，當系統穩定運行時，可得

Us=K2Se=（S0-Se）/xt （1）

式中，Us為基質的比去除速度；S0、Se為進、出水基質濃度；t為水力停留時間；x為微生物濃度；K2為動力學常數。

依據公式（1）得厭氧段試驗結果見表2。

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

2.2 好氧接觸段

生物降解有機物是一個非常復雜的過程，在研究好氧動力學時必須有以下假定[6]：整個工藝處理系統處于穩態；反應器內溶液處于完全混合狀態，微生物濃度和底物濃度不隨反應器位置而變化；進入生物反應器的污水基質為溶解態，并且不含有微生物群體；生物膜量遠遠大于水中懸浮生物固體含量，水中懸浮生物量可以忽略。

根據顧夏聲[7]所提出的接觸氧化動力學模型，有以下物料平衡公式：

QS0+（ds/dt）AVA+（ds/dt）SVS=QSe （2）

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

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要遠遠大于（ds/dt）S，所以公式（2）可以改寫為：

Q（S0-Se）=-（ds/dt）AVA （3）

因為

（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經典方程：

μ=■ （7）

式（6）轉化為

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去除速度；Umax最大基質去除速度；Ks有機基質飽和常數。

當基質濃度Ks遠大于Se，則

U=UmaxSe/Ks=KSe （11）

式中，K為常數。

對式（10）求倒數則有

■=■×■+■ （12）

當污水中含有不可降解基質時，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）

有機基質飽和常數Ks和Umax的大小與基質性質、微生物種類、填料種類和性質及環境因素密切相關。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。好氧段試驗數據及分析結果如表3所示。

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

以1/（Se-Sn）為橫坐標、1/U為縱坐標作圖，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行相關性系數檢驗[8]，在a=0.05的相關性水平下，自變量個數為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，所以相關性系數均能達到要求。因此好氧接觸段基質降解動力學模型為：

U=■，其R=0.991 7。

3 結論

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間，得出不同工況下反應器運行參數。根據基質消耗物料平衡，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：

[1] 趙立軍，王懷建，劉俊良，等.二段生物接觸氧化法處理城市污水評析[J].中國給水排水，2002，18（12）：28-29.

[2] 王聰亮，胡龍興，錢世超.水解-好氧系統處理生活污水的特性研究[J].環境科學與技術，2001，12（2）：28-31.

[3] 潘文揚，孫石磊，張徐翔，等.合成制藥廢水生物降解動力學模型研究[J]. 工業用水與廢水，2007，38（6）：1-4.

[4] 方春玉，周 健，王 鵬，等.厭氧生物流化床處理啤酒廢水動力學研究[J]. 能源環境保護，2008，22（1）：21-25.

[5] Eckenfelder W W.工業水污染控制[M].第三版.陳忠明，譯.北京：清華大學出版社，2002.

[6] 方 茜，榮宏偉，張立秋.同步硝化反硝化脫氮模型及動力學分析[J].廣州大學學報（自然科學版），2009，8（2）：60-65.

[7] 顧夏聲.廢水生物處理數學模式[M].第二版.北京：清華大學出版社，1993.

[8] 田勝元，蕭曰嶸.實驗設計與數據處理[M]. 北京：中國建筑工業出版社，1996.