曝氣生物濾池處理紡織污染物的機理及其動力學模型研究

李江濤

（寧夏水利電力工程學校，寧夏 銀川 750006）

0 引言

我國紡織工業歷來是國民經濟發展的重要支柱產業之一，在滿足人民衣著生活需要、豐富和提高我們生活質量和水平的同時，為國家的資金積累、出口創匯以及大量安置勞動力就業等方面發揮著重要作用。伴隨著紡織行業的高速發展，紡織工業廢水的產生也明顯大量增加，加重了水資源的短缺和我們綜合治理難度和負擔。

1 曝氣生物濾池處理污染物的機理分析

1.1 生物氧化作用

曝氣生物濾池的生物氧化作用既包括固著生長的微生物對有機物和營養物質的分解代謝；也包括反應器內液相主體的懸浮微生物對污染物的降解利用。生物氧化過程既有異養菌對有機污染物的分解利用；也有自養菌對營養性污染物的氧化去除，同時生物氧化也包括了好氧和厭氧過程。所以曝氣生物濾池內部的生物氧化過程是以生物膜為主體，包含懸浮生長微生物在內的，多種不同生態類型微生物以各自不同的代謝途徑和代謝方式分別降解利用污水中各種不同污染物質的綜合過程。曝氣生物濾池的生物氧化作用是最主要的功能，是反應器去除有機物、硝化和反硝化等功能的基礎。

1.2 過濾截留作用

曝氣生物濾池所采用的小粒徑顆粒填料使其具有了典型的深床過濾特征。填料的吸附和截留作用使污水中的大部分顆粒污染物被截留在濾床的空隙中，實現對污染的直接截留，完成初步的固液分離，最后通過反沖洗過程將吸納的固體污染物從濾床中清除。填料床對小型顆粒有機物，乃至膠體有機物的吸附截留過程也促進了微生物在填料表面的吸附生長，加快了生物膜的形成，而填料上所隨著的生物膜又增加了填料表面的粗糙度，從而更加強化了填料床的吸附截留能力，所以曝氣生物濾池的過濾截留功能是物理截留為主，物理、化學和生物共同作用的結果。

1.3 生物絮凝作用

生物膜的形成是大量微生物個體在水環境中適宜的惰性載體表面吸附、生長、繁殖，并通過微生物細胞在胞外分泌形成的，隨機伸展有胞外多聚物使微生物細胞形成纖維纏結結構的過程。顯然，生物膜的形成是和生物膜形成物質的絮凝特性密不可分的。生物膜所具有的絮凝特性已成為許多研究成果所證實。由于具有絮凝作用的胞外聚合物的存在，曝氣生物濾池生物膜具有極強的生物絮凝功能，這不僅強化了濾床的過濾截留能力，還提高了濾層對污水中膠體物質的絮凝、吸附效率，也為生物氧化作用提供了充足有效的底物供應；另外，曝氣生物濾池內部還生長著大量的絲狀菌，這些微生物不僅可以降解有機污染物，還為生物膜的形成提供了骨架，形成了濾床空間的網狀結構，強化了生物絮凝和過濾作用，提高了生物膜的抗反沖洗能力，所以，曝氣生物濾池的生物絮凝作用對反應器的污染物去除能力具有強化功能。

1.4 食物鏈分級捕食作用

曝氣生物濾池具有推流式反應器的流態特征，沿水流方向存在著底物濃度梯度，而在生物膜內部則存在著溶解氧的擴散梯度。所以曝氣生物濾池為各種不同生態類型的微生物提供了豐富的生存條件，再加上固著生長的生態環境，使反應器內固體停留時間與水力停留時間實現了分離，使得大量生長緩慢的微生物種群，如自養菌等，能夠在反應器內生長繁殖并形成優勢種群：同樣各種絲狀微生物、原生和后生動物等高等營養級微生物也能夠在曝氣生物濾池生態系統中占據一定的空間位置，使得曝氣生物濾池系統內的微生物種群構成復雜多樣、食物鏈長且形成網狀交叉。實驗中發現，在曝氣生物濾池反應器中，沿水流方向呈現明顯的食物鏈分級，各營養級之間形成相互交叉，致使系統內總的營養級水平提高。而根據林德曼效率，當生態系統的總營養級水平提高時，總的營養結構就越復雜，系統就會維持一個比較穩定的低水平的總生產量，系統的功能就更加穩定。因而在污水處理系統中，營養級水平的提高不僅意味著系統污泥產量的下降，還意味著需要提供更多的物質和能量來維持系統內營養結構的完整和正常系統功能，這就使系統具有更高的處理效率。所以曝氣生物濾池微生物生態系統復雜的營養結構使其具有明顯的食物鏈分級捕食作用，進一步提高整個系統的處理效能。

2 曝氣生物濾池中有機物去除動力學模型

有關污水生物處理過程的動力學研究自20世紀50年代以來取得了長足的進步，許多專家學者提出了一系列有關生物處理的數學模型，使污水生物處理的理論研究水平不斷深入。目前對曝氣生物濾池底物去除動力學研究中主要以建立簡單、實用的經驗模型和理論與實踐相結合的半經驗模型為主。

由于曝氣生物濾池反應器作用機理比較復雜，目前很建立一種具有清晰生物學意義和解析解的理論模型，本文試圖推導曝氣生物濾池底物去除過程動力學經驗模型，說就有關模型的動力學意義進行理論分析。

曝氣生物濾池系統是生物氧化和深床過濾單元的有機整合，除了填料被淹沒在濾床內這一特征外，曝氣生物濾池也普通生物濾池有著許多相似性。示蹤實驗結果表明，兩種濾池的流態在整體上都具有推流式的特。且根據Mann對推流式生物濾池的研究結果，認為在BAF內生物膜對基質的利用也符合一次反應關系。

首先設定曝氣生物濾池系統為推流式反應器，反應器降解有機物符合一級反應方程式。圖1為曝氣生物濾池簡化模型示意圖，假定反應器內只存在縱向的濃度梯度。

圖1 曝氣生物濾池簡化模型示意圖

根據化學反應動力學理論，單位時間內理想化曝氣生物池反應器中的每一個局部微元dv都存在如下物料平衡關系：

輸入量－輸出量－去除量=累積量

其中：輸入量和輸出量分別表示進入和流出反應器微元dv的有機物，其差值Q·ds，mg/d；去除量是微元dv中由生物化學反應而減少的有機物，為隨著微生物和懸浮微生物利用量之和，(ds/dt)Adv+(ds/dt)Sdv，mg/d；累積量是微元dv中有機物濃度的時間變化量(ds/dt)Adv,mg/d。

則微元dv中的物料平衡關系可以寫成如下數學關系式：

式中：Q為處理的水量，L/d；ds為進出微元dv的有機物濃度變化量，mg/L；dv為曝氣生物濾池反應器中微元體積，L；A為微元的橫截面積，m2；dh為微元dv的高度，m；(ds/dt)A為微元dv內附著微生物膜有機物降解速度，mg/(L.d)；(ds/dt)S為微元dv內懸浮微生物有機物降解速度，mg/(L.d)；(ds/dt)為微元dv內有機物濃度隨時間變化速率，mg/(L.d)。

在穩態條件下，微元容積內有機物不發生積累，即：

于是，（1）式簡化為：

而反應器中懸浮微生物與附著微生物膜相比是很少的，可以忽略不計，則（4）式可以進一步簡化為：

當反應器內生化反應為一級反應時，有：

式中：γ為反應速率；S為t時間內殘存的有機物濃度；k為與特定時間和有機物濃度有關的速率常數。

整合上述公式，并略去下標A，整理得：

正常水處理工況下，Q、k、A均為常數，為方便計算可令：

式中：k1為反應濾池處理效率的系數。也曝氣生物濾池結構、填料性質、進水流量和濃度等有關的速率常數，單位為m-1。

式中：ds/dH為污染物的濃度梯度，mg/(L·m)；S0為濾池進水有機物濃度，mg/L；H為離濾池底部進水高度，m；Q為濾池進水流量，m3/d；A為濾池的截面積，m2；K1為與進水水質，是與濾率有關的系數；m為與進水水質有關的系數；n為與濾池特性、濾率有關的系數。

對于無回流濾池：

因此，CODcr的去除效果與填料高度的關系可通過式（12）較精確的表示。由式（12）進一步可得出濾床不同深度處廢水中有機物濃度之間的關系式：

根據式（9），得

根據試驗測定值，利用圖解法分別求得各流速下K1的值，再通過解方程得：

將值代入公式（9），得：

因此，曝氣生物濾池有機物去除動力學模型：

由式（15）可知，BAF的處理效率隨進水有機物濃度的升高和水力負荷的增加而降低，且水力負荷的影響大于進水有機物濃度的影響。因此，在高度一定的條件下，BAF處理廢水時應選擇適當的流量和進水濃度，以保證出水的水質；由式（16）可知，在進水有機物濃度和進水流量一定的情況下，隨著濾層高度的增加，沿程的CODcr出水濃度降低，有機物去除率提高。

3 結束語

總之，作為國民經濟重要支柱產業的紡織行業，是用水和產生有機污染廢水的大戶。染整廢水不僅組分復雜、難降解物質多，難以用常規方法進行完全處理；而且該類廢水的回用率極低，因此開發染整廢水深度處理裝置及其工藝，研究其相關基礎理論，不但解決染整廢水排放對環境造成的污染，緩解水資源的短缺，而且具有重要的學術意義與應用價值。

［1］鄭俊,吳浩汀.曝氣生物濾池工藝理論與工程應用[M].北京：化學工業出版社,2005.

［2］徐亞明,蔣彬.曝氣生物濾池的原理及工藝[J].工業水處理,2002,22(6)：1-5.

［3］謝曙光,張曉健,王占生.曝氣生物濾池最新發展和運用[J].水處理技術,2004,30(1)：4-7.