MBR處理制藥廢水中動力學參數測定

張勇峰，周子鵬，王延濤，馮志安

(1.鄭州大學綜合設計研究院有限公司，河南鄭州 450002;2.河南工業職業技術學院化學工程系，河南南陽 473000; 3.山西省城鄉規劃設計研究院，山西太原 030001;4.太原市華特森環境技術有限公司，山西太原 030024)

MBR處理制藥廢水中動力學參數測定

張勇峰1，周子鵬2，王延濤3，馮志安4

(1.鄭州大學綜合設計研究院有限公司，河南鄭州 450002;2.河南工業職業技術學院化學工程系，河南南陽 473000; 3.山西省城鄉規劃設計研究院，山西太原 030001;4.太原市華特森環境技術有限公司，山西太原 030024)

根據膜生物反應器的特點，利用Lawrence-McCarty模式建立了膜生物反應器處理廢水時的污泥增殖動力學模型和底物降解動力學模型，并根據MBR處理諾氟沙星制藥廢水的試驗運行數據計算出了動力學常數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;動力學參數

0 引言

多年以來，廢水生物處理在設計和運行上大多依據經驗數據。自20世紀50年代以來，國外一些學者開始在廢水生物處理動力學方面做了大量工作，并已經取得了很多成績，他們對此提出了一系列數學模型［1-2］，并不斷加深了其在污水生物處理運用方面的理論研究水平。目前為止，針對傳統到活性污泥工藝中的污泥動力學參數研究較多，結果基本一致［3］，這些參數的指導作用也已經在工程實踐中得到了驗證。而膜生物反應器工藝作為一種相對新興的污水處理工藝，在污泥動力學參數方面的研究較少，尤其是對于各工業廢水處理中MBR工藝污泥動力學參數的研究比較缺乏。

本研究根據膜生物反應器的特點，利用Lawrence-McCarty模式建立了膜生物反應器處理廢水時的污泥增殖動力學模型和底物降解動力學模型，并根據MBR處理諾氟沙星制藥廢水的試驗運行數據計算出了動力學常數Y、Kd、Vmax、和Ks，為膜生物反應器在該類廢水中的運行控制和設計優化提供理論依據。

1 動力學模型的假定

在對系統動力學模式進行推導之前，為了建立數學模式的需要，先對反應器模型做幾點假定:①整個處理系統的運行是在穩定狀態下，反應器中微生物濃度及有機底物濃度不隨時間變化，為一常數;②生物處理反應器按完全混合和均勻分布考慮，即整個反應器中微生物濃度和有機物底物濃度不隨位置變化，為一常數;③反應過程中，微生物氧的供應充分。

2 污泥增殖動力學模式

2.1 污泥增殖動力學方程式的建立

膜生物反應器的物料平衡圖見圖1。

圖1 反應器物料平衡圖

根據膜生物反應器物料平衡圖，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分別為反應器、進水、出水、排放剩余污泥污泥濃度，mg/L;S、Si、Se、Sw分別為反應器、進水、出水、排放混合液中底物濃度，mg/L;Qi、Qe、Qw分別為反應器進水水量、出水量、混合液排放量，m3/d;Rg，污泥增殖速率，d-1;R0，有機物底物降解速率，d-1;V，反應器體積，L;t，反應時間，d。

根據基本假定內容及膜生物反應器的獨特性，則有:

式中:Ssup，反應器上清液中的COD濃度。Yobs，污泥表觀產率系數:

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

式中:SRT，生物固體停留時間，d。

由實際情況，可知:

式中:HRT，水力停留時間，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:

根據式(7)和式(9)，如果已知膜生物反應器系統進水質Si、出水水質Se、混合液上清液COD濃度Ssup、反應器中微生物濃度X及運行參數SRT、HRT等，則可求出污泥表觀產率Yobs，并與相應的SRT做圖，進而可求得參數Y、Kd。

2.2 參數Y、Kd的確定

利用MBR工藝處理諾氟沙星制藥廢水時的試驗運行數據及運行參數，對幾種不同污泥齡(SRT)時的污泥表觀產率Yobs進行計算，各條件下的運行參數及Yobs計算結果見表1。

表1 各運行參數及Y obs計算值

根據式(9)，并由上表中值和相應SRT值做回歸分析圖，回歸曲線圖見圖2。

圖2 污泥增殖動力學參數回歸曲線

由圖2線性回歸(相關系數R2=0.811 3)可知:

由式(10)及式(11)計算可得到該系統的兩個動力學常數分別為:Y=0.31 mgVSS/mgCOD;Kd= 0.01 d-1。傳統活性污泥法生物處理系統中這兩個動力學常數變化范圍分別為0.4～0.6 mgVSS/mg-COD和0.06～0.12 d-1，由此可見，膜生物反應器在處理諾氟沙星制藥廢水時動力學常數Y和Kd要比傳統活性污泥法偏低。并且，把兩常數代入式(9)，可得到該系統中的污泥增長動力學模式，用下式表示:

3 底物降解動力學模式

3.1 模式的建立

有機物底物比降解速度方程可描述為:

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

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

式中:Xa，反應器內微生物濃度，即活性污泥濃度，mg/L。

又根據廢水有機底物降解速率定義有:

運行穩定情況下，完全混合曝氣池內各點的有機物濃度可認為是相同的，并且由于膜生物反應器的獨特性，其反應器內有機物濃度應以混合液上清液有機濃度計，Ssup。同時，在計算動力學參數時其出水也應以Ssup計。以Ssup代替式(14)及式(15)中S和Se，并整理可得:

對式(16)取倒數并整理有:

3.2 動力學參數Ks及Vmax的確定

根據表1中數據，并進行整理可得到表2。

表2 有機物底物降解動力學參數計算表

對表2中的S做線性關系圖，如圖3所示。

圖3 底物降解動力學參數回歸曲線

由圖3的回歸分析(相關系數R2=0.848 2)可得到:

聯立式(18)及(19)并計算可得，反應器動力學常數分別為:Vmax=0.32，Ks=270.22，因此，膜生物反應器在處理諾氟沙星制藥廢水時，其有機底物降解動力學模式可用下式表示:

4 結論

通過對膜生物反應器處理諾氟沙星制藥廢水時系統的動力學分析，試得出該系統的污泥增殖動力學常數分別為:Y=0.31 mgVSS/mgCOD;Kd=0.01 d-1，明顯低于傳統活性污泥工藝。該系統的污泥增長動力學模式，用下式表示:

反應器中該污泥降解動力學常數分別為:Vmax=0.32，Ks=270.22，其有機底物降解動力學模式可用下式表示:

［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，廢水生物處理數學模式.2版［M］.北京:清華大學出版社，1993.

［4］ 顧國維，何義亮.膜生物反應器—在污水處理中的研究和應用［M］.北京:化學工業出版社，2002.

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

ZHANG Yong-feng1，ZHOU Zi-peng2，WANG Yan-tao3，FENG 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。