SBR反應器內基質降解的動力學分析★

肖 靜 張 鑫

(遼寧工業大學土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001)

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·水·暖·電·

SBR反應器內基質降解的動力學分析★

肖 靜 張 鑫

(遼寧工業大學土木建筑工程學院，遼寧 錦州 121001)

分析了序批式活性污泥法(SBR法)反應器內基質降解的動力學過程,推導出動力學模式,提出了反應動力學參數的求定方法,利用試驗結果對動力學關系式進行了回歸分析,求得污水的動力學參數,為應用序批式活性污泥法提供了設計依據。

SBR法，動力學，基質降解，回歸分析

序批式活性污泥法(Sequencing Batch Reactor)又簡稱為SBR法，完整的運行過程包括進水、反應、沉淀、排水和待機5個階段,屬于間歇運行的生物處理工藝[1]。由于SBR法具有工藝簡單，耐沖擊負荷能力高，脫氮除磷效果較好等優點[2],目前在國內得到廣泛的應用[3,4]。對于序批式活性污泥法的基質降解的數學模式主要包括兩種:第一種是經驗模式，典型代表是埃肯費爾德(Eckenfelder)模式；第二種是基本模式,即將莫諾(Mo nod)方程式引入污水生物處理的設計和運行之中,該模式以微生物生理學為基礎，適用于單一基質的污水。David Quesnel等利用Monod方程得出了好氧生物法處理難生物降解廢水的動力學系數。本研究即是對SBR反應器內基質降解的速度、濃度等因素之間的關系進行初步的探討,對優化SBR工藝的設計和運行具有重要意義。

1 材料與方法

1.1 序批式活性污泥反應器

SBR反應器有效容積3.4 L，采用有機玻璃制成。采用電磁式空氣壓縮機對系統提供曝氣，曝氣頭設在反應器底部，空氣管路上設有空氣閥門用來調節曝氣量的大小。

1.2 試驗水質與分析方法

試驗中接種的活性污泥取自污水處理廠，馴化活性污泥的污水為普通的生活污水。污水的各項水質參數在取樣后立即進行分析。試驗過程中主要檢測項目包括：COD、總氮、總磷、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮等，分析方法依照國家環保局編寫的《水與廢水檢測分析方法》第4版進行[6]。

1.3 試驗方法

1)基本假設。進入曝氣池內的污水水質和微生物濃度都是均勻的；基質是可溶性的,且不含有毒有害物質；曝氣池處于完全混合狀態,且穩定運行；沉淀階段固液分離情況良好；排水階段,微生物失去活性,且出水水質、微生物濃度均勻恒定[7]。

2 結果與分析

2.1 硝化和反硝化反應動力學

(1)

其中，μNS為微生物比增長速率，d-1；(μmax)NS為最大比增長速率，d-1；KN為飽和常數，15 ℃時取值0.4 mg/L；X為亞硝酸菌濃度,mg/L；ρN為反應時間。

(2)

μNS=(μmax)NSX

(3)

2.2 動力參數的確定與討論

如圖1所示，從進水至反應結束的整個過程中都伴隨著氨氮的去除，并且呈現逐漸遞減的趨勢。在亞硝化細菌濃度幾乎不變的情況下，氨氮的降解速率應近似為一個常數。但是，按照實測數據，隨著反應時間的延長氨氮降解速率呈小幅下降之勢，可能是反應器內含有許多異養型硝化菌。在初期有機物濃度較高，異養硝化菌的代謝速度較快，導致氨氮的降解。之后，有機物逐漸被消耗完，異養硝化菌的代謝能力下降，則氨氮的降解速率也隨之下降。

圖2為總氮的降解以及擬合曲線。在反應開始的0 h～3 h內，總氮的去除速率較大；之后去除速率變小。在起始的3 h內，平均反硝化速率分別達到17.62 mgTN/h，14.18 mgTN/h，8.40 mgTN/h和6.40 mgTN/h；但是3 h之后，反硝化速率急劇下降，僅有1.81 mgTN/h。反硝化反應伴隨著系統內整個反應的進行，可被利用的碳源減少，速率也逐漸降低。從總氮的去除規律可以得出，反硝化反應的速率與進水中的有機底物，尤其是易降解的有機物的含量多少有密切的關系，易降解的有機物含量越高，反硝化的速率越快，反之則愈慢。

2.3 有機物去除動力學

吸附過程和底物分解過程是有機物去除的兩個主要的過程。當污水與活性污泥發生接觸時，有機物在短時間內被大量去除，這種現象稱為初期吸附。隨著反應的進行，被吸附的有機物一部分被微生物水解為小分子有機物，然后被攝入微生物體內，這就是微生物的同化作用。活性污泥微生物的耗氧量在吸附發生的初期，與表觀有機物的去除量并無直接關系，而是與被同化的量有關。在本試驗中，活性污泥系統在初期表現出較強的吸附作用。活性污泥微生物的酶促反應即為底物分解的過程。目前，用來描述底物分解過程的公式很多，其中，比較常用的是埃肯弗爾德(Eckenfelder)公式。在活性污泥微生物的對數增殖期，有機底物的降解規律可以用下式表示：

(4)

(5)

(6)

其中,Y為產率系數；S為底物濃度,mg/L，以BOD或CODCr表征；X為混合液懸浮固體濃度；t為反應時間。

這說明在對數增殖期初期，有機底物是按對數規律進行降解的。當進入減速增長期后，有機底物不充足時，根據Eckenfelder公式，底物的降解規律是：

=-K2XS

(7)

(8)

上式說明當系統內具有相同污泥濃度時，當微生物進入減數增長期的時候有機物濃度降低，有機底物按照對數規律進行降解。

污泥濃度不同的時候，速率常數K1,K2和常數C1,C2并不相同。本次試驗目的就是考察不同條件下有機物的降解規律，找出在不同的污泥濃度條件下，有機底物降解速率常數K1,K2和常數C1,C2。

圖3出示了整個反應期內COD濃度隨時間變化曲線，試驗結果表明，在整個反應期內，降解速率的變化范圍在-3.96 mgCOD/h～300.08 mgCOD/h，對COD的降解速率呈現逐步降低的趨勢，初步分析原因可能為，在較低溶解氧濃度條件下，在初期的COD的去除中，微生物的吸附降解起著較大的作用?；钚晕勰嗯c污水接觸的初期以吸附為主。然而，對于生物降解的吸收和吸附而言并不能完全區分開來，因此在初期，溶解性有機底物的去除是吸附與吸收共同作用的結果。在進水最初2 h內，COD的平均降解速率達到162.21 mg/h，去除率達到約79.80%。2 h之后的各時間段里，系統內的COD濃度逐漸降低，并且大部分均是一些比較難降解的有機底物，也是導致系統內COD降解速率降低的原因。對初期和反應后期的降解速率曲線進行線性擬合，方程式分別為lnS=e(-0.652 1t+6.105 9)和lnS=e(-0.181 1t+4.625 6)，COD降解速率的常數K1，K2相差較大，在反應初期K1較大的原因主要取決于活性污泥在初期具有較強的吸附作用，使得COD在短時間內迅速下降。

3 結語

1)整個反應期內，COD降解速率的變化范圍-3.96 mgCOD/h～300.08 mgCOD/h，降解速率呈現逐步降低的趨勢；氨氮的降解速率隨著反應時間的延長呈小幅下降之勢；總氮的降解在反應開始的0 h～3 h內，總去除速率較大，之后去除速率變小。2)根據試驗數據，分別對COD，NH3-N和TN降解數據進行線性回歸，以分別求出各自的減速增殖速度常數K2，得出相應的底物降解動力學方程：COD：lnS=e(-0.652 1t+6.105 9)(初期)和lnS=e(-0.181 1t+4.625 6)(后期)。NH3-N：lnS=e(-0.387 4t+3.886 0)。TN：lnS=e(-0.243 9t+4.048 0)(初期)和lnS=e(-0.077 4t+3.547 8)(后期)。3)研究表明,在本試驗工藝參數條件下,SBR內的基質降解動力學關系符合一級反應方程。

[1] 方戰強，陳曉蕾，成 文，等.SBR降解動力學研究[J].環境工程學報，2009,3(4)：569-663.

[2] 高廷耀,顧國維.水污染控制工程[M].北京:高等教育出版社,2000：136-137,163.

[3] 方先金.SBR工藝特性及降解過程的研究[J].給水排水,2000,26(7):18-21.

[4] 杜曉麗,鄭 磊.SBR法處理城市污水最佳工況研究[J].山東建筑工程學院學報,2005,20(5):24-26.

[5] Mohan S.V.,Rao N.C.,Prasad K.K.,et al.Treatment of com-plex chemical waste water in a sequencing batch reactor (SBR) with an aerobic suspended grow th configuration[J].Process Biochemistry,2005(40):1501-1508.

[6] 水和廢水檢測分析方法編委會.水和廢水監測分析方法[M].第4版.北京:中國環境科學出版社,2002.

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

Analysis on the kinetics of substrate degradation in SBR process★

Xiao Jing Zhang Xin

(School of Civil and Architectural Engineering, Liaoning University of Technology, Jinzhou 121001, China)

The SBR kinetics of substrate degradation was analyzed and discussed. The reaction kinetics-model was deduced. The kinetic parameters were determined by the regression analysis of the dynamic relationship using the test results, providing design basis for application of sequencing batch reactor activated sludge process.

Sequencing Batch Reactor, kinetics, substrate degradation, regression analysis

1009-6825(2016)12-0100-03

2016-02-19

★：遼寧省教育廳高校科研基金項目(項目編號：L2015239);遼寧工業大學科研啟動基金項目(項目編號：X201318)

肖 靜(1980- )，女，博士，講師

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