崔玉波,車明原

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

SBR法處理啤酒廢水有機質降解動力學研究

崔玉波1,車明原2

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

利用活性污泥 SBR法和生物膜 SBR法進行有機質降解過程和降解動力學參數(shù)的比較研究。每個 SBR反應器總容積為 4 L,有效容積為 3 L。生物膜 SBR法的填料采用海產品廢棄物貝殼,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。進水水質指標為 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℃。運行周期為 12 h,其中曝氣 10 h,沉淀 1 h,排水和進水 1 h。每次排水 1.5 L,進水 1.5 L。在試驗穩(wěn)定運行兩周后開始研究有機質降解動力學過程,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法有機質降解過程沒有表現(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；動力學參數(shù)

廢水生物處理系統(tǒng)的動力學方程和設計參數(shù)關聯(lián)式都涉及到一系列動力學參數(shù),確定這些參數(shù),對系統(tǒng)設計、運行過程的分析和運行管理都有重要意義[1-2]?；钚晕勰喾ㄖ杏袡C質降解動力學研究相對成熟,但針對生物膜法的相關研究要復雜得多。

生物膜反應器中的底物去除動力學早期是建立在分子擴散理論基礎上的,但后期研究發(fā)現(xiàn),生物膜反應擴散理論的基本假設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,例如假設對于底物濃度、生物膜反應動力學為零級[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的可能性不大。人們應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,使得不同學者報導的生物膜動力學參數(shù)差別很大,沒有可比性。再者,理論模型和實際應用亦存在較大差別。本研究不考慮理論細節(jié),而是通過模擬試驗的表觀結果,探討活性污泥法和生物膜法處理啤酒廢水的有機質降解過程和動力學參數(shù),為處理系統(tǒng)的設計和運行提供依據(jù)。

1 試驗原理

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

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

1.1 低基質濃度下有機質降解動力學

在較低基質濃度條件下,進水后曝氣期的 SBR法基質降解速率服從一級反應動力學關系,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）。

在正常運行期,污泥濃度 X較高,可假定反應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 t=0時 S=S0,t=t時 S=Se,對式 （1）積分可得

式中,S0為進水后可降解溶解性 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,以有機物去除量為基礎的有機物污泥去除負荷為

式中,Vmax為有機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)定運行條件下,完全混合曝氣池內各點的有機底物降解速率是一個常數(shù),可以通過實驗數(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,以 Se為橫坐標作圖,直線斜率即為 K2（如圖 1（a））。

圖1 圖解法確定有機質降解動力學參數(shù)

1.2.2 Vmax和 KS值的確定

取式 （3）的倒數(shù)得

2 試驗裝置與方法

2.1 試驗裝置

試驗裝置為兩個 SBR反應器,由有機玻璃制成,總容積為 4 L,有效容積為 3 L。其中一個反應器為生物膜法,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%。另一個反應器為普通活性污泥法。

2.2 方法

進水由啤酒和磷酸氫二鉀、氯化銨人工配置,水質指標為 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℃。運行周期為 12 h,其中曝氣 10 h,沉淀 1 h,排水和進水 1 h。每次排水 1.5 L,進水 1.5 L。在試驗啟動并穩(wěn)定運行兩周后開始研究有機質降解動力學過程,進水完成后曝氣起始點為計時零點,按照一定時間間隔取樣檢測 COD濃度。穩(wěn)定運行后兩個反應器的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 結果與討論

3.1 有機質降解過程

兩個反應器的有機質降解動力學過程如圖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,有機質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質降解過程

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。分析其原因為生物膜 SBR法中的MLSS濃度較高,進水后雖然產生初期吸附,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 動力學參數(shù)求解

采用瞬時進水方式,有機質的生物降解和生物增長主要發(fā)生在反應階段。反應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,因此在反應階段忽略 MLSS的變化。試驗中,由于間歇進水,反應器中滯留液對進水有稀釋作用,故曝氣反應期間基質濃度較低,污泥濃度較高。在較低基質濃度下,進水后曝氣期 SBR法有機物降解速率應該服從一級反應動力學關系。

根據(jù)低基質濃度下有機質降解動力學的參數(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有機質降解動力學參數(shù)求解圖示。求解的動力學參數(shù)見表 1。

由式 （3）推斷,對于相同出水有機物濃度要求,Vmax和 K2越大,則有機物污泥去除負荷越大,相應的需要的水力停留時間就越短。從本研究的結果看,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 有機質降解動力學參數(shù)

4 結 語

通過試驗對比了活性污泥 SBR和生物膜 SBR有機質降解過程,并對有機質降解動力學參數(shù)進行了計算。生物膜 SBR法的有機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動力學常數(shù)的測定[J].吉林化工學院學報,1989,6（2）:59-63.

[2]林紅軍,陸曉峰,施柳青.膜生物反應器中的基質降解動力學研究[J].環(huán)境科學與技術,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法過程動力學研究[J].環(huán)境科學學報,1996,16（4）:394-399.

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

（責任編輯 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">文獻標志碼:A

A

1009-315X（2011）01-0001-04

2010-09- 21；

2010-10-26

遼寧省科技廳基金項目 （20081095）。

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