厌氧水解—二段生物接触氧化法处理生活污水动力学研究

摘要：利用厌氧水解-二段生物接触氧化法处理生活污水的小试试验，对该工艺的基质降解动力学进行分析。根据反应器内基质消耗过程的物料平衡，推算出工艺降解有机物的动力学模型及相关动力学常数。

关键词：厌氧水解；二段生物接触；生活污水；动力学研究

Dynamic Studies on Treatment of Domestic Sewage by Anaerobic Hydrolysis-Binary Biological Contact Oxidation

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

二段生物接触氧化法（以下简称二段法）是将传统生物接触氧化池分为两段，可以充分发挥同类微生物种群的协同作用，克服不同微生物种群间的拮抗作用，大大提高处理效率[1，2]。目前国内外该类装置的设计大都根据污水量标准或经验数据和经验公式确定处理单元的大小[3]。数理模型可表征污水处理过程中污染物降解等参数之间的定量关系，可用于指导反应器的设计及优化。应用数学模型对水解酸化—二段生物接触氧化工艺处理污染物的机理过程进行分析，计算出基质降解动力学参数，以期为工艺的最优化设计及运行研究提供依据。

1 工艺流程

试验装置如图1所示，由钢化玻璃制成，池体内设挡板将其分为三部分，1个厌氧水解池，2个生物接触氧化池，每个池的有效容积为9.2 L，有效水深184 mm，总有效容积为27.6 L。

系统采用空压机供气，曝气沙头曝气，曝气量由玻璃转子流量计控制。反应器通过蠕动泵从厌氧端进水，经降解处理后由好氧端出水。厌氧水解池和A段生物接触氧化池内填料为美国科恩公司生产的悬挂式生物带，B段生物接触氧化池内填料为湖北科亮生物环保公司生产的悬浮式蜂窝填料。两种填料性能比较见表1。

试验期间污水取自长江大学校园生活污水，进水pH 7.0～7.5，化学需氧量

（CODCr）90～150 mg/L，NH4+-N 20～40 mg/L，固体悬浮物（SS）100～150 mg/L。水质分析采用国家标准方法： NH4+-N采用纳氏试剂光度法测定；NO3--N采用酚二磺酸分光光度法测定；NO2--N采用N-（1-萘基）-乙二胺光度法测定；CODCr采用重铬酸钾法测定。

2 动力学模型的建立

2.1 厌氧水解段

方春玉等[4]通过对厌氧生物流化床处理啤酒废水动力学研究得出，厌氧反应器中混合基质的降解模型用Monod关系表示时可能会产生较大误差。本试验厌氧段选择Eckenfelder模式[5]，当系统稳定运行时，可得

Us=K2Se=（S0-Se）/xt （1）

式中，Us为基质的比去除速度；S0、Se为进、出水基质浓度；t为水力停留时间；x为微生物浓度；K2为动力学常数。

依据公式（1）得厌氧段试验结果见表2。

以Se为横坐标，Us为纵坐标作图，得图中曲线斜率即K2=0.000 8（图2），去除0.003 9的误差，得水解段基质降解动力学模型为Us=0.000 8Se，相关系数R=0.967 4。

2.2 好氧接触段

生物降解有机物是一个非常复杂的过程，在研究好氧动力学时必须有以下假定[6]：整个工艺处理系统处于稳态；反应器内溶液处于完全混合状态，微生物浓度和底物浓度不随反应器位置而变化；进入生物反应器的污水基质为溶解态，并且不含有微生物群体；生物膜量远远大于水中悬浮生物固体含量，水中悬浮生物量可以忽略。

根据顾夏声[7]所提出的接触氧化动力学模型，有以下物料平衡公式：

QS0+（ds/dt）AVA+（ds/dt）SVS=QSe （2）

式中，Q为进水流量；VA为附着生物膜体积；VS为反应器内混合液体积；（ds/dt）A单位体积附着生物膜去除基质的速率；（ds/dt）S单位体积悬浮生物去除基质的速率。

由于生物接触法处理污水微生物主要吸附于填料上，（ds/dt）A要远远大于（ds/dt）S，所以公式（2）可以改写为：Q（S0-Se）=-（ds/dt）AVA （3）

因为

（dX/dt）A=-Y0A（ds/dt）A （4）

（dX/dt）A=μAXA （5）

所以

Q（S0-Se）=■Nad （6）

式中，XA为附着相生物膜质量浓度；μA为附着生物膜比增长速度；Y0A为附着生物膜表观产率；N为填料体积；a为填料比表面积； d为生物膜厚度。

利用Monod经典方程：

μ=■ （7）

式（6）转化为

Q（S0-Se）=■×Nad×■ （8）

令

U=■和Umax=■ （9）

得到

U=■ （10）

式中，U为单位面积填料基质去除速度；Umax最大基质去除速度；Ks有机基质饱和常数。

当基质浓度Ks远大于Se，则

U=UmaxSe/Ks=KSe （11）

式中，K为常数。

对式（10）求倒数则有

■=■×■+■ （12）

当污水中含有不可降解基质时，则Se分为可降解部分和不可降解部分，不可降解部分用Sn表示，则式（11）、（12）分别变换为

U=K（Se-Sn） （13）

■=■×■+■ （14）

有机基质饱和常数Ks和Umax的大小与基质性质、微生物种类、填料种类和性质及环境因素密切相关。本研究中，A、B两段生物接触氧化池采用不同的填料，填料总体积为0.001 746 m3，总比表面积约为1 563.57 m2/m3，总表面积约为2.73 m2。好氧段试验数据及分析结果如表3所示。

利用公式（13），以试验数据为依据，U为纵坐标、Se为横坐标作图，得到一元线性回归方程，见图3。图中直线斜率为一级反应常数0.082 4，X轴上的截距为0.780/0.082 4=9.47，即为不可降解基质浓度Sn，即出水中不可降解基质浓度Sn=9.47 mg/L。

以1/（Se-Sn）为横坐标、1/U为纵坐标作图，得到一元线性回归方程，见图4。图中直线在Y轴上的截距即为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。

对图3、图4中一元线性回归方程进行相关性系数检验[8]，在a=0.05的相关性水平下，自变量个数为1，剩余自由度分别为2和3，查得R分别为0.950和0.878，由图3、图4可知，两回归方程的R分别为0.988 6和0.991 7，所以相关性系数均能达到要求。因此好氧接触段基质降解动力学模型为：

U=■，其R=0.991 7。

3 结论

常温下，厌氧水解-二段生物接触氧化法处理生活污水对CODCr、NH4+-N、SS的平均去除率分别为82%、98%、90%。

通过改变水力停留时间，得出不同工况下反应器运行参数。根据基质消耗物料平衡，得出厌氧水解-二段生物接触氧化法处理生活污水动力学模型，厌氧水解段为Us=0.000 8Se，好氧生物接触氧化段为U=■。

参考文献：

[1] 赵立军，王怀建，刘俊良，等.二段生物接触氧化法处理城市污水评析[J].中国给水排水，2002，18（12）：28-29.

[2] 王聪亮，胡龙兴，钱世超.水解-好氧系统处理生活污水的特性研究[J].环境科学与技术，2001，12（2）：28-31.

[3] 潘文扬，孙石磊，张徐翔，等.合成制药废水生物降解动力学模型研究[J]. 工业用水与废水，2007，38（6）：1-4.

[4] 方春玉，周 健，王 鹏，等.厌氧生物流化床处理啤酒废水动力学研究[J]. 能源环境保护，2008，22（1）：21-25.

[5] Eckenfelder W W.工业水污染控制[M].第三版.陈忠明，译.北京：清华大学出版社，2002.

[6] 方 茜，荣宏伟，张立秋.同步硝化反硝化脱氮模型及动力学分析[J].广州大学学报（自然科学版），2009，8（2）：60-65.

[7] 顾夏声.废水生物处理数学模式[M].第二版.北京：清华大学出版社，1993.

[8] 田胜元，萧曰嵘.实验设计与数据处理[M]. 北京：中国建筑工业出版社，1996.