曝氣生物流化床反應(yīng)器COD降解動(dòng)力學(xué)分析

水春雨

(1.中國(guó)水利水電科學(xué)研究院水環(huán)境研究所，北京 100038; 2.中國(guó)鐵道科學(xué)研究院節(jié)能環(huán)保勞衛(wèi)研究所，北京 100081)

曝氣生物流化床屬于以生物膜法為主、兼有活性污泥法特點(diǎn)的污水處理工藝，其微生物系統(tǒng)以固著式微生物為主輔以懸浮式微生物。采用4級(jí)串連曝氣生物流化床反應(yīng)器處理動(dòng)車集便器高COD濃度糞便污水，進(jìn)水COD 8 000 mg/L左右，出水 COD 380 mg/L左右，BOD5僅 30 mg/L，BOD5/COD比值不足0.1，出水中主要含難生物降解有機(jī)物。本文在分析探究曝氣生物流化床實(shí)際運(yùn)行機(jī)理基礎(chǔ)上，根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，對(duì)反應(yīng)器有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了分析。

1 有機(jī)底物降解動(dòng)力學(xué)數(shù)學(xué)模式

在曝氣生物流化床反應(yīng)器內(nèi)，由于曝氣作用，使得污水在反應(yīng)器內(nèi)能夠較好地混合，故將反應(yīng)器視為完全混合反應(yīng)器，反應(yīng)器連續(xù)進(jìn)水，連續(xù)出水。并假定非溶解性有機(jī)物和溶解性有機(jī)物有著相同的去除過(guò)程，符合Monod模式。本反應(yīng)器由4級(jí)組成，對(duì)每一級(jí)反應(yīng)器進(jìn)行動(dòng)力學(xué)模型分析。

根據(jù)物料平衡原理，對(duì)每一級(jí)反應(yīng)器有機(jī)底物進(jìn)行物料平衡，得出如下方程:

式中:Q——進(jìn)水流量，L/h;

Sn0——第n級(jí)反應(yīng)器進(jìn)水有機(jī)底物 COD質(zhì)量濃度，mg/L;

Sne——第n級(jí)反應(yīng)器出水有機(jī)底物 COD質(zhì)量濃度(等同于混合液有機(jī)底物濃度)，mg/L;

V——反應(yīng)器體積，L。

據(jù)(1)式，得:

根據(jù)米奇里斯-門(mén)坦(Michaelis and Mentaen)方程［1］

底物的比降解速率，按物理意義考慮，有:

聯(lián)合(4)式和(5)式，有:

式中:ν——有機(jī)底物的比降解速率，h－1;

νmax——有機(jī)底物的最大比降解速率，h－1;

X——混合液中的生物總量VSS，mg;

S——混合液中的有機(jī)底物 COD質(zhì)量濃度，mg/L;

KS——米氏常數(shù)(半速率常數(shù))，mg/L，當(dāng)

反應(yīng)區(qū)微生物包括附著于填料上的生物膜和懸浮活性污泥兩部分。為方便計(jì)算，可將填料內(nèi)部和表面所掛生物膜折算成以單位填料體積所表示的濃度。每一級(jí)反應(yīng)器內(nèi)所加填料堆放體積rnVn，因此每一級(jí)反應(yīng)器內(nèi)生物量可表示為:

式中:Vn——第n級(jí)反應(yīng)器的有效容積，L(n= 1，2，3);

Xn——第n級(jí)反應(yīng)器的總生物量，mg;

an——第 n級(jí)反應(yīng)器內(nèi)微生物質(zhì)量濃度(VSS)，mg/L;

bn——第n級(jí)反應(yīng)器內(nèi)單位體積填料生物膜濃度(VSS)，mg/L);

rn——第n級(jí)反應(yīng)器內(nèi)填料堆積率(填料堆放體積與有效容積之比)。

聯(lián)合(6)、(7)式，可得:

由于反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度變化不大，(an+rn·bn)值基本不變，每級(jí)反應(yīng)器體積為定值，定義Kn=Vn(an+rn·bn)·νnmax=Xn·vnmax為第n級(jí)反應(yīng)器反應(yīng)速率常數(shù)，定義 Ksn為第 n級(jí)反應(yīng)器米氏常數(shù)(半速率常數(shù))則有:

為求Kn和Ksn，將上式化為:

2 有機(jī)底物降解動(dòng)力學(xué)參數(shù)確定

2.1 1級(jí)反應(yīng)器

由于反應(yīng)器內(nèi)微生物濃度變化不大，定義K1為1級(jí)反應(yīng)器反應(yīng)速率常數(shù)。

取反應(yīng)器內(nèi)溫度范圍為20～25℃時(shí)所測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，代入(3)式:

表1 1級(jí)反應(yīng)器試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析值

求得:

2.2 2～4級(jí)反應(yīng)器

表2 2～4級(jí)反應(yīng)器試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析值

圖1 2～4級(jí)反應(yīng)器1/U和1/S關(guān)系

圖1為曝氣生物流化床2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)反應(yīng)器1/U和1/S關(guān)系趨勢(shì)線。

由圖1可得出第2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)反應(yīng)器的K和Ks值，結(jié)果如表3所示。

將表3所示的各級(jí)反應(yīng)器的K和Ks分別代入(9)式，則有當(dāng)反應(yīng)器內(nèi)溫度范圍為20～25℃時(shí)，曝氣生物流化床2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)反應(yīng)器有機(jī)物降解動(dòng)力學(xué)方程為:

式中:U2、U3和U4分別為2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)反應(yīng)器單位容積有機(jī)底物COD降解速率，mg/(L·h);

S2、S3和S4分別為2級(jí)、3級(jí)和4級(jí)反應(yīng)器混合液有機(jī)底物COD質(zhì)量濃度，mg/L。

3 小結(jié)

從動(dòng)力學(xué)方程可以看出，從1級(jí)到4級(jí)反應(yīng)器，曝氣生物流化床反應(yīng)器對(duì)有機(jī)物的降解速率逐級(jí)減小。有機(jī)底物降解速率主要受混合液有機(jī)底物濃度的影響，隨著各反應(yīng)器有機(jī)物濃度的降低，有機(jī)物降解速率也逐漸減緩，難生物降解有機(jī)物逐級(jí)累積。

［1］ 張自杰.排水工程［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996.96-104.