SBR法处理啤酒废水有机质降解动力学研究

崔玉波,车明原

（1.大连民族学院生命科学学院,辽宁 大连 116605；2.北京市昌平自来水有限责任公司,北京 102200）

SBR法处理啤酒废水有机质降解动力学研究

崔玉波1,车明原2

（1.大连民族学院生命科学学院,辽宁 大连 116605；2.北京市昌平自来水有限责任公司,北京 102200）

利用活性污泥 SBR法和生物膜 SBR法进行有机质降解过程和降解动力学参数的比较研究。每个 SBR反应器总容积为 4 L,有效容积为 3 L。生物膜 SBR法的填料采用海产品废弃物贝壳,填充的堆积体积为 1.5 L,填充率为 10%；贝壳大小为 2 cm×3 cm。进水水质指标为 COD 396～457m g·L-1,NH 4-N 46m g·L-1,TP 9.4m g·L-1,pH 6.50,水温 14℃。运行周期为 12 h,其中曝气 10 h,沉淀 1 h,排水和进水 1 h。每次排水 1.5 L,进水 1.5 L。在试验稳定运行两周后开始研究有机质降解动力学过程,活性污泥SBR法和生物膜 SBR法的MLSS分别为 4 321,7 729m g·L-1,获得的 Vmax分别为 0.024,0.031 d-1；Ks分别为 121.9,57.71m g·L-1；K2分别为 0.000 20,0.000 54 L·m g-1·h-1。生物膜 SBR法有机质降解过程没有表现出初期吸附特征,而是 COD浓度持续下降的过程。

活性污泥 SBR法；生物膜 SBR法；啤酒废水；动力学参数

废水生物处理系统的动力学方程和设计参数关联式都涉及到一系列动力学参数,确定这些参数,对系统设计、运行过程的分析和运行管理都有重要意义[1-2]。活性污泥法中有机质降解动力学研究相对成熟,但针对生物膜法的相关研究要复杂得多。

生物膜反应器中的底物去除动力学早期是建立在分子扩散理论基础上的,但后期研究发现,生物膜反应扩散理论的基本假设中存在若干不合理因素,使得这一理论在许多情况下不能正确描述底物去除动力学,例如假设对于底物浓度、生物膜反应动力学为零级[3]；但研究发现,在生物膜发生对底物而言的零级反应的可能性不大。人们应用这一理论确定不同种群特性的生物膜及底物去除的各种动力学参数,并没有对这一理论所提供的方法从根本上分析其可靠性,使得不同学者报导的生物膜动力学参数差别很大,没有可比性。再者,理论模型和实际应用亦存在较大差别。本研究不考虑理论细节,而是通过模拟试验的表观结果,探讨活性污泥法和生物膜法处理啤酒废水的有机质降解过程和动力学参数,为处理系统的设计和运行提供依据。

1 试验原理

SBR（Sequencing Batch Reactor）即序批式活性污泥法,是一种间歇运行的废水生物处理工艺。关于 SBR法的基质降解动力学过程,主要有两种观点[4]:一是认为 SBR法的基质降解过程服从莫诺特 （M onod）关系式,即遵从 V=VmaxS/（Ks+S）关系,这是一相说的观点；另一种观点认为,SBR法的基质降解在进水期服从零级反应动力学关系:-dS/d t=K1X,在进水期完成后的曝气期服从一级动力学关系 -d S/d t=K2XS[4]。

在求解有机质降解动力学参数时,有机质通常用BOD表示。但BOD具有测定时间长和准确度差等缺点,不如 COD方便；而以 COD代表基质浓度,通过 V=VmaxS/（Ks+S）作图,来求解 Vmax和Ks具有一定的近似性。

1.1 低基质浓度下有机质降解动力学

在较低基质浓度条件下,进水后曝气期的 SBR法基质降解速率服从一级反应动力学关系,即

式中,S为可降解溶解性 COD浓度 （m g·L-1）,t为曝气时间 （h）,X为混合液污泥浓度 （m g·L-1）,K2为 COD降解速率常数 （L·m g-1·h-1）。

在正常运行期,污泥浓度 X较高,可假定反应器中污泥浓度的变化速率 d X/d t近似为零,将 X作为常数对待。设 t=0时 S=S0,t=t时 S=Se,对式 （1）积分可得

式中,S0为进水后可降解溶解性 COD浓度 （m g·L-1）,Se为曝气 t时间的可降解溶解性 COD浓度（m g·L-1）。

完全混合曝气池内,以有机物去除量为基础的有机物污泥去除负荷为

式中,Vmax为有机底物的最大比降解速率 （d-1）,Ks为饱和常数 （m g·L-1）。

在稳定运行条件下,完全混合曝气池内各点的有机底物降解速率是一个常数,可以通过实验数据求解[5]。

1.2 常数值 K2、V max和 KS值的确定

1.2.1 K2的确定

将 （S0-Se）/X t=K2Se按直线方程 y=aX考虑,以 （S0-Se）/X t为纵坐标,以 Se为横坐标作图,直线斜率即为 K2（如图 1（a））。

图1 图解法确定有机质降解动力学参数

1.2.2 Vmax和 KS值的确定

取式 （3）的倒数得

2 试验装置与方法

2.1 试验装置

试验装置为两个 SBR反应器,由有机玻璃制成,总容积为 4 L,有效容积为 3 L。其中一个反应器为生物膜法,填料采用贝壳,其大小为 2 cm×3 cm,填充体积为 1.5 L,填充率为 10%。另一个反应器为普通活性污泥法。

2.2 方法

进水由啤酒和磷酸氢二钾、氯化铵人工配置,水质指标为 COD 396～457m g·L-1,NH4-N 46 m g·L-1,TP 9.4 m g·L-1,pH 6.50,水温 14℃。运行周期为 12 h,其中曝气 10 h,沉淀 1 h,排水和进水 1 h。每次排水 1.5 L,进水 1.5 L。在试验启动并稳定运行两周后开始研究有机质降解动力学过程,进水完成后曝气起始点为计时零点,按照一定时间间隔取样检测 COD浓度。稳定运行后两个反应器的MLSS分别为:活性污泥法 4 321m g·L-1,生物膜法 7 729m g·L-1。

COD用重铬酸钾法检测,NH 4-N用钠试剂分光光度法检测,TP用过硫酸钾氧化—氯化亚锡还原光度法检测。

3 结果与讨论

3.1 有机质降解过程

两个反应器的有机质降解动力学过程如图2,其中,图 2（a）为普通活性污泥法,图 2（b）为生物膜法。由图 2（a）可以看出,有机质降解过程符合活性污泥法的降解规律,即存在初期吸附现象,此时的 COD去除并非降解,而是被污泥吸附,粘着在生物絮体的表面,这种吸附是由物理吸附和生物吸附交织在一起的初期吸附。之后,COD略有升高后继而持续下降。

图2 活性污泥法和生物膜法有机质降解过程

而图 2（b）显示的 COD降解规律与图 2（a）差别明显,表现为快速下降到缓慢下降的过程,没有表现出 COD解析回升过程。分析其原因为生物膜 SBR法中的MLSS浓度较高,进水后虽然产生初期吸附,但随后的降解速度高于解析速度,因而表现为 COD浓度的持续下降。

3.2 动力学参数求解

采用瞬时进水方式,有机质的生物降解和生物增长主要发生在反应阶段。反应期活性污泥的增加量相对于系统中的高污泥浓度而言较小,因此在反应阶段忽略 MLSS的变化。试验中,由于间歇进水,反应器中滞留液对进水有稀释作用,故曝气反应期间基质浓度较低,污泥浓度较高。在较低基质浓度下,进水后曝气期 SBR法有机物降解速率应该服从一级反应动力学关系。

根据低基质浓度下有机质降解动力学的参数求解方法作图,图 3和图 4分别为活性污泥法SBR和生物膜法 SBR有机质降解动力学参数求解图示。求解的动力学参数见表 1。

由式 （3）推断,对于相同出水有机物浓度要求,Vmax和 K2越大,则有机物污泥去除负荷越大,相应的需要的水力停留时间就越短。从本研究的结果看,生物膜法 SBR较活性污泥法 SBR具有较高的污染物去除效率。

表1 有机质降解动力学参数

4 结 语

通过试验对比了活性污泥 SBR和生物膜 SBR有机质降解过程,并对有机质降解动力学参数进行了计算。生物膜 SBR法的有机底物最大比降解速率和降解速率常数较活性污泥 SBR法大,前者具有更高的处理效率。二者的有机物降解过程存在明显差别,生物膜 SBR法没有表现出初期吸附特征,而是有机物浓度持续下降的过程。

[1]孙福德,满春生,张树桃,等.焦化厂含酚废水生化反应动力学常数的测定[J].吉林化工学院学报,1989,6（2）:59-63.

[2]林红军,陆晓峰,施柳青.膜生物反应器中的基质降解动力学研究[J].环境科学与技术,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]韩相奎,周春生,姚秀琴.SBR法过程动力学研究[J].环境科学学报,1996,16（4）:394-399.

[5]李圭白,张杰.水质工程学[M].北京:中国建筑工业出版社,2005.

（责任编辑 邹永红）

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">文献标志码:A

A

1009-315X（2011）01-0001-04

2010-09- 21；

2010-10-26

辽宁省科技厅基金项目 （20081095）。

崔玉波 （1968-）,男,内蒙赤峰人,教授,博士,主要从事水污染控制技术研究。