INDUSTRIAL WATER&WASrFEWATER 工业用水与废水 Vo1.38 No.6 Dec..2007 生物膜反应器SBBR的动力学研究 田玉萍 (西华师范大学化学化工学院,四川 南充637002) 摘要:采用序批式生物膜反应器(SBBR)处理经Fenton预处理后的偶氮染料活性嫩黄K一6G模拟染料废水。 试验结果表明:该反应器的COD去除效果稳定.平均去除率达63%.且具有一定抗冲击负荷能力:好氧段COD 降解过程服从扩散控制下的生物膜反应动力学模型:r =1,69(S一55.2),其中包含扩散作用的膜表面反应速率常 数 为1.69m/d,生化反应速率常数 1w为47 867 95 733 d~。 关键词:染料废水:生物膜:SBBR法;COD:动力学 中图分类号:X703.1 文献标识码:A 文章编号:1009—2455(2007)06—0005—03 Research on dynamics of sequencing batch biofilm reactor TIAN Yu——ping (College of Chem ̄try and Chemical Engineering,China West Normal Univer ̄ity,Nanchong 637002,China) Abstract:Sequencing batch biofilm reactor(SBBR)was used in the treatment of simulated azo dye wastewater of active light yellow K-6G which had been pretreated by Fenton process.The results of the test showed that:using the said reactor,the COD removal eficiency was stablfe and the average removal rate reached 63%.meanwhile.the system also had certain ability to resist shock loads.The process of COD degradation in aerobic stage coincide with the dynamic model of SBBR reactor:rA=1.69(5—55.2)under diffusion contro1.The membrane surface reaction speed constant k 1A based on diffusion effect was 1.69 m/d,the biochemical reaction speed constant k 1、,f was 47 867—95 733 d~. Keywords:dye wastewater;biofilm;SBBR process;COD;kinetics 序批式生物膜反应器(SBBR)是一种改进的复 合式生物膜反应器,它是把生物膜和过滤引入SBR 反应器,是综合了活性污泥法、生物膜法和生物过 滤等众多优点的一种尝试[-31 在反应器中放置软 性纤维填料作为微生物附着生长的载体,使悬浮生 长的活性污泥和附着生长的生物膜共同承担着去除 入水口 恒温加热器 纤维填料 纤维填料 污水中有机污染物的任务:同时在SBR的沉淀出 水后加入过滤工序.使活性污泥和滤料共同组成污 泥过滤层,即以过滤的方式代替传统的重力式泥水 分离,以此来进一步提高水质。但关于SBBR降解 COD的动力学至今未见报道,本文以配制的染料 水样经Fenton法预处理后作为SBBR的进水.对 图1 序批式生物膜反应器(SBBR)示意 Fig.1 Scheme of sequencing batch biofilm reactor 状区长、宽、高分别为l2、l0、30 cm.下面是高 为10 cm的锥形区,有效容积为3 L。填料分2层: SBBR降解该水样有机物的动力学进行了研究。 1试验装置 生物反应器(见图1)由有机玻璃制成,上部柱 收稿日期:2007—04—12;修回日期:2007—06—29 ・5・ 维普资讯 http://www.cqvip.com
INDUSTRIAL WATER&WASTEWATER 工业用水与废水 v。1.38 No.6 Dec.,2007 上部主体填料为8个直径为9 cm的圆形软性纤维 片;下部锥形区为直径为2—3 mm的焦炭颗粒层, 层高8 cm。曝气采用空气泵供氧,温度由电加热 恒温器控制为27℃。 2试验方法 2.1废水水样 染料废水:用市售活性嫩黄K一6G(800 mg/L) 以自来水配制,其中,P(无水Na2SO )l 000 mg/L、 P(尿素)50 mg/L、p(KH2PO )20 mg/L。该配水的 P(COD)为312—364 mg/L、pH值为7.0~7.6、电 导率为2 000—2 600 lxS/cm Fenton预处理:向染料废水中投加FeSO ・ 7H2O 200 mg/L,H2O2(30%)3 mL/L。反应后用氢 氧化钙调pH值至7.5左右,静止沉淀,将上清液 作为生物进水。该上清液的P(COD)为132~305 mg/L、P(NH3一N)为3-4~5.6 mg/L、pH值为7.8~ 8.1。 营养液:采用市售试剂葡萄糖、尿素、磷酸二 氢钾按比例配制,其理论m(BOD):m(N):m(P) =100:5:1。 2.2 SBBR生物处理 2.2.1污泥来源及驯化 接种污泥取自成都市城市污水处理厂SBR反 应器。在装填软性纤维填料反应器中,加入定量经 Fenton预处理后的染料废水、营养液、厌氧污泥上 清液组成的混合液,保持温度在27℃左右,定时 曝气和停气,每天换水一次。驯化过程中,逐渐增 大染料水样的比例,同时减小营养液的加入量。观 察微生物的生长情况,并定期测量进出水COD浓 度和色度变化,直到处理效果较稳定后,停止投加 营养液和厌氧污泥上清液。 2.2.2 SBBR反应器运行 SBBR反应器采用间歇曝气方式,一个周期为 24 h,每个周期分为缺氧段(前16 h静止不曝气)和 好氧段(后8 h曝气)。下端设置出水口,取样测其 COD浓度等。 3试验结果与动力学方程 3.1 COD去除效果的稳定性分析 在系统运行稳定后的近一个月里,反应器进、 出水COD浓度及COD去除率变化曲线如图2。 从图2可看出,进水p(COD)为132~305 mg/ L,出水P(COD)为51~121 mg/L,COD去除率在 ・6・ 5 lo l5 2O 25 运行时间/d 图2进、出水COD及COD去除率变化曲线 Fig.2 COD in influent and eflfuent water and various of CUl ̄e8 of COD removal rate 50%~75%之间波动,平均为63%。由此可见。 该生物反应器对所处理的染料废水的COD具有较 好的去除效果。此外,从图2还可看到,尽管进水 COD浓度有一定波动,去除率却比较稳定。且15 周期以后,出水浓度的波动幅度逐渐减小,说明该 反应器具有一定抗冲击能力。 3.2降解过程动力学分析 3.2.1生物膜动力学方程 对于生物膜法与SBR法结合系统的反应过程 动力学模式,目前国内外尚处于研究阶段。生物膜 反应器的主要特征是微生物以生物膜的方式附着在 载体表面上,水中的物质必须传输至生物膜表面和 内部才能由微生物去除,而完成传输的是缓慢的分 子扩散过程。因此,生物膜反应系统的动力学,既 与生化反应过程有关,又与扩散过程有关。多数情 况下,去除过程受扩散的。 扩散控制条件下,生物膜表面的基质反应速率 方程为 ]: rA=klAS (1) 式中:r^——生物膜单位面积单位时间的反应速 率,g/(m ・d); k ——以面积为基础的速率常数,m/d; 5——主体溶液中基质的质量浓度,g/m,。 由式(1)可知,生物膜上单位时间单位面积上的 反应速率,与膜外水相中基质的质量浓度成一级反 应关系。 对于较厚生物膜,有 : rA=x/D k1ⅥS (2) 式中:D——扩散系数,m2/d: k w——一级反应速率常数,d一。 3.2.2好氧段动力学方程 由于系统不曝气段COD浓度变化较大[5].其 维普资讯 http://www.cqvip.com
田玉萍:生物膜反应器SBBR的动力学研究 动力学过程还有待进一步研究,因此以式(1)和式 (2)为基础,建立好氧段的动力学方程。首先根据 rA=1.69(S一55.2) (3) 由式(2)和式(3)可以得D 、 2.872 mVd 。 根据有关资料,非特定COD在生物膜内的扩散系 数D为O_3×104~0.6×104 m2/d: ,从而可估算 式(1),由试验数据求得速率常数 求得膜内生化反应速率常数 。 得到适合所 讨论的生物膜系统的动力学方程.再由式(2)可以 好氧段COD浓度随时间变化如图3所示(温度 出膜内的生化反应速率常数 m为47 867~95 733 d一。试验所求得的速率常数( 和 w)与资料 中报道的易降解有机物(如乙酸等)在低浓度情况下 27℃左右,进水pH值为7.6,容积负荷O.1 3 kg/ (m ・d))。 l5O 12O 90 60 30 O j 2 j 4 6 , 时间/h 图3 COD降解过程曲线 Fig.3 Curve of COD degradation process 由图3可见,前3 h有机物降解较快.随着反 应时问的延长,有机物的降解曲线逐渐趋于平缓。 根据罔3中的数据,可求得任意时刻有机物单位表 面积降解速率 (生物膜表面积以纤维填料表面积 近似)。按照式(1),以rA和有机物浓度5作图, 得图4 l5O l2O 9O 6O 3O O U bU 70 U 90 lUU llU l2U ljU l40 S/(mg・L一 1 图4 rA-S回归曲线 Fig.4 Regression curve of S 图4中,线性回归方程为:r =1.694 7 S一 93.535(曲线的相关系数r=0.928,大于临界相关 系数0.765(置信水平O.O1))。方程在rA=0时,曲 线与 轴的交点为难降解物质的浓度5 由图得溶 液中难降解基质的质量浓度为55.2 mg/L。 从实测5中减去5 后,r 与5一S 的关系曲 线如图5。图5中,线性回归方程:rA=1.694 7(S一 55.2),方程的相关系数r(=O.928)>r 。 (= 0.765),说明图5中变量的线性关系成立 即试验 可讨论的生物膜系统在好氧段的动力学模型为: 的速率常数比较接近,这与生化反应器进水的水质 特征一致. .1 5O l2O 90 6O 3O O 1O 2O 3O 4O 5O 6O 7O 8O 9O S-S /(mg・L- ) 图5 r ~S—S 回归曲线 Fig.5 Regression Curve of FA~S—s 4结论 试验所讨论的生物膜系统在好氧段的动力学模 型为: =1.69(S一55.2)g/(m ・d),包含扩散作用 的动力学常数 为1.69 m/d,膜内部生化反应速 率常数 f为47 867~95 733 d~,以及不可生物降 解的COD的质量浓度5 为55.2 mg/L,进而还可 藉此评价废水COD的可生化率和最大可生物处理 程度 参考文献: [1]Soon—An Ong,Eiichi Toorisaka,Makoto Hirata,et a1.Treatment of azo dye OrangeⅡin aerobic and anaerobic-SBR systems fJ]. Process biochemistry,2005,40(8):2907—2914. 2]李家珍.染料、染色_T业废水处理[M].北京:化学工业出版 社.1999.71-76. [3]谢嘉.水污染控制原理[M].成都:四川大学出版社,2002. 4][丹麦]汉斯.污水生物与化学处理技术(第二版)[M](国家城市 给水排水工程技术研究中心。译).北京:中国建筑工业出版 社.2000. [5]田玉萍,曾抗美,吕扬,等.Fenton试剂一浸没式生物滤池处 理模拟染料废水试验研究fJ].工业水处理,2006,26(11): 44—47. f6][美 C P Leslie Grady,Jr.等.废水生物处理[M](张锡辉,刘 勇弟.译).北京:化学T业出版社,2003.479—483. 作者简介:田玉萍(1979一),女,四川德阳人,助教,硕士,主 要从事水污染控制研究,(电子信箱)tianypscu@.tom.eom。 ・7・
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