生物膜反应器SBBR的动力学研究

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・