SMBR有机物降解动力学模型及应用

浸没式膜生物反应器（SMBR）有机物降解动力学模型及应用薛圆圆 2013214130 苑梦影 2013214135 钱婧婧 2013214013 李恺 2013214009王明园 2013214077 王宇飞 2013214078 白永强 2013214089 方帅 20132140721. 试验背景在污水的生物处理过程中，有机污染物的去除是首要目标，微生物的增长是 对有机物去除的结果。在微生物增殖理论得到较广泛应用的基础上，研究底物降 解规律已成为MBR工艺深入研究的方向之一。SMBR中的微生物除了具有传统活性污泥法中的微生物动力学特征外，因SMBR工艺的独特性，使得SMBR中有机物降解动力学有别于传统生物处理的污 泥增长和动力学特征，表现为：（1）通过膜组件的截留作用，能将全部的活性污 泥微生物都拦截在反应器内，使得反应器内维持了较高的污泥浓度，从而降低了 有机物-污泥负荷；（2）系统内有机物-污泥负荷低，微生物大都处于内源呼吸期， 有机底物的去除主要用于维持微生物的生命活动；（3）微生物代谢过程中产生的 难于生物降解的溶解性有机产物也被膜组件截留在反应器内，进一步得到降解去 除。针对上述SMBR的工艺特点，建立相应的有机物去除动力学模型，对于指导 SMBR系统的工程应用具有重要意义。2. 实验材料与分析方法2.1试验装置和操作条件试验使用的膜生物反应器如图1所示。试验建立了两套相同的MBR反应器， MBR反应器由有机玻璃制成，每套装置可独立运行，每套装置的尺寸为：直径 为0.15 m,高为1.5 m,有效容积为15 L,膜组件采用天津工业大学膜天膜工程 技术有限公司生产的PVDF中空纤维微孔膜。膜组件下以穿孔管鼓风曝气，为 微生物供氧，同时产生水力冲刷作用，抑制污染物在膜表面的沉积。MBR的排 泥以排除混合液的方式来实现。压力表压力表图1试验装置简图2.2实验材料MBR工艺采用人工配水进行试验。根据典型城市生活污水水质，以淀粉、 葡萄糖、蛋白胨、尿素、磷酸二氢钾及微量元素钙、镁、铁、锌等为原料进行配 水，具体水质如表1所示。表1配水组分及浓度项目数值/(mg.L-1)平均数/(mgL-1)CODCr217.5 451.6354.5NH + N425.6 60.837.78TN30.5 68.544.1TP4.9 15.67.8Ph6.8 7.87.45微里元糸若干2.3分析项目和方法常规测定项目包括pH值、温度、MLSS、MLVSS、CODCr、B0D5，这些项 目的测定均采用国家标准方法，反应器中污泥混合液上清液通过静沉30mi n后获 得，具体检测方法见表2。表2水质测定项目与方法分析项目测定方法化学需氧量重铬酸钾法生物需氧量稀释与接种法MLSS滤纸重量法MLVSS标准方法（重量法）pHpHS-3C精密数显酸度计温度水银温度计3. 有机物降解动力学分析3.1模型建立图2膜生物反应器物料衡算简图模型假设：（1）进水水质均匀，且不含有微生物群体；（2）基质是可溶性 的，不含抑制微生物活性基质；（3）反应器内处于完全混合状态，污泥浓度保 持稳定。根据MBR的工艺特点，用物料平衡的方法作为分析和研究问题的手段。 并在物料衡算方程的基础上建立有机物降解动力学模型，求出MBR处理模拟废 水的最大比基质降解速率V max和基质饱和常数Ks，以期为深入进行膜生物反应 器的优化设计和运行控制提供理论依据。MBR是以生物处理为核心的技术，活性污泥法的基本动力学方程也是适用 于MBR工艺的，但由于MBR工艺的独特性，需对其进行修正。根据活性污泥法 基本动力学理论,一般用Vmax和Ks来描述废水生物处理系统的有机物去除特征。Vmax和Ks分别为最大比基质降解速率和基质饱和常数，单位分别为d-1和 mg/L。这两个常数反映废水的性质，特别是其可生物降解性。对于易于生物降 解废水，Vmax较大而Ks较小;难降解废水通常Vmax较小而Ks较大。劳伦斯一麦卡蒂在莫诺特方程的基础上把u = u方程引入废水处理领域，对于废max K + CS水处理来说，有机底物的比降解速率比微生物的比增殖速度更实际，应用性更强,是讨论研究的对象。而根据底物降解速率的基本定义有：rd (C - C )u = - teXXdtV XCr maxs K + C式中:rs底物消耗速率，mg/Ld；C一上清液底物浓度，mg/L； X污泥混合液挥发性活性污泥浓度，mg/L； Ct、Ce分别为进水和膜系统出水中的CODCrs浓度，mg/L。在MBR中，根据完全混合的流态反应特点，对CODCr进行物料衡算，有:Vd = QC + Vr - Q C - Q C dt t t在稳态状态条加下有:dC = 0dt联立(2)(4)有:QC-Q C -QCt tV XC=V maxK + Cs由于:V二 HRT QeV二 SRTQw将上式代入(5)整理得:C - CtwSRTC - C+1eHRTXCVmaxK + Cs式中:Qt、Qw、Qe一分别为进水流量、排泥量和出水流量，m3/d； SRT、HRT一分别为污泥龄和水力停留时间，d； Cw排放剩余污泥中的CODCr浓度，mg/L。C - c v XC因SRT远远大于HRT,所以有-te二-max一 HTR K + Cs根据完全混合式反应器的特点，以C代替C得: sup(*)X K 11= s+C - C V C V temax supmaxHRT以丄作图求得：V和KC - C Cmax St eSUpHRT3.2动力学模型参数求解试验中在不同SRT条件下测定了动力学有关参数，数据汇总结果见表3表3动力学参数试验结果序号HRT(d)Xv (mgVSS/L)Ct-Ce (mg/L)Csup (mg/L)XHRT/(Ct-Ce)(d)1/Csup(L/mg)10.25215832360.61.670.016520.252334304401.920.024430.25264831846.12.080.021740.252846294342.420.029550.25314130833.32.550.0360.25323031238.32.440.0261根据上表中的数据，按（*）进行线性回归处理，见图3。可计算得到有机底物的最大比降解速度V 和饱和常数K的数值。maxsK1l 二 62.117,二 0.6458VVmaxmax解得：V =1.55d-1 ； K =96.18mg/L。maxsou.mHHHX从图3可以看出，实测值与线性回归有一定的偏差（相关系数为R2=0.8321）, 这种偏差可能是MBR工艺污泥浓度高，污泥混合液中微生物的生理代谢与传统 方法不同，且微生物在不同SRT条件下生理状态也是不同的。本实验中污泥浓度 X通过测定悬浮物中挥发性物质浓度（VSS）来测定，这种方法没有考虑各种微生 物的不同生理条件。4. 结论通过动力学推导得到了SMBR降解有机物的动力学模型，并通过实验得到了 相关动力学参数V =1.55d-i ； K =96.18mg/L。maxsXC - CteHRT确立了基于Monod方程的有机物降解动力学模型：=62.100 丄 + 0.6461 Csup根据该模型，可在一定条件下，通过控制反应器中的污泥浓度、水力停留时 间和污泥龄来达到所需要的去除率和更好地出水水质。参考文献曹占平.MBR工艺混合液特性及其对膜污染的影响研究D.天津：天津大学,2009:42-45.2 张立秋，封莉，吕炳南，张晓菲.淹没式MBR去除有机物动力学模型及其应用J.膜科学与技 术,2005,25（3）:1-4+9.3 白玲,刘超,李文霞.浸没式厌氧膜生物反应器有机物降解动力学模型研究J.水处理技 术,2010,11:37-39.4 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,2006,10:10-12+115.5 陈志祥,刘振鸿,陈季华.浸没式厌氧膜生物反应器处理乳品有机废水的研究J.净水技 术,2010,01:42-46.6 孙宝盛，张海丰,齐庚申膜生物反应器与传统活性污泥法污泥混合液过滤特性的比较J. 环境科学,2006,02:315-318.