陈 寰，张丽娟，李金波

(北京大学深圳研究生院环境与能源学院，城市人居环境科学与技术重点实验室，深圳 518055)

1 前言

随着社会的发展，水污染问题日益严峻，活性污泥法处理生活污水的不足也日益暴露出来。活性污泥法存在着能耗大、基建投资大、占地大、负荷低的缺点，还有可能发生污泥膨胀、污泥解体、腐化、上浮和泡沫问题等异常情况。生物流化床(Biological fluidized bed，BFB)是以粒径为0.3～3.0mm的活性炭、沸石、磁环及多孔高分子聚合物等为载体，污水为流化介质，通过载体生物膜的吸附降解作用去除有机污染物［1］，具有处理效率高、占地面积少、适用性广、负荷能力强等特点［2，3］。BFB工艺兼备了生物膜法和活性污泥法的优势，相对活性污泥法，BFB工艺不需要污泥回流，由于填料上附着大量的微生物，使其抗冲击负荷能力明显优于前者［4］。然而，迄今为止，对BFB工艺设计中各基本参数的选用和确定仍凭经验或参照传统活性污泥法的设计方法，而很少从动力学上给出相应的设计依据。本研究着重考察BFB处理生活污水的动力学模型，确定了相应的动力学参数，以期为BFB处理生活污水的工艺设计和操作过程提供借鉴参考。

2 试验材料及方法

2.1 试验装置

本试验装置如图1所示。反应器为有机玻璃圆柱体，内径9cm，高83cm，总体积为5.3L，有效容积为5L。反应器进水、曝气、沉降、排水各阶段时间均由微电脑时控开关实现自动控制。该装置采用隔膜式气泵和曝气头供气，曝气头设在反应器底部，由气体转子流量计控制曝气量。反应器底部的磁力搅拌器用来将底部污泥混合均匀，再由蠕动泵带动污泥回流。此外，每周期的进出水分别采用提升泵和电磁阀来控制。

图1 试验装置流程示意图Fig.1 Schematic of experimental equipment

流化床中填料的粒径对临界流化速度影响很大［5］。对于同种材质的填料，不同的粒径有不同的临界流化速度，临界流化速度越小，能耗越小。本试验选取3种不同粒径的颗粒活性炭 (其性质如表1所示)进行比较。如图2所示，当填充比例在1%～7%之间，3种填料的临界流化速度由小到大的次序为:颗粒活性炭1＜颗粒活性炭2＜颗粒活性炭3。因此，本研究选用颗粒活性炭1作为反应器填料。

表1 颗粒活性炭填料的物理性质Tab.1 Physical properties of granular activated carbon

图2 3种填料在不同填充比例下的临界流化速度Fig.2 Critical fluidization velocity of three filters under different filling ratios

2.2 生活污水

试验用水取自北京大学深圳研究生院的生活废水，原水 pH在6.5～8.0之间，CODCr为100～1000mg/L，NH+4-N为 7～65mg/L，TP为 3～10mg/L，浊度为30NTU左右。

2.3 GAC－BFB的运行

试验采用的GAC－BFB系统的运行参数为:水力停留时间 (HRT)为8h，气水比为16∶1，沉降时间为30min，出水高度为距反应器底部34cm，温度25℃ ±2℃。处理效果:(1)出水COD浓度的平均值为 22.9mg/L，COD去除率的平均值为95.8%;(2)出水NH3-N浓度的平均值为1.73mg/L，NH3-N去除率的平均值为95.0%;(3)出水TP浓度的平均值为 0.26mg/L，TP去除率的平均值为94.7%;(4)出水COD、NH3-N、TP均达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918－2002)中规定的一级A排放标准。

2.4 分析方法

化学需氧量 (COD)采用重铬酸盐法 (GB 11914－89)测定，反应器内混合液悬浮固体浓度(MLSS)及混合液挥发性悬浮固体浓度 (MLVSS)采用重量法 (GB 11901－89)测定。

生物膜厚度的测定采用在显微镜 (CX31，Olympus Optical Co.，Ltd，Japan)下观察生物载体上的膜厚，然后求其平均值。具体操作:分别测定每个生物膜载体4个方向上的生物膜厚度 a、b、c和d，再计算该载体的平均膜厚δ=(a+b+c+d)/4，每次测量20个生物载体上的生物膜的厚度，求其平均值，单位μm。

生物膜量的测定:从GAC－BFB中取出一定量的生物膜载体，用蒸馏水轻轻冲洗，去除悬浮生物量。然后将洗涤过的生物膜载体置于1mol/L的NaOH溶液中，并在60℃ ～80℃下，采用超声波仪进行30min的剥脱处理。将得到的生物膜溶液用事先烘干至恒重的0.45μm醋酸纤维素滤膜过滤，再将滤膜置于105℃烘箱烘干至恒重，冷却至室温后，称重W0，再将烘干后的生物膜和滤膜一起置入550℃马弗炉内灼烧至恒重，冷却至室温后，称重W1。两者重量之差即为生物膜的重量，即为生物膜量，单位g/L。

3 结果与讨论

由于废水生物降解过程比较复杂，为了简化推导过程，在不影响系统模拟结果的前提下做了如下假设:(1)在本研究中由于反应器内同时采用磁力搅拌器和曝气装置，使得污水在反应器内能较好的混合，因此我们可以将其视为完全混合型反应器来处理;(2)假定非溶解性有机物和溶解性有机物都有着共同的去除过程，且符合Monod模式;(3)操作条件改变后，系统经过短期的适应即可达到稳定状态运行。生长动力学实验楼数据见表2。

对GAC－BFB内生物量进行物料衡算可得到如下方程:

3.1 微生物增长曲线

整个运行过程中生物膜量以及生物膜厚度的变化趋势如图3所示，GAC－BFB稳定运行后，生物膜量为7.57g/L，生物膜厚度为168μm。

图3 生物膜量和生物膜厚度在运行期间的变化Fig.3 Changes of biofilm amount and thickness during operation

XA—单位体积附着相生物膜重量，gVSS/L;

V—反应器的有效容积，L;

YOA—生物膜的表观产率，gVSS/gCOD;

Kd—微生物细胞衰减常数，d－1;

Xe—出水微生物菌体浓度，mg/L;

Q—反应器进水流量，L/d;

dS/dt—单位体积生物量的基质降解速率。

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由于稳定条件下，满足dXA/dt=0则:

式中:θc—反应器中生物固体的停留时间，d;

θ—水力停留时间，d;

△X—每天系统排出的生物量，△X=Xe·Q。

3.2 微生物生长动力学

表2 生长动力学实验数据Tab.2 The experimental data of growth kinetics

将式 (3)代入式 (2)中，得到:

式 (6)即为GAC－BFB微生物生长动力学方程。

根据式 (6)作1/θc～q曲线，如图4所示。经过线性拟合，得到如下的回归方程:1/θc=2.3057q－0.3056，R2=0.9549，故可得微生物的生长动力学参数值为:YOA=2.3057 gVSS/gCOD;Kd=0.3056 d－1。该微生物生长动力学拟合方程能较好的反映GAC－BFB系统的出水水质状况。

图4 1/θc与q关系曲线Fig.4 Relation curve between 1/θc and q

3.3 基质降解动力学

由于反应器内同时采用磁力搅拌器和曝气装置，使得污水在反应器内能较好的混合，因此将反应器的反应区视为完全混合反应器，而且假定非溶解性有机物和溶解性有机物都有着共同的去除过程，且符合Monod模式。根据物料平衡原理和Monod公式，在系统稳定状态下反应区内的底物平衡式为:

式中:Q—进水流量，L/h;

S0—进水有机底物浓度，mg·COD/L;

Se—出水有机底物浓度，mg·COD/L;

dS/dt—有机底物降解速度，mg·COD/h。根据Michaelis－Menlen方程式，得知:

式中:

V—有机底物的比降解速率，h－1;

Vmax—有机底物的最大比降解速率，h－1;

X—生物量，mg·MLVSS;

S—有机底物浓度，mg·COD/L;

KS—米氏常数，mg/L。

由式 (8)和式 (9)，可得:

将式 (10)代入式 (7)，可得:

反应器内微生物包括两大类，一类是附着于载体上的生物膜，另一类是悬浮的活性污泥。为了便于计算，将载体内部和表面所挂的生物膜折算成以单位载体体积所表示的浓度。反应器内所加的载体填充量为3%，故反应器内的生物量表示如下:

式中:V—反应器有效容积，L;

a—微生物浓度，mg·MLVSS/L;

b—填料生物膜体积浓度，mg·MLVSS/L。将式 (12)代入式 (11)，可得:

将式 (13)简化为:

式中:K—反应速率常数，

K=(a+3%b)·Vmax，mg/(l·h);

U—单位容积底物去除速率，

U=Q·(S0－ Se)/V，mg·COD/(l·h)。将式 (14)简化为:

表3 基质降解动力学试验数据Tab.3 The experimental data of degradation kinetics (10－3)

将实验得到的1/U和1/S值 (见表3)分别做为y和x作图，得到图5。如图5所示，经过线性拟合，得到如下回归方程:1/U=0.2182*1/S+0.0764，R2=0.9972，该基质降解动力学拟合方程能较好的反映GAC－BFB系统的出水水质状况。故可得基质降解动力学参数为:KS=2.86 mg/L，K=13.09 mg/(L·h)。将K和Ks分别代入式(14)，则GAC－BFB中COD降解动力学方程为:

式中:U—单位容积底物去除速率，mg·COD/(L·h);

S—有机底物浓度，mg·COD/L。

图5 1/U和1/S的关系曲线Fig.5 Relation curve between 1/U and 1/S

4 结论

4.1 假设 (1)GAC－BFB属于完全混合型反应器，(2)非溶解性有机物和溶解性有机物都有着共同的去除过程，且符合Monod模式，(3)操作条件改变后，系统经过短期的适应即可达到稳定状态运行，则GAC－BFB内生物膜的表观产率YOA为2.3057 gVSS/gCOD，微生物细胞衰减常数Kd=0.3056 d－1。

4.2 假设 (1)GAC－BFB属于完全混合型反应器，(2)非溶解性有机物和溶解性有机物都有着共同的去除过程，且符合Monod模式，则基质降解动力学中米氏常数KS为0.2182mg/L，反应速率常数K为13.09 mg/(L·h)。

4.3 GAC－BFB的微生物生长动力学拟合方程为1/θc=2.3057q－0.3056，R2=0.9549;GAC －BFB的基质降解动力学拟合方程为1/U=0.2182*1/S+0.0764，R2=0.9972。试验表明该微生物生长动力学拟合方程及基质降解动力学拟合方程能较好的反映GAC－BFB系统的出水水质状况，本研究所获得的动力学关系和动力学参数可作为GAC－BFB系统的设计依据。

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