孫宗健[1] 　王金生¹　 張永祥²

(1 北京師范大學(xué)環(huán)境學(xué)院，地下水環(huán)境安全研究所，環(huán)境模擬與污染控制重點(diǎn)國家聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室，北京，100875，2 北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，市政工程學(xué)科部，北京，100022)

　摘要：微生物膜生長動力學(xué)的模型是污水處理中 的重要問題，目前尚在探索之中。本文通過測量靜態(tài)微生物膜上生物量的試驗(yàn)，比較準(zhǔn)確的得到了不同負(fù)荷下的微生物生長狀況以及不同曝氣量下微生物變化情況；最后應(yīng)用Grau模型，對微生物膜生長動力學(xué)過程進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：經(jīng)簡化的Grau模型，可以獲得了微生物膜生長動力學(xué)的基本參數(shù)。當(dāng)本次試驗(yàn)的溫度為22±1℃時(shí)，豎向回轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器處理生活污水的附著態(tài)生物膜的微生物反應(yīng)速度常數(shù)33.59d^-1；在污泥去除負(fù)荷4.64～11.06 d^-1時(shí)，其理論產(chǎn)率為0.5084mgVSS/mgCOD，衰減系數(shù)為0.08d^-1。
　　

關(guān)鍵詞：模型 污水處理 生長動力學(xué) 生物膜

前言

　　一般情況下，主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)法或類比法進(jìn)行廢水生物膜處理工程的設(shè)計(jì)與污水處理廠運(yùn)行的管理，急需開展定量化的模型研究^[1]。國外一些學(xué)者在活性污泥的微生物生長動力學(xué)模型方面開展了大量研究工作，如A.W.Lawrence和P.L.McCarty于1970年提出的Lawrence－McCarty模型最先將Monod方程引入廢水生物處理領(lǐng)域^[2]；Andrews模型由美國的J.F.Andrews等于20世紀(jì)80年代提出，該模型提出了貯存－代謝機(jī)理^[3]；WRc模型時(shí)英國水研究中心提出的，該模型引入了存活－非存活細(xì)胞代謝機(jī)理^[2]；國際水協(xié)會組織南非、日本、美國、丹麥、荷蘭5個(gè)國家專家成立活性污泥通用模型國際研究小組，致力于新的活性污泥數(shù)學(xué)模型的開發(fā)，并與1987、1995和1999年陸續(xù)推出了3套模型，通常稱為ASM系列模型^[4]。但是這些學(xué)者提出的有關(guān)污水生物處理的數(shù)學(xué)模式大都不能進(jìn)行生物膜的微生物生長動力學(xué)的模擬^[5]。Grau等人年考慮了進(jìn)水基質(zhì)濃度的影響，對monod模型進(jìn)行了修正，提出的Grau模型，該模型可以較準(zhǔn)確地模擬廢水處理中活性污泥的微生物生長過程^[6]，對生物膜地微生物生長動力學(xué)的模擬尚未見到報(bào)道^[7]。本文利用Grau模型對生物膜的微生物生長動力學(xué)的試驗(yàn)進(jìn)行了模擬。

1試驗(yàn)原理與模擬模型

1.1試驗(yàn)原理
　　生物反應(yīng)器采用豎向回轉(zhuǎn)式裝置，經(jīng)過調(diào)節(jié)池的原水被泵入生物反應(yīng)器，在生物反應(yīng)器中經(jīng)過生物膜的吸附降解進(jìn)行生物處理，送至沉淀池，最后再經(jīng)過濾和消毒后排放。詳見圖1。

圖1　 試驗(yàn)裝置示意圖

1.2 測試項(xiàng)目
　　主要在進(jìn)水口和沉淀池測試COD_Cr、BOD、pH值、溶解氧、水溫以及填料上的生物量、反應(yīng)器混合液懸浮生物量等。
　　填料上微生物量試驗(yàn)方法采用振蕩培養(yǎng)法。
1.3 模擬模型
　　Grau模型如下：

　　 …………………………（1）

　　式中，n---常數(shù)，可采用1；
　　　　　K---基質(zhì)去除常數(shù)；
　　　　　X_v ---污泥濃度,毫克/升；
　　　　　S₀、S_e---進(jìn)、出水的基質(zhì)濃度，毫克/升。

　　 …………………………（2）

　　 ……………………………（3）

　　如果廢水中存在不可生物降解的物質(zhì)其濃度為S_n，則應(yīng)從直接測得的S₀、S_e中減去S_n。S_n可通過幾組平行試驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用公式 （k^‘－減速增長速度常數(shù)），通過圖解法求得。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1實(shí)際運(yùn)行結(jié)果
　　試驗(yàn)在高碑店污水廠進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為4月―8月，原水為普通生活污水。

圖2 水量30L/h時(shí)COD_Cr去除

圖4 溶解氧不同時(shí)COD_Cr和濁度去除率對比

2.2基質(zhì)降解動力學(xué)研究
　　微生物量試驗(yàn)記錄如表2-1：

表1　 附著態(tài)微生物靜態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

　　我們應(yīng)用方程（3）求解動力學(xué)常數(shù)，由于污水中存在不可生物降解的物質(zhì)，因此首先利用公式 和上列數(shù)據(jù)求解S_n，數(shù)據(jù)如表2：

表2　 求解S_n數(shù)據(jù)表

T(d)	S0(mg/L)	Se(mg/L)	Xv(mg/L)	(d-1)
0.17	430	172	140	11.06
0.25	430	148	140	8.06
0.33	430	119	140	6.66
0.42	430	112	140	5.45
0.50	430	105	140	4.64

　　S_n圖解如圖4：

　　利用公式：

　　變形為： （S_e >0，U₅>0）

圖4 S_n圖解圖

　　由圖可計(jì)算出S_n為50.1mg/L。

　　應(yīng)用方程： （3）

　　變形為：

　　（ >0, U₅ >0）

　　將直接測得的S₀、S_e減去S_n，數(shù)據(jù)如表3，

　　求解K見圖5。

表3　 基質(zhì)降解動力學(xué)常數(shù)測定數(shù)據(jù)表

T(d)	S0(mg/L)	Se(mg/L)	Xv(mg/L)	S0-Sn (mg/L)	Se-Sn (mg/L)		(d-1)
0.17	430	172	140	380	122	0.3211	11.06
0.25	430	148	140	380	97.9	0.2576	8.06
0.33	430	119	140	380	68.9	0.1813	6.66
0.42	430	112	140	380	61.9	0.1629	5.45
0.50	430	105	140	380	54.9	0.1445	4.64

圖5　 K₂求解圖

　　由上圖可得：K₂=33.59d^-1。
2.3生物膜的微生物增長動力學(xué)研究
　　研究生物膜的微生物增長動力學(xué)，對實(shí)際工程的設(shè)計(jì)及運(yùn)行具有重要意義。數(shù)據(jù)見表4，將左端看作y,U_s看作x，繪制1/_θc與U_s的關(guān)系圖，見圖6。

表4　 附著態(tài)微生物1/θ_c與U_s的關(guān)系數(shù)據(jù)

θc （d）	1/θc (d-1)	S0 (mg/L)	Se (mg/L)	Xv (mg/L)	(d-1)
0.17	6.00	430	172	140	11.06
0.25	4.00	430	148	140	8.06
0.33	3.00	430	119	140	6.66
0.42	2.40	430	112	140	5.45
0.50	2.00	430	105	140	4.64

圖6 附著態(tài)微生物1/θ_c與U_s的關(guān)系數(shù)據(jù)圖

從上圖可以得到：Y=0.5084 mgVSS/mgCOD，K_d=0.08 d^-1。

3 結(jié)論

　　通過試驗(yàn)分析，利用Grau模型對附著狀態(tài)生物膜的微生物生長動力學(xué)進(jìn)行模擬研究，推導(dǎo)得出：
　　1.在試驗(yàn)溫度為22±1℃時(shí)，豎向回轉(zhuǎn)式生物反應(yīng)器處理生活污水時(shí)，附著態(tài)生物膜的微生物反應(yīng)速度常數(shù)K=33.59d^-1。
　　2.在污泥去除負(fù)荷Us=4.64—11.06 d^-1時(shí)，其理論產(chǎn)率Y=0.5084mgVSS/mgCOD，衰減系數(shù)為0.08 d^-1。
　　3.Grau模型可以直接用于小試研究，可以在小試中校正涉及的動力學(xué)參數(shù)等模型參數(shù)，從而使模型達(dá)到可以實(shí)際應(yīng)用的程度。
　　4.Grau模型對劇烈變化階段的模擬能力不足，例如非曝氣過渡到曝氣的階段，模型的模擬與實(shí)際情況相差很大。

參考文獻(xiàn)

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7 Wang B Z, Li G Q, Wang L et al. Design and Operation of a WWWP with Submerged Biofilm Process. IWA 1st world congress, Paris 3～7,July,2000,Poster,CD-ROM

孫宗健：（1977- ），男，博士研究生. 環(huán)境模擬與污染控制研究方向。通訊方式：wangjs@bnu.edu.cn