1、浸沒式膜生物反應(yīng)器 （SMBR）有機(jī)物降解動力學(xué)模型及應(yīng)用薛圓圓 2013214130 苑夢影 2013214135 錢婧婧 2013214013 李愷 2013214009王明園 2013214077 王宇飛 2013214078 白永強(qiáng) 2013214089 方帥 20132140721. 試驗背景在污水的生物處理過程中， 有機(jī)污染物的去除是首要目標(biāo)， 微生物的增長是 對有機(jī)物去除的結(jié)果。 在微生物增殖理論得到較廣泛應(yīng)用的基礎(chǔ)上， 研究底物降 解規(guī)律已成為 MBR 工藝深入研究的方向之一。SMBR中的微生物除了具有傳統(tǒng)活性污泥法中的微生物動力學(xué)特征外，因 SMBR 工藝的獨特性，使得 SM

2、BR中有機(jī)物降解動力學(xué)有別于傳統(tǒng)生物處理的污 泥增長和動力學(xué)特征 ,表現(xiàn)為：（ 1）通過膜組件的截留作用，能將全部的活性污 泥微生物都攔截在反應(yīng)器內(nèi)， 使得反應(yīng)器內(nèi)維持了較高的污泥濃度， 從而降低了 有機(jī)物 -污泥負(fù)荷；（2）系統(tǒng)內(nèi)有機(jī)物 -污泥負(fù)荷低， 微生物大都處于內(nèi)源呼吸期， 有機(jī)底物的去除主要用于維持微生物的生命活動； （ 3）微生物代謝過程中產(chǎn)生的 難于生物降解的溶解性有機(jī)產(chǎn)物也被膜組件截留在反應(yīng)器內(nèi)， 進(jìn)一步得到降解去 除。針對上述 SMBR 的工藝特點，建立相應(yīng)的有機(jī)物去除動力學(xué)模型，對于指導(dǎo) SMBR系統(tǒng)的工程應(yīng)用具有重要意義。2. 實驗材料與分析方法2.1 試驗裝置和操作條件

3、試驗使用的膜生物反應(yīng)器如圖 1所示。試驗建立了兩套相同的 MBR 反應(yīng)器， MBR反應(yīng)器由有機(jī)玻璃制成，每套裝置可獨立運(yùn)行，每套裝置的尺寸為：直徑 為 0.15 m，高為 1.5 m，有效容積為 15 L ，膜組件采用天津工業(yè)大學(xué)膜天膜工程 技術(shù)有限公司生產(chǎn)的 PVDF 中空纖維微孔膜。膜組件下以穿孔管鼓風(fēng)曝氣，為 微生物供氧，同時產(chǎn)生水力沖刷作用，抑制污染物在膜表面的沉積。 MBR 的排 泥以排除混合液的方式來實現(xiàn)。圖 1 試驗裝置簡圖2.2 實驗材料MBR 工藝采用人工配水進(jìn)行試驗。根據(jù)典型城市生活污水水質(zhì)，以淀粉、葡萄糖、蛋白胨、尿素、磷酸二氫鉀及微量元素鈣、鎂、鐵、鋅等為原料進(jìn)行配 水

4、，具體水質(zhì)如表 1所示。表1 配水組分及濃度項目數(shù)值 /(mgL-1)-1平均數(shù) /(mg L-1)CODCr217.5451.6354.5NH4+N25.660.837.78TN30.568.544.1TP4.915.67.8Ph6.87.87.45微量元素若干2.3 分析項目和方法常規(guī)測定項目包括 pH 值、溫度、MLSS、MLVSS 、CODCr、BOD5，這些項 目的測定均采用國家標(biāo)準(zhǔn)方法，反應(yīng)器中污泥混合液上清液通過靜沉30min后獲得，具體檢測方法見表 2。表 2 水質(zhì)測定項目與方法分析項目測定方法化學(xué)需氧量重鉻酸鉀法生物需氧量稀釋與接種法MLSS濾紙重量法MLVSS標(biāo)準(zhǔn)方法（重量

5、法）pHpHS-3C 精密數(shù)顯酸度計溫度水銀溫度計3. 有機(jī)物降解動力學(xué)分析3.1 模型建立圖2 膜生物反應(yīng)器物料衡算簡圖模型假設(shè)：（ 1）進(jìn)水水質(zhì)均勻，且不含有微生物群體；（ 2）基質(zhì)是可溶性 的，不含抑制微生物活性基質(zhì)；（ 3）反應(yīng)器內(nèi)處于完全混合狀態(tài)，污泥濃度保 持穩(wěn)定。根據(jù)MBR的工藝特點，用物料平衡的方法作為分析和研究問題的手段。 并在物料衡算方程的基礎(chǔ)上建立有機(jī)物降解動力學(xué)模型，求出 MBR 處理模擬廢 水的最大比基質(zhì)降解速率 Vmax和基質(zhì)飽和常數(shù) Ks，以期為深入進(jìn)行膜生物反應(yīng) 器的優(yōu)化設(shè)計和運(yùn)行控制提供理論依據(jù)。MBR是以生物處理為核心的技術(shù)，活性污泥法的基本動力學(xué)方程也是適

6、用 于MBR 工藝的，但由于 MBR工藝的獨特性，需對其進(jìn)行修正。根據(jù)活性污泥法 基本動力學(xué)理論，一般用 Vmax和Ks來描述廢水生物處理系統(tǒng)的有機(jī)物去除特征。Vmax和 Ks分別為最大比基質(zhì)降解速率和基質(zhì)飽和常數(shù)，單位分別為d-1和mg/L。這兩個常數(shù)反映廢水的性質(zhì)，特別是其可生物降解性。對于易于生物降 解廢水， Vmax較大而 Ks較小;難降解廢水通常 Vmax較小而 Ks較大。勞倫斯一麥蒂在莫諾特方程的基礎(chǔ)上把u umaxmax K S C方程引入廢水處理領(lǐng)域，對于廢水處理來說，有機(jī)底物的比降解速率比微生物的比增殖速度更實際， 應(yīng)用性更強(qiáng)， 是討論研究的對象。而根據(jù)底物降解速率的基本定義

7、有 :(1)rsd(Ct Ce)uXXdtVmaxXC(2)式中:rs一底物消耗速率， mg/Ld； C一上清液底物濃度， mg/L；X一污泥混 合液揮發(fā)性活性污泥濃度， mg/L；Ct、 Ce一分別為進(jìn)水和膜系統(tǒng)出水中的 CODCr 濃度， mg/L 。在MBR 中，根據(jù)完全混合的流態(tài)反應(yīng)特點，對 CODCr進(jìn)行物料衡算，有 :V dC QtCt Vrs QwCw QeCe(3)dt在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)條加下有：(4)dC dt聯(lián)立(2)(3)(4)有：QtCtQwCw QeCe V Vmax XC w w e e K s C(5)由于：VVQt Qe QwHRT SRTt e wQeQw將上式代入(

8、 5)整理得：Ct Cw Ct CeSRT HRTVmax XCKs C式中 :Qt、Qw、Qe一分別為進(jìn)水流量、排泥量和出水流量， m3/d；SRT、HRT 一分別為污泥齡和水力停留時間， d；Cw一排放剩余污泥中的 CODCr濃度，mg/L 。因SRT遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于HRT，所以有 Ct CeVmax XCHTR K s C根據(jù)完全混合式反應(yīng)器的特點，以 Csup代替 C得：CtCeVmaxCsupVmax*）HRT以 CtXCe C1sup作圖求得：Vmax和KSHRT3.2 動力學(xué)模型參數(shù)求解試驗中在不同 SRT條件下測定了動力學(xué)有關(guān)參數(shù)，數(shù)據(jù)匯總結(jié)果見表 3表 3 動力學(xué)參數(shù)試驗結(jié)果序 號H

9、RT(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根據(jù)上表中的數(shù)據(jù) ,按（ * ）進(jìn)行線性回歸處理 ,見圖 3。可計算得到有機(jī)底物的最大比降解速度 Vmax和飽和常數(shù) Ks 的數(shù)值。K s62.117， 1Vmax

10、Vmax0.6458圖3 底物降解動力學(xué)模型回歸曲線從圖 3可以看出，實測值與線性回歸有一定的偏差 （相關(guān)系數(shù)為 R2=0.8321），這種偏差可能是 MBR 工藝污泥濃度高，污泥混合液中微生物的生理代謝與傳統(tǒng) 方法不同，且微生物在不同 SRT條件下生理狀態(tài)也是不同的。本實驗中污泥濃度 X 通過測定懸浮物中揮發(fā)性物質(zhì)濃度 （VSS）來測定，這種方法沒有考慮各種微生 物的不同生理條件。4. 結(jié)論通過動力學(xué)推導(dǎo)得到了 SMBR 降解有機(jī)物的動力學(xué)模型， 并通過實驗得到了-1相關(guān)動力學(xué)參數(shù) Vmax =1.55d-1 ； K s =96.18mg/L。確立了基于 Monod方程的有機(jī)物降解動力學(xué)模型：X162.100 0.6461Ct CeCsupHRT根據(jù)該模型，可在一定條件下， 通過控制反應(yīng)器中的污泥濃度、 水力停留時 間和污泥齡來達(dá)到所需要的去除率和更好地出水水質(zhì)。參考文獻(xiàn)1 曹占平 .MBR工藝混合液特性及其對膜污染的影響研究 D.天津：天津大學(xué) ,2009:42-45.2 張立秋 ,封莉,呂炳南 ,張曉菲 .淹沒式 MBR去除有機(jī)物動力學(xué)模型及其應(yīng)用 J.膜科學(xué)與技 術(shù),2005,25（ 3） :1-4+9.3 白玲 ,劉超 ,李文霞 .浸沒式厭氧膜生物反應(yīng)器有機(jī)物降解動力學(xué)模型研究J. 水處理技術(shù),2010,11:37-39.4 林紅軍 ,陸曉峰 ,施柳青 .膜生