曝气生物流化床反应器同步硝化反硝化动力学分析

陈琼，水春雨，许继轲

(1.北京中铁科节能环保新技术有限公司，北京 100081; 2.西安铁路局北站工程指挥部，陕西 西安 710021)

1 概述

采用4级串连曝气生物流化床反应器处理高氨氮浓度、低碳氮比的动车集便器粪便污水，HRT 3d，DO 2.5 mg/L，水温20℃，进水氨氮、TN质量质量浓度分别为 3 314.4 mg/L、5 422.7 mg/L时，氨氮、TN的去除率分别为 99.8%、84.1%，出水氨氮低于10 mg/L，在好氧曝气生物流化床反应器中，实现同步硝化反硝化脱氮。以第1级反应器为例，在分析探究曝气生物流化床实际运行机理基础上，根据试验数据，对反应器同步硝化反硝化动力学进行了分析。

2 同步硝化反硝化动力学数学模式

进行模型推导时，主要的假设条件如下:

(1)在反应周期内，单位容积填料的微生物量恒定，硝化细菌和反硝化细菌的数量保持不变，性质稳定，不随时间变化。

(2)反应器内混合液处于完全混合状态。

(3)反应器中氨氮的去除完全由硝化作用引起的，忽略整个过程中的同化作用。

(4)硝化反应和反硝化反应同时进行且互不干扰，并符合Monod模型。

基于以上假设的理想状态，对反应器同步硝化反硝化反应动力学模型展开推导。

2.1 硝化反应动力学

在硝化过程中，自养菌氧化氨氮可形成NO2－-N，并合成新的细胞物质;同时，自养菌也可氧化氨氮形成NO3－-N并合成新的细胞物质，且认为NO2－-N全部被氧化成 NO3－-N，因此硝化反应总反应式如下:

从硝化反应总反应式可以看出，每氧化1mol氨氮可以生成0.98mol硝酸盐氮，合成0.02mol新细胞物质。因此，与硝化产物硝酸盐氮相比，硝化菌通过同化作用产生的新细胞物质较少，为了简化模型，可以忽略整个处理过程中的同化作用，即:

由于异养菌在进行合成及分解代谢时，首先利用有机氮而很少利用氨氮，因此异养菌同化作用利用的氨氮量可以忽略不计，同时近似认为在硝化过程中氨氮全部被硝化成硝酸盐氮。对反应器中的氨氮转化进行物料衡算，得下式:

忽略同化作用脱氨氮，可得:

上式表明，反应器中氨氮的去除完全是由硝化作用完成的，根据物料平衡原理，对单级反应器中的氨氮进行物料平衡，下式成立:

式中:Q——进水流量，L/h;

CNH0——反应器进水氨氮质量浓度，mg/L;

CNHe——反应器出水氨氮质量浓度，mg/L;

V——反应器体积，L。

据(1)式，得:

根据Monod动力学方程，硝化细菌的比增长速率与反应器内氨氮浓度和溶解氧浓度等之间的关系为:

式中:μA，max——硝化菌最大比增长速率，d－1;

CNHe——反应器混合液氨氮质量浓度，mg/L;

KNH——氨氮饱和常数，mg/L;

CO——溶解氧质量浓度，mg/L;

KO——溶解氧饱和常数，mg/L。

假定m为反应器中硝化菌占微生物总量的比例，可得下式:

式中:XA——硝化菌质量浓度，mg/L;

X——反应器内微生物质量浓度(VSS)，mg/L。

生化反应中，微生物的增长是底物降解的结果，二者之间定量关系为:

联合式(4)、(5)，可得:

式中:YA——硝化菌产率系数，即硝化菌每降解1g氨氮所合成的硝化菌量(g);

μA——硝化菌比增长速率，d－1;

m——硝化菌占微生物总量的比例，%。

式(6)中，YA，μA，max，KNH，KO均为常数，动力学研究试验期间，对反应器DO进行控制，DO浓度基本稳定，CO为常数，依据假设条件，反应器内硝化菌保持稳定，m，X也为常数，所以(6)可简化为:

式中:A为常数，定义为反应器氨氮反应速率常数。

联合(3)和(7)式，有:

以一级反应器为例，求氨氮硝化反应速率常数。

一级反应器中混合液氨氮质量浓度1 000 mg/L左右，CNHe远远大于KNH，因此式(8)中

因此可得下式:

取反应器内温度范围为20～25℃时所测试验数据，代入式(9)中，求得A平均值为140.9。

2.2 反硝化反应动力学

根据假设条件，反硝化也符合 Monod方程，反硝化系统中NO－3-N与有机电子供体间的限制类似于好氧系统中氧与有机物间的限制，因此反硝化反应过程可用下列方程来表示:

式中:－(dCNO3/dt)反硝化——反应器中硝态氮反硝化速率，mg/(L·h);

YH——反硝化菌产率系数，即反硝化菌每降解1g NO－3-N所合成的反硝化菌量(g);

μH，max——反硝化菌最大比增长速率，h－1;

CNO3——硝态氮质量浓度，mg/L;

KNO3——硝态氮的饱和常数，mg/L;

C——有机物质量浓度，mg/L;

KS——有机物的饱和常数，mg/L;

KOH——异养菌溶解氧饱和常数，mg/L;

CO——溶解氧质量浓度，mg/L;

X——反应器内微生物质量浓度(VSS)，mg/L;

n——反硝化菌占微生物总量的比例，%。

式(11)中，YH，μH，max，KOH均为常数，动力学研究试验期间，对反应器DO进行控制，DO浓度基本稳定，CO为常数，依据假设条件，反应器内反硝化菌保持稳定，n，X也为常数。可得式:

定义B为反应器硝态氮反硝化速率常数。

以一级反应器为例，一级反应器中混合液硝态氮质量浓度1 000m g/L左右，CNO3e远远大于KNO3，因此式(12)中一级反应器中，COD质量浓度1 400～2 000 mg/L之间，KS远低于C，认为

2.3 同步硝化反硝化反应动力学

污水生物处理过程中氨氮的硝化过程是通过两类自养型微生物完成的，即亚硝化细菌和硝化细菌。亚硝酸盐极不稳定，易被氧化成硝酸盐，在整个反应过程中，NO－2-N的浓度很低，可以近似地认为在硝化过程中氨氮全部被硝化成硝酸盐氮。

对反应器中的NO－3-N进行物料衡算，可得下式:

式中:dCNO3/dt——反应器中混合液硝态氮变化速率，mg/(L·h);

－(dCNH/dt)硝化——反应器氨氮硝化速率，mg/(L·h);

－(dCNO3/dt)反硝化——反应器硝态氮反硝化速率，mg/(L·h);

CNO3o——反应器进水硝态氮质量浓度，mg/L

CNO3e——反应器出水硝态氮质量浓度，mg/L。

据(14)式，得:

前面已求得 A值等于140.9，取反应器内温度范围为20～25℃时所测试验数据，代入式(16)中，求得B平均值为96.5 mg/(L·h)。

3 小结

周健等［1］研究了SBBR反应器处理粪便污水厌氧出水脱氮效能，认为SBBR反应器中NH3－N≥200 mg/L时，将对硝化菌产生明显的抑制作用。在本试验研究中，曝气生物流化床第1级反应器氨氮负荷1.13 kg/(m3·d)左右，混合液氨氮浓度1 000 mg/L左右，求得硝化反应速率和反硝化反应速率均较高，曝气生物流化床中高氨氮浓度没有对硝化菌产生明显的抑制作用。

［1］ 周健，钟于涛，龙腾锐，等.SBBR反应器处理粪便污水厌氧出水脱氮效能研究［J］.给水排水，2007，33(5):145－147.