曝气生物流化床反应器COD降解动力学分析

水春雨

(1.中国水利水电科学研究院水环境研究所，北京 100038; 2.中国铁道科学研究院节能环保劳卫研究所，北京 100081)

曝气生物流化床属于以生物膜法为主、兼有活性污泥法特点的污水处理工艺，其微生物系统以固着式微生物为主辅以悬浮式微生物。采用4级串连曝气生物流化床反应器处理动车集便器高COD浓度粪便污水，进水COD 8 000 mg/L左右，出水 COD 380 mg/L左右，BOD5仅 30 mg/L，BOD5/COD比值不足0.1，出水中主要含难生物降解有机物。本文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，对反应器有机物降解动力学进行了分析。

1 有机底物降解动力学数学模式

在曝气生物流化床反应器内，由于曝气作用，使得污水在反应器内能够较好地混合，故将反应器视为完全混合反应器，反应器连续进水，连续出水。并假定非溶解性有机物和溶解性有机物有着相同的去除过程，符合Monod模式。本反应器由4级组成，对每一级反应器进行动力学模型分析。

根据物料平衡原理，对每一级反应器有机底物进行物料平衡，得出如下方程:

式中:Q——进水流量，L/h;

Sn0——第n级反应器进水有机底物 COD质量浓度，mg/L;

Sne——第n级反应器出水有机底物 COD质量浓度(等同于混合液有机底物浓度)，mg/L;

V——反应器体积，L。

据(1)式，得:

根据米奇里斯-门坦(Michaelis and Mentaen)方程［1］

底物的比降解速率，按物理意义考虑，有:

联合(4)式和(5)式，有:

式中:ν——有机底物的比降解速率，h－1;

νmax——有机底物的最大比降解速率，h－1;

X——混合液中的生物总量VSS，mg;

S——混合液中的有机底物 COD质量浓度，mg/L;

KS——米氏常数(半速率常数)，mg/L，当

反应区微生物包括附着于填料上的生物膜和悬浮活性污泥两部分。为方便计算，可将填料内部和表面所挂生物膜折算成以单位填料体积所表示的浓度。每一级反应器内所加填料堆放体积rnVn，因此每一级反应器内生物量可表示为:

式中:Vn——第n级反应器的有效容积，L(n= 1，2，3);

Xn——第n级反应器的总生物量，mg;

an——第 n级反应器内微生物质量浓度(VSS)，mg/L;

bn——第n级反应器内单位体积填料生物膜浓度(VSS)，mg/L);

rn——第n级反应器内填料堆积率(填料堆放体积与有效容积之比)。

联合(6)、(7)式，可得:

由于反应器内微生物浓度变化不大，(an+rn·bn)值基本不变，每级反应器体积为定值，定义Kn=Vn(an+rn·bn)·νnmax=Xn·vnmax为第n级反应器反应速率常数，定义 Ksn为第 n级反应器米氏常数(半速率常数)则有:

为求Kn和Ksn，将上式化为:

2 有机底物降解动力学参数确定

2.1 1级反应器

由于反应器内微生物浓度变化不大，定义K1为1级反应器反应速率常数。

取反应器内温度范围为20～25℃时所测试验数据，代入(3)式:

表1 1级反应器试验数据分析值

求得:

2.2 2～4级反应器

表2 2～4级反应器试验数据分析值

图1 2～4级反应器1/U和1/S关系

图1为曝气生物流化床2级、3级和4级反应器1/U和1/S关系趋势线。

由图1可得出第2级、3级和4级反应器的K和Ks值，结果如表3所示。

将表3所示的各级反应器的K和Ks分别代入(9)式，则有当反应器内温度范围为20～25℃时，曝气生物流化床2级、3级和4级反应器有机物降解动力学方程为:

式中:U2、U3和U4分别为2级、3级和4级反应器单位容积有机底物COD降解速率，mg/(L·h);

S2、S3和S4分别为2级、3级和4级反应器混合液有机底物COD质量浓度，mg/L。

3 小结

从动力学方程可以看出，从1级到4级反应器，曝气生物流化床反应器对有机物的降解速率逐级减小。有机底物降解速率主要受混合液有机底物浓度的影响，随着各反应器有机物浓度的降低，有机物降解速率也逐渐减缓，难生物降解有机物逐级累积。

［1］ 张自杰.排水工程［M］.北京:中国建筑工业出版社，1996.96-104.