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MBBR处理模拟城市污水的动力学研究探讨

王添添，陈雪松，薛建银

(浙江树人大学生物与环境工程学院 310015)

摘 要：采用MBBR反应器处理模拟城市污水，通过实验研究污水中CODCr、氨氮和总磷的降解动力学。根据实验数据分析计算CODCr、氨氮和总磷降解的最大比降解速率Cmax(d-1)和饱和常数Ks值，判断污水中CODCr、总磷和氨氮的硝化反应的降解动力学反应级数以及降解效果，并为城市污水处理的工艺设计和操作过程提供借鉴与参考。

关 键 词：MBBR法；CODCr；氨氮；总磷；降解动力学

0 前言

城市污水主要污染物包括有机物(CODCr)、氨氮和总磷等物质，碳氮比偏低。采用传统的硝化反硝化工艺处理比城市污水时，因碳源不足，脱氮效率较低。MBBR法是在反应器中投加一定量的填料，该填料的比重与水相近，故能悬浮在水中。悬浮填料在水中的碰撞和剪切作用使气泡更加均匀细小，提高了氧的利用率，而且填料能充当微生物生长的载体，使微生物吸附在填料表面随着填料的流化进行自由移动并与水体进行充分的接触。MBBR应用范围广泛，近年来国内外学者针对MB-BR处理生活污水和工业废水等方面做了大量试验研究，均取得了较好的结果[1-5]。本实验采用人工配制城市污水驯化活性污泥，探讨城市污水中有机物(CODCr)、氨氮和总磷降解动力学，以期为低碳氮比城市污水的工艺设计和操作过程提供借鉴与参考。

1 实验部分

1.1 模拟城市污水水样的配制

模拟城市污水的成分配比见表1。

1.2 污泥的驯化方法与反应器的启动

1)将接种污泥加5L入反应器中闷曝24h(即只曝气，开始时在反应器里放满CODCr浓度在200~300mg/L的水，加泥，曝气)后，停止曝气进行沉淀，将水排出(如有污泥将污泥回流到反应器中)，换水再曝气24h(只曝气)。

2)第三、四天开始进水CODCr控制在200~300mg/L，污水停留时间为20h。

3)第五、六天开始进水CODCr控制在300~500mg/L，水在反应器停留时间为20h。

4)每天回流污泥1次，进行培养驯化。

15天后CODCr和氨氮去除率均趋于稳定，污泥中出现后生动物，启动完成。在污水处理系统主要依靠细菌起净化和絮凝作用，而原生动物和后生动物靠吞噬可溶性有机物和游离的细菌生存的状态下。这些微生物在活性污泥上形成了食物链和相对稳定的生态系统。

1.3 实验仪器

MBBR实验装置、蠕动泵、CODCr恒温加热器、高压消解锅、紫外分光光度计。

1.4 实验内容

每天以不同浓度的CODCr模拟废水(约20L)为进水，调节一定的曝气流量，通过蠕动泵调节水力停留时间(H分别取20h、18h、16h、12h、10h、8h、6h、4h)，隔天回流污泥和取出水水样，分别测定在不同有机物浓度下，不同停留时间下，CODCr、氨氮、总磷的含量。

1.5 分析项目与方法

CODCr：重铬酸钾法；氨氮：纳氏试剂比色法；pH：酸度计；总磷：钼酸锑分光光度法。

2 结果与讨论

2.1 基质降解动力学

Monod认为可以使用(Michaelis.Menten)公式来描述微生物增殖速度和基质浓度之间的关系，他提出底物的比降解速度与底物浓度之间的关系式：

C=CmaxS/(Ks+S)   (1)

式中，C为微生物比降解速率(d-1)；Cmax为最大比降解速率(d-1)；S为混合液中的底物浓度(mg/l)；Ks为饱和常数，即当C=1/2Cmax时的底物浓度。

改写式(1)，可得1/C=Ks/(CmaxS)+1/Cmax

对连续运行的MBBR系统，在研究有机物降解反应动力学时，我们做如下假设：整个处理系统处于稳定状态；进水基质是可溶性的且浓度不变，也不含微生物群体；反应器内的物料是全混均质的。

对MBBR系统进行物料衡算，可得：

C=(So-S)/(H6)   (2)

式中，So为进水有机物浓度；S为出水有机物浓度；X为微生物浓度；H为水力停留时间。

用实验的方法，改变H可以得到相应的S，根据式(2)可求得与S对应的一组C，再按式(1)作图，可从直线的截距和斜率，求得Cmax和Ks值。

在式(1)中，当S>>Ks时，式中Ks可忽略，C=Cmax，基质降解呈零级反应关系。

当S<<Ks时，Ks+SUKs，C=CmaxS/KS，基质降解呈一级反应关系。

在中间过程，C~S关系呈分级反应。根据实验结果，我们也可以判断CODCr、总磷和硝化反应是否遵循零级反应动力学、一级反应动力学或属于分级反应。

2.2 三种底物的线性回归及降解动力学常数Cmax和Ks

用实验方法，改变H可以得到相应的S，根据式C=(So-S)/(HX)可求得与S对应的一组C，再按式1/C=(Ks/Cmax)(1/S)+1/Cmax做线性回归，可从直线的截距和斜率，求得Cmax和Ks值，从而我们也可以判断CODCr、总磷和氨氮的降解否遵循零级反应动力学或一级反应动力学。

其中S0为进水有机物浓度；Se为出水有机物浓度；Xv为微生物浓度；C为微生物比降解速率；H为水力停留时间；Cmax为最大比降解速率；Ks为饱和常数。

根据表2~表3所得的1/Se与1/C做线性回归得到图2~图4以及相应的降解常数。

根据1/Se和1/C作图，CODcr线性回归方程y=28.366x+0.0407，代入方程1/C=(Ks/Cmax)(1/S)+1/Cmax，CODcr的降解动力学常数：Cmax=24.57，Ks=500，动力学方程为C=24.57S/(500+S)，CODCr降解动力学呈分级反应关系。

根据1/Se和1/C作图，氨氮的线性回归方程y=2.06x+3.637，代入方程1/C=(Ks/Cmax)(1/S)+1/Cmax，氨氮的降解动力学常数：Cmax=0.27，Ks=0.566，动力学方程为C=0.27S/(0.566+S)，氨氮的降解动力学呈分级反应。

根据1/Se和1/C作图，总磷的线性回归方程y=1065.1x+18.98代入方程1/C=(Ks/Cmax)(1/S)+1/Cmax，总磷的降解动力学常数：Cmax=0.053，Ks=20096，动力学方程为C=0.053S/(20096+S)，而S<<Ks=20096，C=0.053S/20096=2.64@10-6S，总磷降解动力学呈一级反应。

3 结语

本文对MBBR处理模拟城市污水进行了动力学研究，研究基于莫诺特方程(Monod)提出的底物的比降解速率与底物的浓度之间的关系式。分别对三种底物CODCr、氨氮和总磷的降解动力学的实验数据的线性回归求出模拟的相关动力学系数Cmax和Ks。CODCr的降解动力学方程为C=24.57S/(500+S)；氨氮的降解动力学方程为C=0.27S/(0.566+S)，总磷的降解动力学方程为C=2.64@10-6S。CODCr和氨氮降解动力学呈分级反应，总磷的降解动力学呈一级反应关系。

参 考 文 献

[1]   徐斌，夏四清，胡晨燕，等.MBBR工艺预处理黄浦江微污染原水[J].中国给水排水，2004，20(8)：5~9

[2]   贾磊，陈洪斌，王建翔，等.低浓度污水条件下MBBR启动及处理效果的中试[J].水处理技术，2007，33(7)：57~60

[3]   王学江，夏四清，陈玲，等.DO对MBBR同步硝化反硝化生物脱氮影响研究[J].同济大学学报，2006，34(4)：514~518

[4]   饶雪峰.MBBR处理三河市城市污水的工程应用[J].给水排水，2006(10)：54

[5]   万金保，郑香平，等.SBBR挂膜前活性污泥培养与驯化的研究[J].环境工程学报，2009，3(2)：246~248