SBR工艺同步硝化反硝化动力学模型研究吕淑霞

收稿日期：2010-05-10基金项目：吉林省科技发展计划项目（20090599）作者简介：吕淑霞（1963-）,女,沈阳农业大学教授,博士,从事生物化学与分子生物学研究。*通讯作者correspondingauthor:贾艳萍（1973-）,女,沈阳农业大学博士研究生,东北电力大学副教授,从事废水生物处理理论与工艺的研究。沈阳农业大学学报，2010－10，41(5)：570-574JournalofShenyangAgriculturalUniversity，2010－10，41(5)：570-574SBR工艺同步硝化反硝化动力学模型研究吕淑霞1a，贾艳萍1b，2*，张兰河2，杨涛2，李军2（1.沈阳农业大学a.生物科学技术学院，b.食品学院，沈阳110866；2.东北电力大学化学工程学院,吉林吉林132012）摘要：采用序批式生物反应器（SBR）处理实际生活污水,考察同步硝化反硝化(SND)过程中无碳源添加和有碳源添加氮的变化规律，采用硝化、反硝化动力学和物料平衡原理相结合的方法，导出同步硝化和反硝化两个阶段的动力学方程，建立SND的动力学模型，试验结果表明：SND动力学常数C1=7.0151，C2=0.3647，KM=0.0109。关键词：同步硝化反硝化；数学模型；动力学分析中图分类号：X703文献标识码：A文章编号：1000-1700（2010）05-0570-05StudyonKineticAnalysisofSimultaneousNitrificationandDenitrificationbyUsingSBRL譈Shu-xia1a,JIAYan-ping1b,2*,ZHANGLan-he2,YANGTao2,LIJun2(1a.CollegeofBioscienceandTechnology,b.CollegeofFoodScience,ShenyangAgriculturalUniversity,Shenyang110866,China;2.SchoolofChemicalEngineering,NortheastDianliUniversity,JilinJilin132012,China)Abstract：Theobjectiveofthispaperistoinvestigatethechangesofnitrogeninsimultaneousnitrificationanddenitrification(SND)inSBRtreatingmunicipalwastewater.Themethodofnitrifyingkinetics,denitrifyingkineticsandmassbalancewasadopted.Atlast,nitrifyingkineticsequationandthedenitrifyingkineticsequationweredevelopedandthekineticmodelofSNDwasestablished.Thekineticcoefficientwasobtainedasfollowed:C1=7.0151,C2=0.3647andKM=0.0109.Keywords：simultaneousnitrificationanddenitrification(SND);mathematicalmodel;kineticanalysis水中氮、磷等营养物质的富集能够导致水体的“富营养化”。国外通常将总氮浓度超过0.3mg·L-1，总磷浓度超过0.02mg·L-1作为富营养化水体标准[1-2]。水体的“富营养化”会促使藻类过度繁殖，严重影响和破坏水生生态系统[3-4]。传统的生物脱氮方法包括硝化、反硝化两个阶段，二者对有利于自身生长和繁殖的环境条件的要求存在差异，硝化、反硝化过程一般不能同时发生，只能序批式地进行。近年来，很多学者发现硝化和反硝化反应并不只是序批进行，在一定的环境下可以同步进行[5-7]，即同步硝化反硝化(SND)。SND指硝化和反硝化过程在相同操作条件同一反应器中同时发生的现象，避免了NO2--N氧化成NO3--N及NO3--N再还原成NO2--N，从而节省曝气和40％以上的有机碳。硝化和反硝化的动力学平衡是实现SND的关键，目前，对于SND机理研究还处于定性阶段，关于其定量化的模型建立及动力学分析报道尚少。本试验以实际生活污水为研究对象，在硝化和反硝化动力学基础上，根据物料平衡原理进行了SND动力学模型的推导，旨在确定底物浓度（有机物和氨氮）、温度、溶解氧（DO）浓度等影响因素对SND效率的影响。通过模型能够使SND在比较理想的环境条件下进行，为进一步控制SND过程的稳定实现及废水脱氮工艺和设备优化研究提供一定的理论基础，同时对实际运行操作和管理具有指导意义。1材料与方法1.1材料供试序批式生物反应器（SBR）采用有机玻璃制成，反应器内径10cm，有效容积2.5L，试验装置如图1。试验用水为吉林市东北电力大学校区排放的实际生活污水，水质指标如表1。供试乙酸钠（分析纯）由沈阳华东试剂厂生产。第5期图2无外加碳源一个周期内COD、氨氮、硝氮、亚硝氮的变化Figure2ChangesofCOD,NH4+-N,NO3--NandNO2--Ninonecyclewithoutadditionalcarbonsource图3外加碳源后一个周期内COD、氨氮、硝氮、亚硝氮变化规律Figure3ChangesofCOD,NH4+-N,NO3--NandNO2--Ninonecyclewithadditionalcarbonsource图1SBR工艺试验装置示意图1.水箱;2.DO测定仪;3.电动搅拌器;4.pH测定仪;5.温度测定仪;6.进水阀;7.曝气头;8.放空阀;9.进气阀;10.转子流量计;11.空气压缩机;12.取样口Figure1SchematicdiagramoftheSBRsystem1.Influenttank;2.DOmonitor;3.Stirrer;4.pHprobe;5.Tprobe;6.Inletvalve;7.Diffusers;8.Atmosphericvalve;9.Airintakevalve;10.Rotameter;11.Aircompressor;12.Samplepoint表1废水水质主要指标Table1CharacteristicsofwastewaterusedinthisstudypH7.2~8.3COD/mg·L-1230~290NH4+-N/mg·L-147~56NO2--N/mg·L-11.2~1.8NO3--N/mg·L-10.2~1.21.2方法SBR反应器放置于恒温水浴锅中，通过时间继电器控制每一周期的反应时间。通过转子流量计控制曝气泵的进气流量。SBR反应器采用进水→曝气7h→沉降1h→排水的操作方式，每周期排水1.5L，并排出污泥混合液50mL。维持DO浓度为0.5~1.0mg·L-1、pH值为7.0~8.0、温度为30~32℃、MLSS为4000mg·L-1，每天运行2个周期。在SBR反应器运行稳定的基础上，为了提高SND的效果，每个周期反应3h和5h时分别投加乙酸钠，将生活污水的COD/NH4+-N由4~5提高到12，保证原生活污水的COD与添加的乙酸钠形成的COD总和在600mg·L-1。SBR反应器进水和出水分别取样进行分析，每小时取样1次，每个样品做3个平行试验，分别采用国家标准方法测定NH4+-N，NO3--N，NO2--N和COD浓度[8]。NH4+-N测定采用纳氏试剂光度法；NO3--N测定采用紫外分光光度法；NO2--N测定采用N-(1-萘基)-乙二胺光度法；COD测定采用重铬酸钾氧化法。2结果与分析2.1SND试验结果由图2可见，采用无外加碳源的生活污水进行试验，每个周期反应初始3h内反应器中有机物降解速度很快，呈直线下降趋势，1h内COD浓度由274.36mg·L-1降到200.62mg·L-1；3h时COD去除率达到了59.34%；随后的4h内，有机物降解进入了难降解阶段。氨氮转化主要发生在反应前4h内，4h后氨氮浓度达到9.62mg·L-1。随后3h内逐渐被氧化，转化速率缓慢，周期结束后，出水氨氮浓度为2.56mg·L-1，氨氮去除率为95.40%。同时，在曝气过程中，随着氨氮浓度的降低，硝氮和亚硝氮有一定的积累，但是亚硝氮积累不明显。在反应4h内，硝氮含量呈上升趋势。由于在好氧条件下，随着硝化反应的进行，氨氮被氧化为亚硝氮，亚硝氮进一步转化为硝氮，随后又有减小趋势。这说明在运行后期发生了SND现象。由图3可见，采用乙酸钠作为外加碳源时，COD和氨氮转化规律与无外加碳源（图2）时基本一致，去除率均分别高于85%和95%。可见，有无外加碳源不会影响COD和氨氮的去除，硝氮、亚硝氮的出水浓度明显下降。有机碳源对整个SND体系的影响尤为重要。有机碳源含量低则反硝化满足不了要求；有机碳源含量高则不吕淑霞等：SBR工艺同步硝化反硝化动力学模型研究571··第41卷沈阳农业大学学报利于氨氮去除[9-10]。由于本研究中实际污水COD/NH4+-N较低，不利于SND的发生。为了提高SND的效率，反应3h和反应5h时分次投加乙酸钠，保证了SND所需的碳源。由于有机物持续的加入，可以使系统保持低DO状态。同时，DO浓度降低可以使污泥絮体产生溶解氧梯度，有利于提高反硝化效率，硝氮、亚硝氮在整个过程并未出现积累。这说明在一定范围内，提高COD/NH4+-N不会对COD的去除产生抑制作用，还能抑制硝氮、亚硝氮的积累和提高总氮去除率。2.2SND动力学模型推导为了进行SND动力学模型的推导，提出如下假设条件[11]：（1）在整个SND系统中，进入系统的污水中不含有任何微生物群体；（2）进水采用瞬时进水的方式，每次进水结束后，SND系统中的污水水质都认为是均匀稳定的；（3）在整个系统运行时间内，系统内的活性污泥和污水是完全混合的；（4）SND运行期间，污泥浓度保持不变，整个污泥当中的菌体构成及所占比例保持不变；（5）在系统运行时间内，SND均在理想状态下进行，互不干扰，且两者都符合Monod模式。2.2.1硝化动力学数学模型推导在整个的SND脱氮系统运行期间，NO2--N的浓度一直很低，可以忽略NO2--N的生成步骤。硝化菌的比增殖速率为：μN=μN,maxNKN+N×KOKDO+DO(1)式中：μN为硝化细菌比增殖速率（d-1）；μN,max为硝化细菌最大比增殖速率（d-1）；KN为硝化菌氧化NH4+-N的饱和常数（mg·L-1）；N为NH4+-N浓度（mg·L-1）；DO为溶解氧浓度（mg·L-1）；KDO为溶解氧饱和常数（mg·L-1）如果在dt时间内降解了dN的NH4+-N，那么硝化菌数量相应增长dXN，则硝化产率为：YN=-dXNdN=dXN/dtdN/dt=-dXNdt·XNdNdt·XN=-μNQN(2)式中：XN为硝化细菌浓度（mg·L-1）；QN为氨氮（NH4+-N）比降解速率（gNH4+-N·gVSS-1·d-1）；YN为硝化细菌产率系数（gVSS·gNH4+-N-1）。因此，NH4+-N比硝化速率和硝化细菌比增长速率之间的关系为：QN=-μNYN=-1YNμN,maxNKN+N×DOKDO+DO(3)由式(2)和式(3)可得式(4)，式(4)即硝化动力学。（dN/dT）硝化=-μNYN·XN=-1YNμN,maxNKN+N×DOKDO+DO·XN(4)2.2.2反硝化动力学数学模型推导在硝化动力学当中，忽略NO2--N生成步骤，所以在反硝化过程当中也忽略NO2--N的反硝化过程。反硝化菌的比增殖速率为：μM=μM,maxMKM+M×TKT+T×TKT+T×KDOKDO+DO(5)式中：M为硝态氮（NO3--N）浓度（mg·L-1）；μM为反硝化细菌比增殖速率（d-1）；μM,max为反硝化细菌最大比增殖速率（d-1）；KM为NO3--N的饱和常数（m