复合膜生物反应器脱氮动力学模型及应用刘硕1

DynamicModelforNitrogenRemovalofCombinedMembraneBioreactoranditsApplicationsLIUShuo,YANGXu,CHENXiaohongSchoolofGeographyScienceHarbinNormalUniversityHarbin,[e-mail],[e-mail]fEnvironmentalScienceChemicalTechnologyofBeijingUniversityBeijing,[e-mail]—Toobtaindesignandoperationparametersofcombinedmembranereactorfordomesticwastewatertreatment,atotalnitrogenremovaldynamicmodel(TNRmodel),whichincludesnitrification,denitrificationandsimultaneouslynitrificationanddenitrificationprocess,wasconstructedbasedonmaterialsbalancecalculatingofreactor.Itcouldpredictnitrogenremovalefficiency,ammoniumandtotalnitrogenconcentrationineffluent,meanwhile,itcouldselectoptimalrecyclerateaccordingammoniumconcentrationofinfluentduringsystemoperation.Combiningwiththeactualtreatmentefficiency,thepredictvalueofammoniumandtotalnitrogenofeffluentbyTNRmodelwascomparedwithactualeffluentvaluebycombinedmembranereactor,undertheconditionsofammonium18.6～36.8mg/L,totalnitrogen20.9～40.26mg/Lofinfluentandrecyclerate200%,respectively.Itshowsexcellentsimulationsresultswithactualeffluentvaluebycombinedmembranebioreactorfordomesticwastewatertreatment.Meanwhile,undertheoperationalconditionsofammonium15mg/L~70mg/L,recyclerate0～500%,respectively,TNRmodelcouldindicateoptimalparameterselectingduringcombinedmembranebioreactoroperation.Keywords-dynamicmodel;nitrogenremoval;membranebioreactor;recyclerate复合膜生物反应器脱氮动力学模型及应用刘硕1，刘研萍2，杨旭1，陈晓红11.哈尔滨师范大学地理科学学院，哈尔滨，中国，1500252.北京化工大学环境工程系，北京，中国，[e-mail],[e-mail],[e-mail]【摘要】为获得复合膜生物反应器在实际工程应用中的脱氮设计及运行参数，以反应器内物料衡算为基础，建立了包括硝化、反硝化及同步硝化反硝化过程在内的脱氮动力学模型（TNR模型）。该模型可预测系统对生活污水的脱氮效率、出水氨氮及总氮含量，同时在系统运行中可根据进水氮氮值选择最佳回流比。结合复合式膜生物反应器对生活污水的实际处理效果，在进水氨氮浓度18.6～36.8mg/L,总氮浓度为20.9～40.26mg/L的范围内，回流比200％的条件下，将复合膜生物反应器的实际出水氨氮和总氮值与TNR模型预测结果进行对比。对比结果表明，在对生活污水的处理中，TNR模型对复合膜生物反应器出水总氮及氨氮的预测结果与实际值拟合较好。同时，在进水氨氮15mg/L~70mg/L的范围内，对应回流比为0～500%的运行条件下，该模型可选择最佳回流比，以此指导复合膜生物反应器实际最优运行参数选择。【关键词】动力学模型；脱氮；复合膜生物反应器；回流比1引言随着现代工业的迅速发展，城市规模不断扩大，城市的用水量和废水量不断增加，造成城市水资源的不足，水质日益恶劣。为解决这个问题，许多国家相继开展了污水资源化的研究，也使污水回用成为必然。膜生物反应器（MBR）是随着超滤技术的深入研究、发展在污水处理及回用领域得到新开发和利用的工艺。在MBR中，采用膜组件代替了传统活性污泥工艺中的二沉2011InternationalConferenceonEnergyandEnvironment(ICEE)978-1-61284-113-7/11/$26.00©2011IEEEICEE2011109池，可以进行高效的固液分离，克服了传统活性污泥工艺中出水水质不稳定、易污泥膨胀等不足，作为一种新兴的高效水处理技术，与常规工艺相比，MBR对污染物去除效率高；生物反应器内微生物浓度高，反应器的容积负荷大，设备紧凑，占地少;由于活性污泥的吸附与长时间的接触，使分解缓慢的大分子有机物的停留时间变长，使其分解率提高，污泥产生量少，出水水质稳定；同时MBR污泥量少，污泥处理和处置费用低，由于SRT很长，污泥浓度高，生物反应器起到了污泥好氧消化池的作用，可取消污泥浓缩池和污泥消化池，也节省了污泥处理的基建投资和运行费用[1,2]。传统的脱氮工艺主要建立在硝化－反硝化机理之上，MBR脱氮目前多数依旧是建立在传统的硝化和反硝化理论基础上的两级或单级脱氮工艺，同时新的脱氮理念如同步硝化反硝化和短程硝化反硝化也深入到了MBR工艺之中。相对于传统脱氮工艺而言，MBR中由于膜的截留作用使得硝化菌长期停留在反应器内，在不增加池容的前提下相应延长了污泥龄，满足了硝化菌的生长，减少了硝化菌的流失，从而增加了膜生物反应器系统的硝化效果，有利于氮的去除。同时由于MBR中的污泥浓度高，MLSS可高达20000mg/L，即污泥凝絮颗粒存在从外到内的DO梯度，相应形成好氧、缺氧和厌氧区，由此可实现反硝化和生物除磷。但随着污水回用标准中对总氮的要求日趋严格，MBR中对总氮的去除需要越来越强烈[3]。本研究中采用一种新型复合MBR，通过在MBR中划分缺氧、厌氧和好氧区并在好氧区填装生物填料，强化氮的去除效率，实现总氮的高效去除。以上述新型复合MBR为基础建立了脱氮动力学模型。在复合MBR内，生物脱氮的动力学特征与传统的处理工艺有所不同，表现为:(1)通过膜组件的截留作用，能将全部的活性污泥微生物都拦截在反应器内，使得反应器内维持了较高的污泥浓度;(2)由于复合MBR好氧区填装了织物型填料及高的污泥浓度，在好氧区有部分同硝化反硝化反应发生；(3)反硝化反应在缺氧区及厌氧区发生，混合液的回流比是影响脱氮效率的控制参数之一[4,5]。针对上述复合MBR工艺特点，建立相应的生物脱氮动力学模型，对于指导复合MBR系统的工程应用具有重要意义。同时在本研究中主要针对生活污水中的总氮去除效能进行分析预测，以指导复合MBR在实际工程应用中的设计及运行。2TNR模型的建立2.1复合式MBR物料平衡计算复合式MBR的生物反应池分为缺氧区、厌氧区和好氧区，好氧区中填装织物型填料以增加好氧区中固着生长的硝化菌量，同时好氧区中浸入平板式微滤膜组件以提高出水水质，复合MBR的物料平衡计算图如图1所示。通过对复合式MBR中活性污泥及织物型填料的硝化反硝化特性实验[6,7]，得出好氧区的昀大氨氮降解速率为9.85mg/L·h，缺氧区的昀大反硝化速率为10.27mg/L·h，生物膜的昀大反硝化速率为8.6mg/m·h。2.1.1.硝化过程的物料平衡方程由图1得到硝化反应过程中每日进水的氨氮总量与好氧区由于硝化而产生的氨氮降解量之差等于每日膜出水中氨氮的含量，由此得到硝化过程的物料平衡方程（1）和（2）：04=⋅+−VdtdSSQSQNHNHeeNHii（1）eiQQ=（2）式中：Qi—进水水量，m3/d；Qe—出水水量，m3/d；SNHi—进水氨氮浓度，mg/L；SNHe—出水氨氮浓度，mg/L；V—好氧区的体积，m3。由式（1）和（2）可得式（3）：HNHNHiNHetdtdSSS⋅−=)(4（3）式中：tH—好氧区的停留时间，h。由硝化特性实验可知，在复合式MBR内的硝化速率为9.85mgNH4+-N/L·d，好氧区有效体积为0.12m3，处理缺氧区厌氧区好氧区Qe,SNHeQe,SNOeQR,SNHRQi,SNH4i(dSNH4dt)nFigure1.MaterialbalancediagramfornitrogenremovalincombinedMBR图1复合式膜生物反应器脱氮物料平衡图QR,SNORQi,SNOi(dSNO3dt)De(dSNO3dt)De膜组件(dSNO3dt)Debiofil110水量为0.5m3/d的条件下，好氧区的停留时间为5.76h，也就是说对进水氨氮浓度的降解量为56.74mgNH4+-N/L。由于氨氮的分子量很小，所采用的平板式微滤膜本身对于氨氮并无截留效果，因此好氧区氨氮的降低认为是硝化作用的结果，在进水量为0.5m3/d的条件下，昀大进水氨氮浓度大于56.74mg/L时，可由式（4）根据进水水质和反应器的设计参数预测膜出水氨氮的浓度，当进水氨氮浓度值小于等于56.74mg/L时，认为进水中的氨氮可被全部降解。SNHe=SNHi−9.85⋅tH（4）2.1.2反硝化过程的物料平衡方程在复合式MBR中的反硝化物理平衡方程包括在缺氧区发生的反硝化反应的物料平衡方程以及好氧区生物膜中所发生的反硝化反应的物料平衡方程。其中，每日进水中的硝态氮总量与回流液中的硝态氮总量之和减去缺氧区硝态氮每日反硝化的总量等于每日出水中硝态氮的总量。缺氧区对硝态氮去除的物料平衡方程如式（5）～（10）所示。QiSNO3i−QeaSNO3a−VadSNO3dt⎛⎝⎜⎞⎠⎟De+QRSNO3R=0（5）QR=R⋅Qi（6）Qi=QeM（7）Qea=Qi+QR（8）Va=(Qi+QR)ta（9）式中：SNO3a—缺氧区硝酸盐氮浓度，mg/L；SNO3i—进水中硝酸盐氮浓度，mg/L；Va—缺氧区体积，m3；QR—回流流量，m3/d；Qi—进水流量，m3/d；Qea—缺氧区出水流量，m3/d；QeM—膜出水流量，m3/d；(dSNO3dt)a—好氧区硝态氮生成速率，mgNO3/L·h；R—回流比。由式（5）～（9）可得：SNO3ea=−ta(dSNO3dt)De+R1+RSNO3R（10）联合好氧区生物膜的反硝化作用得到式（11）：SNO3ezM=SNO3R=SNO3a+to(dSNO3dt)n−8.6⋅m⋅to(11)式中：to—好氧区停留时间，h。由式11可以根据原污水中含氮量来预测复合式MBR出水水质和昀佳污泥回流比等条件。2.2模型的求解满足条件经物料平衡计算，模型的求解应满足以下条件：（1）在复合式MBR中，忽略平板式微滤膜本身对于硝态氮的截留效果；（2）好氧区氨氮降解速率等同于好氧区硝态氮的生成速率与生物膜对好氧区硝态氮的降解速率之和；（3）缺氧区硝态氮浓度的降低认为是反硝化作用的结果，反硝化速率为10.27mgNO3-N/L·h；（4）缺氧区和厌氧区的总有效体积为0.1m3，其中缺氧区占0.048m3，厌氧区占0