固相反硝化微生物系統(tǒng)處理低碳污水動(dòng)力學(xué)性能及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ脱芯?/h1>
2022-02-18 08:30:16趙婷婷陳愛(ài)玲
吳 恒，趙婷婷，陳愛(ài)玲，張 千
(重慶理工大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院， 重慶 400054)
水體富營(yíng)養(yǎng)化是發(fā)生范圍最廣、危害程度最大的主要污染問(wèn)題之一，而地表水體中氮素積累的重要原因之一是城鎮(zhèn)污水廠尾水過(guò)量氮排放[1-2]。為降低氮素排放，城鎮(zhèn)污水廠被要求進(jìn)行提標(biāo)改造，尾水水質(zhì)必須達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)[3-4]，但城鎮(zhèn)生活污水低碳化趨勢(shì)給污水廠的提標(biāo)改造帶來(lái)了巨大壓力[5-6]。目前，為了應(yīng)對(duì)低碳源條件下總氮去除不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，大多數(shù)城鎮(zhèn)污水廠采取增設(shè)深度處理工藝的方式，如生物濾池工藝，但該工藝在處理低碳污水時(shí)存在反硝化過(guò)程缺少電子供體的問(wèn)題，導(dǎo)致脫氮效果差[7-8]。為此，城鎮(zhèn)污水廠常采用外加碳源的方式對(duì)工藝補(bǔ)充碳源，雖然保證了脫氮效果，但易造成二次污染、運(yùn)行成本高[9-10]，對(duì)適用于低碳源廢水處理的脫氮新技術(shù)的研發(fā)顯得尤為急迫。
鑒于此，研究以PBS作為BDPs，構(gòu)建了SPD脫氮工藝，通過(guò)序批式實(shí)驗(yàn)探究了該工藝單位生物膜硝化、反硝化性能，同時(shí)，通過(guò)非線性擬合獲得了碳源靜態(tài)釋放動(dòng)力學(xué)方程。此外，在單級(jí)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ突A(chǔ)上推導(dǎo)了多級(jí)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅磉_(dá)式，并將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了相對(duì)誤差計(jì)算以判斷其準(zhǔn)確性，以期為SPD脫氮工藝的工程應(yīng)用提供實(shí)踐與理論基礎(chǔ)。
1 材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
如圖1(a)所示，SPD反應(yīng)器由厚度為5 mm的有機(jī)玻璃材料構(gòu)成，高20 cm，直徑18 cm。反應(yīng)器共分2層，外層水浴保溫層，保持反應(yīng)器溫度恒定；內(nèi)層內(nèi)徑8 cm，為反應(yīng)器主體部分，PBS固體碳源填充率30%，廢水有效體積為0.58 L，底部安裝微孔曝氣盤(pán)提供氧氣。 如圖1(b)所示，浸出性能實(shí)驗(yàn)裝置采用密閉磨口錐形瓶，短管與彎長(zhǎng)管分別用于取樣與曝氮?dú)狻?/p>
1.2 實(shí)驗(yàn)用水
圖1 SPD工藝實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
1.3 實(shí)驗(yàn)填料
PBS購(gòu)自深圳光華偉業(yè)公司，具體參數(shù)如表1所示。
表1 碳源填料參數(shù)
1.4 研究方法
(1)
(2)
浸出性能實(shí)驗(yàn)：在溫度為25～30 ℃條件下，取250 mL磨口錐形瓶進(jìn)行PBS碳源的浸出性研究，取10.00 g PBS放置于加有100 mL蒸餾水的錐形瓶中，排空后密封，置于暗處，每天換蒸餾水，第1 d測(cè)定COD(chemical oxygen demand，COD)值，此后每隔5 d測(cè)1次，連續(xù)測(cè)52 d[19]。
1.5 分析項(xiàng)目及方法
2 結(jié)果與討論
2.1 硝化反硝化動(dòng)力學(xué)研究
圖2 脫氮?jiǎng)恿W(xué)測(cè)定曲線
2.2 碳源靜態(tài)釋放動(dòng)力學(xué)模型
探究了PBS在靜態(tài)條件下的COD的釋放規(guī)律，由圖3可以看出，PBS第1 d COD釋放量較低，第6 d COD釋放達(dá)到峰值295.83 mg/L，這可能是此類聚合材料被浸泡后逐漸釋放COD的緩釋達(dá)峰過(guò)程，可見(jiàn)PBS的緩釋達(dá)峰過(guò)程為6 d，第16 d后COD釋放趨勢(shì)逐漸平穩(wěn)，第41～52 d，碳源釋放濃度穩(wěn)定在10～20 mg/L之間，第52 d僅為12.50 mg/L。有研究報(bào)道碳源在有微生物的條件下可以被靶向降解[16-17]，而此條件下采用蒸餾水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無(wú)微生物干擾，因此，碳源釋放濃度逐漸降低且趨于平緩。但PBS在初期COD釋放波動(dòng)較大，說(shuō)明在工藝啟動(dòng)初期可能會(huì)造成有機(jī)物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。需要注意的是，初期的過(guò)量碳源釋放可以通過(guò)增加曝氣量或延長(zhǎng)水力停留時(shí)間來(lái)提高碳源利用率和COD去除率[25]。將第6～52 d的碳源浸出數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，可以發(fā)現(xiàn)PBS的碳源浸出規(guī)律符合對(duì)數(shù)方程y=-72.15ln(x)+273.02，說(shuō)明在啟動(dòng)6 d以后，PBS在不同時(shí)間釋放的COD濃度可以進(jìn)行預(yù)判，對(duì)于基于PBS的SPD工藝啟動(dòng)過(guò)程具有一定的指導(dǎo)作用，以防止工藝在啟動(dòng)初期存在出水有機(jī)物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，SPD工藝啟動(dòng)初期需要采取措施管控出水有機(jī)物濃度，而6 d以后可以通過(guò)模型進(jìn)行COD釋放預(yù)判。
圖3 碳源靜態(tài)浸出性能曲線
2.3 SPD工藝模型建立
米門(mén)方程常用于生物膜反應(yīng)器基質(zhì)降解過(guò)程的推導(dǎo)，本文也根據(jù)該方程進(jìn)行模型推導(dǎo)，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上計(jì)算模型參數(shù)，從而獲得經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。齊勇等[26]采用米門(mén)方程進(jìn)行了推導(dǎo)，認(rèn)為在反應(yīng)器內(nèi)微生物系統(tǒng)對(duì)機(jī)智的降解過(guò)程符合一次反應(yīng)關(guān)系，其生物反硝化動(dòng)力學(xué)表達(dá)式為：
V=Vmax·Se/(Ks+Se)
(3)
將V=-ds/dt代入式(3)得：
-ds/dt=Vmax·S/(Ks+Se)
(4)
-ds/dt=Vmax·S/Ks
(5)
令K=Vmax/Ks，
得到
-ds/dt=K·S
(6)
當(dāng)水力混合特性為推流時(shí)，積分得：
Se=S0exp(-Kt)
(7)
2) 反應(yīng)器的特性接近推流。本研究采用的小試在時(shí)間上符合推流模式，符合要求；
對(duì)式(7)兩邊求對(duì)數(shù)得：
ln(Se/S0)=-Kt
(8)
根據(jù)ln(Se/S0)對(duì)t作圖，見(jiàn)圖4，得出K=0.08，因此可以得出：
S1=S0exp(-0.08t)
(9)
圖4 ln(Se/S0)與t之間的關(guān)系圖
2.4 多級(jí)SPD工藝模型建立
為了對(duì)本單級(jí)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行拓展，結(jié)合了相關(guān)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行推導(dǎo)。徐斌等[27]對(duì)連續(xù)流的生物膜反應(yīng)器進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯茖?dǎo)，本實(shí)驗(yàn)在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整。在本實(shí)驗(yàn)中，不考慮反應(yīng)器內(nèi)的水動(dòng)力學(xué)變化，僅從宏觀上以連續(xù)運(yùn)行的方式進(jìn)行考慮，可以得到方程(10)，其中Q為進(jìn)水流量；A1和A2分別為第1級(jí)、第2級(jí)反應(yīng)器體內(nèi)填料總體積；S0、S1和S2分別為原水、第1級(jí)和第2級(jí)反應(yīng)器內(nèi)的硝酸鹽濃度，V1和V2分別為第1級(jí)、第2級(jí)反應(yīng)器的體積。
QS0-V1A1=QS1
(10)
QS1-V2A2=QS2
(11)
對(duì)于多級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器，其中的K級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：
QSk-1-VkAk=QSk
(12)
其中：Vk需要進(jìn)行推導(dǎo)。
實(shí)際上，根據(jù)式(9)可以進(jìn)行以下變形：
(S1-S0)/t=[S0exp(-0.08t)-S0]/t
可以得出：
V=[S0exp(-0.08t)-S0]/t
(13)
QSk-1-[S0exp(-0.08t)-S0]/tAk=QSk
(14)
S1=(QS0-V1A1)/Q
S2=(QS0-V1A1-V2A2)/Q
S3=(QS0-V1A1-V2A2)/Q-V3A3/Q=
(QS0-V1A1-V2A2-V3A3)/Q
…
即為多級(jí)模型的具體表達(dá)式：
Sk=(QS0-V1A1-V2A2-…-VkAk)/Q
(15)
因此，根據(jù)上述可以整理得出基于米門(mén)方程的SPD工藝多級(jí)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑镼Sk-1-[S0exp(-0.08t)-S0]/tAk=QSk，具體表達(dá)式為Sk=(QS0-V1A1-V2A2-…-VkAk)/Q。
2.5 模型應(yīng)用與預(yù)測(cè)
圖5 模型預(yù)測(cè)實(shí)測(cè)對(duì)比圖
3 結(jié)論
2)在SPD工藝啟動(dòng)初期需要采取措施以管控碳源出水濃度，如增加曝氣、延長(zhǎng)水力停留時(shí)間等。碳源釋放峰值期后的碳源浸出規(guī)律符合對(duì)數(shù)方程y=-72.15ln(x)+273.02，可以據(jù)此預(yù)判碳源釋放情況。
3) 基于米門(mén)方程推導(dǎo)出SPD工藝的單級(jí)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑镾1=S0exp(-0.08t)，而多級(jí)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅磉_(dá)式為QSk-1-[S0exp(-0.08t)-S0]/tAk=QSk。
4) 該模型最大誤差為13.80%，隨著運(yùn)行時(shí)間越久會(huì)出現(xiàn)2個(gè)趨勢(shì)：誤差隨運(yùn)行時(shí)間的變化可能越大，由正誤差轉(zhuǎn)為負(fù)誤差。模型在長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè)方面需要進(jìn)行改進(jìn)，但是對(duì)于SPD工藝的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
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1 材料與方法
1.1 實(shí)驗(yàn)裝置
如圖1(a)所示，SPD反應(yīng)器由厚度為5 mm的有機(jī)玻璃材料構(gòu)成，高20 cm，直徑18 cm。反應(yīng)器共分2層，外層水浴保溫層，保持反應(yīng)器溫度恒定；內(nèi)層內(nèi)徑8 cm，為反應(yīng)器主體部分，PBS固體碳源填充率30%，廢水有效體積為0.58 L，底部安裝微孔曝氣盤(pán)提供氧氣。 如圖1(b)所示，浸出性能實(shí)驗(yàn)裝置采用密閉磨口錐形瓶，短管與彎長(zhǎng)管分別用于取樣與曝氮?dú)狻?/p>
1.2 實(shí)驗(yàn)用水
圖1 SPD工藝實(shí)驗(yàn)裝置示意圖
1.3 實(shí)驗(yàn)填料
PBS購(gòu)自深圳光華偉業(yè)公司，具體參數(shù)如表1所示。
表1 碳源填料參數(shù)
1.4 研究方法
(1)
(2)
浸出性能實(shí)驗(yàn)：在溫度為25～30 ℃條件下，取250 mL磨口錐形瓶進(jìn)行PBS碳源的浸出性研究，取10.00 g PBS放置于加有100 mL蒸餾水的錐形瓶中，排空后密封，置于暗處，每天換蒸餾水，第1 d測(cè)定COD(chemical oxygen demand，COD)值，此后每隔5 d測(cè)1次，連續(xù)測(cè)52 d[19]。
1.5 分析項(xiàng)目及方法
2 結(jié)果與討論
2.1 硝化反硝化動(dòng)力學(xué)研究
圖2 脫氮?jiǎng)恿W(xué)測(cè)定曲線
2.2 碳源靜態(tài)釋放動(dòng)力學(xué)模型
探究了PBS在靜態(tài)條件下的COD的釋放規(guī)律，由圖3可以看出，PBS第1 d COD釋放量較低，第6 d COD釋放達(dá)到峰值295.83 mg/L，這可能是此類聚合材料被浸泡后逐漸釋放COD的緩釋達(dá)峰過(guò)程，可見(jiàn)PBS的緩釋達(dá)峰過(guò)程為6 d，第16 d后COD釋放趨勢(shì)逐漸平穩(wěn)，第41～52 d，碳源釋放濃度穩(wěn)定在10～20 mg/L之間，第52 d僅為12.50 mg/L。有研究報(bào)道碳源在有微生物的條件下可以被靶向降解[16-17]，而此條件下采用蒸餾水進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，無(wú)微生物干擾，因此，碳源釋放濃度逐漸降低且趨于平緩。但PBS在初期COD釋放波動(dòng)較大，說(shuō)明在工藝啟動(dòng)初期可能會(huì)造成有機(jī)物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。需要注意的是，初期的過(guò)量碳源釋放可以通過(guò)增加曝氣量或延長(zhǎng)水力停留時(shí)間來(lái)提高碳源利用率和COD去除率[25]。將第6～52 d的碳源浸出數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性擬合，可以發(fā)現(xiàn)PBS的碳源浸出規(guī)律符合對(duì)數(shù)方程y=-72.15ln(x)+273.02，說(shuō)明在啟動(dòng)6 d以后，PBS在不同時(shí)間釋放的COD濃度可以進(jìn)行預(yù)判，對(duì)于基于PBS的SPD工藝啟動(dòng)過(guò)程具有一定的指導(dǎo)作用，以防止工藝在啟動(dòng)初期存在出水有機(jī)物超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。因此，SPD工藝啟動(dòng)初期需要采取措施管控出水有機(jī)物濃度，而6 d以后可以通過(guò)模型進(jìn)行COD釋放預(yù)判。
圖3 碳源靜態(tài)浸出性能曲線
2.3 SPD工藝模型建立
米門(mén)方程常用于生物膜反應(yīng)器基質(zhì)降解過(guò)程的推導(dǎo)，本文也根據(jù)該方程進(jìn)行模型推導(dǎo)，在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上計(jì)算模型參數(shù)，從而獲得經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。齊勇等[26]采用米門(mén)方程進(jìn)行了推導(dǎo)，認(rèn)為在反應(yīng)器內(nèi)微生物系統(tǒng)對(duì)機(jī)智的降解過(guò)程符合一次反應(yīng)關(guān)系，其生物反硝化動(dòng)力學(xué)表達(dá)式為：
V=Vmax·Se/(Ks+Se)
(3)
將V=-ds/dt代入式(3)得：
-ds/dt=Vmax·S/(Ks+Se)
(4)
-ds/dt=Vmax·S/Ks
(5)
令K=Vmax/Ks，
得到
-ds/dt=K·S
(6)
當(dāng)水力混合特性為推流時(shí)，積分得：
Se=S0exp(-Kt)
(7)
2) 反應(yīng)器的特性接近推流。本研究采用的小試在時(shí)間上符合推流模式，符合要求；
對(duì)式(7)兩邊求對(duì)數(shù)得：
ln(Se/S0)=-Kt
(8)
根據(jù)ln(Se/S0)對(duì)t作圖，見(jiàn)圖4，得出K=0.08，因此可以得出：
S1=S0exp(-0.08t)
(9)
圖4 ln(Se/S0)與t之間的關(guān)系圖
2.4 多級(jí)SPD工藝模型建立
為了對(duì)本單級(jí)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ瓦M(jìn)行拓展，結(jié)合了相關(guān)的理論基礎(chǔ)進(jìn)行推導(dǎo)。徐斌等[27]對(duì)連續(xù)流的生物膜反應(yīng)器進(jìn)行了經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ屯茖?dǎo)，本實(shí)驗(yàn)在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了調(diào)整。在本實(shí)驗(yàn)中，不考慮反應(yīng)器內(nèi)的水動(dòng)力學(xué)變化，僅從宏觀上以連續(xù)運(yùn)行的方式進(jìn)行考慮，可以得到方程(10)，其中Q為進(jìn)水流量；A1和A2分別為第1級(jí)、第2級(jí)反應(yīng)器體內(nèi)填料總體積；S0、S1和S2分別為原水、第1級(jí)和第2級(jí)反應(yīng)器內(nèi)的硝酸鹽濃度，V1和V2分別為第1級(jí)、第2級(jí)反應(yīng)器的體積。
QS0-V1A1=QS1
(10)
QS1-V2A2=QS2
(11)
對(duì)于多級(jí)串聯(lián)反應(yīng)器，其中的K級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程為：
QSk-1-VkAk=QSk
(12)
其中：Vk需要進(jìn)行推導(dǎo)。
實(shí)際上，根據(jù)式(9)可以進(jìn)行以下變形：
(S1-S0)/t=[S0exp(-0.08t)-S0]/t
可以得出：
V=[S0exp(-0.08t)-S0]/t
(13)
QSk-1-[S0exp(-0.08t)-S0]/tAk=QSk
(14)
S1=(QS0-V1A1)/Q
S2=(QS0-V1A1-V2A2)/Q
S3=(QS0-V1A1-V2A2)/Q-V3A3/Q=
(QS0-V1A1-V2A2-V3A3)/Q
…
即為多級(jí)模型的具體表達(dá)式：
Sk=(QS0-V1A1-V2A2-…-VkAk)/Q
(15)
因此，根據(jù)上述可以整理得出基于米門(mén)方程的SPD工藝多級(jí)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑镼Sk-1-[S0exp(-0.08t)-S0]/tAk=QSk，具體表達(dá)式為Sk=(QS0-V1A1-V2A2-…-VkAk)/Q。
2.5 模型應(yīng)用與預(yù)測(cè)
圖5 模型預(yù)測(cè)實(shí)測(cè)對(duì)比圖
3 結(jié)論
2)在SPD工藝啟動(dòng)初期需要采取措施以管控碳源出水濃度，如增加曝氣、延長(zhǎng)水力停留時(shí)間等。碳源釋放峰值期后的碳源浸出規(guī)律符合對(duì)數(shù)方程y=-72.15ln(x)+273.02，可以據(jù)此預(yù)判碳源釋放情況。
3) 基于米門(mén)方程推導(dǎo)出SPD工藝的單級(jí)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑镾1=S0exp(-0.08t)，而多級(jí)經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ捅磉_(dá)式為QSk-1-[S0exp(-0.08t)-S0]/tAk=QSk。
4) 該模型最大誤差為13.80%，隨著運(yùn)行時(shí)間越久會(huì)出現(xiàn)2個(gè)趨勢(shì)：誤差隨運(yùn)行時(shí)間的變化可能越大，由正誤差轉(zhuǎn)為負(fù)誤差。模型在長(zhǎng)時(shí)間預(yù)測(cè)方面需要進(jìn)行改進(jìn)，但是對(duì)于SPD工藝的應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。
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