1、MBBR生物预处理工艺硝化过程动态模型的建立第38卷第5期2006年5月哈尔滨工业大学学报JOURNAL OF HARB I N I N STI T UTE OF TECHNOLOGYVol 138No 15May 2006M BBR 生物预处理工艺硝化过程动态模型的建立徐斌, 夏四清, 胡晨燕, 高乃云(同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室, 上海200092, E 2mail:tj w en wumail. t ongji . edu . cn 摘要:采用MBBR 工艺对微污染黄埔江原水硝化过程动力学和反应器动力学进行了研究. 采用考虑最小基质质量浓度的M ichaelis -Men
2、ten 方程, 氨氮去除速率方程为N =1879(S -0108 /(S +1152 , 各动力学参数分别为:最大氨氮去除速率N max 为1879mg/(m 2d ; 半速率常数K s 为116mg/L;最小基质氨氮质量浓度为0108mg/L;最大细胞比增长速率max 为1105d -1. 试验表明,MBBR 反应器为典型的完全混合反应器, 结合硝化反应动力学, 建立了完全混合式原水生物预处理硝化反应器动态模拟模型. 通过模型计算与实际中试运行效果比较可以得出:在低进水氨氮质量浓度条件下, 模型计算值与实验数据略有差别; 在中高进水氨氮质量浓度条件下, 模型计算值与实验结果较为一致. 模型较
3、好地反应了工艺硝化的过程, 可方便地应用于工艺的控制和管理. 关键词:硝化; 动态模拟; 生物预处理; MBBR 中图分类号:X506文献标识码:A文章编号:(2006 -05D ynam i c si a f i on i n b i o 2pretrea t m en tg M BBR technologyXU B in, X I A Si 2qing, HU Chen 2yan, G AO Nai 2yun(State Key Laborat ory of Polluti on Contr ol and Res ource Reuse, T ongji University, Shang
4、hai 200092, China,E 2mail:tj w en wumail. t ongji . edu . cn Abstract:The nitrifying and react or kinetics of ra w water nitrificati on in bi ol ogical p retreat m ent of m icr o 2pol 2luted water fr om Huangpu R iver by MBBR technol ogy was studied . According t o the equati on of M ichaelis 2Mente
5、n, taking the m ini m um a mmonia nitr ogen concentrati on int o considerati on, the relati onshi p bet w een a m 2monia nitr ogen concentrati ons and a mmonia nitr ogen re moval rates could be p resented as N =1879(S -0108 /(S +1152 . Four nitrificati on kinetics para meters could be directly or in
6、directly obtained by the meas 2ure ments of the react or syste m , including the m ini m um a mmonia nitr ogen concentrati on, the half saturati on constant, the maxi m um a mmonia re moval rate and the maxi m um s pecific bacterial gr owth rate . For the experi 2mental conditi ons, the para meters
7、were deter m ined t o be 0108mg/L,116mg/L,1859mg/(m 2d and 1148d-1, res pectively . It can be dra wn that the MBBR bel ongs t o the CST R and considering the nitrifying ki 2netics the nitrificati on dyna m ic si m ulati on model of this type of react or was built . The validity of this model was tes
8、tified by the p il ot 2scale experi m ent of Huangpu river ra w water bi o 2p retreat m ent byMBBR technol ogy . Comparing the calculati on results of the model with the results of ex peri m ent, the conclusi on could be dra wn:the higher the concentrati on of a mmonia nitr ogen in ra w water is, th
9、e less the difference bet w een the model and the experi m ent is . A s a matter of fact, the results of this model are very cl ose t o the experi m ents; and it can be used t o manage and contr ol the p ractical operati on of this technol ogy effectively . Key words:nitrificati on; dyna m ic si m u
10、lati on model; bi ol ogical p retreat m ent; MBBR收稿日期:2004-08-22.基金项目:国家高技术研究发展计划资助项目(2002AA601130 ;国家科技攻关计划重大资助项目(2003BA808A17 .作者简介:徐斌(1976- , 男, 博士, 讲师;夏四清(1965- , 男, 博士, 教授, 博士生导师; 高乃云(1949- , 女, 博士, 教授, 博士生导师.原水中的氨氮在水的输送和处理过程中, 容易造成管网中亚硝酸盐质量浓度的增高、除锰困难和降低有机物氧化效率等问题; 另外原水中氨氮质量浓度过高, 需加大氯的投加量, 从而引起
11、有害副产物增加1. 因此, 如何有效去除原水中氨氮也是目前预处理工程的主要任务之一. 生物硝化是去除水中氨氮的有效方法之一, 它具有成本低、效率高等特点. 微污染原水中的氨氮质量浓度一般0127S O 2时, 氧为限制因素; 当S NH 3-N 0127S O 2时, 氨氮为限制因素7, 8; 对于完全混合形式的反应池如MBBR 反应器, 如果仅采用单反应池, 按照目前处理水质的要求, 作为饮用水源的原水氨氮质量浓度最大质量浓度标准为015只要保证生化池内DO 11185mg/L,控制的要求. 0mg 计算, 只要第一级池体内能处理到氨氮质量浓度为210mg/L, 即DO 质量浓度不低于714
12、mg/L,就可满足生物硝化不受DO 质量浓度控制. 本中试运行中第一级池体氨氮出水质量浓度均2mg/L,而DO 质量浓度一般均高于7mg/L,因此, 可以认为在黄浦江原水生物预处理过程中, 本工艺硝化反应速率主要控制条件为氨氮质量浓度.4动态模拟模型的建立按照中试运行的情况, 对于单级池体, 由于采用底部穿孔管曝气带动水流与填料流动, 水流紊动性大, 达到全池流化效果, 该反应器应属于典型的完全混合流反应器. 411反应器动力学的建立主要针对该典型的完全混合反应器建立动力学方程. 两级反应器示意图见图7. Q 为进水流量;A 1和A 2分别为两级反应池体内填料总表面积; S 0、S 1和S 2
13、分别为原水、第一和第二级池体内氨氮的质量浓度; V 1和V 2分别为两级池体的体积 .图7两级MBBR 反应器示意图对第一级和第二级反应器建立物料平衡方程,QS 0-N 1A 1=QS 1, QS 1-N 2A 2=QS 2 .对于i 级反应器其方程为QS i-1-N i A i =QS i .依据前述内容, 原水进水氨氮质量浓度较低, 在较高溶解氧条件下, 总反应速率的主要限定因素为氨氮的质量浓度, 代入已得的降解速率公式后得QS 0-1879S 1-0108S 1+1152A 1=QS 1,QS 1-1879S -0108S 2+1152A 2=QS 2 .(1求解方程可求出最终出水S 2
14、的质量浓度值. 方程组(1 的第一个方程解为S 1=81054105QS 0-A 1-6108105Q 18Q 22107QS 0A 1+1080+641106A 21+4108QA 1+51914624108Q 2 1/2.如果采用多级处理时, 列出多级方程组, 先解第一级值, 其余方程的解通过上述解的形式逐级解出.412模型效果的验证模型验证采用中试试验中水温均维持在25左右的几个工况, 几个工况下原水能够提供硝化所需要的足够碱度及适合pH. 工况1、2和3主要控制工况为:进水流量80m 3/h, 曝气量45m 3/h, 水力停留时间HRT 为1h, 气水比0156. 3个工况对氨氮去除效
15、果如表2所示. 模型预测时, 可采用中试条件下水温与氨氮填料表面负荷指数关系式(如图6 , 将水温20时的氨氮最大去除速率转化到相应温度的值.表2各工况出水氨氮质量浓度和处理效果与实测值对比编号工艺控制条件水量t/HRT (氨氮 /(mg L -1进水出水效率/%工况180*65013005015模型0165011807213工况280261360116013907615模型116013227918工况3802419603105016807716模型3105017007711工况41201815402129018006216模型21290194059. 0中试试验两级池体中, 填料的填充率相同
16、, 池型也相同. 按照模型预测在原水氨氮质量浓度在015、1、115、2、215、3、315和4mg/L情况下, HRT =60m in 条件下, 出水氨氮质量浓度与去除效率如图8所示; 相同质量浓度范围, 水温为20837哈尔滨工业大学学报第38卷, HRT =40m in 条件下, 出水氨氮质量浓度与去除效率如图9所示.图8HRT =60m in 条件下模型预测值图9HRT =40m in 条件下模型预测值从模型模拟值与实际工况运行结果分析比较可知:采用的动力学方程与反应器方程, 在停留时间60m in 条件下, 对于中质量浓度与高质量浓度进水氨氮质量浓度, 模型预测值与实际工况运行值基本
17、一致, 而对于低进水氨氮质量浓度, 模型计算值与实测值有一定差别. 停留时间40m in 条件下, 对于中高质量浓度氨氮进水质量浓度, 计算值与实际测定值也基本一致.依据以上结果可知, 建立的动力学模型与动态模拟模型基本能正确描述中试过程中氨氮降解规律. 该动态模拟模型的建立可方便地应用于考虑不同影响因素(如水量、进水质量浓度、填料比表面积、填料填充率、反应器级数、各级池体体积分配等 对处理效果的影响, 对于MBBR 生物反应器处理微污染黄浦江原水运行具有较好的指导作用.5结论1 建立了微污染原水硝化反应速率方程, 并计算出原水硝化过程N max 为1879mg/(m 2d ;K s 为116
18、mg/L;最小基质氨氮质量浓度为0108mg/L;max 为1105d -1.2 采用两级MBBR 反应器进行微污染原水硝化, 控制气水比在015以上时, 硝化反应控制因素为原水中氨氮的质量浓度. 由于曝气作用, 池体内悬浮填料不断运动, 该类型反应器为典型的完全混合反应器.3 在停留时间60m in 条件下, 对于中质量浓度与高质量浓度进水氨氮质量浓度, 模型预测值与实际工况运行值基本一致, 而对于低进水氨氮质量浓度, 模型计算值与实测值有一定差别. 停留时间40m in 条件下, 对于中高质量浓度氨氮进水质量浓度, 计算值与实际测定值也基本一致. 该, 可方便地应用于MBBR .1. 给水
19、中的氨氮问题J .净水技术, 2001, 20(2 :12-14.2L I U Yu, CAP DE V I L LE B. Kinetic behavi ors of nitrif 2ying bi ofil m gr owth in waste water nitrificati on p r ocessJ .Envir onmental Technol ogy, 1994, 15(11 :1001-1013.3KI M URA K, WAT ANABE Y, OK ABE S, et a l . Kineticanalysis of nitrifying bi ofil m gr owi
20、ng on the r otating me m 2brane diskJ .W ater Sci Technol, 2001, 43(4 :111-118.4R I TT MAN B E, MCARTY P L. Model of steady -state-bi ofil m kinetcsJ .B i otechnol B i oeng, 1980(22 :2343-23574.5R I TT MAN B E, MANE M J A. Devel opment and experi 2mental evaluati on of a steady -state, multis pecies bi ofil m modelJ .B i otechnol B i oeng, 1992, 39:914-922. 6刘雨, 赵庆良, 郑兴灿. 生物膜法污水处理技术M.北京:中国建筑工业出版社, 2000.7徐斌, 夏四清, 胡晨燕, 等. 微污染原水生物预处理过程中硝化动力学模型研究J .中国给水排水,2003, 19(4 :15-18.8徐斌, 夏四清, 高廷耀, 等. 悬浮填料床处理微污染原水硝化试验研究J .环境科学学报, 2003, 23(6 :742-747.(编辑刘彤937第5期徐斌, 等:MBBR生物预处理工艺硝化过程动态模型的建立
