孫宗健[1] 　王金生¹　 張永祥²

(1 北京師范大學環境學院，地下水環境安全研究所，環境模擬與污染控制重點國家聯合實驗室，北京，100875，2 北京工業大學建筑工程學院，市政工程學科部，北京，100022)

　摘要：微生物膜生長動力學的模型是污水處理中 的重要問題，目前尚在探索之中。本文通過測量靜態微生物膜上生物量的試驗，比較準確的得到了不同負荷下的微生物生長狀況以及不同曝氣量下微生物變化情況；最后應用Grau模型，對微生物膜生長動力學過程進行了研究。結果表明：經簡化的Grau模型，可以獲得了微生物膜生長動力學的基本參數。當本次試驗的溫度為22±1℃時，豎向回轉式生物反應器處理生活污水的附著態生物膜的微生物反應速度常數33.59d^-1；在污泥去除負荷4.64～11.06 d^-1時，其理論產率為0.5084mgVSS/mgCOD，衰減系數為0.08d^-1。
　　

關鍵詞：模型 污水處理 生長動力學 生物膜

前言

　　一般情況下，主要依據經驗法或類比法進行廢水生物膜處理工程的設計與污水處理廠運行的管理，急需開展定量化的模型研究^[1]。國外一些學者在活性污泥的微生物生長動力學模型方面開展了大量研究工作，如A.W.Lawrence和P.L.McCarty于1970年提出的Lawrence－McCarty模型最先將Monod方程引入廢水生物處理領域^[2]；Andrews模型由美國的J.F.Andrews等于20世紀80年代提出，該模型提出了貯存－代謝機理^[3]；WRc模型時英國水研究中心提出的，該模型引入了存活－非存活細胞代謝機理^[2]；國際水協會組織南非、日本、美國、丹麥、荷蘭5個國家專家成立活性污泥通用模型國際研究小組，致力于新的活性污泥數學模型的開發，并與1987、1995和1999年陸續推出了3套模型，通常稱為ASM系列模型^[4]。但是這些學者提出的有關污水生物處理的數學模式大都不能進行生物膜的微生物生長動力學的模擬^[5]。Grau等人年考慮了進水基質濃度的影響，對monod模型進行了修正，提出的Grau模型，該模型可以較準確地模擬廢水處理中活性污泥的微生物生長過程^[6]，對生物膜地微生物生長動力學的模擬尚未見到報道^[7]。本文利用Grau模型對生物膜的微生物生長動力學的試驗進行了模擬。

1試驗原理與模擬模型

1.1試驗原理
　　生物反應器采用豎向回轉式裝置，經過調節池的原水被泵入生物反應器，在生物反應器中經過生物膜的吸附降解進行生物處理，送至沉淀池，最后再經過濾和消毒后排放。詳見圖1。

圖1　 試驗裝置示意圖

1.2 測試項目
　　主要在進水口和沉淀池測試COD_Cr、BOD、pH值、溶解氧、水溫以及填料上的生物量、反應器混合液懸浮生物量等。
　　填料上微生物量試驗方法采用振蕩培養法。
1.3 模擬模型
　　Grau模型如下：

　　 …………………………（1）

　　式中，n---常數，可采用1；
　　　　　K---基質去除常數；
　　　　　X_v ---污泥濃度,毫克/升；
　　　　　S₀、S_e---進、出水的基質濃度，毫克/升。

　　 …………………………（2）

　　 ……………………………（3）

　　如果廢水中存在不可生物降解的物質其濃度為S_n，則應從直接測得的S₀、S_e中減去S_n。S_n可通過幾組平行試驗數據，利用公式 （k^‘－減速增長速度常數），通過圖解法求得。

2 試驗結果

2.1實際運行結果
　　試驗在高碑店污水廠進行，實驗時間為4月―8月，原水為普通生活污水。

圖2 水量30L/h時COD_Cr去除

圖4 溶解氧不同時COD_Cr和濁度去除率對比

2.2基質降解動力學研究
　　微生物量試驗記錄如表2-1：

表1　 附著態微生物靜態試驗數據

　　我們應用方程（3）求解動力學常數，由于污水中存在不可生物降解的物質，因此首先利用公式 和上列數據求解S_n，數據如表2：

表2　 求解S_n數據表

T(d)	S0(mg/L)	Se(mg/L)	Xv(mg/L)	(d-1)
0.17	430	172	140	11.06
0.25	430	148	140	8.06
0.33	430	119	140	6.66
0.42	430	112	140	5.45
0.50	430	105	140	4.64

　　S_n圖解如圖4：

　　利用公式：

　　變形為： （S_e >0，U₅>0）

圖4 S_n圖解圖

　　由圖可計算出S_n為50.1mg/L。

　　應用方程： （3）

　　變形為：

　　（ >0, U₅ >0）

　　將直接測得的S₀、S_e減去S_n，數據如表3，

　　求解K見圖5。

表3　 基質降解動力學常數測定數據表

T(d)	S0(mg/L)	Se(mg/L)	Xv(mg/L)	S0-Sn (mg/L)	Se-Sn (mg/L)		(d-1)
0.17	430	172	140	380	122	0.3211	11.06
0.25	430	148	140	380	97.9	0.2576	8.06
0.33	430	119	140	380	68.9	0.1813	6.66
0.42	430	112	140	380	61.9	0.1629	5.45
0.50	430	105	140	380	54.9	0.1445	4.64

圖5　 K₂求解圖

　　由上圖可得：K₂=33.59d^-1。
2.3生物膜的微生物增長動力學研究
　　研究生物膜的微生物增長動力學，對實際工程的設計及運行具有重要意義。數據見表4，將左端看作y,U_s看作x，繪制1/_θc與U_s的關系圖，見圖6。

表4　 附著態微生物1/θ_c與U_s的關系數據

θc （d）	1/θc (d-1)	S0 (mg/L)	Se (mg/L)	Xv (mg/L)	(d-1)
0.17	6.00	430	172	140	11.06
0.25	4.00	430	148	140	8.06
0.33	3.00	430	119	140	6.66
0.42	2.40	430	112	140	5.45
0.50	2.00	430	105	140	4.64

圖6 附著態微生物1/θ_c與U_s的關系數據圖

從上圖可以得到：Y=0.5084 mgVSS/mgCOD，K_d=0.08 d^-1。

3 結論

　　通過試驗分析，利用Grau模型對附著狀態生物膜的微生物生長動力學進行模擬研究，推導得出：
　　1.在試驗溫度為22±1℃時，豎向回轉式生物反應器處理生活污水時，附著態生物膜的微生物反應速度常數K=33.59d^-1。
　　2.在污泥去除負荷Us=4.64—11.06 d^-1時，其理論產率Y=0.5084mgVSS/mgCOD，衰減系數為0.08 d^-1。
　　3.Grau模型可以直接用于小試研究，可以在小試中校正涉及的動力學參數等模型參數，從而使模型達到可以實際應用的程度。
　　4.Grau模型對劇烈變化階段的模擬能力不足，例如非曝氣過渡到曝氣的階段，模型的模擬與實際情況相差很大。

參考文獻

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3 崔玉川等.城市污水回用深度處理設施設計計算.化學工業出版社.2003.7:11～13
4 張亞雷，李詠梅.活性污泥數學模型.上海：同濟大學版社，2002。
5 Mujeriego, Rafael; Asano, Takashi. The Role of Advanced Treatment in Wastewater Reclamation and Reuse. Water Science and Technology. 1999, 40(4-5):1～9
6 許保玖,龍騰銳.當代給水與廢水處理原理（第二版）.高等教育出版社.2000,9:6,476
7 Wang B Z, Li G Q, Wang L et al. Design and Operation of a WWWP with Submerged Biofilm Process. IWA 1st world congress, Paris 3～7,July,2000,Poster,CD-ROM

孫宗健：（1977- ），男，博士研究生. 環境模擬與污染控制研究方向。通訊方式：wangjs@bnu.edu.cn