1、浸沒式膜生物反應器 （SMBR）有機物降解動力學模型及應用薛圓圓 2013214130 苑夢影 2013214135 錢婧婧 2013214013 李愷 2013214009王明園 2013214077 王宇飛 2013214078 白永強 2013214089 方帥 20132140721. 試驗背景在污水的生物處理過程中， 有機污染物的去除是首要目標， 微生物的增長是 對有機物去除的結果。 在微生物增殖理論得到較廣泛應用的基礎上， 研究底物降 解規律已成為 MBR 工藝深入研究的方向之一。SMBR中的微生物除了具有傳統活性污泥法中的微生物動力學特征外，因 SMBR 工藝的獨特性，使得 SM

2、BR中有機物降解動力學有別于傳統生物處理的污 泥增長和動力學特征 ,表現為：（ 1）通過膜組件的截留作用，能將全部的活性污 泥微生物都攔截在反應器內， 使得反應器內維持了較高的污泥濃度， 從而降低了 有機物 -污泥負荷；（2）系統內有機物 -污泥負荷低， 微生物大都處于內源呼吸期， 有機底物的去除主要用于維持微生物的生命活動； （ 3）微生物代謝過程中產生的 難于生物降解的溶解性有機產物也被膜組件截留在反應器內， 進一步得到降解去 除。針對上述 SMBR 的工藝特點，建立相應的有機物去除動力學模型，對于指導 SMBR系統的工程應用具有重要意義。2. 實驗材料與分析方法2.1 試驗裝置和操作條件

3、試驗使用的膜生物反應器如圖 1所示。試驗建立了兩套相同的 MBR 反應器， MBR反應器由有機玻璃制成，每套裝置可獨立運行，每套裝置的尺寸為：直徑 為 0.15 m，高為 1.5 m，有效容積為 15 L ，膜組件采用天津工業大學膜天膜工程 技術有限公司生產的 PVDF 中空纖維微孔膜。膜組件下以穿孔管鼓風曝氣，為 微生物供氧，同時產生水力沖刷作用，抑制污染物在膜表面的沉積。 MBR 的排 泥以排除混合液的方式來實現。圖 1 試驗裝置簡圖2.2 實驗材料MBR 工藝采用人工配水進行試驗。根據典型城市生活污水水質，以淀粉、葡萄糖、蛋白胨、尿素、磷酸二氫鉀及微量元素鈣、鎂、鐵、鋅等為原料進行配 水

4、，具體水質如表 1所示。表1 配水組分及濃度項目數值 /(mgL-1)-1平均數 /(mg L-1)CODCr217.5451.6354.5NH4+N25.660.837.78TN30.568.544.1TP4.915.67.8Ph6.87.87.45微量元素若干2.3 分析項目和方法常規測定項目包括 pH 值、溫度、MLSS、MLVSS 、CODCr、BOD5，這些項 目的測定均采用國家標準方法，反應器中污泥混合液上清液通過靜沉30min后獲得，具體檢測方法見表 2。表 2 水質測定項目與方法分析項目測定方法化學需氧量重鉻酸鉀法生物需氧量稀釋與接種法MLSS濾紙重量法MLVSS標準方法（重量

5、法）pHpHS-3C 精密數顯酸度計溫度水銀溫度計3. 有機物降解動力學分析3.1 模型建立圖2 膜生物反應器物料衡算簡圖模型假設：（ 1）進水水質均勻，且不含有微生物群體；（ 2）基質是可溶性 的，不含抑制微生物活性基質；（ 3）反應器內處于完全混合狀態，污泥濃度保 持穩定。根據MBR的工藝特點，用物料平衡的方法作為分析和研究問題的手段。 并在物料衡算方程的基礎上建立有機物降解動力學模型，求出 MBR 處理模擬廢 水的最大比基質降解速率 Vmax和基質飽和常數 Ks，以期為深入進行膜生物反應 器的優化設計和運行控制提供理論依據。MBR是以生物處理為核心的技術，活性污泥法的基本動力學方程也是適

6、用 于MBR 工藝的，但由于 MBR工藝的獨特性，需對其進行修正。根據活性污泥法 基本動力學理論，一般用 Vmax和Ks來描述廢水生物處理系統的有機物去除特征。Vmax和 Ks分別為最大比基質降解速率和基質飽和常數，單位分別為d-1和mg/L。這兩個常數反映廢水的性質，特別是其可生物降解性。對于易于生物降 解廢水， Vmax較大而 Ks較小;難降解廢水通常 Vmax較小而 Ks較大。勞倫斯一麥蒂在莫諾特方程的基礎上把u umaxmax K S C方程引入廢水處理領域，對于廢水處理來說，有機底物的比降解速率比微生物的比增殖速度更實際， 應用性更強， 是討論研究的對象。而根據底物降解速率的基本定義

7、有 :(1)rsd(Ct Ce)uXXdtVmaxXC(2)式中:rs一底物消耗速率， mg/Ld； C一上清液底物濃度， mg/L；X一污泥混 合液揮發性活性污泥濃度， mg/L；Ct、 Ce一分別為進水和膜系統出水中的 CODCr 濃度， mg/L 。在MBR 中，根據完全混合的流態反應特點，對 CODCr進行物料衡算，有 :V dC QtCt Vrs QwCw QeCe(3)dt在穩態狀態條加下有：(4)dC dt聯立(2)(3)(4)有：QtCtQwCw QeCe V Vmax XC w w e e K s C(5)由于：VVQt Qe QwHRT SRTt e wQeQw將上式代入(

8、 5)整理得：Ct Cw Ct CeSRT HRTVmax XCKs C式中 :Qt、Qw、Qe一分別為進水流量、排泥量和出水流量， m3/d；SRT、HRT 一分別為污泥齡和水力停留時間， d；Cw一排放剩余污泥中的 CODCr濃度，mg/L 。因SRT遠遠大于HRT，所以有 Ct CeVmax XCHTR K s C根據完全混合式反應器的特點，以 Csup代替 C得：CtCeVmaxCsupVmax*）HRT以 CtXCe C1sup作圖求得：Vmax和KSHRT3.2 動力學模型參數求解試驗中在不同 SRT條件下測定了動力學有關參數，數據匯總結果見表 3表 3 動力學參數試驗結果序 號H

9、RT(d)XV (mgVSS/L)Ct-Ce (mg/L)Csup(mg/L)XHRT/(Ct- Ce) (d)1/Csup(L/mg)10.25215832360.61.670.016520.252334304401.920.024430.25264831846.12.080.021740.252846294342.420.029550.25314130833.32.550.0360.25323031238.32.440.0261根據上表中的數據 ,按（ * ）進行線性回歸處理 ,見圖 3。可計算得到有機底物的最大比降解速度 Vmax和飽和常數 Ks 的數值。K s62.117， 1Vmax

10、Vmax0.6458圖3 底物降解動力學模型回歸曲線從圖 3可以看出，實測值與線性回歸有一定的偏差 （相關系數為 R2=0.8321），這種偏差可能是 MBR 工藝污泥濃度高，污泥混合液中微生物的生理代謝與傳統 方法不同，且微生物在不同 SRT條件下生理狀態也是不同的。本實驗中污泥濃度 X 通過測定懸浮物中揮發性物質濃度 （VSS）來測定，這種方法沒有考慮各種微生 物的不同生理條件。4. 結論通過動力學推導得到了 SMBR 降解有機物的動力學模型， 并通過實驗得到了-1相關動力學參數 Vmax =1.55d-1 ； K s =96.18mg/L。確立了基于 Monod方程的有機物降解動力學模型：X162.100 0.6461Ct CeCsupHRT根據該模型，可在一定條件下， 通過控制反應器中的污泥濃度、 水力停留時 間和污泥齡來達到所需要的去除率和更好地出水水質。參考文獻1 曹占平 .MBR工藝混合液特性及其對膜污染的影響研究 D.天津：天津大學 ,2009:42-45.2 張立秋 ,封莉,呂炳南 ,張曉菲 .淹沒式 MBR去除有機物動力學模型及其應用 J.膜科學與技 術,2005,25（ 3） :1-4+9.3 白玲 ,劉超 ,李文霞 .浸沒式厭氧膜生物反應器有機物降解動力學模型研究J. 水處理技術,2010,11:37-39.4 林紅軍 ,陸曉峰 ,施柳青 .膜生