一体式膜生物反应器的HRT确定

封莉，张立秋，王宝贞
( 哈尔滨工业大学市政环境工程学院,黑龙江哈尔滨　150090)

　　摘　要：推导了一体式MBR污水处理系统中HRT的计算公式，并应用该公式对一体式MBR处理生活污水与回用工艺中的HRT进行了计算，其结果与试验结果相一致。
　　关键词：一体式MBR；HRT；生活污水
　　中图分类号：X703
　　文献标识码：C
　　文章编号：1000-4602(2002)11-0062-03

　　在一体式MBR处理系统中水力停留时间(HRT)是一个非常重要的参数，它不仅与系统的处理效果有关，还直接决定了生物反应器容积的大小，进而影响到处理工程的基建投资，因此合理地确定HRT具有非常重要的意义。

1?HRT 计算公式推导

　　 在一体式MBR中，假定进水有机底物的浓度为L₀，出水有机底物的浓度为Le，进、出水流量为Q，则物料平衡如图1所示。

　　由物料平衡原理可得：
?　　　　QL₀+V（dL/dt）=QLe　　(1)
　　式中?V——生物反应器的有效容积
　　　　　dL/dt——有机底物降解速率
?　HRT计算公式为：
?　　　　T=V/Q?　　　　(2)
　　将式(1)整理后代入式(2)得：
?　　　　T=-(dL/dt)^-1(L₀-L_e)　　　(3)
　　由式(3)可知，求得HRT的关键是确定有机底物降解速率dL/dt。生物反应器中底物的降解速率和微生物浓度的关系可用以下方程表示：?
　　　　　dL/dt=-KSL/(K_S+L)　　　　(4)?
　　式中 K——底物最大比降解速度常数，h^-1
?　　　　S——活性污泥浓度VSS，mg/L
?　　　　L——有机底物浓度，mg/L
　　　　　KS——饱和常数，mg/L
　　微生物的增殖速率与有机底物的减小速率之间存在如下关系：
　　　　　dS/dt=-YdL/dt　　　(5)
　　式中?Y——污泥产率系数，mgVSS/mgBOD
?　　　　Y与微生物比增殖速率μ有如下关系：
　　　　　 1/Y=m/μ+1/YG　　　(6)
　　式中?m——维持常数，h-1
?　　　　YG——真污泥产率系数，mgVSS/mgBOD
　　根据米—门方程式，比增殖速率μ与底物浓度L存在如下关系：
?　　　　μ=μm［L/(KS+L)］　　(7)
　　式中?μm——微生物最大比增殖速率，h^-1
　　整理式(5)、(6)、(7)得：
　　

?　将式(9)代入式(4)得出dL/dt，再将dL/dt代入式(3)就得到了HRT的计算公式：

　　式中?S₀——活性污泥的初始浓度，mg/L?
　　上面推导出的HRT计算公式比较复杂，且影响因素也很多，应用起来很不方便，为此仿照张绍园^［1］对分离式MBR中HRT计算公式的简化方法对式(10)进行简化处理，得：?
?　　　　　T=(L₀-L_e)(KS+Le)／KLeS₀　　　　　(11)?
　　由式(11)可知，简化后一体式MBR的HRT计算公式与完全混合式曝气池的水力停留时间计算公式^［2］在形式上是一样的。污水在生物反应器内的停留时间与进出水有机物浓度、反应器内的活性污泥浓度、饱和常数KS、有机物最大比降解速度常数K等参数有关。?

2?HRT计算公式的验证

　　在利用式(11)计算一体式MBR处理不同类型污水的HRT时，须先通过试验确定该污水的KS、K值，然后根据进水有机物浓度L₀、要求出水的有机物浓度L_e和生物反应器内要控制的活性污泥浓度S₀来计算得出HRT值。?
2.1　试验装置?
　　试验装置如图2所示。

　　模拟生活污水水质配制而成的原水贮存在高位水箱中，高位水箱出水进入平衡水箱(通过浮球阀保持进、出水平衡)。生物反应器依靠出水管与其内液面的高差ΔH自流出水，故改变ΔH即可改变膜组件的通量。反应器底部设曝气装置。?
2.2　原水水质?
　　原水由直链淀粉、蔗糖、牛肉膏、蛋白胨、NH₄Cl、Na₂HPO₄、NaH₂PO₄等配制而成，BOD₅平均为266mg/L。?
　　23KS、K值 的确定将式(11)进行变形得：
?　　　Le=TLeS₀K/(L₀-Le)-KS　　(12)?
　　控制进水有机物浓度L₀近似为一常数，通过调整进水流量控制污水在生物反应器中的HRT分别为10h、8h、6h、4h，然后测定系统稳定后出水的有机物浓度Le和反应器内活性污泥浓度S₀，测定结果见表1。

表1　不同HRT时的Le和S₀值 HRT(h) 10 8 6 4 Le(mg/L) 8.56 9.21 9.98 10.6 S₀(mg/L) 3150 3 950 5100 7400 TLeS₀/(L₀-Le)(h·mg/L) 1048 1133 1193 1228

　　根据表1计算结果，以TLeS₀/(L₀-Le)为横坐标、Le为纵坐标描出各点。结果如图3所示。?

　　图3图解法确定常数K及KS对图中各点进行线性拟合，得出直线方程，求出斜率和截距，即得K和K_S分别为0.011h^-1和3.204 h^-1。?
2.4?HRT的计算
　　将K和K_S代入式(11)得：?
　　　　　T=(L₀-L_e)/(3.204+Le)/0.011L_eS₀　　 (13)?
　　式(13)即为HRT的计算公式。可见，在进水浓度L₀一定的前提下，HRT仅与出水有机物浓度和反应器内活性污泥浓度S₀有关，即出水有机物浓度越低则HRT越大，反应器内S₀越大则HRT越小。在应用一体式MBR处理生活污水并回用工艺中，活性污泥浓度一般控制在6000mg/L左右，出水BOD₅若要满足杂用水水质标准即Le＜10mg/L，则可根据式(13)计算出最短HRT为5.12h。?
2.5?HRT对BOD₅去除效果的影响
　　在水温为24℃、进水pH值为6.5～7.5、反应器内活性污泥浓度为6000mg/L左右的条件下，HRT对BOD₅去除效果的影响如图4所示。?

　　由图4可知，出水BOD₅浓度随着HRT的减小而增加，当HRT=6h时出水的BOD₅为9.64mg/L；当HRT=4h时出水的BOD₅为11.3mg/L，已不能满足杂用水水质标准，这与前面的理论计算结果——最短的HRT为5.12h基本一致。

3　结语

　　①运用微生物反应原理和物料平衡原理推导出了一体式MBR工艺中HRT的计算公式：T=(L₀-L_e)(K_S+Le)/KLeS₀，如果某特定种类的污水K与K_S为一定值，则HRT仅与进、出水有机物浓度、反应器内的活性污泥浓度有关。?
　　②利用求得的HRT计算公式，对一体式MBR处理生活污水并回用工艺中的HRT进行了理论计算，得出在进水有机物浓度L₀平均为266mg/L、反应器内活性污泥浓度S₀为6000mg/L左右的条件下，出水若要满足杂用水水质标准即Le＜10mg/L，则最短的HRT为5.12h，这与实际试验结果相一致。

参考文献：

　　［1］张绍园.膜生物反应器水力停留时间的确定及其影响因素分析［J］.环境科学，1997，18(6)：35-38.?
　　［2］张自杰.排水工程(下，第4版)［M］.北京：中国建筑工业出版社，2000.

　　电　　话：(0451)641967113936163975
　　收稿日期：2002-04-05