Grau模型在微生物膜生长动力学中的应用

孙宗健[1] 　王金生¹　 张永祥²

(1 北京师范大学环境学院，地下水环境安全研究所，环境模拟与污染控制重点国家联合实验室，北京，100875，2 北京工业大学建筑工程学院，市政工程学科部，北京，100022)

　摘要：微生物膜生长动力学的模型是污水处理中 的重要问题，目前尚在探索之中。本文通过测量静态微生物膜上生物量的试验，比较准确的得到了不同负荷下的微生物生长状况以及不同曝气量下微生物变化情况；最后应用Grau模型，对微生物膜生长动力学过程进行了研究。结果表明：经简化的Grau模型，可以获得了微生物膜生长动力学的基本参数。当本次试验的温度为22±1℃时，竖向回转式生物反应器处理生活污水的附着态生物膜的微生物反应速度常数33.59d^-1；在污泥去除负荷4.64～11.06 d^-1时，其理论产率为0.5084mgVSS/mgCOD，衰减系数为0.08d^-1。
　　

关键词：模型 污水处理 生长动力学 生物膜

前言

　　一般情况下，主要依据经验法或类比法进行废水生物膜处理工程的设计与污水处理厂运行的管理，急需开展定量化的模型研究^[1]。国外一些学者在活性污泥的微生物生长动力学模型方面开展了大量研究工作，如A.W.Lawrence和P.L.McCarty于1970年提出的Lawrence－McCarty模型最先将Monod方程引入废水生物处理领域^[2]；Andrews模型由美国的J.F.Andrews等于20世纪80年代提出，该模型提出了贮存－代谢机理^[3]；WRc模型时英国水研究中心提出的，该模型引入了存活－非存活细胞代谢机理^[2]；国际水协会组织南非、日本、美国、丹麦、荷兰5个国家专家成立活性污泥通用模型国际研究小组，致力于新的活性污泥数学模型的开发，并与1987、1995和1999年陆续推出了3套模型，通常称为ASM系列模型^[4]。但是这些学者提出的有关污水生物处理的数学模式大都不能进行生物膜的微生物生长动力学的模拟^[5]。Grau等人年考虑了进水基质浓度的影响，对monod模型进行了修正，提出的Grau模型，该模型可以较准确地模拟废水处理中活性污泥的微生物生长过程^[6]，对生物膜地微生物生长动力学的模拟尚未见到报道^[7]。本文利用Grau模型对生物膜的微生物生长动力学的试验进行了模拟。

1试验原理与模拟模型

1.1试验原理
　　生物反应器采用竖向回转式装置，经过调节池的原水被泵入生物反应器，在生物反应器中经过生物膜的吸附降解进行生物处理，送至沉淀池，最后再经过滤和消毒后排放。详见图1。

图1　 试验装置示意图

1.2 测试项目
　　主要在进水口和沉淀池测试COD_Cr、BOD、pH值、溶解氧、水温以及填料上的生物量、反应器混合液悬浮生物量等。
　　填料上微生物量试验方法采用振荡培养法。
1.3 模拟模型
　　Grau模型如下：

　　 …………………………（1）

　　式中，n---常数，可采用1；
　　　　　K---基质去除常数；
　　　　　X_v ---污泥浓度,毫克/升；
　　　　　S₀、S_e---进、出水的基质浓度，毫克/升。

　　 …………………………（2）

　　 ……………………………（3）

　　如果废水中存在不可生物降解的物质其浓度为S_n，则应从直接测得的S₀、S_e中减去S_n。S_n可通过几组平行试验数据，利用公式 （k^‘－减速增长速度常数），通过图解法求得。

2 试验结果

2.1实际运行结果
　　试验在高碑店污水厂进行，实验时间为4月―8月，原水为普通生活污水。

图2 水量30L/h时COD_Cr去除

图4 溶解氧不同时COD_Cr和浊度去除率对比

2.2基质降解动力学研究
　　微生物量试验记录如表2-1：

表1　 附着态微生物静态试验数据

　　我们应用方程（3）求解动力学常数，由于污水中存在不可生物降解的物质，因此首先利用公式 和上列数据求解S_n，数据如表2：

表2　 求解S_n数据表

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图解如图4：

　　利用公式：

　　变形为： （S_e >0，U₅>0）

图4 S_n图解图

　　由图可计算出S_n为50.1mg/L。

　　应用方程： （3）

　　变形为：

　　（ >0, U₅ >0）

　　将直接测得的S₀、S_e减去S_n，数据如表3，

　　求解K见图5。

表3　 基质降解动力学常数测定数据表

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

图5　 K₂求解图

　　由上图可得：K₂=33.59d^-1。
2.3生物膜的微生物增长动力学研究
　　研究生物膜的微生物增长动力学，对实际工程的设计及运行具有重要意义。数据见表4，将左端看作y,U_s看作x，绘制1/_θc与U_s的关系图，见图6。

表4　 附着态微生物1/θ_c与U_s的关系数据

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

图6 附着态微生物1/θ_c与U_s的关系数据图

从上图可以得到：Y=0.5084 mgVSS/mgCOD，K_d=0.08 d^-1。

3 结论

　　通过试验分析，利用Grau模型对附着状态生物膜的微生物生长动力学进行模拟研究，推导得出：
　　1.在试验温度为22±1℃时，竖向回转式生物反应器处理生活污水时，附着态生物膜的微生物反应速度常数K=33.59d^-1。
　　2.在污泥去除负荷Us=4.64—11.06 d^-1时，其理论产率Y=0.5084mgVSS/mgCOD，衰减系数为0.08 d^-1。
　　3.Grau模型可以直接用于小试研究，可以在小试中校正涉及的动力学参数等模型参数，从而使模型达到可以实际应用的程度。
　　4.Grau模型对剧烈变化阶段的模拟能力不足，例如非曝气过渡到曝气的阶段，模型的模拟与实际情况相差很大。

参考文献

1 刘雨,赵庆良,郑兴灿.生物膜法水处理技术.建工出版社.2000:1～2
2 徐亚同.废水生物处理的运行和管理.华东师范大学出版社,1989.5
3 崔玉川等.城市污水回用深度处理设施设计计算.化学工业出版社.2003.7:11～13
4 张亚雷，李咏梅.活性污泥数学模型.上海：同济大学版社，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 许保玖,龙腾锐.当代给水与废水处理原理（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

孙宗健：（1977- ），男，博士研究生. 环境模拟与污染控制研究方向。通讯方式：[email protected]