生物膜吸附反应动力学模型与平衡模型的试验研究

生物膜吸附反应动力学模型与平衡模型的试验研究 ,,,, ，，顺 杨慧裴亮金 ,，,上 海 建 峰 职 业 技 术 学 院 土 木 工 程 系 上 海 中 国 科 学 院 地 理 科 学 与 资 源 研 究 所,,,:,,::,, ，,，陆 地 水 循 环 及 地 表 过 程 重 点 实 验 室 北 京 南 京 联 创 科 技 股 份 有 限 公 司 南 京 ,::,:,,,,,::,,, ,，要 采 用 复 合 式 活 性 污 泥 生 物 膜 反 应 器 从动力 学角度研 究生物膜吸附 反 应动力学 摘 ) 模 ，，型 和 吸 附 平 衡 模 型 以掌握反应控制条件 结 果 表 明 在时 生 物 膜 的 表 面 吸 附 阶 ,,,: ,,, ? ，段 ,,且 生 物 膜 附 着 满 足 可 逆 动 力 学 模 型 准 二 级 反 应 模 型 更 能 描 述 生 物 膜 的 吸 附 反 应 过 程 ,,,,) 吸 附 等 温 线 比 能够更好地说明生物膜良好的吸附性能 ,,中 图 分 类 号 文 献 标 识 码 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,文 章 编 号 ,,:, ,,, ,:::,,,,,:,,:,:::,:, ))) ,,,关 键 词 生 物 膜 吸 附 动 力 学 模 型 吸 附 等 温 线 ，近 十 余 年 来 生物膜法已广泛应用于城市污水 试 验 方 法 ,,, ， 和 工 业 废 水 的 二 级 生 物 处 理 中 并与其他方法结合 试 验 曝 气 时 间 为 在 开 始 曝 气 的 时 候 将 吸 ,,( ，，，，，，，，形 成 新 型 的 复 合 处 理 工 艺 与 活 性 污 泥 法 相 比 生 附型载体投入反应器 并 开 始 计 时 在 ,,,,,,: ,,,，，，，，物 膜法 一直 是治理水 污染优先考虑的技术 时分 别从反应器中取 , ,:,:,:,:,,,,: ,,, ,: ， 污 泥 静 置 后 取上清液测化学需氧量 从动 力学的角 度运用生物膜法去除污染物以净 ,, ,: ,,, ,,，，值 然 后 将 污 泥 烘 干 在 马 福 炉 里 烧 制 ,:,,，，化 和 回 收 利 用 水 资 源 具 有 较 好 的 经 济 效 益 得 到 称 ，，重 测 定 悬 浮 污 泥 浓 度 以 计 算 载 体 上 吸 附 的 了污 泥 ,，,,,广 泛 的 关 注, 量 , 本文 采用装填 吸附载体材料和驯化污泥的复合 试 验 废 水 水 质 ,,, ，式 活 性 污 泥 生 物膜反应器进行试验 对 生 物 膜 吸 )， 为 了 保 证 用 水 的 稳 定 一 致 性 试验废水为人工 、、附 动 力 学 吸 附 过 程 中 的 反 应 动 力 学 吸 附 等 温 试 ，,,，配 制 废 水 成 分 如 下 光 明 纯 鲜 牛 奶 氨 ,,, ,,,，，验 进 行 了 研 究 以 期 说 明 生 物 膜 法 的 优 越 性 并 从 ,、、,氮 配 水 的 盐 混 合 液 :,::::::: ,, , ), ), )学角 度为 反应控制 条件提供理论依据 动 力 , ,，,,，水 质 指 标 浓 度 ,,,,: ,,:, ,,:,::,, ) 试 验 部 分 ,浓 度 ,，浓 度 ,， ,,,, ,,:: : ::,:,, ,, )::,,, 试 验 装 置 ,，浓 度 浓 度 ,,, ,,, ,(,,,:,,,: ,,,: ,,:,,:,:, 、试 验 装置采用边长为 高 为 的 敞,,;,,,,, ,，值 ,,, ,,,:,,,,,: 口 塑 料 反 应 器 反 应器内装填生物固定化吸附型载 分析项目及方法 (,,, ,,,,,采 用 重 铬 酸 钾 法 凯 氏 氮 采 用 凯 氏 法 氨 ,,, ，,体 材 料尺 寸 为 总 体 积 ,,,×,,,×,,,,,, ,,,氮采用纳氏试剂光 度 法 采 用 萘 基: : ,::, ))) ) ,,，，总 表 面 积 装 于 六 个 直 径 的 聚,,,,:,,,,,, ,,乙 二 胺 光 度 法 采 用 酚二磺酸光度法 以 上 ::: , ),乙 烯 塑 料 球 壳 内 试验所用菌种为人工驯化生活污 ，,分光光度法均采用型 紫 外 可 见 分 光 光 度 计 参 :,,),,,,见 文 献, ，，泥 充 气 泵 曝 气 采 用 自 动 控 制 ,,, , ,修改稿收到日期收 稿 日 期 , ,:,,,:,,,,:,:,:,:)))) ,,,基 金 项 目 上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金 ::::,,:::,,), ,,，，，,，，，作 者 简 介 杨 慧 女 呼 和 浩 特 市 人 硕 士 讲 师 研究方向为生物固定化在水处理技术中的应用 人 联 系 ,,,:,), 电 结 果 与 讨 论 , 可 逆 与 不 可 逆 动 力 学 模 型 ,,, 生物 膜在载体 上形成的第一步是微生物在载体 ，、表 面 的 附 着 随着后来 微生物在给 定的环境下繁殖 增 长 最 终 发 展 为 具有一定厚度及密 度 的 生 物 膜 所 , 以表 面吸 附是微生 物与载体动力学研究的第一步 , ,,,),，等提 出 了可逆 与不可逆动力学模型 ,,, 为生 物膜 表面吸附 的研究提供了参考 , ,,图 与 的 变 化 曲 线, ,, ,, ,可 逆 动 力 学 模 型,,, ,,,,,,,,,;,,,,,,,,,(,,,,,,,, ,,可 逆 动 力 学 方 程 为 ，，,由 图 可 求 得 , ,,,,::: ,,,,,,,,, , , , , ,，故 计 算 得 载 体 表 面 附 着 污 泥 浓 度 为 :,:,,,,,, ,,,,， , ,,,,,,, ,,, ,，，远 大 于 反 应 器 悬 浮 污 泥 浓 度 体 现 了,,,,: ,,, ，，,式 中 是 时 刻载 体 表 面 污 泥 附 着 量 , , ,, 复合式生物膜反应 器 的优 越 性 , ,,，,是 污 泥 平 衡 附 着 量 或 最 大 附 着 量 ,,,,,,, , ，，之 后 悬 浮 污 泥 浓 度 梯 度 降 低 可 能 发,: ,,, ,,，,为 增 长 比 速 率 ,,, ,,,,, ，生不可逆附着过程 影 响 因 素 复 杂 化学吸附是引起 ( ,,不 可 逆 动 力 学 方 程 , ，不可逆吸附的一 个 原 因 所 以 化 学 吸 附 通 常 发 生 在 ,,, ，， 吸附载体的特定位点 而 且 只是 对某一类物质 有 效 ,,,,,, ,, ,,,,, ,,,: ， 所以对大多数中 性 疏 水 性 污 染 物 而 言 化 学 吸 附 可，，,,式 中 是 早 期 生 物 增 长 比 速 率 是, ,,,,,: ,,:，能不是主要原因另外的观点认为 产 生 不 可 逆 吸 ,,，,,在 不 可 逆 过 程 中时 污 泥 固 定 量 是,,: ,,,, , ,，,,:,,附的原因是一种慢 速 吸附 机 制, ，,,悬 浮 污 泥 浓 度 为 雷 诺 数 ,,,,,, 吸附反应动力 学 模 型 ,,, 关 于 生 物 吸 附 反应动力学模型 的 报 道 比 较 ,,,,),,，、多主 要 有 准 一 级 吸 附 动 力 学 方 程 准 二 级 吸 ,，,,,,,附 动 力 学 方 程 等本 试 验 通 过 测 定 内 ,,,: ,,, ，的 浓 度 值 和 对 应 的 悬 浮 污 泥 浓 度 值 拟 合 准 ,:, 、，一 级 二级动力学方程 如 图 所 示 , ,,, ,, ,,,,,,,:,,)),, ,,,,,, ,(,,, ,, ,,,,，, , ),,,, ,, 图 内污泥浓度的变化 , ,,, ,,, ,,,，，为 吸 附 一 级 反 应 速 率 常 数 式 中 ,,,, ,,,, ,,(, ,,,,,,,,,,,,;,,,,,,,,,,,, ,,;、，,,,,?为 吸 附 二 级 反 应 速 率 常 数 分,,,,,,,,,, ,,,,,,,,;,,,,,, ,,, 、别 为 吸 附 平 衡 吸 附 时 间 为时 的 单 位 重 量 悬 浮 , ，，图 说 明 在 反 应 的 内 悬 浮 污 泥 浓 度,,,: ,,, 污 ，波 动 比 较 明 显 通 过 悬 浮 污 泥 浓 度 的 变 化 可 以 间 接, ,,,泥 吸 附 的 量,:, ,,,, 、表 准 一 级 二 级 动 力 学 参 数 , 反 映 吸 附 到 载 体 的污泥量的多少 从动力学行为上 , ,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ，，，讲 浓 度 梯 度 越 低 表 明 载 体 吸 附 程 度 越 大故 , ,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,;, ,,, ，,以 后 吸 附 效 果 应 该 较 明 显 简 单 修 ,: ,,,, ，在和波 段 内 污 ,,,,,: ,,, ,,,,,: ,,, 改 ::反 应 级 数 速 率 常 数 相 关 系 数 , 泥 浓 ，，度 梯 度 相 近 把看 做 表 面 吸 附 阶 段 ,,: ,,,?准 一 级 ,(,,,(,,,, 通 过 悬浮 污泥 浓度值可 以计算吸附到载体表面的污 准 二 级 ,,,(,,,(,,,, 泥量 ，将计算 结 果 分别代入可逆 与不可逆动力学方 ,, 由拟合直线计 算 出各 自 的 反 应速率常数及其相 ，，程经拟合发现满足可逆动力学方程式如图所示,, ，，关 系 数 如 表 所 示 准 二 级 相 关 系 达 更 , :,,,,, 适 ，由 以 上 结 果 可 看 出 由 于 和 ,,,,,,, ,,,,,,) ，的 吸 附 等 温方程拟合度都达 到 了 以 上 ,,,,, :,,, ，,，，但 是 所 以 相 比 较 而 言 ,,:,,:,,,:,,,, 平 衡 方 程 更 能 说 明 复 合 式 活 性 污 泥 生 物,,,,,,,,) 膜反应器的吸附性 能 良好 , 结 论 , ,生 物 表 面 吸 附 过 程 满 足 可 逆 动 力 学 方 程 , , ， , ，,载 体 附 着 污 ,,,,::: ,,,,,:,:,, ,,,,,,,式 ， 图 内 污 泥 浓 度 与 变 化 曲 线, ,,, ,,,,,, ,，泥 浓 度 为 远大于反应器悬浮污泥浓 ,,,,, ,,, ,,(,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,, 度 , ，合 用 来 描 述 生 物 膜 吸 附 过 程 因为准一级速率方程 ,、生 物 膜 吸 附 的 准 一 级 二 级 动 力 学 模 型 的 , 往 往 不 能 在 全 部 反 应 时 间 内 与 试 验数据很好地符 拟,,,, 合通 过 计 算 可 以 得 出 反 应 初 期 平 衡 吸 附 量 ,, ，合 参 数 看 出 准 二 级 反 应 模 型 更 能 描 述 生 物 膜 的 为 ,，为 ,,?,, ,,,(,, ,,,,:,,, ,,,,,,, , ,, 吸 等 温 吸 附 平 衡 模 型 ,,, 附 反 应 过 程 , ，在 生 物 吸 附 的 初 期 阶 段 细胞上被吸附的离子 ,，与 溶 液 中 的 离 子 快 速 达 到 平 衡 这种平衡可以用吸 吸 附 等 温 线 比 更 能 说,,,,,,,,,,,,,,,,,, , 附 等 温 线 来 描 述 在生物吸附过程中广泛使用的有 ,明 复 合 式 活 性 污 泥 生 物 膜 反 应 器 的 吸 附 性 能 ) ,,,:和 吸 附 等 温 平 衡 模 型,,,,,,, ,,,,,,,,,, ,, 参 考 文 献 良 ，，,好 且 ,,:,,:,,,:,,,,,,，，, ,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,:,:,),, ,, ,, ,,,,,,, ,,:,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,:,,,,) ,，,,, ,,，，,,,,,:,,,:,,,,,:,,,:,,,::,,:,,,,),,,,,, , ,,,,,,:,,,:,,,,,,,,, ,, ，，，马 汉 泽 谢 可 蓉 吴 承 力 利 用 微生物快速挂膜技术 等,, , ,,，,,,治 理 糖 果 废 水 的 研 究 环 境 工 程 :,,:::,,,,:) ，，式 中 和 是 常 数 是 平 衡 时, ,,,,,,, ,,,, , ,,, ，,,单 位 重 量悬浮污泥吸附 的 量 和 ,:, ,,,,,, ,, 王 远 凤 谷壳和梧桐树叶对水体中亚甲基蓝和 刚 果 红 的,, ，是 平 衡 常 数 它 们 分 别 是 表 示 吸 附 量 大,,,,,,,,,, ，,,,吸 附 研 究 郑 州 郑 州 大 学 ,,,:::, ，,，小 和 吸 附 密 度 介 于 之 间 则 易 于 吸,, :,,:,, : ,, ，，，刘 蕾 亚 娥 定 化高效菌处理校园生 李杰 王等固,, ,,，附 大 于 时 则 难 于 吸 附 ,, ,, ,,，，,,,活 污 水 的 研 究 兰 州交通大学学报 :,,::,,,,,, ,又 平 衡 常 数 满 足 ,,,,,,, , , ),,, ,,, ,, ,,,魏 复 盛 水和废水监测分析方法 北 京 中 国 环 境,,,,, ,,:,,, ,，,,: ，科 学 出 版 社 ,::,, ，，式 中 是 一 个 无 量 纲 的 参 数 用 于 表 示 吸 附, ,,, ,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,, ,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,) ,，,过 程 的 性 质 是 初 始 浓 度 当 ,,:, ,,,,, :,, ,,,,:,,:,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,:,,,,,,,,,,::,,),,,,, ，,，时 表 示 不 利 吸 附 当 时 表 示 有 利 吸 :,,,, ,,，,:,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:, 本 试 验 通 过 测 定 内 的 浓 度 值 和附 ,,: ,,, ,:, , ,,:,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,),, 对 应 的 悬 浮 污 泥 浓 度 值 ，拟 合 和 ,,,,,,, ,,,,,), ,,，，,:,,,,,,,:,,,,,,,,:,,:,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,, ，吸 附 等 温 线 拟 合 参 数 如 表 所 示 ,,,,,,, ),,,, ,, ,,, ,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,:,,,, ,,,,,,,,,, ,,,,表 各 等 温 吸 附 方 程 的 参 数 ,,,,é,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,, ,,,,,,，,:,,:,,,,,,,,) ,,,,,:,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ),,,,?, , ,,,,,, , ,, ,, ,,,,, ,(,,, ,,,,,,,,,;, ,,,,,,,,,,, , (,,,,,, ,,,,,,,, ,(,,,,,,,(,,,(,,,, ,，,,,,,,:,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,, , ,, ,, ,,下 转 第 页 ,,,,,,,,;,,, ,(,,,,,(,,,,,(,,,, ,,,,,,,;,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,:,,,,:,,,,,,,,,,,,,:,,,,,:,,,,,,:,,,,,,,,,,:,) :,,,,,,:,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,:,:,,,,,,:,,,,,) ,,,,,,,,,,,,,:,,,:,,,,,:,,,,,,:, ,,, ,:,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,:,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,:,,:,,,,,,,,,:, ,,,:,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,:,,,,,, ,:,,,,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,:,,,,,,,,,,,,:,,,,, ,:,,,,,:,,,:,,,,,,,,,,,,,,,,:,:,,,,,,, ,,,,, ,,,, , 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