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                MBBR系統中的硝化反應

                發布時間:2020-11-24 10:18人氣:

                硝化

                有些因素對硝化MBBR的性能影響很大,設計硝化MBBR時必須考慮。重要的因素有:

                (1)   有機負荷;

                (2)   溶解氧濃度;

                (3)   氨濃度;

                (4)   污水濃度;

                (5)   pH或堿度。

                圖1-6說明,要在處于下游的硝化MBBR中獲得滿意的硝化率,在上游的MBBR中去除污水中的有機物是非常重要的,否則,異氧生物膜會與之競爭空間和氧,從而減少(滅絕)生物膜的硝化活性。在溶解氧成為限制性因素之前,硝化率會隨著有機負荷的降低而增加。只有氨的濃度非常低(<2mgN/l)時,可利用基質(氨)才會成為限制性因素。由此,需要完全硝化時,氨的濃度才是個問題。此時可考慮采用2個序列反應器,級反應器受氧的限制而第二級受氨的限制。正如所有的生物處理工藝面臨的問題一樣,溫度對硝化率影響甚大,但可通過提高MBBR內的溶解氧來緩解。當堿度降低到很低的水平時,生物膜內的硝化率開始受到限制。以下將討論影響硝化的每一個重要因素。

                在堿度和氨濃度足夠(至少剛開始足夠)時,硝化率會隨著有機負荷的減少而增加,直至溶解氧成為限制性因素。在硝化生物膜生長良好的生物膜內,只有O2和NH4+-N的比值低于2.0,溶解氧濃度將限制載體上的硝化速率。與活性污泥系統不同,在氧限制條件下,移動床反應器的反應速率與液相主體中的溶解氧濃度表現出線性或近似線性關系。這可能是因為:氧穿過靜止的液膜進入生物膜內可能是限制氧傳遞的關鍵步驟。增加主體液相中的溶解氧濃度會增加生物膜內的溶解氧濃度梯度。在較高的曝氣速率下,增加的混合能也有助于氧從主體液相向生物膜傳遞。從圖1-6(a)可以看出,如果有機負荷維持不變(比如生物膜厚度和組成不變),可預計硝化率與溶解氧濃度之間會呈現出線性關系。圖1-7解釋了當主體液相中的氨濃度降低到非常低的水平之前,提高主體液相中的溶解氧都有助于提高硝化率。


                                                       圖1-7  氨濃度較低時溶解氧的影響
                對于生長良好的“純”硝化生物膜,在O2:NH4+-N達到2~5之前,主體液相中的氨濃度不會影響反應速率。表1-5給出了O2:NH4+-N的一些例子。
                                                        
                表1-5  O2:NH4+-N的一些例子

                參考文獻

                O2NH4+-N

                Hem等(1994

                <2(氧限制)

                2.7(臨界O2 濃度=9~20mg/L

                3.2(臨界O2 濃度=6mg/L

                >5 (氨限制)

                Bonomo等(2000

                >3~4(氨限制)

                <1~2(氧限制

                 

                設計MBBR時常以臨界值3.2為起點開始進行設計。臨界值是可調的。采用公式(1-3),利用此臨界值下的氨濃度可估計出合適的硝化率,并以此作為設計基礎。

                rNH3-N =k×(SNH3-N)(n)                                        (1-3)

                式中    rNH3-N硝化率(g rNH3-N /(m2·d));

                k—反應速率常數(與地點和溫度有關);

                SNH3-N—限制反應速率的基質濃度;

                n—反應級數(與地點和溫度有關)。

                在給定的溶解氧濃度下,反應速率常數(k)與生物膜厚度和限制性基質的擴散系數有關。反應級數(n)與毗鄰生物膜的液膜有關。當紊流劇烈、靜止液膜層比較薄時,反應級數趨向于0.5;當紊流緩慢、靜止液膜比較厚時,反應級數趨向1.0,此時擴散成為速率的限制性因素。

                臨界值下的氨濃度(SNH3-N)可通過臨界比和主體液相中的設計溶解氧濃度來估計,如下所示。提高主體液相中的溶解氧濃度有助于減少臨界比,但收效甚微。另外,還應考慮這樣的情況:在某種反應器負荷和混合條件下,異養菌對空間有競爭從而使氧通過生物膜上的異養層時減少。

                (SNH3-N)=1.72mg-N/L=(6mgO2/L-0.5O2/L)/3.2

                               以SNH3-N 取1.72為基礎,假定反應速率常數k=0.5,反應級數為0.7,公式(1-3)可計算如下:

                rNH3-N=0.73g/(m2·d)=0.5×1.720.7

                當考慮溫度對硝化MBBR的影響時,有幾個因素非常重要。應考慮到MBBR內的污水溫度會從本質上影響到生物硝化動力學過程;影響到基質擴散進出生物量的速率;影響到液體的黏度,反過來可能波及到剪切能對生物膜厚度的影響。溫度對上面介紹的宏觀反應速率的影響可用下述關系表示:

                kT2= kT1·θT2-T1                                           (1-4)

                式中    kT1——溫度為T1時的反應速率常數;

                                   kT2——溫度為T2時的反應速率常數;    

                θ——溫度系數; 

                雖然冬季設計溫度下硝化動力學對溫度的依賴性會降低MBBR的硝化速率,但低溫時可觀察到載體上的生物膜濃度增加,另外可提高反應器內的溶解氧濃度,這都能減輕溫度對硝化速率的負影響。在污水溫度較低時,可觀察到生物量(g/m2)較高。另外,無需提高曝氣速率就可使主體液相的溶解氧濃度增加,這是因為氧在低溫液體的溶解度較高的緣故。這樣導致的終結果是:雖然比生物膜活性(g NH3-N/(m2·d)÷g SS/ m2)降低,但單位載體表面積的硝化活性依然可維持在較高水平。

                圖1-8(a)給出了某三級硝化MBBR的生物量隨污水溫度的季節性變化。當在五月和六月間,污水溫度從〈15℃升高到〉15℃時,生物量濃度陡然下降。圖1-8(b)按照污水溫度(〈15℃和〉15℃)將數據分為兩個區。盡管在〈15℃的區域,生物膜比活性降低,但由于總的生物量濃度較高和溶解氧濃度較高(低溫下氣體溶解度升高導致的),反應器宏觀上的性能依然很高。觀察到的這個現象說明在低溫條件下,盡管硝化菌生長速率下降,但由于生物膜的適應性,載體上的宏觀表面反應速率依然可以保持在較高的水平。

                圖1-8  (a)三級硝化的MBBR中,生物量濃度和溫度的季節性變化;

                                            (b)不同溫度條件的硝化活性與溶解氧濃度的關系


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