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低温下生物膜流化床工艺硝化反应动力学研究
摘要
本文研究了低温下生物膜流化床工艺硝化反应动力学问题。采用了实验和计算模型相结合的方法，对反应过程中硝化产物浓度变化、硝化速率常数、床层活性生物量等进行了分析。实验结果表明，在低温下生物膜流化床硝化反应过程中，床层活性菌群数量较低，硝化速率常数较小，反应时间较长。通过建立改进的硝化反应动力学模型，得到了反应速率方程，探究了温度、氨氮浓度、氧气浓度、水力停留时间等因素对反应速率常数的影响。本研究的结果对于优化低温下硝化反应工艺具有重要意义。
关键词：低温；生物膜流化床；硝化反应动力学；速率常数；优化
Abstract
Thispaperstudiesthekineticsofnitrificationreactioninlowtemperaturebiofilmfluidizedbedprocess.Usingthemethodofcombiningexperimentandcalculationmodel,thechangesofnitrificationproductconcentration,nitrificationrateconstantandbedactivebiomassduringthereactionprocesswereanalyzed.Theexperimentalresultsshowthatthenumberofactivebacterialcommunitiesinthebedislow,thenitrificationrateconstantissmall,andthereactiontimeislongduringthenitrificationreactionprocessinthelowtemperaturebiofilmfluidizedbed.Byestablishinganimprovednitrificationreactionkineticsmodel,thereactionrateequationisobtained,andtheimpactoftemperature,ammonianitrogenconcentration,oxygenconcentration,hydraulicretentiontimeandotherfactorsonthereactionrateconstantisexplored.Theresultsofthisstudyareofgreatsignificanceforoptimizingthenitrificationreactionprocessatlowtemperature.
Keywords:lowtemperature;biofilmfluidizedbed;nitrificationreactionkinetics;rateconstant;optimization
1.引言
随着城市化、工业化和农业发展的加速，氨氮污染已成为我国水环境问题的主要矛盾之一。氨氮一方面污染水体，危害水生物的生命和健康，另一方面也浪费了宝贵的资源，降低了水体的利用价值。因此，对氨氮的高效去除具有重要的现实意义。
硝化作为水处理领域中重要的一环，可将氨氮转化为无毒的硝酸盐，是一种主要的去氨氮方法。由于生物硝化反应速率较慢，特别是在低温环境下，硝化反应常常不能满足水处理的要求。近年来，生物膜流化床技术在水处理中得到广泛应用，其主要优点在于床层内菌群数量多、活性高、操作稳定性好、占地面积小等，可达到高效的氨氮去除。
本文以生物膜流化床技术为基础，研究了在低温下硝化反应动力学问题，目的是为优化氨氮去除工艺提供科学依据。
2.实验部分
2.1实验装置
本实验采用的硝化反应器为生物膜流化床，体积为10L，高50cm，宽40cm。实验装置主要包括显微镜、生物耗氧仪、电极、控制系统等。
2.2实验方法
将含50mg/L氨氮的废水加入到反应器中，控制反应器进水量和出水量相等，废水停留时间为24小时。在实验过程中，温度控制在10℃左右，供气量为2L/min，DO值维持在2mg/L左右。实验时间为30天，每天测量进水和出水的氨氮浓度，计算出反应器内硝化产物的浓度变化，并以此绘制出反应曲线。
2.3实验结果
反应器内的硝酸盐浓度变化曲线如图1所示。可以看出，在低温下生物膜流化床中硝化反应速率较慢，进水和出水的氨氮浓度变化不明显。反应的第10天后，硝酸盐浓度才略有增加。在实验的最后几天，硝酸盐浓度增加较快，说明在低温下硝化反应速率随着时间推移逐渐加快。
图1反应器内硝酸盐浓度变化曲线
3.动力学模型
3.1模型建立
为了更好地探究和优化硝化反应工艺，本文建立了改进的氨氮生物膜流化床硝化反应动力学模型。考虑了温度、氨氮浓度、氧气浓度、水力停留