CN115417493B - 一种描述固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系的模型方法 - Google Patents
一种描述固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系的模型方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种描述固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系的模型方法，固定生物膜填料，接种活性污泥，进行挂膜培养，测定氨氮降解速率，待氨氮降解速率稳定后，进行流速‑氨氮降解速率批量实验，测定不同流速条件下生物膜的氨氮降解速率，基于双膜理论、固液传质模型和生物膜生化模型建立液相流速‑氨氮降解速率模型，根据确定的流速‑氨氮降解速率模型对批量实验结果进行拟合，确定动力学参数，获得固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系模型。本发明打破专业壁垒，搭建微观生物学模型和宏观水力学模型之间的桥梁，为固定生物膜生化处理效率的预测提供定量方法，同时为实现智慧水务提供理论基础模型。
Description
技术领域
本发明属于负载生物膜污水处理领域，具体涉及一种描述固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系的模型方法。
背景技术
目前，负载生物膜法因其处理效果高、运行成本低、污泥产量低、生态友好而广泛应用于污水处理和生态修复领域。它主要是利用载体为环境功能微生物提供着床，使得微生物利用液相的营养物质进行生长繁殖，同时根据营养物质包括氧气在生物膜内的物质传递与消耗，最终在生物膜内形成好氧区、厌氧区和缺氧区，实现水体中污染物的同步去除。
液相的流动状态极大的影响着生物膜的功能：1）液相流动促进生物膜表面与液相之间的物质传递；2）液相流动过大会冲刷生物膜，导致生物膜破损遗失，失去污染物降解功能。
在现有研究中，偏居一隅，要么是只对生物膜微观状态和功能进行研究，要么只研究纯水力学，但在实际应用过程中这是一个有机整体，如何打破专业壁垒，联结微观生物膜和宏观水力学是目前急需解决的问题。
同时，在智慧化的时代背景下，生化过程的建模和参数化已经具有了长足的发展，工程应用水力学模型已接近成熟，如何搭建微观生物学模型和宏观水力学模型之间的桥梁，提供耦合开发的模型平台，为实现智慧水务提供理论基础模型是目前应该重点研究方向。
发明内容
针对现有技术中负载生物膜法处理污水过程中存在微观生物膜和宏观水力学之间缺乏必然联系，本发明提供了一种描述固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系的模型方法，打破专业壁垒，搭建微观生物学模型和宏观水力学模型之间的桥梁，为固定生物膜生化处理效率的预测提供定量方法，同时为实现智慧水务提供理论基础模型。
本发明通过以下技术方案实现：
一种描述固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系的模型方法，包括以下步骤：
（1）固定生物膜填料，接种活性污泥，进行挂膜培养，测定氨氮降解速率；
（2）待氨氮降解速率稳定之后，进行流速-氨氮降解速率批量实验，测定不同流速条件下生物膜的氨氮降解速率；
（3）基于双膜理论、固液传质模型和生物膜生化模型建立液相流速-氨氮降解速率模型：
式中：为氨氮降解速率，/>为流速系数，/>为液相流速，/>为氨氮降解速率促进参数，/>为氨氮降解速率抑制参数，/>为液膜的流速修正系数，/>为生物膜的流速修正系数；
（4）根据步骤（3）确定的液相流速-氨氮降解速率模型对步骤（2）中批量实验结果进行拟合，确定各参数数值，获得固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系模型。
进一步地，步骤（1）和步骤（2）中氨氮降解速率的测定使用间歇式，具体计算公式为，式中，/>：氨氮降解速率，/>：氨氮初始浓度，/>：t时刻氨氮浓度，/>：时间。
进一步地，所述的氨氮初始浓度和t时刻氨氮浓度使用纳氏试剂分光光度法进行测定。
进一步地，步骤（1）中所述的生物膜填料为复合丝状材料，固定于连续流反应器中，并完全浸没。
进一步地，步骤（1）中所述的挂膜培养条件为：进水流速为0.02m/s，进水模拟天然水体浓度，氨氮为3mg-N/L，COD为30 mg-COD/L，配水使用自来水，控制DO为5.0±1.0 mg-O/L。
进一步地，步骤（2）中，所述的液相流速-氨氮降解速率批量实验设定的进水流速梯度（液相流速）为0.02, 0.05, 0.08, 0.11, 0.12, 0.14, 0.16, 0.18, 0.20, 0.25,0.30, 0.35, 0.38 m/s。
进一步地，步骤（4）中的拟合方法为：将步骤（3）中建立的液相流速-氨氮降解速率模型对不同流速下的氨氮降解速率进行计算模拟，调整模型参数使模拟值与实测值进行拟合，选取拟合数据R2值最大的一组参数值作为确定的动力学参数，获得固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系模型。
进一步地，步骤（1）中所述的活性污泥取自污水厂，附着培养两天后，清洗反应器，将悬浮污泥排出。
本发明中的流速-氨氮降解速率模型基于双膜理论、固液传质模型和生物膜生化模型建立。双膜理论提供了传质过程基础理论，是由W.G.Whitman和L.K.Lewis于1923年提出的传质机理理论，描述了液体吸收剂对气体吸收质吸收的过程；固液传质模型描述了固液相间传质速率与液膜厚度之间定量关系，具体公式为。传质机理理论，式中：/>：液膜通量（mg-N/cm2/h），/>：分子扩散系数（cm2/h），/>是液膜厚度（um），/>：液相浓度（mg-N/L），/>：生物膜边界层浓度（mg-N/L）；随着流速的增加，液膜厚度/>减小，液膜通量/>增大，促进固液传质过程。生物膜生化模型描述了生物膜生化反应速率与生物膜厚度之间的关系，具体公式为：/>，式中：/>：污染物的生物膜通量（mg-N/cm2/h），/>是压缩因子（-），/>：单位生物膜的生物质量（mg-COD/L），/>：生物膜厚度（µm），/>：单位生物膜的最大降解率（mg-N/mg-COD/L），/>：液相浓度（mg-N/L），/>：半饱和速率常数（-）。随着流速的增加，生物膜厚度/>减小，生物膜通量/>减小，抑制污染物的降解过程。
本发明建立的流速-氨氮降解速率模型为：
，其中，方程/>用来描述液膜通量和流速之间的正相关关系，而/>用来表示生物膜通量和流速之间的负相关关系，同时引入流速系数/>进行修正。使用数学模型的方法对液相流速与固定生物膜氨氮降解速率之间的定量关系参数化，打破专业壁垒，搭建微观生物学模型和宏观水力学模型之间的桥梁，为固定生物膜生化处理效率的预测提供了定量方法，同时为实现智慧水务提供了理论基础模型。
有益效果
（1）本发明基于生物膜基础理论背景，结合水力学基本知识，开创性地建立了固定生物膜氨氮降解速率与液相流速之间的定量模型；
（2）本发明打破专业壁垒，搭建微观生物学模型和宏观水力学模型之间的桥梁，提供耦合开发的模型平台，为固定生物膜生化处理效率的预测提供了定量方法，同时为实现智慧水务提供了理论基础模型；
（3）本发明的测定方法简洁易操作，可重复率高，便于推广使用，从而推进污水处理领域中数学模型方法的发展和创新。
附图说明
图1为本发明挂膜阶段氨氮降解速率测定结果图；
图2为本发明生物膜与液相接触面示意图；
图3为本发明生物膜氨氮降解速率与液相流速关系模拟图；
图4为本发明明渠生物膜氨氮降解速率预测图。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，所描述的实施例仅仅是本发明部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
（1）将生物膜填料复合丝状材料完全浸没固定于连续流反应器中，并将取自污水厂的活性污泥，附着培养两天后，清洗反应器，将悬浮污泥排出，进行挂膜培养，设定进水（进水模拟天然水体浓度，氨氮为3mg-N/L（碳酸氢铵），COD为30 mg-COD/L（乙酸钠），配水使用自来水（提供微量元素），控制DO为5.0 mg-O/L）流速为0.02m/s，每天测定氨氮降解速率；
氨氮降解速率的测定使用间歇式，具体计算公式为，式中，/>：氨氮降解速率（mg-N/L/h），/>：反应器内氨氮初始浓度（mg-N/L），/>：t时刻反应器内氨氮浓度（mg-N/L），t：时间（h），/>和/>使用纳氏试剂分光光度法（国标）进行测定，挂膜阶段氨氮降解速率测定结果图如图1所示，氨氮降解速率程相对稳定状态；
（2）氨氮降解速率稳定之后，进行流速-氨氮降解速率批量实验，流速-氨氮降解速率批量实验设定进水流速梯度（液相流速）为0.02, 0.05, 0.08, 0.11, 0.12, 0.14,0.16, 0.18, 0.20, 0.25, 0.30, 0.35, 0.38 m/s，采用与步骤（1）相同方法测定不同流速（液相流速）条件下生物膜的氨氮降解速率，不同流速液相流速下氨氮降解速率如图3中a-m所示；
（3）生物膜与液相接触面如图2所示，基于双膜理论、固液传质模型和生物膜生化模型建立液相流速-氨氮降解速率模型，液相流速-氨氮降解速率模型为，式中：/>为氨氮降解速率（g-N/m3/h），为流速系数，/>为液相流速（m/s），/>为氨氮降解速率促进参数（m/s），/>为氨氮降解速率抑制参数（m/s），/>为液膜的流速修正系数，/>为生物膜的流速修正系数其中，方程用来描述液膜通量和流速之间的正相关关系，而/>用来表示生物膜通量和流速之间的负相关关系，同时引入流速系数/>进行修正；
（4）使用excel将建立的流速-氨氮降解速率模型对不同流速下的氨氮降解速率进行计算模拟；调整模型参数使模拟值与实测值进行拟合，选取拟合数据R2为0.9330的一组参数作为确定的动力学参数，具体参数值见下表1；
得到的流速-氨氮降解速率模型为：
。
表1 固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系模型参数值
实施例2
实施例2与实施例1的区别在于：
实施例2为基于实施例1和实际明渠水力流速分布（假设固定生物膜布满水体，且对水体无阻力）进行的氨氮降解速率预测；
（1）使用雷诺数方程计算液相的流动类型，明渠的边界雷诺数为500；
（2）设定明渠宽度为100米，深度为3米，中心流速为3.0 m/s，使用方程计算明渠横切面上的流速分布，结果见图4（a、b、c）；
（3）基于雷诺数计算流速-氨氮降解速率模型参数测定条件和明渠均为湍流，属于同一类型流态，可以进行预测分析；
（4）结合实施例1建立的流速-氨氮降解速率模型:
对横切面上的氨氮降解速率进行计算，结果见图4（d、e、f）；
（5）预测氨氮浓度分别为1.0、3.0、5.0、10.0 mg-N/L时在横切面上的降解时间（假设水体微单元间不进行物质交换），预测结果见图4（g、h、i）。
Claims (6)
1.一种描述固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系的模型方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）固定生物膜填料，接种活性污泥，进行挂膜培养，测定氨氮降解速率；
（2）待氨氮降解速率稳定之后，进行液相流速-氨氮降解速率批量实验，测定不同流速条件下生物膜的氨氮降解速率；
（3）基于双膜理论、固液传质模型和生物膜生化模型建立液相流速-氨氮降解速率模型：
式中：为氨氮降解速率，/>为流速系数，/>为液相流速，/>为氨氮降解速率促进参数，/>为氨氮降解速率抑制参数，/>为液膜的流速修正系数，/>为生物膜的流速修正系数；
（4）根据步骤（3）确定的液相流速-氨氮降解速率模型对步骤（2）中批量实验结果进行拟合，确定各参数数值，获得固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系模型;
步骤（1）和步骤（2）中氨氮降解速率的测定使用间歇式，具体计算公式为，式中，/>：氨氮降解速率，/>：氨氮初始浓度，/>：t时刻氨氮浓度，/>：时间;
步骤（4）中的拟合方法为：将步骤（3）中建立的液相流速-氨氮降解速率模型对不同流速下的氨氮降解速率进行计算模拟，调整模型参数使模拟值与实测值进行拟合，选取拟合数据R2值最大的一组参数值作为确定各参数数值，获得固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系模型。
2.根据权利要求1所述的描述固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系模型的方法，其特征在于，所述的氨氮初始浓度和t时刻氨氮浓度使用纳氏试剂分光光度法进行测定。
3.根据权利要求1所述的描述固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系的模型方法，其特征在于，步骤（1）中所述的生物膜填料为复合丝状材料，固定于连续流反应器中，并完全浸没。
4.根据权利要求1所述的描述固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系的模型方法，其特征在于，步骤（1）中所述的挂膜培养条件为：进水流速为0.02m/s，进水模拟天然水体浓度，氨氮为3mg-N/L，COD为30 mg-COD/L，配水使用自来水，控制DO为5.0±1.0 mg-O/L。
5.根据权利要求1所述的描述固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系的模型方法，其特征在于，步骤（2）中，所述的液相流速-氨氮降解速率批量实验设定的进水流速梯度为0.02, 0.05, 0.08, 0.11, 0.12, 0.14, 0.16, 0.18, 0.20, 0.25, 0.30, 0.35, 0.38m/s。
6.根据权利要求1所述的描述固定生物膜氨氮降解速率与液相流速关系的模型方法，其特征在于，步骤（1）中所述的活性污泥取自污水厂，附着培养两天后，清洗反应器，将悬浮污泥排出。
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Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| WO2015052279A1 (en) * | 2013-10-10 | 2015-04-16 | Universitat Autonoma De Barcelona | A method and a system for wastewater nitrogen removal |
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