Page 151 - 精细化工2019年第10期

第 10 期 韩越梅，等: 好氧氨氧化生物膜内氧传质特性及影响因素 ·2117·

过程的第一 步 [1] 。随着 厌氧氨氧化 （ anaerobic 性微生物对环境的改良与自觉适应，之后开始迅速
ammonia oxidation，简称 Anammox)工艺的诞生和发 生长，在养分供给充足且水力剪切作用不大的前提
[9]
展，好氧氨氧化联合厌氧氨氧化形成单级或多级联 下最终达到与环境的动态平衡并形成生物膜 。对
合工艺进行污水的脱氮处理技术逐渐成熟，生物膜 生物膜内的传质过程描述都是基于质量守恒定律，
反应器被广泛应用于上述联合工艺过程中并取得了 其模型方程由时间项、对流作用项、生化反应相以
[6]
较高的氮去除率 [2-3] 。但由于上述联合工艺属于限制 及基质扩散项组成，具体如式（1） 所示：
氧浓度过程，对溶解氧浓度高度敏感，其实际操作    C X   C X  R  D  2 C X
u
过程中一直存在难于控制的问题。因此，关于反应  t  z  X z  2
 （1）
器内生物膜氧传质特性和影响因素的研究一直是热   C S   C S   R  D  2 C S
u

点之一。  t  z  S z  2
3
生物膜内的氧传质是一个极为复杂的过程，受 式中：C X —微生物量浓度，kg/m ；C S —溶解氧浓度，
2
3
到温度、水力条件、基质浓度等因素的影响。为了 kg/m ；u—对流速度，m/s；D—扩散系数，m /s；
3
弥补实验研究的局限性，人们采用理论计算的方法 R X —微生物生长速率，kg/(cm ·s)；R S —底物消耗
3
研究生物膜内氧传质过程并取得了一定的成果。目 速率，kg/(cm ·s)。
前已经形成了多种描述生物膜内氧传质过程的一维 上式中，生化反应项根据微生物对基质消耗速
[4]
模型：如 Rittmann 等建立了生物膜内一维传质模 率的关系建立的 Monod 方程表达式如式（2、3） [6]
型，并确定了生物膜逐层附着生长的结构。Lee [5] 所示：
  C C   C
等针对多菌种生物膜生长规律展开研究，建立了考 R  S m a x S  X  k  m a x S （2）
虑生物膜内部空隙空间变化和微粒组成变化的一维 K  S C S Y X / S K  S C S
模型，揭示了生物膜内孔隙的发展变化规律以及这 R  X  m a x  C S （3）
种变化对生物膜内底物扩散率的影响。马来西亚的 K  C S –1
S
[6]
Khabibor 等针对固定床生物膜生长过程建立了一 式中：μ max —最大微生物比生长速率，s ；C S —溶
3
3
解氧浓度，kg/m ；K S —氧气半饱和常数，kg/m ；
维模型，综合考虑扩散系数、渗流速度两个参数对
k—氧气消耗速率，kg/s；Y X/S —产率系数，kg X /kg S 。
生物膜内的溶解氧的传质作用，并采用葡萄糖和蛋
其他相关参数值见表 1。
白胨作为基质培养的生物膜内溶解氧浓度进行了实
验验证。过去三十年里生物膜的多维模型被广泛应
表 1 模型参数
用于定量描述生物膜结构受水力流动的影响以及膜 Table 1 Model parameters
内传质过程 [7-8] ，但关于生物膜的模拟研究还在以下
参数 符号 参数值 单位
几个方面有所欠缺：未能获得生物膜内真实流场信 –4[10] 3
溶解氧半饱和常数 Ks 3.5×10 (kg∙s)/m
息，模拟运算结果具有不可靠性；模拟数值计算空 –2 –3 2
扩散系数 D 1.5×10 、3.7×10 、 m /s
–5
–4
间尺度较小等。 2.2×10 、5.5×10
为了弥补上述模型计算的缺陷，揭示好氧氨氧 膜内液相渗流速度 u 0.37、2.2、12、32 mm/s

化生物膜内溶解氧传质机理，本文采用理论计算和
1.1.2 基本假设
实验测试相结合的方法针对厚度为 0.25 mm 的好氧
生物膜是由微生物和胞外聚合物（extracellular
氨氧化生物膜内溶解氧传质和分布规律进行研究，
polymeric substances，简称 EPS）等构成的混生体，
综合考虑对流、扩散和反应作用建立了适用于好氧
附着在载体表面的生物膜具有极其复杂的三维结
氨氧化生物膜的模型方程，考察溶解氧的分布特性
构，为了克服计算机算法的限制，在模型进行计算
和影响因素；利用溶解氧微电极对实验室建立的序
机求解前，针对生物膜一维模型进行如下假设：
批式流化床生物膜反应器培养的好氧氨氧化生物膜
（1）初始生物膜结构均匀、表面光滑平整厚度
内的溶解氧浓度进行测试，获得了生物膜内溶解氧
恒定；
浓度梯度信息，从而验证了模拟运算的可靠性。
（2）主体溶液内混合均匀，基质浓度一致；
（3）底物传质仅沿垂直于生物膜表面的方向
1 研究方法
进行；
1.1 理论计算 （4）生物膜内对流传质速度为定值。
1.1.1 模型方程 本文基于以上假设，针对厚度为 0.25 mm 的生
生物膜的生长始于附着在载体表面的少量高活 物膜内部的传质过程展开建模和求解。