MBBR生物預(yù)處理工藝硝化過程動(dòng)態(tài)模型的建立
徐斌，夏四清，胡晨燕，高乃云
(同濟(jì)大學(xué)污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200092，E-mail：tjwenwu@mail．ton商i．edu．cn)


摘要：采用MBBR工藝對(duì)微污染黃埔江原水硝化過程動(dòng)力學(xué)和反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了研究．采用考慮最小基質(zhì)質(zhì)
量濃度的Michaelis—Menten方程，氨氮去除速率方程為Ⅳ=l 879(．s一0．08)／(s+1．52)，各動(dòng)力學(xué)參數(shù)分別為：最
大氨氮去除速率Ⅳ柵為1 879·—∥(m2·d)；半速率常數(shù)K為1．6 n，g／L；最小基質(zhì)氨氮質(zhì)量濃度為0．08 mg／L；最大
細(xì)胞比增長(zhǎng)速率p。，為1．05 d～．試驗(yàn)表明，MBBR反應(yīng)器為典型的完全混合反應(yīng)器，結(jié)合硝化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，建立了
完全混合式原水生物預(yù)處理硝化反應(yīng)器動(dòng)態(tài)模擬模型．通過模型計(jì)算與實(shí)際中試運(yùn)行效果比較可以得出：在低進(jìn)
水氨氮質(zhì)量濃度條件下，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)略有差別；在中高進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度條件下，模型計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)結(jié)
果較為一致．模型較好地反應(yīng)了工藝硝化的過程，可方便地應(yīng)用于工藝的控制和管理．
關(guān)鍵詞：硝化；動(dòng)態(tài)模擬；生物預(yù)處理；MBBR

中圖分類號(hào)：x506 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0367—6234(2006)05—0735一05

Dyn鋤ic simlllation modeI of Ilitri題cati伽in bio-pretreatment
process using MBBR tecllIlol0野
XU Bin，XIA Si—qing，HU Chen—yan，GA0 Nai—yun
(State Key LJaboratory of Pollution Contml and Resource Reuse，Ton西i UniVersity，Shanghai 200092，China，
E—mail：tjwenwu@majl．ton商i．edu．cn)
Abst】嗡ct：The nitrifying and reactor kinetics of raw water nitri6cation in biological pretreatment of micm—pol—
luted water f而m Huangpu River by MBBR technology was studied． According to the equation of Michaelis—
Menten，taking the minimum ammonia nitrogen concentmtion into consideration，the relationship between am—
monia nitrogen concentmtions and ammonia nitrogen removal rates could be presented asⅣ = l 879(S一
0．08)／(Js+1．52)． Four nitrification kinetics paI．砌eteIs could be direcⅡy or indirectIy obtained by the meas—
urements of the reactor system， including the minimum ammonia nitmgen concentration， the half saturation
constant，the maximum ammonia removal rate and the maximum specific bacterial growth mte．For the experi—
mental conditions，the parameters were dete瑚ined to be 0．08 mg／L，1．6 mg／L，1 859 mg／(m2·d)and
1．48 d～，respectively．It can be drawn that the MBBR belongs to the CSTR and conside五ng山e nitrifying ki—
netics the nitrification dynamic simulation model of this type of reactor was built．The validity of this model
was testified by the pilot-scale experiment of Huangpu riVer raw water bio—pretI．eatment by MBBR technology．
Comp赫ng the calculation results of the model with the results of experiment，the conclusion could be drawn：
the hi曲er the concentration of ammonia nitmgen in raw water is，the less the difference between the model
and the exp嘶ment is． As a matter of fact，the resuhs of this model缸e very close to the experiments；and it
can be used to manage and control the pmctical operation of this technology efkctiVely．
Key woHls：nitri6cation；dynamic simulation model；biological pretreatment；MBBR
收稿日期：2004—08—22．

基金項(xiàng)目：國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助項(xiàng)目(加02AA601130)；
國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃重大資助項(xiàng)目(2003BA808A17)．
作者簡(jiǎn)介：徐斌(1976一)，男，博士，講師；
夏四清(1965一)，男，博士，教授，博士生導(dǎo)師；
高乃云(1949一)，女，博士，教授，博士生導(dǎo)師．
原水中的氨氮在水的輸送和處理過程中，容
易造成管網(wǎng)中亞硝酸鹽質(zhì)量濃度的增高、除錳困
難和降低有機(jī)物氧化效率等問題；另外原水中氨
氮質(zhì)量濃度過高，需加大氯的投加量，從而引起有


·736· 哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)第38卷

害副產(chǎn)物增加[1 J．因此，如何有效去除原水中氨
氮也是目前預(yù)處理工程的主要任務(wù)之一．生物硝
化是去除水中氨氮的有效方法之一，它具有成本
低、效率高等特點(diǎn)．微污染原水中的氨氮質(zhì)量濃度
一般<3 mg／L，與研究較多的污水生物硝化動(dòng)力
學(xué)有較大的不同忙，3j．如何正確建立原水生物處
理過程中硝化動(dòng)力學(xué)及其動(dòng)態(tài)模擬模型，對(duì)于深
入研究原水預(yù)處理過程和指導(dǎo)工程實(shí)踐是十分必
要的．移動(dòng)床生物膜反應(yīng)器(MBBR)是在生物濾
池和流化床的工藝基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種水處理
新技術(shù)．它具有處理能力高、能耗低、不需要反沖
洗、水頭損失小、不發(fā)生堵塞的工藝特點(diǎn)，已廣泛
應(yīng)用于污廢水處理以及城市污水處理場(chǎng)的改造方
面，但應(yīng)用于微污染原水處理中尚少見報(bào)道．本文
利用MBBR工藝對(duì)黃浦江微污染原水進(jìn)行了為
期1年，規(guī)模為60～160 m3／h的生物預(yù)處理中試
能為該工藝的實(shí)際應(yīng)用提供參考．
1 實(shí)驗(yàn)工藝與設(shè)備
MBBR(鋼板制)尺寸為：長(zhǎng)×寬×高=
6．0 m×1．5 m×9．5 m(有效水深9．O m)，池體在
長(zhǎng)度方向上平均分為串聯(lián)式兩格；池內(nèi)按填充率
50％投加同濟(jì)大學(xué)專利懸浮填料(填料為球型，
單體直徑為100 mm，比表面積為100 m2／m3)；池
底設(shè)置48根DN25穿孑L曝氣管(￡=500 mm)，
并均勻分為4組．實(shí)驗(yàn)時(shí)使用兩組曝氣管曝氣，以
保證填料的懸流狀態(tài)．
2 氨氮的降解規(guī)律
試驗(yàn)前MBBR池運(yùn)行效果良好，各進(jìn)出水水
質(zhì)指標(biāo)如表1所示．試驗(yàn)在反應(yīng)器停止進(jìn)水和保
持曝氣的條件下，采用添加一定量氨氮的方法，探
實(shí)驗(yàn)．對(duì)該工藝硝化過程動(dòng)態(tài)模型進(jìn)行研究，以期討中試設(shè)備中成熟生物膜對(duì)氨氮的降解規(guī)律．
表1試驗(yàn)前中試運(yùn)行效果
在MBBR池兩格分別投加1 L 25％工業(yè)氨
水，并保持氣量為45 m3／h，池體內(nèi)水量為80 m3．
氨氮、亞硝酸鹽、硝酸鹽、pH與D0平均質(zhì)量濃度
隨時(shí)間的變化曲線如圖l、2所示．
∥lIIin
圖2 D0與pH值變化曲線
從圖l、2可以看出：隨著時(shí)間的變化，氨氮在
開始階段迅速降解，隨后氨氮質(zhì)量濃度降低導(dǎo)致降
解速率逐步降低．硝酸鹽的增長(zhǎng)基本伴隨著氨氮的
降解．但同時(shí)可以看出，亞硝酸鹽質(zhì)量濃度在氨氮
降解過程中，會(huì)有一個(gè)積累過程，但積累量非常小，
隨后會(huì)逐步降解．在降解過程中，氨氮降解量稍大
于亞硝酸鹽和硝酸鹽的生成量之和，反應(yīng)最后硝酸
鹽的生成量小于氨氮的降解量大致1 m∥L．pH值
在降解初期高氨氮質(zhì)量濃度條件下，大幅度下降，
隨著曝氣時(shí)間的延長(zhǎng)，在氨氮基本降解結(jié)束后，由
于曝氣作用，逐步上升．溶解氧的變化規(guī)律與pH
的變化規(guī)律一致，溶解氧質(zhì)量濃度保持在7 mg／L
以上．在進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度5—6 mg／L條件下，該
曝氣量可滿足硝化過程需氧量．
3 原水生物預(yù)處理硝化反應(yīng)動(dòng)力學(xué)
3．1最小基質(zhì)氨氮質(zhì)量濃度
生物膜模型中有一個(gè)重要概念為最小基質(zhì)質(zhì)
量濃度，它是保證穩(wěn)態(tài)生物膜存在的必要條件．如
果基質(zhì)質(zhì)量濃度小于最小基質(zhì)質(zhì)量濃度，則生物
膜的損失量大于生物細(xì)胞生長(zhǎng)那個(gè)量，從而導(dǎo)致
生物膜不斷變薄，甚至根本不形成生物膜．R¨
man和McC叫y提出一般維持穩(wěn)態(tài)生物膜的最小
基質(zhì)質(zhì)量濃度可以表示為．s。i。=K6／(p一一6)，


第5期徐斌，等：MBBR生物預(yù)處理工藝硝化過程動(dòng)態(tài)模型的建立·737．

p。。。=yq。H。．．s。i。為維持穩(wěn)態(tài)生物膜的最小基質(zhì)
質(zhì)量濃度，mg／L；K為半最大比基質(zhì)去除率時(shí)的
基質(zhì)質(zhì)量濃度，又稱半速率常數(shù)，m∥L；6為總比
生物膜衰減率，取0．05 d一∞o；y為細(xì)胞消耗單位
基質(zhì)量的實(shí)際生長(zhǎng)量(mg／mg)；q。為最大比基質(zhì)
去除率，即單位細(xì)胞量的最大比基質(zhì)去除率，mg／
(mg·d)；肛。。。為最大細(xì)胞比增長(zhǎng)速率，d～．
最小基質(zhì)質(zhì)量濃度可以從各中試運(yùn)行工況與
降解試驗(yàn)結(jié)果得出．中試運(yùn)行中，當(dāng)進(jìn)水氨氮質(zhì)量
濃度接近0．1 m∥L以后，中試基本無(wú)去除效果；在
降解試驗(yàn)中，隨曝氣時(shí)間的延長(zhǎng)，在氨氮質(zhì)量濃度
降低到O．08 mg／L左右，繼續(xù)曝氣對(duì)氨氮去除效果
基本無(wú)影響．通過數(shù)據(jù)分析，在水溫為20℃左右，
最小基質(zhì)氨氮質(zhì)量濃度為0．08±O．04 mg／L．
3．2硝化動(dòng)力學(xué)及其參數(shù)確定
通過反應(yīng)器物質(zhì)的量平衡，氨氮去除速率可
利用下式進(jìn)行計(jì)算
^q
y號(hào)}=Q(so—s。)一ⅣrA．
U‘
JC
對(duì)于穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)，半=o． M=掣．
式中：y為反應(yīng)器體積，m3；p為進(jìn)水水量，m3／d；
．s。為進(jìn)水質(zhì)量濃度，m∥L；s。為出水質(zhì)量濃度，
m∥L；Ⅳr為氨氮去除速率，mg／(m2·d)；A為填
料的總表面積，m2．
在降解試驗(yàn)條件下，氨氮去除速率與時(shí)間的
變化如圖3所示；氨氮去除速率隨氨氮質(zhì)量濃度
的變化如圖4所示．
f々
’
若D
曼
諒
瑙
籃稍
膩
膩
￡／mln
圖3 氨氮去除速率與時(shí)間的變化曲線
從圖3、4可以看出：在曝氣初期氨氮質(zhì)量
濃度為6 mg／L，其降解速度最大可達(dá)到
l 500 m∥(m2·d)，隨曝氣時(shí)間延長(zhǎng)，氨氮質(zhì)量
濃度逐步降低，相應(yīng)的氨氮降解速度也隨之迅速
降低，在降解到最后，氨氮質(zhì)量濃度為o．1 m∥L，
池體內(nèi)基本不發(fā)生降解．
f々
弋
b
5
蔣
制
籃稍
膩
撩
p(氨氮)／(mg·L_1)
圖4氨氮去除速率隨氨氮質(zhì)量濃度的變化曲線
對(duì)于單基質(zhì)的降解，氨氮去除速率的變化可
利用生物處理中所經(jīng)常采用的Michaelis—Menten
方程來(lái)進(jìn)行描述∞J：
N=N—s／0Ks+S)．
考慮到最小氨氮基質(zhì)質(zhì)量濃度，Michaelis—Ment—
en方程可轉(zhuǎn)化為
Ⅳ=Ⅳ。。(Js一．s。i。)／(K+．s—Js。i。)．
．s。i�？赏ㄟ^試驗(yàn)獲得，在本試驗(yàn)中大致為0．08
m∥L；為了能正確求出曲線方程，采用MATLAB
軟件中優(yōu)化工具包中任意曲線擬合的函數(shù)curve．
6t，計(jì)算后得出的曲線方程為
Ⅳ=1 879(S一0．08)／(1．6+S一0．08)．
該曲線與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)的分布如圖5所示．圖
5曲線變化與試驗(yàn)數(shù)據(jù)點(diǎn)基本一致，計(jì)算數(shù)據(jù)與
試驗(yàn)數(shù)據(jù)具有良好的相關(guān)性，相關(guān)性系數(shù)達(dá)到
0．998．通過計(jì)算可得出硝化過程最大去除速率為
Ⅳ。。=1 879 mg／(m2·d)，按此值計(jì)算氨氮比表
面負(fù)荷為0．078 g／(m2·h)，與本中試試驗(yàn)測(cè)得
的最大氨氮比表面負(fù)荷0．072∥(m2·h)較為接
近(如圖6)．半最大比基質(zhì)去除率時(shí)的基質(zhì)質(zhì)量
濃度(半速率常數(shù))K為1．6 mg／L-利用試驗(yàn)計(jì)
算出最小基質(zhì)氨氮質(zhì)量濃度，半速率常數(shù)K以及
總比生物膜衰減率6；依據(jù)公式可計(jì)算最大細(xì)胞
比增長(zhǎng)速率盧。。=1．05 d～．
O l 2 3 4 5 6
p(氨氮)／(mg·L。)
圖5氨氮去除速率隨氨氮質(zhì)量濃度變化相關(guān)性曲線
∞
∞
∞
∞
∞
∞
8
5
2
9
6
3
^。P．，；∞0v＼僻硼籃求膩版


哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)  第38卷


t／℃
圖6氨氮填料表面負(fù)荷與水溫關(guān)系圖
3．3硝化反應(yīng)控制因子07’馴
在微生物生活條件適宜的條件下，硝化反應(yīng)
的速率主要受溶解氧與氨氮兩種基質(zhì)的制約．當(dāng)
S№一N>0．27Jso，時(shí)，氧為限制因素；當(dāng)|sm—N<
0．27So，時(shí)，氨氮為限制因素"’81；對(duì)于完全混合形
式的反應(yīng)池如MBBR反應(yīng)器，如果僅采用單反應(yīng)
池，按照目前處理水質(zhì)的要求，作為飲用水源的原
水氨氮質(zhì)量濃度最大質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)為0．5 mg／L，
只要保證生化池內(nèi)DO質(zhì)量濃度《0．5／0．27=
1．85 mg／L，就可滿足生物硝化不受DO質(zhì)量濃度
控制的要求．按進(jìn)水質(zhì)量濃度3．0 mg計(jì)算，只要
第一級(jí)池體內(nèi)能處理到氨氮質(zhì)量濃度為2．0 mg／
L，即DO質(zhì)量濃度不低于7．4 mg／L，就可滿足生
物硝化不受DO質(zhì)量濃度控制．本中試運(yùn)行中第
一級(jí)池體氨氮出水質(zhì)量濃度均<2 mg／L，而DO
質(zhì)量濃度一般均高于7 mg／L，因此，可以認(rèn)為在
黃浦江原水生物預(yù)處理過程中，本工藝硝化反應(yīng)
速率主要控制條件為氨氮質(zhì)量濃度．
4 動(dòng)態(tài)模擬模型的建立
按照中試運(yùn)行的情況，對(duì)于單級(jí)池體，由于采
用底部穿孔管曝氣帶動(dòng)水流與填料流動(dòng)，水流素
動(dòng)性大，達(dá)到全池流化效果，該反應(yīng)器應(yīng)屬于典型
的完全混合流反應(yīng)器．
4．1反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)的建立
主要針對(duì)該典型的完全混合反應(yīng)器建立動(dòng)力
學(xué)方程．兩級(jí)反應(yīng)器示意圖見圖7．Q為進(jìn)水流量；
A。和A：分別為兩級(jí)反應(yīng)池體內(nèi)填料總表面積；S。、
．s。和S：分別為原水、第一和第二級(jí)池體內(nèi)氨氮的
質(zhì)量濃度；K和屹分別為兩級(jí)池體的體積． 魂霾藍(lán)卦毯塑卜
A 2，Jsf，yl A2，是，K
圖7兩級(jí)MBBR反應(yīng)器示意圖
對(duì)第一級(jí)和第二級(jí)反應(yīng)器建立物料平衡
方程，
rQSo一Ⅳ1×A1=Q|s1，
【QJs，一Ⅳ2×A2=Q．是．
對(duì)于i級(jí)反應(yīng)器其方程為
QSi—l—M×Ai=QSi．
依據(jù)前述內(nèi)容，原水進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度較低，在
較高溶解氧條件下，總反應(yīng)速率的主要限定因素為
氨氮的質(zhì)量濃度，代入已得的降解速率公式后得
ffQQss00圳—7897*9篙黼×州A·l鄧=∞。，， J (1) b圳79委裟蚋鄧：．
求解方程可求出最終出水s：的質(zhì)量濃度值．
方程組(1)的第一個(gè)方程解為
s1 2贏‘4×105Qs。一46 975A1—6·08×
105Q一25(2．56×108Q2霹一6．012 8×107l孤Al+
7．782 4×108Q．so+3．530 64l×106A；+
1．010 150 4×108QAl+5．914 624×108Q2)1／2]．
如果采用多級(jí)處理時(shí)，列出多級(jí)方程組，先解
第一級(jí)值，其余方程的解通過上述解的形式逐級(jí)
解出．
4．2模型效果的驗(yàn)證
模型驗(yàn)證采用中試試驗(yàn)中水溫均維持在
25℃左右的幾個(gè)工況，幾個(gè)工況下原水能夠提供
硝化所需要的足夠堿度及適合pH．工況l、2和3
主要控制工況為：進(jìn)水流量80 m3／h，曝氣量
45 m3／h，水力停留時(shí)間HRT為l h，氣水比O．56．
3個(gè)工況對(duì)氨氮去除效果如表2所示．模型預(yù)測(cè)
時(shí)，可采用中試條件下水溫與氨氮填料表面負(fù)荷
指數(shù)關(guān)系式(如圖6)，將水溫20℃時(shí)的氨氮最大
去除速率轉(zhuǎn)化到相應(yīng)溫度的值．
表2各工況出水氨氮質(zhì)量濃度和處理效果與實(shí)測(cè)值對(duì)比
中試試驗(yàn)兩級(jí)池體中，填料的填充率相同，池
型也相同．按照模型預(yù)測(cè)在原水氨氮質(zhì)量濃度在
0．5、l、1．5、2、2．5、3、3．5和4 mg／L情況下，
HRT=60 min條件下，出水氨氮質(zhì)量濃度與去除
效率如圖8所示；相同質(zhì)量濃度范圍，水溫為20
儺m∞=兮∞∞舵m
n
n
c；n
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n
n
m ^。{，孚3漳《舊懈饔蕈f膩酶


第5期徐斌，等：MBBR生物預(yù)處理工藝硝化過程動(dòng)態(tài)模型的建立·739·


℃，HRT=40 min條件下，出水氨氮質(zhì)量濃度與去
除效率如圖9所示．
，1．
■
彗o．
≮
膩0．
蛹
長(zhǎng)0．
丑
V
q O．
p(進(jìn)水氨氮)／(mg·L-1)
圖8 HRT=60 min條件下模型預(yù)測(cè)值
p(進(jìn)水氨氮)／(mg·L_1)
圖9 HRT=40 min條件下模型預(yù)測(cè)值
從模型模擬值與實(shí)際工況運(yùn)行結(jié)果分析比較
可知：采用的動(dòng)力學(xué)方程與反應(yīng)器方程，在停留時(shí)
間60 min條件下，對(duì)于中質(zhì)量濃度與高質(zhì)量濃度
進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度，模型預(yù)測(cè)值與實(shí)際工況運(yùn)行
值基本一致，而對(duì)于低進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度，模型計(jì)
算值與實(shí)測(cè)值有一定差別．停留時(shí)間40 min條件
下，對(duì)于中高質(zhì)量濃度氨氮進(jìn)水質(zhì)量濃度，計(jì)算值
與實(shí)際測(cè)定值也基本一致．
依據(jù)以上結(jié)果可知，建立的動(dòng)力學(xué)模型與動(dòng)
態(tài)模擬模型基本能正確描述中試過程中氨氮降解
規(guī)律．該動(dòng)態(tài)模擬模型的建立可方便地應(yīng)用于考
慮不同影響因素(如水量、進(jìn)水質(zhì)量濃度、填料比
表面積、填料填充率、反應(yīng)器級(jí)數(shù)、各級(jí)池體體積
分配等)對(duì)處理效果的影響，對(duì)于MBBR生物反
應(yīng)器處理微污染黃浦江原水運(yùn)行具有較好的指導(dǎo)
作用．
5 結(jié)論

1)建立了微污染原水硝化反應(yīng)速率方程，并
計(jì)算出原水硝化過程Ⅳ。。。為1 879 mg／(m2·d)；
K為1．6 mg／L；最小基質(zhì)氨氮質(zhì)量濃度為
0．08 mg／L；肛⋯為1．05 d～．
2)采用兩級(jí)MBBR反應(yīng)器進(jìn)行微污染原水
硝化，控制氣水比在0．5以上時(shí)，硝化反應(yīng)控制因
素為原水中氨氮的質(zhì)量濃度．由于曝氣作用，池體
內(nèi)懸浮填料不斷運(yùn)動(dòng)，該類型反應(yīng)器為典型的完
全混合反應(yīng)器．
3)在停留時(shí)間60 min條件下，對(duì)于中質(zhì)量
濃度與高質(zhì)量濃度進(jìn)水氨氮質(zhì)量濃度，模型預(yù)測(cè)
值與實(shí)際工況運(yùn)行值基本一致，而對(duì)于低進(jìn)水氨
氮質(zhì)量濃度，模型計(jì)算值與實(shí)測(cè)值有一定差別．停
留時(shí)間40 min條件下，對(duì)于中高質(zhì)量濃度氨氮進(jìn)
水質(zhì)量濃度，計(jì)算值與實(shí)際測(cè)定值也基本一致．該
模型計(jì)算與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果較為符合，可方便地應(yīng)
用于MBBR生物反應(yīng)器處理微污染原水的運(yùn)行
和管理．

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第38卷第5期
2 O 0 6年5月
哈爾濱工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)
JOURNAL OF HARBIN INSlrITU’I'E OF TECHNOLOGY
V01．38 No．5
Mav 20016