曝气生物滤池处理纺织污染物的机理及其动力学模型研究

　　【摘 要】目前我国虽然在城市污水深度处理并回用方面取得了一定的成绩，但是占整个工业用水第六位的纺织行业水的回用率却相当低，整个纺织行业的回用率不足10%，而回用水也只局限于景观、冷却等，因此节约水资源、提高水的回用率是纺织、染整行业十分重要而艰巨的任务，也是本文开展研究的意义所在。 

　　【关键词】纺织污水；生物氧化；过滤截留；生物絮凝；环境效益；可持续发展 

　　0 引言 

　　我国纺织工业历来是国民经济发展的重要支柱产业之一，在满足人民衣着生活需要、丰富和提高我们生活质量和水平的同时，为国家的资金积累、出口创汇以及大量安置劳动力就业等方面发挥着重要作用。伴随着纺织行业的高速发展，纺织工业废水的产生也明显大量增加，加重了水资源的短缺和我们综合治理难度和负担。 

　　1 曝气生物滤池处理污染物的机理分析 

　　1.1 生物氧化作用 

　　曝气生物滤池的生物氧化作用既包括固着生长的微生物对有机物和营养物质的分解代谢；也包括反应器内液相主体的悬浮微生物对污染物的降解利用。生物氧化过程既有异养菌对有机污染物的分解利用；也有自养菌对营养性污染物的氧化去除，同时生物氧化也包括了好氧和厌氧过程。所以曝气生物滤池内部的生物氧化过程是以生物膜为主体，包含悬浮生长微生物在内的，多种不同生态类型微生物以各自不同的代谢途径和代谢方式分别降解利用污水中各种不同污染物质的综合过程。曝气生物滤池的生物氧化作用是最主要的功能，是反应器去除有机物、硝化和反硝化等功能的基础。 

　　1.2 过滤截留作用 

　　曝气生物滤池所采用的小粒径颗粒填料使其具有了典型的深床过滤特征。填料的吸附和截留作用使污水中的大部分颗粒污染物被截留在滤床的空隙中，实现对污染的直接截留，完成初步的固液分离，最后通过反冲洗过程将吸纳的固体污染物从滤床中清除。填料床对小型颗粒有机物，乃至胶体有机物的吸附截留过程也促进了微生物在填料表面的吸附生长，加快了生物膜的形成，而填料上所随着的生物膜又增加了填料表面的粗糙度，从而更加强化了填料床的吸附截留能力，所以曝气生物滤池的过滤截留功能是物理截留为主，物理、化学和生物共同作用的结果。 

　　1.3 生物絮凝作用 

　　生物膜的形成是大量微生物个体在水环境中适宜的惰性载体表面吸附、生长、繁殖，并通过微生物细胞在胞外分泌形成的，随机伸展有胞外多聚物使微生物细胞形成纤维缠结结构的过程。显然，生物膜的形成是和生物膜形成物质的絮凝特性密不可分的。生物膜所具有的絮凝特性已成为许多研究成果所证实。由于具有絮凝作用的胞外聚合物的存在，曝气生物滤池生物膜具有极强的生物絮凝功能，这不仅强化了滤床的过滤截留能力，还提高了滤层对污水中胶体物质的絮凝、吸附效率，也为生物氧化作用提供了充足有效的底物供应；另外，曝气生物滤池内部还生长着大量的丝状菌，这些微生物不仅可以降解有机污染物，还为生物膜的形成提供了骨架，形成了滤床空间的网状结构，强化了生物絮凝和过滤作用，提高了生物膜的抗反冲洗能力，所以，曝气生物滤池的生物絮凝作用对反应器的污染物去除能力具有强化功能。 

　　1.4 食物链分级捕食作用 

　　曝气生物滤池具有推流式反应器的流态特征，沿水流方向存在着底物浓度梯度，而在生物膜内部则存在着溶解氧的扩散梯度。所以曝气生物滤池为各种不同生态类型的微生物提供了丰富的生存条件，再加上固着生长的生态环境，使反应器内固体停留时间与水力停留时间实现了分离，使得大量生长缓慢的微生物种群，如自养菌等，能够在反应器内生长繁殖并形成优势种群：同样各种丝状微生物、原生和后生动物等高等营养级微生物也能够在曝气生物滤池生态系统中占据一定的空间位置，使得曝气生物滤池系统内的微生物种群构成复杂多样、食物链长且形成网状交叉。实验中发现，在曝气生物滤池反应器中，沿水流方向呈现明显的食物链分级，各营养级之间形成相互交叉，致使系统内总的营养级水平提高。而根据林德曼效率，当生态系统的总营养级水平提高时，总的营养结构就越复杂，系统就会维持一个比较稳定的低水平的总生产量，系统的功能就更加稳定。因而在污水处理系统中，营养级水平的提高不仅意味着系统污泥产量的下降，还意味着需要提供更多的物质和能量来维持系统内营养结构的完整和正常系统功能，这就使系统具有更高的处理效率。所以曝气生物滤池微生物生态系统复杂的营养结构使其具有明显的食物链分级捕食作用，进一步提高整个系统的处理效能。 

　　2 曝气生物滤池中有机物去除动力学模型 

　　有关污水生物处理过程的动力学研究自20世纪50年代以来取得了长足的进步，许多专家学者提出了一系列有关生物处理的数学模型，使污水生物处理的理论研究水平不断深入。目前对曝气生物滤池底物去除动力学研究中主要以建立简单、实用的经验模型和理论与实践相结合的半经验模型为主。 

　　由于曝气生物滤池反应器作用机理比较复杂，目前很建立一种具有清晰生物学意义和解析解的理论模型，本文试图推导曝气生物滤池底物去除过程动力学经验模型，说就有关模型的动力学意义进行理论分析。 

　　曝气生物滤池系统是生物氧化和深床过滤单元的有机整合，除了填料被淹没在滤床内这一特征外，曝气生物滤池也普通生物滤池有着许多相似性。示踪实验结果表明，两种滤池的流态在整体上都具有推流式的特。且根据Mann对推流式生物滤池的研究结果，认为在BAF内生物膜对基质的利用也符合一次反应关系。 

　　首先设定曝气生物滤池系统为推流式反应器，反应器降解有机物符合一级反应方程式。图1为曝气生物滤池简化模型示意图，假定反应器内只存在纵向的浓度梯度。 

　　图1 曝气生物滤池简化模型示意图 

　　根据化学反应动力学理论，单位时间内理想化曝气生物池反应器中的每一个局部微元dv都存在如下物料平衡关系： 

　　输入量-输出量-去除量=累积量 

　　其中：输入量和输出量分别表示进入和流出反应器微元dv的有机物，其差值Q·ds，mg/d；去除量是微元dv中由生物化学反应而减少的有机物，为随着微生物和悬浮微生物利用量之和，（ds/dt）Adv+（ds/dt）Sdv，mg/d；累积量是微元dv中有机物浓度的时间变化量（ds/dt）Adv，mg/d。 

　　则微元dv中的物料平衡关系可以写成如下数学关系式： 

　　Q·ds-（ds/dt）Adv-（ds/dt）Sdv=（ds/dt）dv（1） 

　　dv=A·dh（2） 

　　式中：Q为处理的水量，L/d；ds为进出微元dv的有机物浓度变化量，mg/L；dv为曝气生物滤池反应器中微元体积，L；A为微元的横截面积，m2；dh为微元dv的高度，m；（ds/dt）A为微元dv内附着微生物膜有机物降解速度，mg/（L.d）；（ds/dt）S为微元dv内悬浮微生物有机物降解速度，mg/（L.d）；（ds/dt）为微元dv内有机物浓度随时间变化速率，mg/（L.d）。