固定化细胞单级生物脱氮动力学模型研究_曹国民

固定化细胞单级生物脱氮动力学模型研究＊曹国民　赵庆祥　孙贤波　张　彤(华东理工大学环境工程系,上海200237)摘要　以PVA为载体,采用冷冻-解冻法混合固定硝化菌和反硝化菌,在鼓泡床中研究了固定化细胞单级生物脱氮的动力学。结果表明:在固定化细胞单级生物脱氮过程中,内扩散对反应的影响非常小,脱氮速率受化学反应控制。反应的动力学可以用Monod方程来表示,其动力学常数Ks和vmax分别为303.0mgL和0.096mgL·s。用模型计算的脱氮速率与实测值非常接近。关键词　生物脱氮　固定化细胞　动力学模型　　　　　　　　＊国家自然科学基金资助项目(29777007)1　引言混合固定的硝化菌和反硝化菌在好氧条件下同时硝化和反硝化的单级生物脱氮技术,是近年来国内外十分关注的生物脱氮新技术之一[1、2]。研究表明,这项新技术具有脱氮速率快,效率高,工艺简单,操作控制方便等优点[3]。但到目前为止,有关单级生物脱氮的研究,大多数仅限于工艺条件方面,对动力学的研究则很少,除了DosSantos等人[4]在1996年报道了纯培养的硝化菌和反硝化菌分层包埋于K-角叉菜胶颗粒中的单级生物脱氮动力学模型外,尚未见到其它有关报道。而动力参数是设计单级生物脱氮反应器的重要基础数据。为此,本研究以PVA(聚乙烯醇)为载体,采用冷冻-解冻法混合固定富集培养的硝化菌和反硝化菌,研究了固定化细胞单级生物脱氮的动力学,建立了底物(氨氮)去除动力学模型,并测定了模型中的参数值。2　材料与方法2.1　硝化菌和反硝化菌及其培养基试验所用硝化菌和反硝化菌均由本实验室自行富集培养。硝化菌的培养基组成为:(NH4)2SO4700mgL,NaHCO31000mgL,适量的铁、钙和镁等微量元素和磷酸盐缓冲液;反硝化菌的培养基组成为:KNO31800mgL,CH3OH1500mgL,适量的微量元素和磷酸盐缓冲液。2.2　细胞的固定化方法将已知浓度的硝化细菌和反硝化细菌的悬浮液,按一定比例混合后,,离心15min(3000rmin)用生理水洗涤、离心2次,所得的浓缩菌体加入到含12%PVA和2%海藻酸钠的混合液中,搅拌均匀后用注射器滴入4%的CaCl2溶液中,经搅拌、钙化30min,制成直径约为3mm的小球。滤去CaCl2溶液,将小球置于冰箱中,在-20℃左右冷冻过夜,再在室温下解冻。重复冷冻解冻数次,用蒸馏水充分洗涤小球,便得固定化细胞。2.3　模拟废水组成(NH4)2SO4500～600mgL,NaHCO3800～1000mgL,适量的微量元素,0.05molL、pH8.2的磷酸盐缓冲溶液,CH3OH600～750mgL。2.4　固定化细胞连续脱氮试验试验在有效容积为1L(内径5.1cm,高50cm)并带有保温夹套(夹套内通30±1℃的水)的鼓泡床反应器中进行,模拟废水以20mLh的流量从鼓泡床的下部泵入,同时进行曝气,调节空气流量,把反应器中的DO控制在3～5mgL,反应器中固定化细胞的填充率为15%。每天定时从反应器的进口和出口取样,分析其中NH+4-N、NO-3-N和NO-2-N的浓度。2.5　固定化细胞间歇脱氮试验试验条件和方法与连续试验基本相同,只是将连续进水改为间歇进水,固定化细胞的填充率为10%。另外缩短取样间隔时间,每隔2h从反应器中取一次样。3　模型的建立3.1　本征动力学固定化细胞单级生物脱氮过程可以简单地表示为:NH+4亚硝酸菌NO-2硝酸菌NO-3反硝化菌NO-2反硝化菌NO2反硝化菌由于硝化菌和反硝化菌被混合包埋于同一载体中,氨12环　境　工　程2001年10月第19卷