饮用水中微生物与可同化有机碳的动力学模型研究

第32卷第12期Vol．32NO．12重庆工商大学学报(自然科学版)JChongqingTechnolBusinessUniv．(NatSciEd)2015年12月Dec．2015doi:10．16055/j．issn．1672－058X．2015．0012．014饮用水中微生物与可同化有机碳的动力学模型研究*周德柱1，任春蓉2(1．重庆大学城市建设与环境工程学院，重庆400044;2．重庆吉麟科技发展有限公司，重庆401147)收稿日期:2015－03－01;修回日期:2015－04－18．*基金项目:“十二五”国家科技支撑计划(2012BAJ25B06)．作者简介:周德柱(1986-)，男，江苏盐城人，硕士研究生，从事给水管网水质研究．摘要:建立了饮用水中微生物、可同化有机碳(AOC)随时间变化的动力学模型;根据饮用水中微生物、AOC、余氯三者随时间变化的实验数据，校核了模型参数，并且验证了该模型的可靠性;实验结果表明:前期由于余氯的氧化作用，AOC随时间快速增加，后期AOC作为微生物生长的有机底物，被缓慢消耗;结合模型，可从理论上证明，存在一个最佳的初始余氯投加量，使得终点时刻微生物的浓度恰好满足水质标准要求，这对于水厂运行成本管理具有一定参考价值。关键词:饮用水;可同化有机碳;微生物;动力学;模型中图分类号:TU991．2文献标志码:A文章编号:1672－058X(2015)12－0065－06生活饮用水出厂水水质一般符合标准要求，但进入输配水管网之后，经历复杂的生化和物化反应，尤其在管网的末梢，水质时常达不到标准要求。建立水质模型并结合管网中部分水质监测点，对整个供水管网水质进行动态模拟及预测，为配水系统进行科学调度提供技术支持，降低事故风险。氯对细菌等微生物有杀灭抑制作用，目前是反映饮用水水质的重要指标［1］。而饮用水中微生物、可同化有机碳(AOC)、余氯三者是相互关联的:AOC(AssimilableOrganicCarbon)为小分子有机物，能被微生物直接利用进而再生长［2］;余氯氧化性强，又能与有机物、微生物发生氧化还原反应产生AOC。因此选取微生物、AOC、余氯三个水质指标作为模拟对象，可以更加全面准确地反映供水管网的水质分布情况。国外对饮用水水质模拟研究较早，MunavalliGＲ等人［3］和DukanS等人［4］均曾以微生物为模拟对象，从机理上建立了生物可降解有机碳(BDOC)、微生物、余氯三者交互式反应动力学方程，但方程形式十分复杂，而且未知参数众多，很难加以实际应用。国内也有学者开始研究并建立饮用水水质模型，如舒诗湖等［5］利用反应器研究供水管网中可同化有机碳(AOC)的反应动力学方程，但模型仅考虑了AOC和余氯两个指标，未将微生物指标纳入其中。为此，以一个封闭的反应器为研究工具，不考虑内壁生物膜的影响，研究了饮用水中微生物和AOC的变化规律，在现有余氯模型的基础上，建立微生物、AOC、余氯三者浓度的动力学模型方程，通过实验数据对模型参数进行校核并对模型进行了验证与分析。1微生物与AOC动力学模型1．1微生物模型在饮用水中，微生物的变化是有机底物和余氯两者综合影响下的结果。微生物生长速率(BiomassGrowth)模型采用公认的Monod动力学表达式。微生物的死亡包括自然死亡(NaturalMortality)和氯消毒死亡(ChlorineMortality)，前者死亡速率符合一级模型，后者还与氯浓度有关，随氯浓度的增大而增大。微生物动力学模型的各个速率表达式如下:BiomassGrowthＲate=μmaxSS+KS·xβ(1)NaturalMortalityＲate=kmort·xβ(2)ChlorineMortalityＲate=kCl2·Cl2·xβ(3)其中:μmax为微生物最大比增长速率，1/h;S为AOC浓度，mg/L;KS为半速常数，mg/L;X为微生物浓度，cell/L;β为单位换算系数，即单位数量微生物与其所含有机碳质量之比，取1×109cell/mgC［6］;kmort为自然死亡速率常数，1/h;kCl2为氯抑制常数，1/h/mg/L;Cl2为氯浓度，mg/L。1．2AOC模型饮用水中的溶解性有机物的种类很多，可同化有机碳(AOC)则是可直接被微生物所利用并合成细胞体的小分子类有机碳。目前，常把AOC作为反映饮用水生物稳定性的重要指标［7］。饮用水中AOC与两个因素有关，一是水中微生物的活动，二是水中的消毒剂影响，如氯、臭氧等。由AOC的定义可知，当以AOC为有机底物，并且用微生物细胞内有机碳重量代表微生物的量时，那么单位时间内微生物生长所消耗的AOC(SubstrateUtilization)等于微生物的增量。微生物生长的同时，也伴随着一部分微生物的死亡。研究证明，两种不同