一种评价厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法与流程

本发明涉及废水生物脱氮技术领域，特别涉及颗粒污泥上浮的评价与控制。

背景技术：

随着社会经济飞速发展，人们的生活水平快速提高，越来越多的含氮化合物排入水中，水体氮素污染问题日益严峻，对环境水生态造成了严重影响，破坏了人与自然的和谐。氨氮进入水体后，可使湖泊富营养化，造成蓝藻、绿藻等藻类爆发，耗尽水体中的溶解氧，使水生动植物死亡，水生生态系统遭到严重破坏。同时，氨氮排入水体中，可与水中其他物质反应生成多种有毒物质，严重危害水质安全。传统的生物脱氮过程如硝化、反硝化存在脱氮速率不高，需氧量大以及需添加有机物以提供电子供体等不足，这无形增加了运行成本限制其运用。

厌氧氨氧化(anammox)可在缺氧条件下以亚硝酸盐为电子受体将氨直接氧化为氮气，是一个完全自养脱氮过程，该过程无需添加有机物和曝气，因而可大大降低能耗和运行费用，且剩余污泥产量少，容积效能高，据报道其容积氮去除负荷高达77kg/(m³·d)，可大大降低废水处理成本及减少反应器的占地面积，因而被公认为迄今最具可持续发展特性的废水脱氮技术。目前已在污泥压滤液、垃圾渗滤液、味精废水、制药废水等领域获得了应用，显示了良好的应用潜力。

在厌氧氨氧化反应器的运行过程中特别是在上流式厌氧氨氧化颗粒污泥反应器中，存在颗粒污泥上浮到水面的现象，通过观察发现这些上浮的厌氧氨氧化颗粒污泥粒径较大、表面鲜红色颜色较浅，结构蓬松，颗粒内部含有空洞。颗粒污泥上浮会导致反应器内污泥大量流失，这严重影响到了反应器的脱氮性能和长期的稳定运行。此外，上浮的污泥可能会堵塞出水管道导致反应器运行故障。深入研究还发现，颗粒内部空洞的形成是导致颗粒上浮的主要原因，究其原因主要是颗粒内部空洞的形成造成了颗粒密度变小，当小于水的密度时颗粒便会上浮。随着粒径的增长或对于较大颗粒，由于基质在颗粒内部反应-扩散，会导致颗粒内部浓度偏低，当低于某种程度时，颗粒中心内的菌体得不到有效基质，无法完成生长、代谢过程，随后菌体开裂解、自溶最后释放空间形成空洞。此外由于颗粒内部的一些气道堵塞，基质充足处的菌体产生的一部分气体被陷在空洞内形成气腔；与此同时，另一部分气体沿着未被堵塞的气腔将释放到颗粒外界。因而如能有效地确定出空腔大小并调控，便能有效地控制颗粒上浮。

数学模型是一个十分有用的工具，也是刻画客观规律的一种形式。通过建立模型，能够模拟我们不能直接观察到的现象，量化影响因子与目标变量之间的关系，以帮助我们对反应机理的理解，同时也为反应器的运行、优化和设计提供帮助。然而目前量化空腔大小和颗粒上浮模型都是基于经验拟合公式或不能有效地描述颗粒实际上浮情况，因而其运用被限制。

基于上述过程，通过建立合适的数学模型来评价厌氧氨氧化颗粒污泥的上浮，对颗粒污泥的上浮控制有重要作用。

技术实现要素：

为了克服目前颗粒实际上浮情况不能被经验公式准确的描述，导致无法正确的调控颗粒上浮的技术问题，本发明提供一种能够准确有效的对颗粒上浮情况进行计算的评价厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法。

为了实现上述技术目的，本发明的技术方案是，

一种评价厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，包括以下步骤：

步骤一：基于传质限制导致颗粒内部菌体自溶形成空腔机理，得到空腔边缘菌体生长速率小于衰减速率的数学表达式，进而计算得到形成空腔的临界基质浓度；

步骤二：测得反应器内的基质浓度和颗粒污泥半径，并代入反应扩散-方程，以确定颗粒污泥内部各处的基质浓度分布；

步骤三：当颗粒内部某处的基质浓度低于临界基质浓度时，即表明该处存在空腔，且空腔边缘的基质浓度即为临界基质浓度，通过结合步骤一和步骤二，确定颗粒内的空腔直径大小；

步骤四：计算含空腔颗粒污泥的重力和浮力，当含有气腔的颗粒污泥重力小于浮力时，颗粒就会上浮，否则下沉。

所述的一种评价厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，所述的步骤一中，空腔边缘菌体生长速率小于衰减速率的数学表达式为：

则形成空腔的临界基质浓度scrit为：

其中：μ(r)表示厌氧氨氧化菌在颗粒内部距中心r处的增长速率，s(r)表示在颗粒内部距中心r处的基质浓度，kd为厌氧氨氧化菌的衰减常数，μmax为厌氧氨氧化菌最大比增长速率，k为厌氧氨氧化菌对基质的亲和常数，scrit为临界基质浓度。

所述的一种评价厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，所述的步骤二中，确定基质浓度在颗粒污泥内部的分布是通过下式实现：

式中

边界条件为：

在r＝0,在r＝r,s(r)＝sbulk

其中：ξ为比例常数；y为产率系数；r为颗粒污泥半径；υ(r)为颗粒内部距中心r处的体积基质转化速率；sbulk表示反应器内的基质浓度；ρx为生物量密度；d为基质的传质系数，d为微分符号。

所述的一种评价厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，所述的步骤三中，根据步骤二反应扩散方程计算基质浓度在颗粒内部的分布s(r)，并结合步骤一中的临界基质浓度scrit，确定空腔大小，即

scrit＝s(r^*)

其中临界基质浓度scrit所对应的半径r*即为空腔的半径。

所述的一种评价厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，所述的步骤四中，通过以下公式计算含空腔颗粒污泥的重力fg和浮力fb：

含空腔颗粒污泥重力：

浮力：

其中，m为颗粒的质量，ρb为颗粒不含空腔的污泥密度，ρw为颗粒所在反应器内液体密度，g为重力加速度，为颗粒的体积，为颗粒内部空腔的体积。

所述的一种评价厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，所述的颗粒粒径dj由对颗粒直接测定的投影当量粒径dp换算得来：

dj＝ψmdp

其中：dj为理论球形粒径，ψm为质量修正因子。

所述的一种评价厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，所述的比例常数，是在基质为亚硝氮时列入计算公式中，当基质为氨氮时则不将该比例常数列入计算公式中。

所述的一种评价厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，所述反应器内的基质浓度sbulk是从反应器内需要进行颗粒污泥上浮评价的位置测得的。

所述的一种评价厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，所述投影面积当量粒径dp，是将颗粒从反应器取出，并通过工具直接测量得到的。

所述的一种评价厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，所述颗粒不含空腔的污泥密度ρb，是从反应器底部和顶部分别取若干颗粒，粉碎后测得的污泥密度的平均值。

本发明的技术效果在于，基于颗粒污泥传质过程受限导致颗粒内细菌饥饿、裂解从而形成气腔、发生上浮的机理，将反应-扩散方程与生物生长/衰减过程耦合，建立了定量计算颗粒气腔大小和评估上浮行为的数学模型。通过测定反应器内的基质浓度以及颗粒污泥的粒径，即可通过模型计算反应器厌氧氨氧化颗粒内部的气腔体积，比较颗粒污泥所受的浮力与重力，进而准确判定厌氧氨氧化颗粒污泥是否上浮。本发明提供了一种便捷、快速判定厌氧氨氧化颗粒污泥上浮的方法，可在厌氧氨氧化工艺中广泛应用。在对厌氧氨氧化颗粒污泥上浮情况进行分析计算时，只需测得基质浓度和颗粒粒径两个参数，就可准确的计算空腔大小，实现了对于厌氧氨氧化颗粒污泥是否会上浮准确、便捷、快速的判定。

附图说明

图1为反应器取样示例。

图2为采用本发明的实施例3、4计算的上浮颗粒和下沉颗粒质量。

图3为采用本发明的实施例5得到颗粒上浮的区域。

具体实施方式

以下通过实施例对本发明作进一步说明，而非限制本发明。

本发明实施例包括以下步骤：

步骤一：基于传质限制导致颗粒内部菌体自溶形成空腔机理，得到空腔边缘菌体生长速率小于衰减速率的数学表达式，进而计算得到形成空腔的临界基质浓度；

步骤二：测得反应器内的基质浓度和颗粒污泥半径，并代入反应扩散-方程，以确定颗粒污泥内部各处的基质浓度分布；

步骤三：当颗粒内部某处的基质浓度低于临界基质浓度时，即表明该处存在空腔，且空腔边缘的基质浓度即为临界基质浓度，通过结合步骤一和步骤二，确定颗粒内的空腔直径大小；

步骤四：计算含空腔颗粒污泥的重力和浮力，当含有气腔的颗粒污泥重力小于浮力时，颗粒就会上浮，否则下沉。

在步骤一中，空腔边缘菌体生长速率小于衰减速率的数学表达式为：

上述公式是根据菌体内源呼吸，也就是菌体生长速率低于衰减速率所得到的，然后确定形成空腔的临界基质浓度scrit为：

即当颗粒内部的基质浓度低于这个临界基质浓度时，颗粒内部便有空腔的存在。然后再结合后面的传质方程来确定基质浓度在颗粒的分布，最后可确定空腔大小。其中：μ(r)表示厌氧氨氧化菌在颗粒内部距中心r处的增长速率，s(r)表示在颗粒内部距中心r处的基质浓度，kd为厌氧氨氧化菌的衰减常数，μmax为厌氧氨氧化菌最大比增长速率，k为厌氧氨氧化菌对基质的亲和常数，scrit为临界基质浓度。

步骤二中，确定基质浓度在颗粒污泥内部的分布是通过下式实现：

式中

边界条件为：

在r＝0,在r＝r,s(r)＝sbulk

其中：ξ为比例常数；y为产率系数；r为颗粒污泥半径；υ(r)为颗粒内部在距颗粒中心r处的体积基质转化速率；sbulk表示反应器中内的基质浓度；ρx为生物量密度；d为基质的传质系数，d为微分符号。

步骤三中，根据步骤二反应扩散方程计算基质浓度在颗粒内部的分布s(r)，并结合步骤一中的临界基质浓度scrit，确定空腔大小，即

scrit＝s(r^*)

其中临界基质浓度scrit所对应的半径r*即为空腔的半径。

在步骤一中得到的临界基质浓度为空腔边缘处的基质浓度，与生物特性有关，是一个定值。

而根据步骤二扩散方程，可以计算出颗粒内部任意半r处的基质浓度即s(r)，再结合步骤1所计算的临界基质浓度scrit，当某处半径(r*)的基质浓度小于等于临界基质浓度时(scrit＝s(r*))，即空腔存在，此时r*即为空腔的半径。如果颗粒内部没有低于临界基质浓度的，即没有空腔。

不同的颗粒直径大小和反应器内部浓度sbulk不一样，算出的基质在颗粒内部的浓度也不一样的，虽然临界基质浓度scrit一样，但是s(r*)与scrit相等时的r*是不一样的，也就是说得到的空腔大小也是不一样的，这样即能够得到颗粒内部的空腔大小。

步骤四中，通过以下公式计算含空腔颗粒污泥的重力fg和浮力fb：

含空腔颗粒污泥重力：

浮力：

其中，m为颗粒的质量，ρb为颗粒不含空腔的污泥密度，ρw为颗粒所在反应器内液体密度，g为重力加速度，为颗粒的体积，为颗粒内部空腔的体积。

颗粒粒径dj由对颗粒直接测定的投影当量粒径dp换算得来：

dj＝ψmdp

其中：dj为理论球形粒径，ψm为质量修正因子。

而投影面积当量粒径dp，是将颗粒从反应器取出，并通过工具直接测量得到的。具体测量方式可根据实际情况确定，比方说颗粒粒径较大，可以采用直尺测量。也可以采用相应仪器测量，或拍摄后用相关的图像处理软件测量等。

测量得到的基质浓度sbulk是从反应器内需要进行颗粒污泥上浮评价的位置测得的，比方说，需要对反应器底部区域进行颗粒污泥上浮评价，那么就测定反应器底部区域的基质浓度sbulk，相应的，如果需要对反应器顶部区域进行评价，就测定反应器顶部区域的基质浓度sbulk。

颗粒不含空腔的污泥密度ρb，为反应器底部和反应器顶部不含空腔颗粒污泥密度的平均值。这里的不含空腔颗粒污泥密度，是从反应器底部和顶部分别取若干颗粒，粉碎后测得的污泥密度的平均值。因为在粉碎颗粒之后，颗粒内部的空腔也就不存在了，所以测量得到的是不含空腔颗粒污泥密度。

在计算公式中出现的比例常数ξ，是在基质为亚硝氮时才列入计算公式中，当基质为氨氮时则不将该比例常数列入计算公式中。

传质系数在以氨氮为指标时为0.1736×10^-8m²/s，以亚硝氮为指标时为0.16194×10^-8m²/s。

亲和常数在基质为氨氮时取0.73mgn/l，亚硝氮则取0.55mgn/l。

临界基质浓度在基质为氨氮时取氨氮为0.041mgn/l，亚硝氮则取0.031mgn/l。

用于计算的氨氮或亚硝氮基质浓度范围为；50mgn-250mgn/l，用于计算的颗粒粒径dp范围为0.5mm-5.5mm。

实施例1

确定模型的基本参数ρb取1068kg/m3，ρw取1000kg/m3，亚硝氮传质系数为0.16194×10^-8m²/s，颗粒污泥的生物量密度取350000gcod/m³，厌氧氨氧化对亚硝氮的亲和常数为0.55mgn/l，质量修正系数ψm取0.84，有亚硝氮临界基质浓度scrit为0.031mgn/l。选取反应器底部颗粒污泥，测得反应器底部亚硝氮浓度为226mgn/l,，粒径为2.46mm，代入上浮模型计算得到气腔0mm³，重力52.1μn,浮力48.6μn，浮力小于重力，污泥下沉，符合反应器实际情况。

实施例2

模型的基本参数与实施例1相同。取反应器顶部漂浮的上浮污泥，测得反应器顶部亚硝氮浓度为4.5mgn/l，粒径为3.06mm，代入上浮模型计算得颗粒气腔体积为6.23mm³，重力30.5μn，浮力89.3μn，浮力大于重力，污泥上浮，符合反应器实际情况。

实施例3：

模型的基本参数与实施例1相同。从反应器顶部漂浮的颗粒污泥中随机选取22个上浮颗粒污泥，分别测定其粒径、质量(颗粒质量与其重力成正比)及基质浓度，经过模型计算，可获得其计算质量，与实测质量的拟合系数为(0.827)，可较好的判定颗粒污泥上浮行为。

实施例4：

模型的基本参数与实施例1相同。从反应器底部随机选取30个颗粒污泥，分别测定其粒径、质量(颗粒质量与其重力成正比)及基质浓度，经过模型计算，可获得其计算质量，与实测质量的拟合系数为(0.761)，可较好的判定颗粒污泥上浮行为。

实施例5：

模型的基本参数与实施例1相同。取no2-n浓度和粒径分别为：50mgn/l-250mgn/l和dp：0.5mm-5.5mm，带入模型可模拟出不同粒径和基质浓度下颗粒上浮的区域。