固体碳源填充床反应器脱除污水硝态氮效能的预测模型

第29卷第6期农业工程学报Vol.29No.62013年3月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringMar.2013209固体碳源填充床反应器脱除污水硝态氮效能的预测模型张兰河1，孙立娇1,2，仇天雷2，韩梅琳2，王旭明2※（1.东北电力大学化学工程学院，吉林132012；2.北京农业生物技术研究中心，北京100097）摘要：为了预测固相反硝化反应器出水的硝酸盐浓度，优化工艺参数，以聚羟基丁酸戊酸共聚酯[Poly(3-Hydroxybutyrate-co-3-Hydroxyvalerate)，PHBV]作为反应器的碳源和生物膜载体，对受硝酸盐污染的水进行生物反硝化脱氮。采用Box-Behnken试验设计，利用响应曲面法研究了反应器出水硝态氮浓度与进水硝态氮浓度、水力停留时间（hydraulicretentiontime，HRT）和温度之间的关系，建立了以出水硝态氮浓度为响应值的二次多项式回归模型。该数学模型可以定量描述进水硝态氮浓度、HRT和温度对出水硝态氮浓度的影响，模型预测值与试验值能吻合较好。方差分析结果表明，进水硝态氮浓度、温度和HRT及其交互作用对响应值均具有显著性影响（P＜0.05）。关键词：硝化，温度，模型，固体碳源，响应曲面法，硝酸盐doi：10.3969/j.issn.1002-6819.2013.06.026中图分类号：S275文献标志码：A文章编号：1002-6819(2013)-06-0209-05张兰河，孙立娇，仇天雷，等.固体碳源填充床反应器脱除污水硝态氮效能的预测模型[J].农业工程学报，2013，29(6)：209－213.ZhangLanhe,SunLijiao,QiuTianlei,etal.Predictionmodelforperformanceofnitrateremovalfromcontaminatedwaterusingreactorpackedwithsolidcarbonsource[J].TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE),2013,29(6):209－213.(inChinesewithEnglishabstract)0引言由于农业上氮肥的大量应用、污水灌溉以及工业上含氮废水的排放等原因，造成了地下水与地表水中硝酸盐浓度不断增加，这已成为世界范围内水体污染的突出问题[1-2]。生物反硝化是消除水体硝酸盐污染的有效方法之一，其生物学实质是硝酸盐作为脱氮菌呼吸链的最终电子受体而被还原为气态氮化物的过程。与离子交换、电渗析、反渗透等物理化学方法相比，生物反硝化方法的优势在于经济、环境友好，而且适于大规模应用[3-5]。固相反硝化是一种新型的反硝化工艺，该工艺以非水溶性的固体有机物作为碳源和微生物的附着载体[6-8]，它能克服传统异养反硝化工艺中液体碳源（甲醇，乙醇、乙酸等）投加易过量而影响出水水质的风险，而且收稿日期：2010-08-18修订日期：2012-10-12基金项目：国家自然科学基金项目（21077014）；北京市科技计划课题（Z121100001512008）；现代农业产业技术体系北京市创新团队建设专项资金（N2011030012）；北京市农林科学院科技创新能力建设专项（A201200010）。作者简介：张兰河（1971－），男，黑龙江双鸭山人，博士，副教授，主要从事水污染控制技术研究。吉林东北电力大学化学工程学院，132012。Email：[e-mail]※通信作者：王旭明（1972－），男，辽宁凌海人，博士，副研究员，主要从事环境生物技术研究。北京北京市农林科学院北京农业生物技术研究中心，100097。Email：[e-mail]该工艺简单、运行稳定[9]。大量研究表明，进水硝态氮（NO3--N）浓度、温度和水力停留时间（HRT）是影响固相反硝化脱氮效率的3个关键因素[10-15]，但这些研究仅考虑了单因素的效应，缺少各因素间关系的定量研究。赖才胜[16]和Zhang等[17]在研究反硝化的脱氮预测模型中，都定量考察了进水NO3--N浓度和HRT对NO3--N去除的影响，而没有考察温度这个影响微生物反硝化的关键因素。如果能定量研究进水NO3--N浓度、温度和HRT3个因素对固相反硝化脱氮效果的影响，将对该工艺的工程应用具有重要的指导意义。本文以聚羟基丁酸戊酸共聚酯（PHBV）作为固相反硝化的碳源和生物膜载体，采用响应曲面法建立脱氮效果的二次多项式回归模型，定量分析固相反硝化工艺中进水NO3--N浓度、HRT、温度及其交互作用对出水NO3--N浓度的影响。1材料与方法1.1试验材料PHBV由宁波天安生物材料有限公司提供。PHBV为灰白色颗粒，高4mm，直径3mm，比表面积2m2/kg。在自来水中加入NaNO3，使硝态氮浓度在50mg/L左右，以模拟受硝酸盐污染的水。进水pH农业工程学报2013年210值调至7.5，进水亚硝态氮0，氨氮0、COD0～1.0mg/L。采用相同方法配制硝态氮浓度在5000mg/L的硝酸盐浓缩液。本研究中所使用的活性污泥（悬浮固体浓度为5720mg/L）取自实验室处理养殖废水的SBR反应器（SBR运行周期：好氧阶段5h—缺氧搅拌阶段2h—静置1h—排水，每天3个循环）。1.2试验装置图1为试验装置示意图。反应器为有机玻璃柱，柱内径60mm、柱高760mm。柱内装入400gPHBV颗粒。通过缠在反应器外的加热带和温控仪调节反应温度。进水由配水池经蠕动泵从反应器底部进入反应器，流速由蠕动泵（BT100-2J，保定兰格恒流泵有限公司）控制。进水通入高纯氮气，使溶解氧（DissolvedOxygen，DO）浓度低于0.5mg/L，以保证反硝化的顺利进行。1.氮气Nitrogengas2.蠕动泵Peristalticpump3.进水口Influentport4.PHBV颗粒PHBVgranules5.固体取样口Solidsampleoutlet6.液体取样口Liquidsampleoutlet7.温度计Thermometer8.出水口Effluentport9.排气管Exhaustgaspipe.图1试验装置示意图Fig.1Schematicrepresentationofexperimentalset-up1.3反应器的接种与启动以实验室SBR（序批式活性污泥法，sequencingbatchreactoractivatedsludgeprocess）反应器中的活性污泥作为反应器的接种物。反应器进水由自来水加硝酸盐浓缩液配制而成：pH值7.5，水温25℃，HRT6h，NO3--N50mg/L。2L配水中加入20mL活性污泥，采用循环进水的方式进行接种和反硝化微生物的驯化，循环进水3d。随后开始连续进水。每天测定出水NO3--N浓度。当连续3d出水的NO3--N浓度相对误差在5%之内，认为反应器稳定运行，进行后续实验。1.4Box-Behnken试验设计利用Minitab软件进行Box-Behnken试验设计，以HRT、温度、进水NO3--N浓度为考察因子；以出水NO3--N浓度为响应值，建立响应值与各考察因子之间的二次多项式回归模型。根据之前的预试验选定3个因素的范围，试验因素编码及水平设置见表1。试验设计方案如表2所示（由软件Minitab16软件生成）。每一试验条件下稳定运行3d后进入下一个试验条件。表1Box-Behnken试验设计的因素及其水平Table1FactorsandlevelsforBox-Behnkendesign因素的水平设置Leveloffactor因素代码Factorcode因素Factor-101X1HRT/h3.04.56.0X2温度Temperature/℃202632X3进水NO3--N浓度InfluentNO3--Nconcentration/(mg·L-1)3050701.5测定方法水样经过0.45μm微孔滤膜过滤，NO3--N浓度分别采用紫外分光光度法测定[18]，紫外分光光度计为756P紫外可见分光光度计。pH值使用雷磁PHSJ-3F实验室pH计（上海精科）进行测定。1.6数据处理本试验采用Minitab16试验软件进行试验设计与数据分析；采用Sigmaplot10.0绘图软件绘制响应曲面图和等值线图。2结果与讨论2.1二次多项式回归模型的建立及显著性检验反应器达到稳定后，根据试验设计的方案运行反应器，结果如表2所示。利用Minitab16软件对表2数据进行回归拟合，得到预测模型的回归系数（见表3）。当某个因素的P值＜0.05时，说明该因素对响应值的影响是显著的；当某个因素的P值＞0.05时，意味着该因素的影响程度小于95%置信区间。而某些因素的标准偏差大于回归系数，则会导致P值接近于1，从而表明这些因素对目标函数影响不显著[16]。从表3可以看出，本试验的10个因素项（包括常数项；3个线性项X1，X2，X3；3个平方项X12，X22，X32）；3个交叉项X1X2，X1X3，X2X3）的P值均小于0.05，都对目标函数影响显著。根据表3，可得到HRT、进水NO3--N浓度、温度与出水NO3--N浓度之间的二次多项式方程为12322212312132327.814.982.060.980.450.050.0030.130.040.007Yxxxxxxxxxxxx（1）式中，Y为出水NO3--N浓度，mg/L；x1为HRT，h；x2为温度T，℃；x3为进水NO3--N浓度，mg/L。第6期张兰河等：固体碳源填充床反应器脱除污水硝态氮效能的预测模型211表2Box-Behnken试验设计方案与结果Table2Box-Behnkendesignandtestresults试验编号NumberHRT/h温度Temperature进水NO3--NInfluentNO3--Nconcentration/(mg·L-1)出水NO3--NEffluentNO3--Nconcentration/(mg·L-1)NO3--N去除率RemovalefficiencyofNO3--N/%14.5020.0070.0057.4116.0226.0026.0030.008.1971.6034.5032.0030.006.7578.0244.5026.0050.0031.2234.7554.5020.0030.0019.4435.1863.0026.0030.0018.6236.2173.0026.0070.0058.2815.1883.0020.0050.0042.3414.2496.0026.0070.0042.5834.61103.0032.0050.0029.8940.68114.5032.0070.0041.5538.61126.0032.0050.0013.4971.88136.0020.0050.0030.4835.63144.5026.0050.0032.0432.73154.5026.0050.0031.8432.58表3因素项的显著性检验Table3Significancetestoffactors项Term系数Coefficient系数标准误StandarderrorofcoefficientT值TvalueP值Pvalue常量31.7000.287110.409＜0.001X1-6.7990.176-38.669＜0.001X2-7.2490.176-41.228＜0.001X318.3530.176104.382＜0.001X1*X1-1.0100.259-3.9030.011X2*X2-1.6400.259-6.3370.001X3*X31.2280.2594.7430.005X1*X2-1.1350.249-4.5650.006X1*X