固相反硝化反应器对含盐水体脱氮效率的预测模型

中国环境科学2011,31(1)：32~37ChinaEnvironmentalScience固相反硝化反应器对含盐水体脱氮效率的预测模型赖才胜1,2,谭洪新1*,罗国芝1,阮赟杰1,孙大川1,王智勇2(1.上海海洋大学水产与生命学院,上海201306；2.惠城区水产技术推广站,广东惠州516001)摘要：以聚丁二酸丁二醇酯(PBS)颗粒作为反硝化固体碳源和生物膜载体的填料床反应器处理含盐水体的脱氮效果表明,在温度在(29±1)℃的条件下,反应器对含盐水体中NO3--N具有良好的反硝化性能.以NO3--N去除率为响应值,利用响应曲面法考察进水硝酸盐浓度和水力停留时间对脱氮效率的影响.因素分析表明,进水NO3--N和HRT及其交互作用对响应目标值均具显著影响.根据多重回归的系数建立了二次多项式回归方程的预测模型,通过对模型进行方差分析,显示模型的预测值与实测值吻合良好.关键词：固相反硝化；硝酸盐去除；响应曲面法；预测模型中图分类号：X52文献标识码：A文章编号：1000-6923(2011)01-0032-06Predictionmodelfornitrateremovalefficiencyofsalinewaterinsolid-phasedenitrificationpacked-bedreactors.LAICai-sheng1,2,TANHong-xin1*,LUOGuo-zhi1,RUANYun-jie1,SUNDa-chun1,WANGZhi-yong2(1.CollegeofFisheriesandLifeScience,ShanghaiOceanUniversity,Shanghai201306,China；2.AquacultureTechnologyExtensionStationofHuichengcounty,Huizhou516001,China).ChinaEnvironmentalScience,2011,31(1)：32~37Abstract：ThePBS(polybutylenesuccinate)pelletswereinvestigatedasthesimultaneoussolidcarbonsourceandthebiofilmcarrierforthenitrateremovalofthesyntheticsalinewastewater.Nitratewasremovedeffectivelywhenthewatertemperaturewas(29±1).Basedonthetheoryofresponse℃surfacemethodology(RSM),effectsofinfluentnitrateconcentrationsandhydraulicretentiontimewereexploredwiththenitrateremovalefficiencyastheresponsevalue.Influentnitrateconcentration,hydraulicretentiontimeandtheircorrespondingrelationshiphadsignificantimpactsonresponseobjective.Baseonthevalueofmultipleregressions,thepredictivepolynomialquadraticequationmodelwasestablished.Predictionsinferredfromthemodelwereingoodagreementwiththeexperimentaldatathatobtainedfromactualoperationbyanalysisofvariance(ANOVA).Keywords：solid-phasedenitrification；nitrateremoval；responsesurfacemethodology；predictionmodel随着海水养殖规模的日益扩大,保护近岸海域渔业生态环境,发展和推广封闭式循环水养殖系统零污水排放成为水产养殖业持续发展的主要方向[1].在循环水养殖系统的水环境控制中,生物滤器将NH4+-N和NO2--N转化为NO3--N,系统水体中积累的最大NO3--N浓度可高达400~500mg/L[2-3].因此,循环水养殖系统中高浓度NO3--N的控制十分重要.近年来,固相反硝化在闭合循环养殖水、地下水、饮用水源水等水体的生物脱氮中得到越来越多的关注[4-7].特别是以可生物降解聚合物(BDPs)为碳源和生物膜载体的固相反硝化工艺逐渐得到研究者们的重视[8-10].在固相反硝化工艺中进水NO3--N浓度和HRT是影响脱氮效率的两个主要因素[11].若能有效地预测这2个因素对脱氮效率的影响,对该工艺的实际应用将具有重要的指导意义和实用价值.响应曲面法是研究2个或多个因素之间交互作用的一种工具.它以回归方法将因子与试验结果的关系函数化,依次对函数进行全面分析,定量地分析各因素及其交互作用对响应值的影响[12-13].目前,已有报道应用响应曲面法优化硫-石灰石自养反硝化的脱氮效率[14].但利用响应曲面法用于优化和预测固相反硝化脱氮效率的研究在国内外尚鲜见报道.收稿日期：2010-05-15基金项目：国家科技支撑计划项目(2006BAD03B06);上海市重点学科建设项目(S30701)*责任作者,教授,[e-mail]1期赖才胜等：固相反硝化反应器对含盐水体脱氮效率的预测模型33本试验以PBS为填料床反应器的固体碳源和生物膜载体,以人工合成的含盐水体为处理对象,采用响应曲面法研究在含盐水体条件下进水NO3--N浓度和HRT及其交互作用对脱氮效率的影响.建立了脱氮效率的预测模型,以期为海水封闭循环水养殖系统的反硝化功能单元设计与操作运行提供数据支持.1材料与方法1.1实验材料实验采用的非水溶性聚丁二酸丁二醇酯是改性后的BDPs材料,为淀粉与聚烯烃材料相溶后形成的共聚物.购于武汉科恩克科技有限公司.试验所用的活性污泥取自于上海市东区污水处理厂二沉池.1.2接种物的培养取500mL的平底烧瓶中加入一定量的PBS颗粒和陈化自来水配水(加入硝酸钾和磷酸二氢钾,使硝酸盐氮与磷的浓度分别保持在60~80mg/L与10mg/L),然后加入活性污泥,污泥浓度控制在1500mg/L左右,瓶口用橡胶塞密封,保持平底烧瓶内缺氧环境.将平底烧瓶放入恒温振荡器上,对反硝化微生物进行驯化.驯化时温度为(29±1),℃振荡速度为70r/min,每天换水,监测平底烧瓶中硝酸盐氮的浓度.培养约2周,然后选用此PBS颗粒作为反应器的接种物.1.3实验装置试验反应器装置如图1所示,反应器为褐色不透明PVC工程塑料柱,以消除光合细菌影响.反应器体高60cm,内径10cm.反应器内装填PBS颗粒,填充高度为35cm.进水由配水池经蠕动泵打入反应器,进水采用上流方式,流速由蠕动泵控制,进水中充氮气以控制溶解氧(DO).试验进水由陈化自来水配置而成,成分为:NO3--N(以KNO3配)47.6~132.4mg/L,KH2PO410mg/L,MgCl2·6H2O200mg/L,FeSO4·7H2O10mg/L,CaCl2·2H2Omg/L,NaCl30000mg/L.进水温度为(29±1),℃pH7.50±0.5,DO为2mg/L左右,盐度为30.5,该盐度条件适合绝大部分海水养殖对象生存.氮气蠕动泵填料出水口配水池图1试验装置示意Fig.1Flowdiagramoftheexperiment1.4反应器的接种和挂膜把培养的接种物填料按总重量10%的量移入反应器,即完成接种.反应器驯化阶段,保持水力停留时间为8h,以高浓度硝酸盐氮对反应器里的细菌进行培养和驯化,并每天检测反应器出水的NO3--N浓度和NO2--N浓度.待运行一个多月后,且出水连续3次NO3--N浓度测定的平均值差异在5%之内,则认为反应器基本处于稳定运行,可进行后续试验.1.5实验方法与设计采用中心复合设计,以进水NO3--N浓度和HRT为考察因子(自变量)X,分别以X1,X2表示,根据之前的研究结果及预实验,选定进水NO3--N浓度和HRT的范围.实验因素编码及水平见表1.表1响应曲面模型的变量及其范围Table1Thevariablesandcorrespondingrangeoftheresponsesurfacemethodologymodel编码水平因素名称-α-10+1+αX1进水NO3--N浓度(mg/L)47.66090120132.4X2HRT(h)3.14688.8以NO3--N去除率为响应值Y,响应值与自变量之间的关系用二阶响应曲面方程拟合[12]:2012=1=1=++++(,,...,)KKiiiiiijijKiiijYXXXXeXXXββββ∑∑∑(1)式中:Y为响应值;β0为常数项,Xi为自变量;βi,βj,βij分别表示1次,2次,交互作用项的回归系数;K为影响因素的数量;e为误差(实验误差和拟合不34中国环境科学31卷足误差,后者又包括高阶项和交互项).1.6测定方法水样首先经0.45µm滤膜过滤.NO3--N和NO2--N分别采用紫外分光光度法和盐酸萘乙二胺比色法测定.YSI测定pH值、DO和温度(采用YSI556MPS多参数水质测量仪).1.7数据处理本试验采用Minitab15.0试验软件进行试验设计与数据分析;SigmaPlot11.0绘图软件绘制响应曲面图和等高线图.2结果与分析2.1因素试验结果与参数分析根据试验设计的方案进行试验,试验设计方案与结果如表2所示.表2中心复合设计与实验Table2Rotatablecentralcompositedesignandtestresults自变量X响应值Y试验序号X1(mg/L)X2(h)实测值预测值1132.460.47740.488529060.71490.712336040.53050.5329447.660.83790.855756080.93060.91716908.80.82200.833479060.72710.71238903.10.47810.465999080.72050.71231012040.64800.64561112060.45350.4685129060.71040.7123139060.70810.71232.2预测模型的建立及因素项的显著性验证表3所示结果为进水NO3--N浓度和HRT在中心复合设计条件下,预测脱氮效率的回归方程系数及其因素显著性检验.由统计学知识可知,P值小,说明因素的影响是显著的;当因素的P值大于0.05时,意味着该因素的影响程度小于95%置信区间.而有些因素的标准偏差远大于回归系数,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.由表3可以看出,预测模型中6个因素项(包括常数项,2个线性项X1,X2;1个交叉项X1X2;2个平方项X12,X22)都对目标函数影响显著.因此,经回归拟合后,脱氮效率的预测模型可以通过二次多项式回归方程进行描述:Y=-0.6884+0.013131X1+0.25211X2-0.0010358X1X2-0.00005589X12-0.007826X22(2)式中:Y为硝酸盐去除率,%;X1为进水NO3--N浓度,mg/L;X2为HRT,h.表3因素项的影响检验Table3Thesignificancetestofthefactor自变量系数系数标准T值P值常量-0.68840.1072-6.420.000X10.0131310.0016607.910.000X20.252110.0202112.470.000X1X2-0.00103580.0001340-7.730.000X12-0.00005580.0000074-7.470.000X22-0.0078260.001305-6.000