生物流化床反应器处理苯胺废水的动力学研究(附件)
本实验以石英砂为载体，污水为流化介质，利用载体上生物膜的吸附降解作用去除有机污染物，考查生物流化床(Biological fluidized Bed , BFB)处理苯胺废水的动力学。本实验利用三相流化床装置模拟处理苯胺废水。三相生物流化床的微生物生长动力学拟合方程为1/θc=0.27q-0.0611，微生物生长动力学参数YOA=0.27gVSS/gCOD，衰减常数Kd=0.0611d-1；COD基质降解动力学拟合方程1/U=6.8209*1/S+0.0014，米氏常数KS=4872.07mg/L，动力学参数K=714.29mg/(L·h)；苯胺基质降解动力学拟合方程1/U=7.525*1/S+0.0206，苯胺的基质降解动力学常数K=48.54mg/(L·h)，米氏常数KS=365.29mg/L。实验表明，该实验微生物生长动力学拟合方程、基质降解动力学拟合方程及苯胺基质降解动力学拟合方程可以较好的反映三相生物流化床系统的出水水质状况，该实验数据可以为设计三相生物流化床提供动力学参考依据。关键词 生物流化床，苯胺废水，表观产率，衰减常数，米氏常数
目录
1 引言 1
1.1 苯胺废水的处理现状 1
1.2 三相生物流化床 2
1.3 废水处理动力学研究现状 2
1.4 实验研究的目的与意义 4
2 实验部分 4
2.1 原料及试剂 4
2.2 仪器和设备 4
2.3 实验装置 5
2.4生物流化床的挂膜与驯化 6
2.5 生物流化床处理苯胺废水的动力学研究 6
2.6 测定方法 6
3结果与讨论 7
3.1 微生物增长曲线 7
3.2 COD及苯胺的进出水浓度变化规律 8
3.3 生长动力学拟合方法 10
3.4 基质降解动力学拟合方法 12
结 论 16
致 谢 17
参 考 文 献 18
1 引言
伴随着社会的发展进步，工业的发达，污染变得越来越严重，水污染问题也变得越来越尖锐，亟待解决。苯胺是重要的有机化工原料，在水中很稳定[1]，能长期残留 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
，是我国水污染控制的重点。
1.1 苯胺废水的处理现状
苯胺，无色油状液体，微溶于水，易溶于乙醇等有机溶剂。苯胺是最重要的胺类物质之一，苯胺还可以用作橡胶硫化促进剂等。苯胺废水主要来源于制造染料行业（本身可用作黑色染料）、药物、树脂行业。
处理苯胺废水的传统方法：
（1）物理法：
①吸附:借助吸附材料的吸附性处理苯胺废水。具备可回收利用吸附剂、苯胺等特点[2]。
②络合萃取：使废水和与水互不相溶但又能溶解污染物的萃取剂接触，充分混匀，借助在水中和萃取剂中，污染物溶解度分配比不同的原理，分离和提取污染物，从而达到处理废水的目的[3]。
（2）化学氧化法：
①光催化氧化：光催化氧化法只需要光、空气和催化剂，所以成本相对较低
②超临界水氧化法：在反应介质为超临界水，以空气、氧气等为氧化剂，在高温高压下，经由自由基反应将苯胺等有机物，氧化分解为CO2、水和N2以及盐类等无毒的小分子化合物[4]。
③电化学氧化法：通过阳极反应直接降解有机物，或通过阳极反应产生羟基自由基（HO）、臭氧类的氧化剂降解有机物，这种降解途径能够更加彻底地分解有机物，不易产生毒害中间产物，更符合环境保护的要求[5]。
（3）生物法：①常规厌氧②好氧处理③加压生化④高效降解菌筛选分离⑤生物接触氧化法等。
活性污泥法占地面积大，能量损耗大，负荷低，还会发生活性污泥膨胀。与活性污泥法相比较，三相生物流化床长处：处理效率高、占地小、适用性广、负荷能力强[6]。本研究拟采用三相生物流化床装置进行苯胺废水的处理，并进一步对其微生物生长动力学和基质降解动力学进行探索。
1.2 三相生物流化床
三相流化床是在气流的作用下污水与空气同时进入床体， 气、液、固（生物膜载体）三相在装置内搅动接触，并产生向上的流动趋势从而推动三相在床体内循环轮回的处理床[7]。该过程当中，发生有机污染物的降解反应，因为载体间产生猛烈的摩擦，会致使生物膜及时脱落，勿须另外设立脱膜装置[8]。当进水的COD浓度较大时，可采用处理水回流措施，可采用减压释放或曝气充氧来避免气泡在床内并合。
三相流化床的优缺点：
（1）优点:在温度匀称分布的条件下，使用反应器，传热效果好并且比较容易控制温度（由于流化过程中，装置内物质充分混合，剧烈反应，导致热量在反应器内均匀分布，防止热点的产生）。相同的缘故，不容易造成流化床被堵塞住，能够提高传质效率，也可以更充分地利用反应器体积。在反应过程中，可以不需要打断反应的进行，只需要打开反应柱上方的盖子，添加或减少催化剂，从而确保了产量。所以，相较于固定床，流化床更容易维护，替换的本钱也较低。
(2）缺点：催化剂的磨损和夹带，严重的反混是这种结构的缺点
1.3 废水处理动力学研究现状
动力学研究是确定反应速率与反应时间和反应浓度之间的关系，反应速率的主要影响因素：反应温度和反应物的浓度[9]。
1.3.1 微生物生长动力学
苯胺废水生物降解过程较复杂， 为了简化过程， 在不影响系统模拟结果的前提下做了以下假设:
（1）由于本研究反应器内采用曝气装置，使得污水在反应装置内充分混合， 因此我们可以将其看作完全混合型反应器来处理[10];
（2）假设非溶解性有机物和溶解性有机物都有着相同的降解过程，且符合 Monod 模式[11];
（3）运行条件发生改变后，生物流化床系统经过短暂的的适应期，然后可以恢复到稳定的状态继续运行；
通过反应器内生物量进行物料衡算及微生物生长动力学拟合方程，能较好的反映反应器的出水水质状况。
Monod方程;描述微生物比增殖速度与有机底物浓度之间的函数关系[12]。
当培养基中不存在抑制细胞生长的物质时,细胞的生长速率与基质浓度关系
（Monod）方程：
式中:μ－微生物的比增长速度，即单位生物量的增长速度，t1
μmax－微生物最大比增长速度，t1
Ks－半饱和常数，为当μ=μmax/2?时的底物浓度，质量/容积；
S－单一限制性底物浓度。
通过测定不同限制性基质浓度下,微生物的比生长速度,然后就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数[13]。
1.3.2 基质降解动力学
反应装置里的微生物分为两类：一类是载体表面上的生物膜， 一类是悬浮的活性污泥。为了计算方便，将载体内部和表面的生物膜换算成以单位载体体积所表示的浓度。
目录
1 引言 1
1.1 苯胺废水的处理现状 1
1.2 三相生物流化床 2
1.3 废水处理动力学研究现状 2
1.4 实验研究的目的与意义 4
2 实验部分 4
2.1 原料及试剂 4
2.2 仪器和设备 4
2.3 实验装置 5
2.4生物流化床的挂膜与驯化 6
2.5 生物流化床处理苯胺废水的动力学研究 6
2.6 测定方法 6
3结果与讨论 7
3.1 微生物增长曲线 7
3.2 COD及苯胺的进出水浓度变化规律 8
3.3 生长动力学拟合方法 10
3.4 基质降解动力学拟合方法 12
结 论 16
致 谢 17
参 考 文 献 18
1 引言
伴随着社会的发展进步，工业的发达，污染变得越来越严重，水污染问题也变得越来越尖锐，亟待解决。苯胺是重要的有机化工原料，在水中很稳定[1]，能长期残留 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: &351916072&
，是我国水污染控制的重点。
1.1 苯胺废水的处理现状
苯胺，无色油状液体，微溶于水，易溶于乙醇等有机溶剂。苯胺是最重要的胺类物质之一，苯胺还可以用作橡胶硫化促进剂等。苯胺废水主要来源于制造染料行业（本身可用作黑色染料）、药物、树脂行业。
处理苯胺废水的传统方法：
（1）物理法：
①吸附:借助吸附材料的吸附性处理苯胺废水。具备可回收利用吸附剂、苯胺等特点[2]。
②络合萃取：使废水和与水互不相溶但又能溶解污染物的萃取剂接触，充分混匀，借助在水中和萃取剂中，污染物溶解度分配比不同的原理，分离和提取污染物，从而达到处理废水的目的[3]。
（2）化学氧化法：
①光催化氧化：光催化氧化法只需要光、空气和催化剂，所以成本相对较低
②超临界水氧化法：在反应介质为超临界水，以空气、氧气等为氧化剂，在高温高压下，经由自由基反应将苯胺等有机物，氧化分解为CO2、水和N2以及盐类等无毒的小分子化合物[4]。
③电化学氧化法：通过阳极反应直接降解有机物，或通过阳极反应产生羟基自由基（HO）、臭氧类的氧化剂降解有机物，这种降解途径能够更加彻底地分解有机物，不易产生毒害中间产物，更符合环境保护的要求[5]。
（3）生物法：①常规厌氧②好氧处理③加压生化④高效降解菌筛选分离⑤生物接触氧化法等。
活性污泥法占地面积大，能量损耗大，负荷低，还会发生活性污泥膨胀。与活性污泥法相比较，三相生物流化床长处：处理效率高、占地小、适用性广、负荷能力强[6]。本研究拟采用三相生物流化床装置进行苯胺废水的处理，并进一步对其微生物生长动力学和基质降解动力学进行探索。
1.2 三相生物流化床
三相流化床是在气流的作用下污水与空气同时进入床体， 气、液、固（生物膜载体）三相在装置内搅动接触，并产生向上的流动趋势从而推动三相在床体内循环轮回的处理床[7]。该过程当中，发生有机污染物的降解反应，因为载体间产生猛烈的摩擦，会致使生物膜及时脱落，勿须另外设立脱膜装置[8]。当进水的COD浓度较大时，可采用处理水回流措施，可采用减压释放或曝气充氧来避免气泡在床内并合。
三相流化床的优缺点：
（1）优点:在温度匀称分布的条件下，使用反应器，传热效果好并且比较容易控制温度（由于流化过程中，装置内物质充分混合，剧烈反应，导致热量在反应器内均匀分布，防止热点的产生）。相同的缘故，不容易造成流化床被堵塞住，能够提高传质效率，也可以更充分地利用反应器体积。在反应过程中，可以不需要打断反应的进行，只需要打开反应柱上方的盖子，添加或减少催化剂，从而确保了产量。所以，相较于固定床，流化床更容易维护，替换的本钱也较低。
(2）缺点：催化剂的磨损和夹带，严重的反混是这种结构的缺点
1.3 废水处理动力学研究现状
动力学研究是确定反应速率与反应时间和反应浓度之间的关系，反应速率的主要影响因素：反应温度和反应物的浓度[9]。
1.3.1 微生物生长动力学
苯胺废水生物降解过程较复杂， 为了简化过程， 在不影响系统模拟结果的前提下做了以下假设:
（1）由于本研究反应器内采用曝气装置，使得污水在反应装置内充分混合， 因此我们可以将其看作完全混合型反应器来处理[10];
（2）假设非溶解性有机物和溶解性有机物都有着相同的降解过程，且符合 Monod 模式[11];
（3）运行条件发生改变后，生物流化床系统经过短暂的的适应期，然后可以恢复到稳定的状态继续运行；
通过反应器内生物量进行物料衡算及微生物生长动力学拟合方程，能较好的反映反应器的出水水质状况。
Monod方程;描述微生物比增殖速度与有机底物浓度之间的函数关系[12]。
当培养基中不存在抑制细胞生长的物质时,细胞的生长速率与基质浓度关系
（Monod）方程：
式中:μ－微生物的比增长速度，即单位生物量的增长速度，t1
μmax－微生物最大比增长速度，t1
Ks－半饱和常数，为当μ=μmax/2?时的底物浓度，质量/容积；
S－单一限制性底物浓度。
通过测定不同限制性基质浓度下,微生物的比生长速度,然后就可以通过回归分析计算出Monod方程的两个参数[13]。
1.3.2 基质降解动力学
反应装置里的微生物分为两类：一类是载体表面上的生物膜， 一类是悬浮的活性污泥。为了计算方便，将载体内部和表面的生物膜换算成以单位载体体积所表示的浓度。
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