处理番茄加工废水中基质降解动力学的研究

孙世阳，孙萍，生志刚，曹鹏

（1石河子大学化学化工学院／新疆兵团化工绿色过程重点实验室－省部共建国家重点实验室培育基地，石河子832003；2石河子天业番茄制品有限公司，石河子832000）

处理番茄加工废水中基质降解动力学的研究

孙世阳1，孙萍1，生志刚2，曹鹏1

（1石河子大学化学化工学院／新疆兵团化工绿色过程重点实验室－省部共建国家重点实验室培育基地，石河子832003；2石河子天业番茄制品有限公司，石河子832000）

将人工构建的高效菌群应用到天业番茄制品有限公司的废水处理系统，研究了其降解的效果和基质降解动力学。结果表明：加入的菌群能有效处理番茄加工废水，在48d的处理期中，入水COD平均为1059.76mg／L，COD去除率平均为85.73%，出水COD平均为141.69mg／L，出水COD符合GB8978－1996《污水综合排放标准》二级排放标准。底物去除动力学方程为248.69mg COD／L，υmax＝6.11d－1，K＝0.0246L／d·mg COD，y＝0.43mg MLSS／mg COD，Kd＝0.049 d－1。高效降解菌群能够保证处理出水达到排放标准，同时动力学参数的确定和动力学方程的建立可以有效为番茄酱加工废水处理的优化设计和运行控制成本提供理论依据。

降解菌群；番茄酱加工废水；有机物；动力学

番茄加工业是新疆农业经济发展中重要的“红、白、黑”产业之一，2010年新疆番茄酱产量达到100万t，产生废水近1000万t。由于多数企业污染治理设施不配套，处理工艺不能满足废水达标排放的要求，大量废水排放到环境中，严重污染了环境，同时极大地加剧了新疆水资源紧缺的状况［1－2］。番茄加工废水有机物浓度高，污染物主要以蛋白质、有机酸和糖类为主，可生化降解性高，适合微生物处理［3－4］。

生物法处理番茄加工废水过程，是以废水中的有机污染物质（即底物、基质）作为去除的对象。如果能合理建立有机污染物降解过程动力学模型，并用数学公式准确的表达，将给加工番茄废水处理系统的最优化设计和运行研究提供便利和参考。迄今为止，对番茄加工废水处理系统的基本参数的选用和确定仍凭经验或参照传统活性污泥法的方法，很少从基质降解动力学上给出相应的判定依据。目前，处理番茄加工废水过程中动力学的研究很少。

本文根据新疆天业番茄制品有限公司污水厂实际情况，探讨了基质降解的动力学模型，确定了相应的动力学参数，以期为番茄加工废水处理的优化设计、运行控制及降低成本提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 废水处理工艺

整个处理系统的示意图如图1所示。

图1 废水处理系统示意图Fig.1The treatment system

废水处理系统由9个水泥池组成，长×宽×高为19m×10m×5m，体积为950m3。从入水口1起依次编为1～9号池，其中2为调节池，12为沉淀池，其余7个为曝气池，由3台罗茨风机提供曝气。6～8为曝气池加入软性填料，将整个处理系统分为3段，即 A 段（1和2号曝气池）、B段（3、4、5号曝气池）和C段（6和7号曝气池）。曝气率为405m3／min。入水流量为300～360m3／h，平均流量为352.17m3／h；水力停留时间（HRT）18.88h。入水pH为4.0～6.0。每天进行污泥回流（由二沉池回流到1号曝气池），回流比为30%。

1.2 接种污泥

好氧高效降解菌群包括7株细菌，均从番茄酱加工厂下水道的污泥中筛选获得［5－6］。菌群中包括4株降解优势菌和3株沉降优势菌，降解优势菌属于Bacillus subtilis（JH642）、Pseudomonas putida （KT2440）、Bacillus megaterium （DSM319）和 Citrobacter koseri（BAA－895）；3 株 沉 降 优 势 菌 包 括 Bacillus cereus（F65185）、Bacillus sp.（B－14911）和Pantoea agglomerans（WAB 1913）。

各单菌在1L摇瓶中使用牛肉膏蛋白胨培养基培养，然后混合转接到140L的容器中开放混合培养，等微生物达到一定浓度后转入处理系统的3号曝气池进行最终的扩大化培养。

1.3 分析方法

COD采用重铬酸钾法，MLSS采用标准重量法，参考国家水和水质监测测定标准方法［7］。溶解氧（DO）使用美国哈希公司的Sension156便携式多参数测量仪测定。

1.4 有机物去除的动力学模型

由于番茄加工废水中加工番茄废水中的总氮（Times New noma 0.5mg／L）和总磷（2～5mg／L）很低，完全符合排放达标要求。所以，COD为处理加工番茄废水的控制排放指标，在建立处理番茄加工废水有机物降解动力学模型之前，作如下假设［8］：

1）曝气池在稳态下运行，由于番茄加工废水处理厂实质是完全混合推流式活性污泥法，其流态视为完全混合；

2）进水水质均匀，且不含有微生物群体，基质是可溶性的，不含抑制微生物活性的基质。

3）软性填料不对可溶性的基质进行截留，即出水基质浓度等于污泥上清液中所含基质的浓度。

本研究中涉及的动力学模型参数及其意义分别如下：S：基质浓度，mg／L；S0：进水基质浓度；mg／L；Se：出水基质浓度，mg／L；Q：进出水流速，m3／d；V：反应器总有效体积，m3；HRT：水力停留时间，h；X：污泥浓度，mg／L；μ：微生物比增长速率，d－1；μmax：最大比增长速率，d－1；υ：基质比降解速率，d－1；υmax：基质最大比降解速率，d－1；y：微生物产率系数，mgMLSS／mgCOD；Ks：半饱和常数，mg／L；Kd：衰减系数，d－1；K：基质降解速率，d－1；t：取样点间隔时间，d。

处理系统中的有机基质物料平衡关系分别如下：

反应器内基质变化率＝反应器内基质进入率－反应器内基质排除率［9］。

由反应器内物料平衡方程得：

定义r为比基质去除率即单位时间单位污泥（MLSS）所去除的基质的量，则有：

在生物法处理废水中，Monod方程描述了微生物增长和基质降解之间的关系，其基本方程如下［10］：

对于生物法处理废水过程，有以下关系式：

将式（1）和（2）代入式（3）得：

假设填料段对可溶性的基质进行截留，即反应器内基质浓度等于出水基质浓度。将式（4）代入式（2）可得：

将式（5）取倒数得：

在本研究中S0和Se为实测值，X取7个曝气池平均实测值。HRT为总水力停留时间18.88h，以1／Se为横坐标、（HRT·X）／（S0－Se）为纵坐标进行线性回归，从而得到参数KS和υmax的值。

在处理系统中，微生物量因自身的增殖而增加，同时又因内源代谢而减少，其综合变化可用下式表示［9］：

代入式（2）可得：

以（HRT·X）／（S0－Se）为横坐标、（1／X·ΔX）／Δt为纵坐标，对实验结果进行线性回归，可以得到参数y和Kd的值。

1.5 动力学验证分析模型

由于本研究中的动力学方程是建立在对单种细菌连续培养观察得出的经验性Monod方程上，它是否能很好的描述处理番茄加工废水复杂的工程运行并没有人研究［11］。所以按Contois模型再次验证［12］，将Contois模型替代Monod方程带入公式：

将式（9）代入式（2）得：

将式（11）取倒数得：

以X／Se为横坐标，以（HRT·X）／（S0－Se）为纵坐标，进行线性回归，从而得到参数y和vmax的值。

同理，将Contois模型带入式（7）得：

以（1＋Y·X）／Se为横坐标、（HRT·X）／Y·（S0－Se）为纵坐标进行线性回归，从而得到参数Kd和μmax的值。

2 结果与分析

2.1 COD处理效果

2010年8月13日至9月29日处理系统的入水和出水COD以及去除效率的变化见图2。

由图2可知：平均入水COD为1059.76mg／L，平均出水COD为141.69mg／L，平均COD去除率为85.73%。

由于从全部注满水到开始处理之间的培养时间较短，初期处理的效果并不理想。48h后，处理效果表明菌群繁殖迅速并且达到了预期目标。随后由于原料的不足，导致入水中断48h，在系统重新启动后，好氧高效菌群能够很快地恢复处理活性。

处理中期由于入水COD提高了近一倍，导致出水略高于国家二级排放标准。处理后期，入水COD再次提高，最高达到1400～1600mg／L，导致出水COD未达到排放标准。通过计算污泥负荷，平均值为1.3698kg BOD5／（kg MLSS·d），超过了传统活性污泥法的范围，但处理效率却保持稳定［13－14］。

图3 （HRT·X）／（S0－Se）和1／Se 关系Fig.3Relationship between（HRT·X）／（S0－Se）and 1／Se

图4 （1／X·ΔX）／Δt和（HRT·X）／（S0－Se）关系Fig.4Relationship between 1／X·ΔX／Δt and（HRT·X）／（S0－Se）

以1／Se为横坐标、（HRT·X）／（S0－Se）为纵坐标进行线性回归，结果见图3。

由此得到Ks＝248.69mg COD／L，υmax＝6.11 d－1，K＝0.0246L／d·mg COD，相关的有机物降解动力学方程为：

以（HRT·X）／（S0－Se）为横坐标、（1／X·ΔX）／Δt为纵坐标对实验结果进行线性回归，结果如图4所示。

由此得到

y＝0.43mg MLSS／mg COD，

Kd＝0.0491d－1，

相关方程为：

与文献［15］中活性污泥法的动力学参数相比，本研究处理加工番茄废水中的Ks远大于传统活性污泥法，说明本研究构建的好氧高效菌群相比于传统的活性污泥法更适合在高浓度的有机质下生长运行，也说明人工构建的好氧高效菌群有更低的污泥产率和污泥衰减系数，这为好氧高效菌群应用于处理番茄加工废水提供了更加有效的依据，并降低了处理成本。

本研究的比较Kd值明显高于文献［16］的，这也说明人工构建的好氧高效菌群自身氧化率较传统活性污泥高，对于降解有机污染物有更好的处理效果。这也验证了COD负荷虽然高于传统活性污泥法系统，但仍然保持系统稳定的原因。

经比较，本研究Y值较文献［17］略低。在整个处理过程中，污泥浓度（MLSS）都保持在很低的水平。结合Kd值，说明微生物自身的高效氧化效率导致微生物产率很低，但是处理效果仍能保持高效。

K与其他文献相比，差别不是很明显。说明人工构建的好氧高效菌群对于降解番茄加工废水过程，符合活性污泥数学模型的范围，这也验证了整个构建番茄加工废水有机质降解过程的动力学模型基本符合实际情况。

υmax较其他文献略高一些，这也说明好氧高效菌群对番茄加工废水有更高的降解效率［18］。而且由于番茄加工废水自身实际情况（一般运行大约2个月），人工构建的好氧高效菌群更加适合处理番茄加工废水的需要。

2.4 动力学分析的验证

如图5所示进行线性回归，得到y＝0.45mg MLSS／mg COD，υmax＝6.42d－1。与 前 面 通 过Monod模型带入动力学方程得到的y和υmax的值进行比较，2个动力学方程得到的y值十分接近，得到的υmax的值虽然有些差距，但是误差在5%以内，属于误差合理范围，通过Contois模型的验证，再次证明得到的y和υmax的值是可信的。

如图6所示进行线性回归，得到Kd＝0.048 d－1。与前面通过Monod模型带入动力学方程得到的Kd值进行比较，2个动力学方程得到的Kd值十分接近。由于Monod模型与Contois模型的差别在Ks，可以通过Y、X值对Ks进行验证，结果发现2个值也十分接近，再次验证了Monod模型的可行性，说明得到的动力学常数和方程是可以适用于工厂实际应用的。

通过本研究建立的动力学模型和确定的动力学参数，结合活性污泥模型（ASM），以及对入水COD和污泥浓度（MLSS）进行实际测定，可以很好地预测处理番茄加工废水的出水水质情况，这为处理系统的稳定和出水水质达标提供了很好的依据。

图6 （1＋Y·X）／Se 和Y（HRT·X）／（S0－Se）关系Fig.6Relationship between（1＋YX）／Se and Y（HRT·X）／（S0－Se）

图5 X／Se 和（HRT·X）／（S0－Se）关系Fig.5Relationship between X／Se and（HRT·X）／（S0－Se）

3 结论

1）在系统正常处理间，入水平均COD为1059.76mg／L，COD平均去除率为85.73%，出水平均COD为141.0mg／L，出水COD符合国家二级排放标准。

2）通过动力学推导得到了处理加工番茄废水中降解有机物的动力学模型，并且通过实验确定了以下动力学参数：Ks＝248.69mg COD／L，υmax＝6.11 d－1，K ＝0.0246L／d·mg COD，y＝0.43mg MLSS／mg COD，Kd＝0.049d－1。

3）本研究确定的动力学关系和动力学参数结合人工构建的好氧高效菌群应用的实际情况，可作为处理番茄加工废水处理系统设计提供依据，并且通过实测值可以很好地预测出水的水质。

4）本研究人工构建的高效菌群不仅能有效处理番茄加工废水，而且通过动力学参数的确定以及处理效果得到了验证，这为今后高效菌群的实际应用提供了很好的依据。

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Substrate Biodegradation Kinetics of Treating Tomato Paste Wastewater

SUN Shiyang1，SUN Ping1，SHENG Zhigang2，CAO Peng1
（1College of Chemistry and Chemical Engineering，Shihezi University／Key Laboratory for Green Processing of Chemical Engineering of Xinjiang Bingtuan，Shihezi 832003，China；2Shihezi Tianye Tomato Products Co.Ltd，Shihezi 832000，China）

degrading strains；tomato paste wastewater；organic matter；kinetics

X703

A

The aerobic degrading strains were constructed and applied to the tomato paste wastewater treatment system of Shihezi Tianye Tomato Products Co，Ltd，and the degrading effect and biodegradation kinetics were studied.The results show that the tomato paste wastewater could be effectively treated after adding the aerobic degrading strains.In 48treating days，the average influent and effluent COD are 1059.76mg／L and 41.69mg／L respectively，and the corresponding average removal rate reaches 85.73%，meeting the second class requirements specified by Integrated Wastewater Discharge Standard.The kinetic parameters are Ks＝248.69mg COD／L，υmax＝6.11d－1，K＝0.0246L／d·mg COD and equations are0.049.The aerobic degrading strains can guarantee the effluent to meet the requirements of dis－charging standard，and the establishment of kinetic parameters and the equations provides theoretical basis for optimal designs and cost control.

1007－7383（2012）01－0012－06

2011－10－26

国家自然科学基金项目（51068024）。

孙世阳（1985－），男，硕士生，专业方向为生物化工。

曹鹏（1978－），男，讲师，从事水污染控制工程研究；e－mail：caop＠shzu.edu.cn。