污水处理生物膜法

当代给水与废水处理原理安徽理工大学地球与环境学院高良敏博士、教授第九章生物膜法§9-1生物膜法的基本概念§9-2滴滤池法§9-3Atkinson的滴滤池数学模型§9-4滴滤池的简化模型§9-5生物转盘§9-6生物流化床§9-1生物膜法的基本概念图9—1系生物膜法处理系统的基本流程。废水经初次沉淀池后进入生物膜反应器、废水在生物膜反应器中经需氧生物氧化去除有机物后，再通过二次沉淀池出水。图9—1生物膜法基本流程1．基本流程§9-1生物膜法的基本概念表9—1中列出了生物膜法中各类反应器的设计参数。该表是根据国内外有关资料整理得出的，其中生物流化床是美国Ecolotrol公司处理城市废水的生产性试验资料。类型水力负荷m3/(m2.d)负荷kgBOD5/(m2.d)BOD5去除率/%水力停留时间/h标准滴滤池1~3.50.08~0.480~85生物转盘0.1~0.20.1~480~90流化床7.27840.26接触氧化池1~1.850~751~2*单位为gBOD5/(m2.d)表9—1生物膜法的类型及设计数据§9-1生物膜法的基本概念在20世纪50年代以前，生物膜法却一直未被人们重视，其原因主要是因为生产中最早采用的生物膜法构筑物足以碎石为填料的滴滤池。碎石的比表面积小，能够为微生物附着生长的表面积小，因而滴滤池的负荷不可能很大，使其占地面积较大，卫生状况也不好。50年代，由于塑料工业的发展以及塑料填料引入生物膜处理系统，使生物膜法出现了许多具有重要意义的发展。因此，出现了许多新型的生物膜法设备。20世纪70年代末，为强化生物膜法反应器中的传质，流化床系统被引人生物膜处理中，称为生物流化床。生物流化床兼有活性污泥法和生物膜法的待点，又称为半生物膜和半悬浮生长系统。2．生物膜法的发展§9-2滴滤池法滴滤池是一个最典型的生物膜方法，借生物过程以去除废水中溶解的以及肢体的有机物。生物膜及其工作过程示意见图9—2。图9—2生物膜工作过程示意§9-2滴滤池法均衡滴滤池流量；改善填料的流量分布；改善池子的维护条件；防止产生蝶蝇；改善去除有机物的条件。滴滤池系统的回流有多种不同的方式，图9—1中分别用实线及虚线表示了三种常见的情况：(1)由二沉池出水回流到滴滤池前；(2)由滴滤池出水回流到滴滤池前；(3)由滴滤池出水回流到初次沉淀池前：回流的作用有：§9-2滴滤池法类型性能低速或标准滴滤池中速滴滤池高速滴滤池超速滴滤池粗滤滴滤池两级滴滤池填料碎石碎石碎石塑料塑料/红木碎石/塑料水力负荷1~3.51~9.59.5~3814~8547~1879.5~38BOD5负荷0.08~0.40.24~0.50.5~0.950.5~1.61.6~81~2池深1.8~2.41.8~2.40.9~1.63~124.5~121.8~2.4回流比00~11~21~21~40.5~2滤池蝇多有少少或无少或无少或无脱膜情况间歇性间歇性连续性连续性连续性连续性去除率80~9050~7065~8565~8040~6585~95出水质量硝化良好部分硝化略有硝化略有硝化无硝化硝化良好表9—2滴滤池类型及性能§9—3Atkinson的滴滤池数学模型1.基本方程式图9—3滴滤池模型滴滤池的模型见图9—3。§9—3Atkinson的滴滤池数学模型(1)生物膜内的代谢过程服从7—5的模型假定；(2)整个系统为稳定状态；(3)水膜内的流速按4—8的层流流速分布公式(4—85)计算；(4)水膜内无纵向的混合;(5)底物的横向通量按Fick公式计算;(6)底物的纵向通量；(7)气-水交界面无限制营养物传递；(8)在z=0进口处不存在底物的浓度梯度。模型的假定如下：§9—3Atkinson的滴滤池数学模型写出水团微元的物料衡算关系，然后化简得出：y2V[1-((9-1))zp]=D22y初始条件为：ir0，(9-2)边界条件为：0,ZoyNZyD,(9-3)初始条件式（9-2）根据假定(8)得出。边界条件式(9—3)根据假定(7)及(5)得出。V[1-((9-1)]22y§9—3Atkinson的滴滤池数学模型按下列新变数的关系使式(9—1)等关系无量纲化yHZiSVDH2Y=Z=f=k=这样，微分方程(9—1)、初始条件(9—2)及边界条件(9—3)等式分别成为22YfkZf（1-Y)20,oYfozoYf,NDzYfi,1(9-7)(9-6)(9-5)(9-4)(9-8)2．基本方程式的解§9—3Atkinson的滴滤池数学模型对式(9—7)的k表达式可以进一步加以改变以便于应用。先令：Dk=(9-9)式中k的量纲为长度／时间，相当于传质系数，又令w表示填料单位横断面积的润湿长度，代表单位润湿长度的流量，Q表示单位横断面积的流量，则由量纲关系可以写成下式：Q(长度3／时间·长度2)＝(Qp长度3／时间·长度)×w(长度／长度2)进一步可假定w=r(常数)×Aw(填料的润湿面积／单位体积填料)的量纲为长度2／长度3与w的量纲一致，故得：Q=QwA(9-10)§9—3Atkinson的滴滤池数学模型对随机填料来说，比例常数r为1。又由式(4—84)得流速v的平均值因此，对于9—3模型的单位润周长度上(即膜的宽度为1时)的流量QΨ=δυm并由式(9—10)得：SWPVrAQQ32Vm=由上式，并根据随机填料的假定r=1得：QHkAW32k=然后通过计算dZHH01=dZff10两边化简：(9-11)(9-12)(9-16)(9-17)§9—3Atkinson的滴滤池数学模型根据上述有关公式求出b1、b2，将式(9—13)代入式(9—8)中得下列边界条件：kbDb22)(,121bbDzYfi)(1212ibbDb)(f=-=-因此，在方程式(9—8)中，k已改用式(9—12)计算，式(9—19)已代替了原来相应的边界条件。为了求解，令：g=ξ+f(9-22)初始条件变成:g(Y,0)=1+ξ(9-23)边界条件分别为：0,0ZYggZYg,1(9-19)(9-20)(9-25)(9-26)§9—3Atkinson的滴滤池数学模型式中，g的函数表示g（Y、Z、η、k、ε）Atkinson等得出ε=0时式（9-19）~（9-23）的解g（Y、Z、η、k、ε）。然后由下式：102)0,,,1,()1(23)1(dYkYgYF（η、k、0）=仿照建立函数F（η、k、0）建立函数I（η、k、0）以便于计算，得出：I（η、k、0）=dZokzg10),,,,1(dZkZffi10**),,,,1(=（1+ξ）I（η、k、0）-ξI（η、k、0）=（1+ξ）I（η、k、0）-ξ§9—3Atkinson的滴滤池数学模型图9—5I（）对η的计算曲线0,,k由上式计算出来/，对函数I（）和F（）的计算类似，但是也很复杂，所以可用图9—5的曲线以减少计算过程。*0,,k0,,k§9-4滴滤池的简化模型滴滤池的简化模型如图9—7所示，填料高为H，废水流量为Q，回流量为RQ，原水有机物浓度为图9—7滴滤池简化模型i1.滴滤池的设计§9-4滴滤池的简化模型通过计算，得出滴滤池出口处（Z=H）的有机物浓度为:00=exp))1((QRHflwko(9-39)从式(9—39)可看出，由于；为常数值，故当回流比R为零时，与wH/Q间应呈直线关系。图9—8的塑料填料数据对这一关系也起了验证的作用。由图9—8可得出值约为1.4×10-4cm／s。*0Lk*0Lk)/(*0In由图9—8所得的值代人式(9—38)．可以得出回流比R对及的影响关系。如图9—9及图9—10所示，由图中看出，无论是对原水的有机物去除率1-或者对滴滤池的总去除率1-。来说，增大回流比R都起了降低去除率的作用。*0Lk*0/*0/i/0i/0§9-4滴滤池的简化模型图9—8塑料填科的高负荷滴滤池去除有机物效果图9—9R对的影响*0/§9-4滴滤池的简化模型0=exp(-）]])1([[1nmVQRAKH（9-40）式中，A为滴滤池的横断面积；a为填料的比表面积；K、m及n为试验常数，其余符号向前。Eckenfelder公式的实用形式为：0=exp(-）nLKH(9-41)式中：L=AQR)1(L代表滤池的水力负荷。2．Eckenfelder公式§9-4滴滤池的简化模型由图9—12所示，可得出两组对应的L与S值。图9—12求斜率S值因此，以图9—12所得的两组S及L值按上式关系作图，得出一条直线，其斜率为-n，如图9—13所示。图9—13求Eckenfelder公式的n§9-4滴滤池的简化模型最后，把式(9—41)写成K(-）+In=01b11b01bbLVAfLk02(9-44)以n代人上式后，按与绘成的直线，其斜率即-K，如图9-14所示：)/(*0In)/(nLH图9—14求Eckenfelder公式的K§9—5生物转盘生物转盘的工作过程见图9—15，每块圆盘上生物膜的有机物扩散通量可用式(9—37)表示：boKflk20N=(9-37)假定每面膜的淹没面积为As，则每面膜去除有机物的速率为M=AsbboKflk2由于圆盘与圆盘的间距很小，假定去除速率是连续函数。令VL代表一片圆盘两面的膜所担负的去除有机物的水容积，则可将去除有机物的速率写成下列关系：ddVbL=-2M=-2AsbboKflk2式中：θ为水在生物转盘氧化槽内所经历的时间：§9—5生物转盘图9—15生物转盘工作过程示意K(-）+In=01b11b01bbLVAfLk02将上式写成下列形式进行积分，积分后得下列关系式：式(9-44)可以作为求参数及K的依据，转盘的圆盘理论片数可以直接从QΘ／VL值得出。*0Lk§9—6生物流化床由于生物流化床(biologicalfluidizedbedreactor)具有有机物容积负荷大、处理效率高、占地少和投资省等优点，流化床的回流比应使流化床中的空床上升流速处于上述两种速度之间。临界流化速度可按下式计算：mf)1(150)(1322mfpmfpbgd=(9-45)式中，为临界流化速率，单化为cm/s；dp为填料粒径，单位为cm；ρpρ1分别为填料和水流的密度，单价为g／cm3;为水的动力粘滞系数，单位为g／cm.s；g为重力加速度，981cm/s2；ξmf是填料开始膨胀时的孔隙率为φs球形度，φs定义为同体积球形颗粒的表面积除以颗粒实际表面积。mf1.基本原理§9—6生物流化床图9—16生物流化床流程如图，废水和从生物流化床反应器出水的回流水在充氧设备进口处与空气混合后，从反应器的底部进入，自下而上通过反应器，使续料保持在流化的工作状态、经填料上的生物膜处理后的废水，除部分回流到无氧设备进口处外，最后流人二次沉淀池，以便沉掉悬浮的生物量，排出合格的出水。§9—6生物流化床有机物的去除率为：ie1ieη==1-=1-f(9-46)式中，分别为流化床反应器进水和出水的有机物浓度，f可称为有机物的残余浓度率。流化床的容量去除速率可表示为：Rv=VQvi)((9-47)式中，Q为废水流量，v为流化床的容积。2．生物流化床性能分析与设计计算§9—6生物流化床为了得出流化床的相似准数间的相关关系，须对相关公式进行有量纲量进行无量纲转换。最后得出下列的相关函数形式：),,(max1SiSabieKYKLVQgsmaxSVKR),,(max2SiSabKYKLVQgs由于直接求ρe/ρi的解析解是困难的，Atkinson采用图解法来求ρe/ρi和Rv的值。图9—17至9—19即用来说明这—方法。这些都是根据与CSTR型生物膜有关的无量纲参数间的代数关系