當代給水與廢水處理原理

當代給水與廢水處理原理博士、教授第九章生物膜法

§9-1生物膜法的基本概念§9-2滴濾池法§9-3Atkinson的滴濾池數(shù)學模型§9-4滴濾池的簡化模型§9-5生物轉(zhuǎn)盤§9-6生物流化床§9-1生物膜法的基本概念圖9—1系生物膜法處理系統(tǒng)的基本流程。廢水經(jīng)初次沉淀池后進入生物膜反應(yīng)器、廢水在生物膜反應(yīng)器中經(jīng)需氧生物氧化去除有機物后，再通過二次沉淀池出水。

圖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類反應(yīng)器的設(shè)計參數(shù)。該表是根據(jù)國內(nèi)外有關(guān)資料整理得出的，其中生物流化床是美國Ecolotrol公司處理城市廢水的生產(chǎn)性試驗資料。

類型水力負荷m3/(m2.d)負荷kgBOD5/(m2.d)BOD5去除率/%水力停留時間/h標準滴濾池1~3.50.08~0.480~85生物轉(zhuǎn)盤0.1~0.20.1~480~90流化床7.27840.26接觸氧化池1~1.850~751~2*單位為gBOD5/(m2.d)表9—1生物膜法的類型及設(shè)計數(shù)據(jù)§9-1生物膜法的基本概念在20世紀50年代以前，生物膜法卻一直未被人們重視，其原因主要是因為生產(chǎn)中最早采用的生物膜法構(gòu)筑物足以碎石為填料的滴濾池。碎石的比表面積小，能夠為微生物附著生長的表面積小，因而滴濾池的負荷不可能很大，使其占地面積較大，衛(wèi)生狀況也不好。50年代，由于塑料工業(yè)的發(fā)展以及塑料填料引入生物膜處理系統(tǒng)，使生物膜法出現(xiàn)了許多具有重要意義的發(fā)展。因此，出現(xiàn)了許多新型的生物膜法設(shè)備。20世紀70年代末，為強化生物膜法反應(yīng)器中的傳質(zhì)，流化床系統(tǒng)被引人生物膜處理中，稱為生物流化床。生物流化床兼有活性污泥法和生物膜法的待點，又稱為半生物膜和半懸浮生長系統(tǒng)。2．生物膜法的發(fā)展§9-2滴濾池法滴濾池是一個最典型的生物膜方法，借生物過程以去除廢水中溶解的以及肢體的有機物。生物膜及其工作過程示意見圖9—2。

圖9—2生物膜工作過程示意§9-2滴濾池法均衡滴濾池流量；改善填料的流量分布；改善池子的維護條件；防止產(chǎn)生蝶蠅；改善去除有機物的條件。滴濾池系統(tǒng)的回流有多種不同的方式，圖9—1中分別用實線及虛線表示了三種常見的情況：(1)由二沉池出水回流到滴濾池前；(2)由滴濾池出水回流到滴濾池前；(3)由滴濾池出水回流到初次沉淀池前：回流的作用有：§9-2滴濾池法類型性能低速或標準滴濾池中速滴濾池高速滴濾池超速滴濾池粗濾滴濾池兩級滴濾池填料碎石碎石碎石塑料塑料/紅木碎石/塑料水力負荷1~3.51~9.59.5~3814~8547~1879.5~38BOD5負荷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濾池蠅多有少少或無少或無少或無脫膜情況間歇性間歇性連續(xù)性連續(xù)性連續(xù)性連續(xù)性去除率80~9050~7065~8565~8040~6585~95出水質(zhì)量硝化良好部分硝化略有硝化略有硝化無硝化硝化良好表9—2滴濾池類型及性能

§9—3Atkinson的滴濾池數(shù)學模型1.基本方程式圖9—3滴濾池模型滴濾池的模型見圖9—3?！?—3Atkinson的滴濾池數(shù)學模型(1)生物膜內(nèi)的代謝過程服從7—5的模型假定；(2)整個系統(tǒng)為穩(wěn)定狀態(tài)；(3)水膜內(nèi)的流速按4—8的層流流速分布公式(4—85)計算；(4)水膜內(nèi)無縱向的混合;(5)底物的橫向通量按Fick公式計算;(6)底物的縱向通量；(7)氣-水交界面無限制營養(yǎng)物傳遞；(8)在z=0進口處不存在底物的濃度梯度。模型的假定如下：§9—3Atkinson的滴濾池數(shù)學模型寫出水團微元的物料衡算關(guān)系，然后化簡得出：

V[1-((9-1))

]

=D

初始條件為：

(9-2)邊界條件為：(9-3)初始條件式（9-2）根據(jù)假定(8)得出。邊界條件式(9—3)根據(jù)假定(7)及(5)得出。V[1-((9-1)]

§9—3Atkinson的滴濾池數(shù)學模型按下列新變數(shù)的關(guān)系使式(9—1)等關(guān)系無量綱化Y=

Z=

f=

k=

這樣，微分方程(9—1)、初始條件(9—2)及邊界條件(9—3)等式分別成為（1-Y)f

(9-7)

(9-6)

(9-5)

(9-4)(9-8)2．基本方程式的解§9—3Atkinson的滴濾池數(shù)學模型對式(9—7)的k表達式可以進一步加以改變以便于應(yīng)用。先令：k=

(9-9)式中k的量綱為長度／時間，相當于傳質(zhì)系數(shù)，又令w表示填料單位橫斷面積的潤濕長度，代表單位潤濕長度的流量，Q表示單位橫斷面積的流量，則由量綱關(guān)系可以寫成下式：Q(長度3／時間·長度2)＝(Qp長度3／時間·長度)×w(長度／長度2)進一步可假定w=r(常數(shù))×Aw(填料的潤濕面積／單位體積填料)的量綱為長度2／長度3與w的量綱一致，故得：Q=Q

(9-10)§9—3Atkinson的滴濾池數(shù)學模型

對隨機填料來說，比例常數(shù)r為1。又由式(4—84)得流速v的平均值因此，對于9—3模型的單位潤周長度上(即膜的寬度為1時)的流量QΨ=δυm并由式(9—10)得：Vm=由上式，并根據(jù)隨機填料的假定r=1得：k=

然后通過計算=兩邊化簡：(9-11)(9-12)

(9-16)(9-17)§9—3Atkinson的滴濾池數(shù)學模型根據(jù)上述有關(guān)公式求出b1、b2，將式(9—13)代入式(9—8)中得下列邊界條件：

=-

=-

因此，在方程式(9—8)中，k已改用式(9—12)計算，式(9—19)已代替了原來相應(yīng)的邊界條件。為了求解，令：g=ξ+f

(9-22)初始條件變成:g(Y,0)=1+ξ(9-23)邊界條件分別為：(9-19)

(9-20)

(9-25)

(9-26)

§9—3Atkinson的滴濾池數(shù)學模型式中，g的函數(shù)表示g（Y、Z、η、k、ε）Atkinson等得出ε=0時式（9-19）~（9-23）的解g（Y、Z、η、k、ε）。然后由下式：F（η、k、0）=仿照建立函數(shù)F（η、k、0）建立函數(shù)I

（η、k、0）以便于計算，得出：

I（η、k、0）=

=（1+ξ）I（η、k、0）-ξ

I（η、k、0）=（1+ξ）I（η、k、0）-ξ

§9—3Atkinson的滴濾池數(shù)學模型圖9—5I（）對η的計算曲線

由上式計算出來/，對函數(shù)I（）和F（）的計算類似，但是也很復(fù)雜，所以可用圖9—5的曲線以減少計算過程。

§9-4滴濾池的簡化模型滴濾池的簡化模型如圖9—7所示，填料高為H，廢水流量為Q，回流量為RQ，原水有機物濃度為

圖9—7滴濾池簡化模型1.滴濾池的設(shè)計§9-4滴濾池的簡化模型通過計算，得出滴濾池出口處（Z=H）的有機物濃度為:

=exp

(9-39)從式(9—39)可看出，由于；為常數(shù)值，故當回流比R為零時，與wH/Q間應(yīng)呈直線關(guān)系。圖9—8的塑料填料數(shù)據(jù)對這一關(guān)系也起了驗證的作用。由圖9—8可得出值約為1.4×10-4cm／s。由圖9—8所得的值代人式(9—38)．可以得出回流比R對及的影響關(guān)系。如圖9—9及圖9—10所示，由圖中看出，無論是對原水的有機物去除率1-或者對滴濾池的總?cè)コ?-。來說，增大回流比R都起了降低去除率的作用。

§9升-4鄰滴鋒濾池多的簡跌化模鬼型圖9粥—8意塑料禍填科爆的高吼負荷姑滴濾果池去棕除有蘿機物脾效果圖9葛—9貸R對嘴的乞影響§9播-4動滴窄濾池捕的簡餅化模害型=e當xp劇(-）（9澆-4腔0）式中蓬，A邁為滴革濾池賠的橫按斷面鏡積；椅a為貫填料勒的比染表面配積；統(tǒng)K、撫m及脅n為愿試驗鬼常數(shù)田，其蔬余符劉號向漿前。Ec冷ke馳nf艦el造de伐r公姻式的搬實用搜形式批為：=e悠xp遼(-）(9風-4常1)式中家：L=L代角表濾碧池的倍水力嚴負荷她。2．奧Ec維ke抄nf浙el韻de竭r公懷式§9薄-4叔滴尿濾池節(jié)的簡霸化模鋼型由圖醉9—蔽12食所示供，可頃得出池兩組遙對應(yīng)青的L摩與S灣值。圖9跟—1刃2求貫斜率輝S值因此巴，以伸圖9喚—1化2所澆得的碧兩組完S及浩L值桃按上稀式關(guān)俱系作廉圖，噸得出戶一條座直線寧，其偵斜率搖為-把n，碎如圖喘9—企13座所示圾。圖9罵—1把3畫求E尖ck亮en活fe竹ld乞er遇公式幫的n§9張-4雄滴延濾池僵的簡押化模意型最后淺，把縮慧式(忽9—溫41脾)寫仁成K(豈-匆）認+I樂n艘=(9統(tǒng)-4釘4)以n杯代人率上式藍后，響按黑與砌繪予成的磁直線標，其煤斜率狹即-曉K，踐如圖討9-出14鍵所示器：圖9合—1被4估求E樂ck詢en手fe蝦ld肅er富公式煎的K§9肺—5鋼生物德轉(zhuǎn)盤生物鞠轉(zhuǎn)盤未的工酸作過態(tài)程見口圖9盒—1危5，件每塊拴圓盤善上生雷物膜倆的有縮慧機物川擴散便通量葬可用細式(亡9—率37相)表沸示：N=(9嬌-3植7)假定站每面忽膜的嫩淹沒歲面積僵為A卷s，模則每制面膜剝?nèi)コ赜袡C怒物的甲速率拒為M=壘As由于煙圓盤楚與圓傾盤的蹤蝶間距禽很小今，假述定去勻除速肉率是猴連續(xù)部函數(shù)儀。令臂VL代表南一片鋸圓盤原兩面非的膜境所擔屈負的學去除題有機蔽物的勻水容稍積，嗽則可團將去馳除有斑機物傳的速率率寫束成下醒列關(guān)廈系：=-猶2M薪=-足2楊A(yù)s式中橡：θ顏為水溜在生呼物轉(zhuǎn)雨盤氧賊化槽銀內(nèi)所變經(jīng)歷市的時竊間：§9集—5帥生物許轉(zhuǎn)盤圖9框—1娘5鞋生物京轉(zhuǎn)盤炸工作京過程宏示意K(辛-極）間+I掃n妨=將上桶式寫嗽成下躍列形劫式進肌行積污分，告積分淘后得夢下列埋關(guān)系當式：式(媽9-慮44膠)可箱以作怠為求夫參數(shù)損及驗K的廚依據(jù)泛，轉(zhuǎn)亮盤的蓋圓盤勻理論狂片數(shù)菜可以咽直接蝴從Q修Θ勞／V較L值補得出柱?！?測—6宏生物獸流化哈床由于策生物判流化瀉床(史bi悟ol起og朝ic銹al框f駕lu單id長iz薦ed茄b鋒ed降r眨ea腹ct方or僻)具熄有有理機物剖容積尿負荷達大、透處理傍效率市高、計占地弱少和污投資害省等油優(yōu)點洪，流途化床扛的回戲流比埋應(yīng)使暖流化偷床中稼的空陶床上爐升流罷速處肥于上薪述兩睛種速捉度之趁間。臨界頂流化監(jiān)速度丙可按蒜下式喚計算防：=(9掀-4扶5)式中疊，彎為村臨界酒流化感速率點，單淋化為投cm踏/s跳；脖dp為填括料粒敞徑，昂單位駁為c盈m；象ρpρ1分別代為填辜料和皺水流匠的密哲度，煩單價踢為g店／c眼m3章;為降水的霞動力拌粘滯悶系數(shù)如，單元位為狗g／應(yīng)cm誘.s資；g勇為重撐力加拼速度施，9見81皇cm沸/s需2；漲ξmf是填什料開框始膨鳥脹時蓮的孔騰隙率紋為φs球形棄度，稅φs定義蕉為同柔體積尺球形胡顆?；虻谋硇让娣e取除以浩顆粒叫實際渣表面穴積。1.似基本蜘原理§9行—6存生物磁流化賄床圖9久—1芹6榨生物盼流化蹤蝶床流漠程如圖顯，廢揮水和拆從生濟物流森化床糊反應(yīng)戚器出酸水的撞回流防水在撥充氧架設(shè)備缺進口進處與李空氣院混合合后，危從反盼應(yīng)器嗓的底議部進懸入，寫自下所而上桶通過各反應(yīng)拼器，構(gòu)使續(xù)蕩料保漿持在改流化拳的工愉作狀雖態(tài)、貼經(jīng)填蕩料上分的生粱物膜練處理陰后的嘴廢水座，除手部分各回流紹到無總氧設(shè)累備進肉口處咐外，喉最后過流人津二次記沉淀如池，矮以便搭沉掉雨懸浮賽的生憤物量特，排施出合羅格的戰(zhàn)出水武?！?雀—6斬生物閉流化俯床有機纏物的醬去除扇率為鄙：η=赴=脖1-旺=受1-摩f(9叨-4潑6)式中楚，分般別為丘流化敲床反件應(yīng)器耳進水呈和出扮水的勒有機承物濃嗽度，竿f可口稱為許有機本物的贈殘余彼濃度間率。慕流化飛床的霜容量笛去除滋速率刊可表釋示為扔：Rv=(9努-4焦7)式中袖，Q毛為廢姨水流透量，償v為腔流化熔床的亞容積少。2．步生物武流化脆床性現(xiàn)能分爽析與圈設(shè)計千計算§9非—6億生物賤流化胃床為了擔得出徑流化額床的冰相似鄉(xiāng)豐準數(shù)肺間的座相關(guān)距關(guān)系夜，須腹對相植關(guān)公額式進愈行有蛛量綱膠量進零行無嗽量綱冷轉(zhuǎn)換忍。壩最后辰得出虛下列波的相拖關(guān)函凳數(shù)形嶺式：由于奮直接唐求撲ρe/ρi的解情析解避是困屑難的宿，A域tk語in悄so樂n采營用圖宇解法福來求玩ρe/ρi和Rv的值票。圖所9—碗17沾至9挺—1爺9即惑用來輛說明撲這—玩方法別。這虜些都技是根算據(jù)與魯CS宗TR政型生樓物膜哲有關(guān)釀的無勒量綱培參數(shù)辜間的湯代數(shù)朝關(guān)系撲繪制缸出來渡的。具體隨如圖牽圖9然—1需7至峽9—絨19載所示爬：§9獸—6爭生物噸流化司床圖智9—德17ρi/ks=1磨00等時ρe／ρi與Q仍／V紗μma鳴x的關(guān)受系圖顛9—住18四β即=拆10蒼0時銷和Q語／V苗μma怕x的關(guān)放系§9畫—6踩生物導(dǎo)流化僵床圖駁9—眾17拔ρi/ks=1格00跌時Rv/ksμma討x與Q扶／V才μma綁x的關(guān)煌系有機拳物去挪除率旨對于別環(huán)境燥保護劫有著土重要遼意義雹，因碗而是急工藝解過程粒的要帖求，黨有機舍物容乏量去小除速篩率則亡出于甩經(jīng)濟握上的魂考慮眼。為遞了比將較這禾兩者逢同時滲與其副它參主數(shù)的麗關(guān)系紙，可啦以在白圖9基—1建9上驅(qū)疊加悠從9默—1鍵7的刃數(shù)據(jù)咸中獲結(jié)得的ρe／ρi為常紀值時烏的關(guān)答系線山，如止圖9斤—2士0所笑示?！?返—6彩生物宰流化紙床圖9彼—2炮0ρi/ks=1幫00毒時，禿混合仿物生聚物流浙化床夸無量糟綱參礙數(shù)間業(yè)的綜競合關(guān)桌系圖9壘—2興0所閣示ρi/ks的為抵常值管時為陷一條渡直線顫，可它由下側(cè)列關(guān)河系直恰接得弊出式倦9-偽