分離式膜生物反應(yīng)器水力移除公式的簡(jiǎn)化

分離式膜生物反應(yīng)器水力移除公式的簡(jiǎn)化

膜生物交換器是生物交換技術(shù)與膜技術(shù)相結(jié)合的生物交換系統(tǒng)。這是一種新型的水處理技術(shù)，可以用來處理廢水、廢水和水的提取物，并在國(guó)內(nèi)外廣泛傳播。根據(jù)生物裝置和膜單元的組合方式，可分為三種類型：組合式、分離式和分離式?，F(xiàn)在，我們看到的實(shí)際膜生物裝置是分離式系統(tǒng)。分離式膜生物交換裝置有效控制了水流（hrt）和沉積物（srt）的流動(dòng)，從而達(dá)到了高度去除的效果。本文作者結(jié)合膜生物裝置的性質(zhì)，運(yùn)用微生物反應(yīng)原理和材料平衡原理，導(dǎo)出了分離式膜生物裝置的水力停留公式。通過統(tǒng)計(jì)分析方法，探討和分析了分離式膜生物裝置中生物裝置的影響因素，并簡(jiǎn)化了該公式，以明確膜生物裝置的運(yùn)行性規(guī)律，對(duì)膜生物裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用起到了一定的指導(dǎo)作用。1y、與底物濃度l的關(guān)系勞倫斯和麥卡蒂根據(jù)莫諾特(Monod)方程提出了曝氣池中底物去除速度和微生物濃度的關(guān)系方程:dLdt=?KSLKS+L(1)dLdt=-ΚSLΚS+L(1)式中,S為活性污泥濃度(以VSS計(jì)),mg/L;L為底物濃度(以BOD計(jì)),mg/L;K為底物最大比降解速度常數(shù),h-1;KS為飽和常數(shù),其值等于底物去除速度為最大值的一半時(shí)的底物濃度,mg/L.在微生物降解底物的過程中,微生物的增殖速率與底物的減小速率之間存在下列正比關(guān)系:dSdt=?YdLdt(2)dSdt=-YdLdt(2)式中,Y為產(chǎn)率系數(shù)(以VSS/BOD),mg/mg.Y隨著比增殖速率μ的變化而變化,因此,底物濃度L的變化會(huì)引起Y值的變化.Y與μ之間的關(guān)系為:1Y=mμ+1YG(3)1Y=mμ+1YG(3)式中,m為維持常數(shù)(h-1),為單位質(zhì)量的微生物在單位時(shí)間內(nèi)維持生命活動(dòng)所需消耗的底物量;YG為真產(chǎn)率系數(shù),代表實(shí)際用于微生物增長(zhǎng)的每mg底物所產(chǎn)生微生物mg數(shù),單位為mg/mg.比增殖速率μ與底物濃度L之間存在下列關(guān)系:μ=μmLKS+L(4)μ=μmLΚS+L(4)式中,μm為L(zhǎng)→∞時(shí)μ的極限值,h-1;KS為飽和常數(shù),其值等于μ=μm/2時(shí)的底物濃度,mg/L.將(4)式代入(3)式,整理得:Y=μmLYGm(KS+L)YG+μmL(5)Y=μmLYGm(ΚS+L)YG+μmL(5)將(5)式代入(2)式,整理得:dS=?μmLYGm(KS+L)YG+μmLdL(6)dS=-μmLYGm(ΚS+L)YG+μmLdL(6)在S=S′～S,L=L′～L上積分(6)式,其中S′,L′分別為活性污泥和底物的初始濃度.∫SS′dS=?∫LL′μmLYGm(KS+L)YG+μmLdL∫S′SdS=-∫L′LμmLYGm(ΚS+L)YG+μmLdL積分整理得:S=μmYGmYG+μm[L′?L+mYGKSmYG+μmlnmYGKS+L(mYG+μm)mYGKS+L′(mYG+μm)]+S′(7)S=μmYGmYG+μm[L′-L+mYGΚSmYG+μmlnmYGΚS+L(mYG+μm)mYGΚS+L′(mYG+μm)]+S′(7)令a=mYG+μm,b=mYGKS,則(7)式改寫為:S=μmYGa[L′?L+balnb+aLb+aL′]+S′(8)S=μmYGa[L′-L+balnb+aLb+aL′]+S′(8)將(8)式代入(1)式得:dLdt=?[μmYGa(L′?L+balnb+aLb+aL′)+S′]KLKS+L(9)dLdt=-[μmYGa(L′-L+balnb+aLb+aL′)+S′]ΚLΚS+L(9)上式為底物降解速度與底物剩余濃度之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系式.據(jù)此式,可進(jìn)行膜生物反應(yīng)器水力停留時(shí)間(HRT)公式推導(dǎo).2物料衡算方程假定原水的底物濃度L0,流量為Q.當(dāng)它與回流比為R、污泥濃度為S0的回流污泥混合后進(jìn)入曝氣池,其具體的工藝流程如圖1所示.根據(jù)物料衡算,混合廢水流量,污泥濃度和底物濃度分別為:Q′?(1+R)Q(10)S′?RS0/(1+R)(11)L′?(L0+RL)/(1+R)(12)Q′?(1+R)Q(10)S′?RS0/(1+R)(11)L′?(L0+RL)/(1+R)(12)現(xiàn)以完全混合式曝氣池為研究對(duì)象,曝氣池內(nèi)的物料衡算方程為:Q′L′+VmdLdt=Q′L(13)Q′L′+VmdLdt=Q′L(13)而水力停留時(shí)間T為:T=Vm/Q(14)Τ=Vm/Q(14)式中,T為水力停留時(shí)間,h;Vm為曝氣池池容,m.將(9)、(10)、(11)、(12)式代入(13)式,經(jīng)過一系列的簡(jiǎn)化,求出完全混合式曝氣器池容公式,再將池容公式代入(14)式得如下公式:T=a(1+R)(L0?L)(KS+L)KL[μmYG(L0?L)+b(1+R)alnb+aLb+a(L0+RL)1+R+aRS0](15)Τ=a(1+R)(L0-L)(ΚS+L)ΚL[μmYG(L0-L)+b(1+R)alnb+aLb+a(L0+RL)1+R+aRS0](15)3影響因素的分類式(15)為膜生物反應(yīng)器HRT公式,從公式可見,膜生物反應(yīng)器影響因素較多,影響因素有K,μm,KS,YG,m,L0,R和S0,根據(jù)這些因素的含義,可以將它們分為微生物動(dòng)力學(xué)因素和運(yùn)行因素2大類.其中K,μm,KS,YG,m屬于微生物動(dòng)力學(xué)因素,而L0,L,S0,R屬于運(yùn)行因素.3.1膜生物反應(yīng)器影響因素的分析結(jié)果式(15)是以莫諾特方程為基礎(chǔ)推導(dǎo)的.莫諾特方程式是由生長(zhǎng)在單一有機(jī)底物的純種細(xì)菌生長(zhǎng)規(guī)律試驗(yàn)作依據(jù)而取得的.活性污泥系統(tǒng)中曝氣池的環(huán)境與此不同,首先,所處理的廢水含有多種有機(jī)底物,并不是單一的有機(jī)底物;其次,曝氣池中的微生物也不是純種細(xì)菌,而是包含著復(fù)雜的微生物群落,這些微生物群落處于微生物種類數(shù)量相對(duì)穩(wěn)定的連續(xù)流動(dòng)狀態(tài)中,所有這些使得動(dòng)力學(xué)參數(shù)不是“常數(shù)”,而是在一定范圍內(nèi)變動(dòng).由文獻(xiàn)可知微生物動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化范圍,現(xiàn)列舉于表1.為分析各因素對(duì)膜生物反應(yīng)器水力停留時(shí)間的影響,利用正交設(shè)計(jì)安排計(jì)算,各參變量的因素水平見表2.表2中因素水平按L16(4)正交表進(jìn)行安排,對(duì)分布在同一行的數(shù)組,在確定運(yùn)行參數(shù)L0=500,L=25,R=10,S0=2000的情況下,由公式(15)計(jì)算.正交安排與計(jì)算結(jié)果見表3.從表3的正交安排與計(jì)算結(jié)果可以發(fā)現(xiàn),微生物動(dòng)力學(xué)因素對(duì)膜生物反應(yīng)器HRT影響很大.當(dāng)保證有機(jī)物去除率為95%時(shí),微生物動(dòng)力學(xué)因素變化導(dǎo)致HRT變化范圍為2.43-61.08h.影響程度由大到小排列順序?yàn)榈孜镒畲蟊冉到馑俣瘸?shù)K,飽和常數(shù)KS,維持常數(shù)m,產(chǎn)率系數(shù)YG和比增殖速率μm.根據(jù)表3數(shù)據(jù)確定的最佳數(shù)組與相應(yīng)的HRT見表4.在微生物動(dòng)力學(xué)因素變化范圍內(nèi),對(duì)確定的最佳動(dòng)力學(xué)數(shù)組,改變其中某一參數(shù),觀察其對(duì)HRT的影響,結(jié)果分別見表5.表5表明,K和KS的變化對(duì)HRT影響較大,K值增大(0.03→0.15),T值減小(12.16→2.43);KS值增大(10→150),T值增大(2.43→12.16),其中KS值是由所采用的微生物和底物種類決定的.對(duì)于易降解底物,KS值較低;對(duì)于難降解底物,KS值較高,這與計(jì)算結(jié)果相吻合.K值是由污泥活性決定,污泥活性強(qiáng),K值高.由此可見,膜生物反應(yīng)器的活性污泥應(yīng)保持一定活性,不能過大地加大SRT,以防污泥老化.μm,m,YG的變化對(duì)水力停留較小,在簡(jiǎn)化方程(15)時(shí),可忽略它們對(duì)HRT影響.3.2回流污泥濃度的影響式(15)中運(yùn)行因素L0,L,S0和R受人為因素控制.其中L0,L與有機(jī)物去除率有關(guān),現(xiàn)假定L0=500mg/L(BOD),有機(jī)物去除率為95%,進(jìn)行S0與R對(duì)膜生物反應(yīng)器HRT影響分析,膜生物反應(yīng)器系統(tǒng)回流污泥濃度S0變化范圍為1000-3000mg/L(以VSS計(jì)),回流比R變化范圍為10-20,在確定其它參數(shù)為表4所示最佳動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)情況下,探討S0與R分別對(duì)HRT的影響,見表6.表6所示數(shù)據(jù)表明,隨著R和S0增大,T都同時(shí)減小,其中S0影響較大,而R影響較小.由于膜生物反應(yīng)器R(R=10-20)比傳統(tǒng)活性污泥法R(R=0.25-0.5)大,其曝氣池污泥濃度幾乎與回流污泥濃度相同.因此,為提高膜生物反應(yīng)器處理效率,可以適當(dāng)加大曝氣池污泥濃度,同時(shí),為保證一定膜面流速,以防膜被堵塞,應(yīng)適當(dāng)增大回流量.但回流量過大,也會(huì)造成能耗過大,運(yùn)行成本過高的后果,采取多大的回流量經(jīng)濟(jì)可行,值得探討.4處理前后有機(jī)物濃度之比HRT公式(15)比較復(fù)雜,為了實(shí)用,需對(duì)其進(jìn)行簡(jiǎn)化.由于μm,m,YG和R對(duì)其影響較小,將它們以常數(shù)μm=0.4,m=0.08,YG=0.06,R=16代入,然后將其簡(jiǎn)化為如下式:T=1.1×(1β?1)(KS+L)KS0(16)Τ=1.1×(1β-1)(ΚS+L)ΚS0(16)式中,β為處理后有機(jī)物濃度和處理前有機(jī)物濃度之比,L/L0;L為反應(yīng)器出水有機(jī)物濃度.其余變量意義同式(15).為了評(píng)價(jià)簡(jiǎn)化公式(16)的正確性,將L16(4)正交表中的數(shù)據(jù)分別代入式(15)和式(16),在保證出水有機(jī)物濃度為25mg/L,去除率為95%的前提下,求出各自HRT及其簡(jiǎn)化后的偏差,見表3.其中T和T′分別為式(15)和式(16)的HRT計(jì)算結(jié)果.從表3結(jié)果可見,簡(jiǎn)化式(16)與原式(15)計(jì)算結(jié)果非常接近,偏差在-1.00%—0.41%之間變化.5實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析簡(jiǎn)化公式中K,KS為待測(cè)參數(shù),其參數(shù)值主要由污水和微生物種類決定,對(duì)不同種類污水可采用實(shí)驗(yàn)確定.筆者根據(jù)膜生物反應(yīng)器凈化石油化工廢水的研究結(jié)果,采用解聯(lián)立方程求平均值方法,確定式(16)中的KS和K.發(fā)現(xiàn)全部數(shù)據(jù)擬合性差,而某些階段數(shù)據(jù)擬合程度好.這與石油化工廢水為多種水源廢水,來水水質(zhì)不穩(wěn)定,水質(zhì)十分復(fù)雜有關(guān),所求參數(shù)與擬合結(jié)果見表7.6膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行因素(1)在微生物動(dòng)力學(xué)因素中,對(duì)膜生物反應(yīng)器處理