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器、廢水在生物膜反應器中經(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器的設計參數(shù)。該表是根據(jù)國內(nèi)外有關資料整理得出的，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備。20世紀70年代末，為強化生物膜法反應器中的傳質(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)的關系使式(9—1)等關系無量綱化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橋—3車At炕ki鐵ns荒on采的滴影濾池曉數(shù)學箏模型圖9手—5證I（砌）慎對η查的計員算曲走線由上堵式計綢算出秧來哥/義，對眉函數(shù)塵I（遭）和忍F（旺）的統(tǒng)計算放類似敗，但窄是也駕很復療雜，破所以包可用慘圖9碧—5打的曲臨線以員減少巴計算狡過程列?！?朱-4監(jiān)滴零濾池再的簡努化模旦型滴濾冤池的計簡化賭模型頂如圖鉗9—閱7所扯示，割填料弦高為昨H，罰廢水項流量噸為Q競，回純流量卻為R套Q，匠原水嫩有機謹物濃哭度為圖9坊—7默滴濾貿(mào)池簡坡化模執(zhí)型1.箏滴濾刊池的蓮設計§9身-4頑滴娃濾池哈的簡恐化模電型通過資計算禾，得存出滴出濾池居出口堵處（蠶Z=穗H）貞的有眠機物者濃度替為:=e使xp(9慣-3燒9)從式償(9江—3膜9)堂可看尤出，掠由于糕；奮為常斧數(shù)值嫁，故男當回昂流比料R為紛零時雞，勝與w旬H/哭Q間鐘應呈謠直線鑒關系領。圖插9—缺8的擔塑料膀填料藍數(shù)據(jù)榨對這巨一關屯系也勒起了遭驗證服的作完用。秩由圖感9—江8可蛛得出帽值泳約為塊1.泄4×供10粗-4獎cm品／s。由圖哪9—倘8所使得的端值準代人貧式(芳9—誘38贏)．蓮可以輕得出評回流可比R鵝對穴及撿的影覽響關占系。贏如圖查9—題9及乎圖9重—1厚0所貨示，析由圖勝中看塞出，擇無論競是對直原水笨的有莖機物濾去除蠅率1唉-元或槽者對戴滴濾扔池的脊總去碗除率符1-大。來萍說，喇增大鞋回流崇比R央都起瘦了降耀低去惰除率腥的作杜用?！?勤-4營滴尚濾池夫的簡挎化模芝型圖9萌—8邁塑料瘋填科裙的高餐負荷泡滴濾搭池去司除有筑機物艇效果圖9伴—9筋R對洗的川影響§9難-4甘滴篩濾池淚的簡借化模椒型=e肺xp界(-）（9貪-4規(guī)0）式中霉，A贏為滴勤濾池究的橫礎斷面妄積；唱a為虧填料匪的比瞎表面滑積；援K、偉m及萌n為襪試驗腫常數(shù)膝，其何余符誕號向飼前。Ec奇ke側nf總el摟de語r公此式的磁實用處形式防為：=e鄉(xiāng)豐xp聲(-）(9蘿-4涂1)式中暖：L=L代券表濾左池的量水力吵負荷膜。2．查Ec中ke淋nf留el貞de開r公蜂式§9鄭-4襖滴賓濾池豆的簡副化模魔型由圖仗9—嬌12蒼所示烈，可雷得出盞兩組誕對應四的L告與S冰值。圖9襲—1紡2求燥斜率奏S值因此掀，以閱圖9張—1糧2所言得的橡兩組椅S及扎L值刊按上電式關奏系作綢圖，垃得出賞一條論直線閱，其舞斜率門為-比n，處如圖反9—嚇13腎所示核。圖9笨—1合3垂求E煉ck別en浙fe牢ld紫er曲公式牽的n§9界-4仆滴痛濾池兩的簡公化模那型最后至，把垂式(稍9—蹄41掘)寫朽成K(寒-端）鄙+I床n燒=(9初-4辣4)以n熄代人梯上式仁后，狐按淋與溫繪衫成的昨直線象，其占斜率代即-苗K，懼如圖約9-閥14掙所示昨：圖9高—1顧4撒求E奏ck儲en抵fe希ld掀er咐公式果的K§9亡—5炭生物程轉盤生物膛轉盤愧的工學作過圈程見砌圖9邁—1案5，鏡每塊者圓盤驕上生掏物膜獄的有衰機物奧擴散席通量壓可用膊式(艦9—消37妻)表雹示：N=(9挖-3嬸7)假定側每面仍膜的匹淹沒瀉面積廊為A兵s，愛則每烘面膜梁去除質(zhì)有機收物的仆速率獅為M=詳As由于閘圓盤刃與圓難盤的嗓間距專很小屑，假意定去浙除速駐率是呼連續(xù)險函數(shù)仇。令屋VL代表您一片者圓盤滾兩面翻的膜景所擔姐負的父去除素有機碎物的興水容方積，鉗則可切將去露除有哈機物題的速磚率寫箏成下豬列關律系：=-宿2M洋=-雀2黨As式中迎：θ王為水刺在生較物轉浩盤氧牲化槽蒼內(nèi)所驚經(jīng)歷壩的時卵間：§9扶—5賄生物坡轉盤圖9彩—1援5競生物菠轉盤嗓工作客過程幣示意K(軋-系）去+I既n磁=將上育式寫濫成下木列形身式進岸行積流分，縣積分柏后得甜下列糾關系站式：式(烤9-韻44宴)可次以作沙為求青參數(shù)糊及貢K的今依據(jù)顯，轉她盤的北圓盤翅理論就片數(shù)攪可以毀直接品從Q訴Θ絨／V芳L值絹得出雀。§9務—6燥生物縮慧流化破床由于沫生物粉流化篇床(千bi冒ol肌og晝ic尺al下f趨lu橫id爹iz陣ed眼b憶ed膝r芬ea歡ct莊or脹)具河有有塌機物域容積認負荷隨大、悉處理孔效率飄高、練占地吸少和炭投資槳省等郊優(yōu)點熟，流浸化床曲的回腳流比央應使般流化儲床中府的空洽床上艙升流念速處坡于上全述兩曾種速清度之團間。臨界像流化寺速度俘可按拖下式被計算慶：=(9俗-4兆5)式中號，蹦為遵臨界驚流化膽速率導，單紅化為社cm旱/s算；渾dp為填戶料粒哄徑，疾單位案為c抵m；霧ρpρ1分別淋為填駝料和幅水流壤的密牌度，述單價助為g妙／c喬m3紐奉;為鉛水的溫動力創(chuàng)粘滯染系數(shù)辯，單芳位為危g／逗cm蹤蝶.s投；g虧為重變力加撥速度水，9買81霜cm按/s腿2；卵ξmf是填氣料開塌始膨匯脹時擴的孔抗隙率老為φs球形王度，明φs定義余為同壤體積敵球形燥顆粒劑的表豪面積原除以里顆粒當實際支表面苦積。1.悟基本嫌原理§9送—6予生物戲流化僑床圖9新—1上6心生物缸流化術床流派程如圖剃，廢磨水和確從生撕物流賀化床戰(zhàn)反應痰器出江水的稈回流紐奉水在等充氧譽設備棵進口枯處與迷空氣順混合具后，布從反定應器常的底瞧部進拜入，南自下柱而上失通過督反應禮器，桂使續(xù)召料保術持在版流化脊的工遵作狀佳態(tài)、舉經(jīng)填嬌料上聚的生東物膜冶處理雷后的仿廢水頃，除肚部分仿回流穿到無肝氧設永備進美口處裁外，視最后型流人草二次飄沉淀膚池，有以便化沉掉叛懸浮英的生鵲物量教，排岸出合驢格的龍出水層?！?床—6粘生物淘流化難床有機蓬物的滋去除印率為耍：η=壩=秤1-練=粘1-蟲f(9傾-4堡6)式中麥，分翠別為辦流化銳床反流應器臟進水尿和出農(nóng)水的勾有機勁物濃無度，到f可倆稱為智有機踢物的妙殘余藝濃度智率。癥流化狠床的爛容量龜去除雀速率貧可表選示為令：Rv=(9威-4炎7)式中務，Q紹為廢兼水流不量，尺v為極流化丹床的尋容積蘋。2．攝生物濁流化婚床性萍能分惜析與齡設計媽計算§9倦—6青生物鞭流化年床為了怎得出要流化飼床的鍬相似詞準數(shù)浮間的股相關禮關系旱，須可對相送關公聞式進勞行有膽量綱尚量進惡行無腦量綱邪轉換徑。彈最后偶得出滾下列嘉的相猾關函長數(shù)形隊式：由于駕直接駐求鐘ρe/ρi的解紋析解仗是困生難的巡壽，A癢tk漠in照so代n采劫用圖載解法遠來求押ρe/ρi和Rv的值抹。圖蔑9—殲17走至9澆—1陰9即雷用來暴說明售這—窗方法左。這鋸些都互是根籮據(jù)與惕CS換TR歸型生答物膜框有關壓的無擱量綱稍參數(shù)某間的貪代數(shù)符關系找繪制日出來隊的。具體劍如圖箏圖9焦—1棗7至言9—困19泰所示曾：§9巾—6冒生物衛(wèi)流化請床圖糟9—滔17ρi/ks=1盛00芹時ρe／ρi與Q唐／V務μma噸x的關全系圖吹9—扮18挑β?lián)?喂10惱0時含和Q餡／V探μma國x的關集系§9喂—6棉生物孝流化抬床圖槐9—撕17蛛ρi/ks=1皺00粗時Rv/ksμma另x與Q每／V吵μma遼x的關卻系有機潛物去索除率檔對于嶺環(huán)境恐保護膠有著利重要很意義異，因任而是療工藝測過程殺的要作求，走有機悅物容依量去喪除速睜率則海出于最經(jīng)濟惜上的貢考慮暮。為堵了比移較這繞兩者午同時醬與其粘它參株數(shù)的匙關系負，可曾以在約圖9制—1懸9上梁疊加丸從9夢—1聰7的續(xù)數(shù)據(jù)此中獲壤得的ρe／ρi為常升值時術的關搏系線摘，如駱圖9慶—2肢0所顛示?！?換—6掉生物危流化守床圖9倡—2接0ρi/ks=1圓00向時，淺混合獻物生沈物流名化床據(jù)無量貼綱參里數(shù)間豈的綜般合關草系圖9室—2沒0所右示ρi/ks的為糟常值岔時為車一