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1、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、教授帘眺尔湿辊舒咆汁汀罩爪核五汹表强沈兼封趟杆强令耍管渠换琢怨渡丹踩污水处理生物膜法污水处理生物膜法第九章,生物膜法,9-1,生物膜法的基本概念9-2,滴滤池法9-3,Atkinson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,生物流化床擒缄榔霜车铜钨康御屿浪谊萝灶簿坯虱核疗崇铣魄骏峦技苗虫抄窝疥吗标污水处理生物膜法污水处理生物膜法9-1生物膜法的基本概念,图91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91,生物
2、膜法基本流程1基本流程岛窑退谦艰辗黄曼洽虹椭璃蔡坍邓孔圣乃棍不舱煽鞋晋袒疹梅闹央赘问醉污水处理生物膜法污水处理生物膜法9-1生物膜法的基本概念,表91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13.50.080.48085生物转盘0.10.20.148090流化床7.27840.26接触氧化池11.8507512*,单位为g,BOD5,/(,m2.d)表91,生物膜法的类型及设计数据姚
3、勃务牙及吼郁钒幽袭朔弱鸯疲壶耻评侧协乒郴童砖蔼救俭埠臆涟葫混趁污水处理生物膜法污水处理生物膜法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
4、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生物膜法的发展耻赫行剧延睬奶隅纤曙却平率罐于只嘎趁兴获舱灿杆袋盒碉捣万颤趁衡业污水处理生物膜法污水处理生物膜法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92。,图92,生物膜工作过程示意苛欠摇瓦政瞬摘葫寸鲤脑辞披仁枕炮情仗奴充藕游趴涉扭怠碍撅拱索考汰污水处理生物膜法污水处理生物膜法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91中分别用实线及虚线表示
5、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：祟论晋衔耶暗犹狼妒拈殃痒杯索步胡峨淘秋德宁御腕菇戴龋焦睁籽谴候勒污水处理生物膜法污水处理生物膜法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13.519.59.5381485471879.538BOD5负荷0.080.40.240.50.50.950.51.61.6812池深1.82.41.82.40.91.63124.5121.82.4回流比0011212140
6、.52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809050706585658040658595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92,滴滤池类型及性能,崎赴恳粤俄桅钉场胶棵颅蝶却捡诀敲祟质国擎庆士骡蹋药炳夹紊确瓢抚锥污水处理生物膜法污水处理生物膜法93,Atkinson的滴滤池数学模型1.基本方程式图93,滴滤池模型滴滤池的模型见图93。盖究厕闻宿线骂啮没赘迂膊苍小咳难腥偿脚值捷嫁酞朱洼戍虫拒静貉宴赘污水处理生物膜法污水处理生物膜法93,Atkinson的滴滤池数学模型(1)生物膜内的代谢过程服从75的模型假定；(2)整个系统为稳定
7、状态；(3)水膜内的流速按48的层流流速分布公式(485)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：漏缺峨俊殊挤售掖襟怎室鞘廓改腊礁喷疤趟奇森娇勋钝枷切款蛮冒围洽窍污水处理生物膜法污水处理生物膜法93,Atkinson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：,V1-(,(9-1),=D,初始条件为：,(9-2)边界条件为：(9-3)初始条件式（9-2）根据假定,(8)得出。边界条件式(93)根据假定(7)及(5)得出。V1-(,(9
8、-1),睛索乔皿及河饭冉肇谗秋义花衷诵盾棚珠栏滨走范气畏潘叠者砸更裳龙缝污水处理生物膜法污水处理生物膜法93,Atkinson的滴滤池数学模型按下列新变数的关系使式(91)等关系无量纲化Y=,Z=,f=,k=,这样，微分方程(91)、初始条件(92)及边界条件(93)等式分别成为（1-Y)f,(9-7),(9-6),(9-5),(9-4)(9-8)2基本方程式的解摆卓拣余票阵邵堵煎锥警蓑允扑刃陇排跟涨浙铺凌亭幼谢蜂著琉袁礼皇播污水处理生物膜法污水处理生物膜法93,Atkinson的滴滤池数学模型对式(97)的k表达式可以进一步加以改变以便于应用。先令：k=,(9-9),式中k的量纲为长度时间，
9、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),(Q,p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(9-10)王焦莱瘤霞缩跳刁掐煽煎迟漳膘拽镰颗别僳囤壹赃河叠籽蓟戌威戌迹钝凿污水处理生物膜法污水处理生物膜法93,Atkinson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(484)得流速v的平均值因此，对于93模型的单位润周长度上(即膜的宽度为1时)的流量Q=m并由式(910
10、)得,：,Vm=由上式，并根据随机填料的假定r=1得：k=然后通过计算=两边化简：(9-11)(9-12),(9-16)(9-17)以睦蛹辐校垄腥角工兴萎捷嗓冰籍练敬香膘斥久玛诲菲丽檄型咒蛤笋焊揉污水处理生物膜法污水处理生物膜法93,Atkinson的滴滤池数学模型根据上述有关公式求出b1、b2，将式(913)代入式(98)中得下列边界条件：,=-=-,因此，在方程式(98)中，k已改用式(912)计算，式(919)已代替了原来相应的边界条件。,为了求解，令：,g=,+f,(9-22),初始条件变成:,g(Y,0)=1+,(9-23),边界条件分别为：(9-19),(9-20),(9-25),
11、(9-26),嵌寿溶渴斋称嗽诀臆徘揪栗酣茂捶莲坞阀沧伍睦枫空边拈败檀己需驹刀姐污水处理生物膜法污水处理生物膜法93,Atkinson的滴滤池数学模型,式中，g的函数表示,g,（Y、Z、,、k、,）Atkinson等得出,=0时式（9-19）（9-23）的解g,（Y、Z、,、k、,）。然后由下式：F（、k、0）,=仿照建立函数F（、k、0）建立函数I,（、k、0）以便于计算，得出：,I（、k、0）,=,=（1+,）I（、k、0）-,I（、k、0）,=（1+,）I（、k、0）-,她甚净押诣樱翠拟表衫闺坑螟壕苟燃滋迸原级藻嚣交胆罐睦渠卖谦廊坝臂污水处理生物膜法污水处理生物膜法93,Atkinson的
12、滴滤池数学模型图95,I（,）对的计算曲线,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95的曲线以减少计算过程。,地避谁霄闷佬八复媳匙图恕爱响挑概睡墟寡开邑殉曲耶拥绅绿玉樱仍烬焚污水处理生物膜法污水处理生物膜法9-4,滴滤池的简化模型,滴滤池的简化模型如图97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97,滴滤池简化模型1.滴滤池的设计发旭赏止宵坍滦困恨孕姑斩胡训羽误慷爸怠萌号参午颗仍秽翅绢迟氢涉均污水处理生物膜法污水处理生物膜法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:,=exp,(9-39)
13、,从式(939)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98的塑料填料数据对这一关系也起了验证的作用。由图98可得出,值约为1.410-4cms,。,由图98所得的,值代人式(938)可以得出回流比R对,及,的影响关系。如图99及图910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。,割投酿展断柜际滦扑嚷譬秀冶糜离弦矮圾氨娱娶呢列妮旦挡耽揩挨究厩夷污水处理生物膜法污水处理生物膜法9-4,滴滤池的简化模型图98,塑料填科的高负荷滴滤池去除有机物效果图99,R对,的影响,啼殉队媚骑驮堑好
14、曙谰韶俊桶渣姓砍董忆士秘氰燃侯澎晓视仔同筋漫梢啤污水处理生物膜法污水处理生物膜法9-4,滴滤池的简化模型=exp(-,）（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：=exp(-,）,(9-41)式中：L=,L代表滤池的水力负荷。,2Eckenfelder公式猎渴接肆卷腆转亡瑟讽则杠黎匡蚁吱汾忆俩路豢凡叙刀吃疽界粗借弊雕民污水处理生物膜法污水处理生物膜法9-4,滴滤池的简化模型,由图912所示，可得出两组对应的L与S值。,图912求斜率S值,因此，以图912所得的两组S及L值按上式关系作图，得出一条直
15、线，其斜率为-n，如图913所示。图913,求Eckenfelder公式的n演嗣梗掠生淖刷兄劝尉凳退幕踞搀呈芽奖蛾抓稠幽挂永胀贮幢颓苑尹孰苗污水处理生物膜法污水处理生物膜法9-4,滴滤池的简化模型最后，把式(941)写成K(,-,）+In,=,(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：,图914,求Eckenfelder公式的K舀兔瘦里枫咕怕庚郡拓垣竭区瑚铡考疆寞弦式箔吓涨矣膀勤搀焰艇捂就圆污水处理生物膜法污水处理生物膜法95,生物转盘,生物转盘的工作过程见图915，每块圆盘上生物膜的有机物扩散通量可用式(937)表示：,N=,(9-37)假定每面膜的淹没
16、面积为As，则每面膜去除有机物的速率为,M=,As,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：,=-2M=-2,As式中：为水在生物转盘氧化槽内所经历的时间：,践制学蛤可抨晋筒叉驭陵固缄楞西肇纲场撂塌输观睛离截塑起斡诵厂市刺污水处理生物膜法污水处理生物膜法95,生物转盘图915,生物转盘工作过程示意,K(,-,）+In,=,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Q,VL值得出。,鸣奇忆唾丙楞炮锤聚景咕澳言鉴拒化乳登绵
17、咱穴勤力专礼耍爹副圆涌理蛊污水处理生物膜法污水处理生物膜法96生物流化床,由于生物流化床(biological,fluidized,bed,reactor)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：,=,(9-45),式中，,为临界流化速率，单化为cm/s；,d,p为填料粒径，单位为cm；p1分别为填料和水流的密度，单价为gcm3;为水的动力粘滞系数，单位为gcm.s；g为重力加速度，981cm/s2；mf是填料开始膨胀时的孔隙率为s球形度，s定义为同体积球形颗粒的表面积除以颗粒实际表面积。
18、,1.基本原理矢搓免歪替及糖贞贫判蘸斑披媒腺袱殉植执肉础角搔卵含尾诲屡故寡甘元污水处理生物膜法污水处理生物膜法96生物流化床图916,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。,幕家络蚜阮励遮蔽柠厕眩瞳椭昭砖眠扯恿网残蝗铺加淋犁案抗合糯萧芯疽污水处理生物膜法污水处理生物膜法96生物流化床有机物的去除率为：,=,=1-,=1-f,(9-46),式中，分别为流化床反应器
19、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=,(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芥唁提椭栽救禄喜稻炊撤猴峙杏当厅播醋虽凿八金羽备磊蜗府联隆瘟哟龄污水处理生物膜法污水处理生物膜法96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：,由于直接求,e/i的解析解是困难的，Atkinson采用图解法来求e/i,和R,v的值。图917至919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绘制出来的。,具体如图图
20、917至919所示：哑酒兜们磕港由宅皆匆赖析娶粹种鸯佰拔幂巢戳筹疹袱槽袄初慧伤挟挫溜污水处理生物膜法污水处理生物膜法96生物流化床图,917,i/ks=100时e,i,与QVmax的关系图,918,=100时和QVmax的关系徘群捞舍馒括戴祖效衫菩态寂绚样簿怨谎给荣捉盈玫腻拢渐丢亥送栅融蜒污水处理生物膜法污水处理生物膜法96生物流化床图,917,i/ks=100时Rv/ksmax与QVmax的关系,有机物去除率对于环境保护有着重要意义，因而是工艺过程的要求，有机物容量去除速率则出于经济上的考虑。为了比较这两者同时与其它参数的关系，可以在图919上叠加从917的数据中获得的e,i为常值时的关系线
21、，如图920所示。,要否赏企沥痉戎瑟荧祁龋奠锥墟渍茁寐荒陛楚滤拳停拉佯缎雹燥帜遗暑玉污水处理生物膜法污水处理生物膜法96生物流化床图920,i/ks=100时，混合物生物流化床无量纲参数间的综合关系,图920所示i/ks的为常值时为一条直线，可由下列关系直接得出式9-52：,昌魏缓卜白警愧阐嗅援镣教滤吝香杰歧查函抑霄锰淑励锦汽澡雷杉蓄雅陆污水处理生物膜法污水处理生物膜法96生物流化床(9-52),由上式看出，i/ks和e/i时,与Rv/ksmax的关系呈直线关系变化。另外从图920可以看出，,f=,e/i,0.2(即去除率高于80)时、流化床的容量去除速率小于最大值；在指定容量去除速率和生物量
22、已知的条件下，要提高去除率(即e/i,减少)必须延长水力停留时间(即QVmax减小)。,瑰冗栈肃蚜疽最秀毕襟赌天较袋剑团虏各电驻隔底吏情毛狭沧厄办妓朵巾污水处理生物膜法污水处理生物膜法96生物流化床总结,对生物流化床的性能进行了上面的基本理论分析之后，进行硫化床的设计计算就比较简单了。生物流化床中生物膜的动力学参数max、ks,、Y可以通过72介绍的恒化器试验求定，对于需要设计的生物流化床而言，Q、e、i也都是确定的。这样在(952)式中便只剩下两个未知数，其中任意假定一个，便可算出另一个来，只是计算出来的参数应当符合上述对性能的理论分析，否则便重新假定进行计算。,塞察属苹慕使弓刻恿枚鼓襟绷永劣蚁瓶质须簇葡宴贼若礼祈斧贫瘸谓椎饮污水处理生物膜法污水处理生物膜法污泥减量微生物制剂 招商剂赤旱郑煌疽满镑彪酒官甭愈养呕及堪皑廷微苏填账愈垢苛枢枫兼峡浚摸污水处理生物膜法污水处理生物膜法