污水处理生物膜法市公开课获奖课件

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、专家第1页第1页第九章 生物膜法 9-1 生物膜法基本概念9-2 滴滤池法9-3 Atkinson滴滤池数学模型9-4 滴滤池简化模型9-5 生物转盘 9-6 生物流化床第2页第2页9-1生物膜法基本概念 图91系生物膜法处理系统基本流程。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清除有机物后，再通过二次沉淀池出水。 图91 生物膜法基本流程1基本流程第3页第3页9-1生物膜法基本概念 表91中列出了生物膜法中各类反应器设计参数。该表是依据国内外相关资料整理得出，其中生物流化床是美国Ecolotrol公司

2、处理都市废水生产性试验资料。 类型水力负荷m3/(m2.d)负荷kgBOD5 /( m2.d)BOD5清除率/%水力停留时间/h原则滴滤池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 生物膜法类型及设计数据第4页第4页9-1生物膜法基本概念 在20世纪50年代以前，生物膜法却始终未被人们注重，其原因主要是由于生产中最早采用生物膜法构筑物足以碎石为填料滴滤池。碎石比表面积小，能够为微生物附着生长表面积小，因而滴滤池负荷不也许很大，使其占地面积较大，卫生情况也不好。 50年代

3、，由于塑料工业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含有主要意义发展。因此，出现了许多新型生物膜法设备。 20世纪70年代末，为强化生物膜法反应器中传质，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待点，又称为半生物膜和半悬浮生长系统。2生物膜法发展第5页第5页9-2 滴滤池法 滴滤池是一个最典型生物膜办法，借生物过程以清除废水中溶解以及肢体有机物。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第6页第6页9-2 滴滤池法均衡滴滤池流量；改进填料流量分布；改进池子维护条件；预防产生蝶蝇；改进清除有机物条件。 滴滤池系统回流有各

4、种不同方式，图91中分别用实线及虚线表示了三种常见情况：(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：回流作用有：第7页第7页9-2 滴滤池法 类型性能低速或原则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0011212140.52滤池蝇多有少少或无少或无少或无脱膜情况间歇

5、性间歇性连续性连续性连续性连续性清除率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 第8页第8页93 Atkinson滴滤池数学模型1.基本方程式图93 滴滤池模型滴滤池模型见图93。第9页第9页93 Atkinson滴滤池数学模型(1)生物膜内代谢过程服从75模型假定；(2)整个系统为稳定状态；(3)水膜内流速按48层流流速分布公式(485)计算；(4)水膜内无纵向混合;(5)底物横向通量按Fick公式计算;(6)底物纵向通量；(7)气-水交界面无限制营养物传递；(8)在z=0进口处不存在底物浓度梯度。模型假定

6、下列：第10页第10页93 Atkinson滴滤池数学模型写出水团微元物料衡算关系，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）依据假定 (8)得出。边界条件式(93)依据假定(7)及(5)得出。V1-( (9-1) 第11页第11页93 Atkinson滴滤池数学模型按下列新变数关系使式(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基本方程式解第12页第12页93 Atkinson滴滤池

7、数学模型对式(97)k表示式能够进一步加以改变以便于应用。先令：k= (9-9) 式中k量纲为长度时间，相称于传质系数，又令w表示填料单位横断面积润湿长度，代表单位润湿长度流量，Q表示单位横断面积流量，则由量纲关系能够写成下式： 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(填料润湿面积单位体积填料)量纲为长度2长度3与w量纲一致，故得：Q=Q (9-10)第13页第13页93 Atkinson滴滤池数学模型 对随机填料来说，百分比常数r为1。又由式(484)得流速v平均值因此，对于93模型单位润周长度上(即膜宽度为1时)流量Q=m并由式(

8、910)得 ： Vm=由上式，并依据随机填料假定r=1得：k= 然后通过计算=两边化简：(9-11)(9-12) (9-16)(9-17)第14页第14页93 Atkinson滴滤池数学模型依据上述相关公式求出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)已代替了本来相应边界条件。 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) (9-26) 第15页第15页93 Atkinson滴滤池数学模型 式中，g

9、函数表示 g （Y、Z、 、k、 ）Atkinson等得出 =0时式（9-19）（9-23）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）- 第16页第16页93 Atkinson滴滤池数学模型图95 I（ ）对计算曲线 由上式计算出来 / ，对函数I（ ）和F（ ）计算类似，但是也很复杂，因此可用图95曲线以减少计算过程。 第17页第17页9-4 滴滤池简化模型 滴滤池简化模型如图97所表示，填料高为H，废水流量为Q，

10、回流量为RQ，原水有机物浓度为 图97 滴滤池简化模型1.滴滤池设计第18页第18页9-4 滴滤池简化模型通过计算，得出滴滤池出口处（Z=H）有机物浓度 为: =exp (9-39) 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塑料填料数据对这一关系也起了验证作用。由图98可得出 值约为1.410-4cms 。 由图98所得 值代人式(938)能够得出回流比R对 及 影响关系。如图99及图910所表示，由图中看出，无论是对原水有机物清除率1- 或者对滴滤池总清除率1- 。来说，增大回流比R都起了减少清除率作用。 第19页第19页9-4 滴滤池简

11、化模型图98 塑料填科高负荷滴滤池清除有机物效果图99 R对 影响 第20页第20页9-4 滴滤池简化模型=exp(- ）（9-40） 式中，A为滴滤池横断面积；a为填料比表面积；K、m及n为试验常数，其余符号向前。 Eckenfelder公式实用形式为：=exp(- ） (9-41)式中：L= L代表滤池水力负荷。 2Eckenfelder公式第21页第21页9-4 滴滤池简化模型 由图912所表示，可得出两组相应L与S值。 图912求斜率S值 因此，以图912所得两组S及L值按上式关系作图，得出一条直线，其斜率为-n，如图913所表示。图913 求Eckenfelder公式n第22页第22

12、页9-4 滴滤池简化模型最后，把式(941)写成K( - ）+In = (9-44)以n代人上式后，按 与 绘成直线，其斜率即-K，如图9-14所表示： 图914 求Eckenfelder公式K第23页第23页95 生物转盘 生物转盘工作过程见图915，每块圆盘上生物膜有机物扩散通量可用式(937)表示： N= (9-37)假定每面膜淹没面积为As，则每面膜清除有机物速率为 M= As 由于圆盘与圆盘间距很小，假定清除速率是连续函数。令VL代表一片圆盘两面膜所担负清除有机物水容积，则可将清除有机物速率写成下列关系： =-2M=-2 As式中：为水在生物转盘氧化槽内所经历时间： 第24页第24页

13、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)能够作为求参数 及K依据，转盘圆盘理论片数能够直接从Q VL值得出。 第25页第25页96生物流化床 由于生物流化床(biological fluidized bed reactor)含有有机物容积负荷大、处理效率高、占地少和投资省等长处，流化床回流比应使流化床中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分别为填料和水流密度，单价为gcm3;为水动

14、力粘滞系数，单位为gcm.s；g为重力加速度，981cm/s2；mf是填料开始膨胀时孔隙率为s球形度，s定义为同体积球形颗粒表面积除以颗粒实际表面积。 1.基本原理第26页第26页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回流水在充氧设备进口处与空气混合后，从反应器底部进入，自下而上通过反应器，使续料保持在流化工作状态、经填料上生物膜处理后废水，除部分回流到无氧设备进口处外，最后流人二次沉淀池，以便沉掉悬浮生物量，排出合格出水。 第27页第27页96生物流化床有机物清除率为： = =1- =1-f (9-46) 式中，分别为流化床反应器进水和出水有机物浓度，f可

15、称为有机物残余浓度率。流化床容量清除速率可表示为： Rv= (9-47)式中，Q为废水流量，v为流化床容积。 2生物流化床性能分析与设计计算第28页第28页96生物流化床 为了得出流化床相同准数间相关关系，须对相关公式进行有量纲量进行无量纲转换。 最后得出下列相关函数形式： 由于直接求 e/i解析解是困难，Atkinson采用图解法来求e/i 和R v值。图917至919即用来阐明这办法。这些都是依据与CSTR型生物膜相关无量纲参数间代数关系绘制出来。 详细如图图917至919所表示：第29页第29页96生物流化床图 917 i/ks=100时e i 与QVmax关系图 918 =100时和Q

16、Vmax关系第30页第30页96生物流化床图 917 i/ks=100时Rv/ksmax与QVmax关系 有机物清除率对于环境保护有着主要意义，因而是工艺过程要求，有机物容量清除速率则出于经济上考虑。为了比较这两者同时与其它参数关系，能够在图919上叠加从917数据中取得e i为常值时关系线，如图920所表示。 第31页第31页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综合关系 图920所表示i/ks为常值时为一条直线，可由下列关系直接得出式9-52： 第32页第32页96生物流化床(9-52) 由上式看出，i/ks和e/i时,与Rv/ksmax关系呈直线关系改变。另外从图920能够看出， f= e/i 0.2(即清除率高于80)时、流化床容量清除速率小于最大值；在指定容量清除速率和生物量已知条件下，要提升清除率(即e/i 减少)