（工程热物理专业论文）生物膜滴滤床内两相流动与传输特性.pdf

中文摘要 摘要 随着社会的发展，人们对生存环境的要求目渐提高，环境污染问题逐渐引起 人们的广泛重视。低浓度有机废气回收利用价值低，用传统的物理和化学方法处 理，不仅难度高投资大，而且效果不好。微生物法处理低浓度废气则以其处理效 果好，投资运行费用低，无二次污染等优点成为当今世界的前沿热点课题之一。 在国外，已有相当数量的实际工业装置投入运行，而在我国目前还主要处于研究 阶段，只见到少数有关应用方面的报道。本文首次利用特别设计的规则结构填料 可视化实验台，对规则结构多孔填料床的两相流动阻力特性和甲苯废气降解特性 进行了可视化实验研究；从工程热物理传热传质学理论出发，结合生化反应动力 学，并考虑氧的限制，首次建立了一个生物膜滴滤塔处理有机废气的毛细管模型； 在此基础上，还对生物膜滴滤塔分段进排气进行了性能分析，并首次提出新型分 段进排气模块化生物膜滴滤塔装置的概念；基于微生物处理废气的代谢产热理论， 首次建立了生物膜滴滤塔代谢产热数学模型。通过本文的研究工作，得到以下主 要结论： 1 、通过对规则结构多孔填料塔进行两相流动阻力实验，发现随着气液流量的 增加，气侧流动阻力增大，而且气体流量越大，变化越明显；对于圆柱棒型规则 多孔填料床，可用水力雷诺数、液相韦伯数、b o n d 数和无量纲流动参数来关联其 气液两相流动阻力实验数据；在填料塔底部还出现了液体汇集现象，在实际应用 中，需要考虑安装液体再分布器。 2 、通过对规则结构多孔滴滤塔进行甲苯废气降解实验，结果发现：随着气体 流量、液体流量及甲苯进口浓度的增大，滴滤塔的降解效率降低；当p h 值处于中 性时，滴滤塔的降解效率最高。通过观察还发现，由于液体分布不均，生物膜在 滴滤塔内生长分布不均，并且挂膜后，滴滤塔的孔隙率减小，两相流动阻力比空 塔时的大，可采用流动阻力的变化作为判断挂膜成功与否判据。 3 、首次将多孑l 填料塔简化成多个竖直毛细管并行排列构成的填料，应用两相 流理论，结合生化反应动力学，并考虑氧的限制，建立了一个生物膜滴滤塔降解 废气的毛细管模型，其结果与实验数据吻合得较好。结果发现，随着气体流量、 液体流量及甲苯进口浓度的增大，净化效率降低；随着填料比表面积和生物膜覆 盖率的增大，净化效率增大；存在一个最佳孔隙率使净化效率最大。 4 、在毛细管模型的基础上，首次对生物膜滴滤塔分段进排气的废气净化性能 进行了分析，结果发现分段进气、单一出气时，随着分段数的增加，效率降低； 而分段进气、分段排气时，不同分段数下的净化效率相差不大。采用分段进气， 重庆大学硕士学位论文 分段出气这种方式，不仅可以提高生物膜滴滤塔上层微生物的利用率，减少滴滤 塔局部堵塞现象的发生，还为新型模块化生物膜滴滤塔的开发提供了理论依据。 5 、在毛细管模型的基础上，结合微生物代谢产热理论，首次建立了生物膜滴 滤塔代谢产热毛细管模型。结果发现随着气体流量和液体流量的增大，填料塔进 出口温差减小，而随着进口甲苯浓度和填料比表面积的增大，进出口温差增大； 随着孔隙率的增大，进出口温差先升高再降低。 关键词：生物膜滴滤塔，传输特性，净化效率，毛细管模型，代谢产热 i i 英文摘要 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs o c i e t y , p e o p l ei n c r e a s i n g l yh o p et oa c q u i r eaf l l r t h e rw e l l s u r v i v a ls u r r o u n d i n g , a n dp a ym o r ea t t e n t i o nt ot h ee n v i r o n m e n t a lp o l l u t i o np r o b l e m ， s u c ha sa i rp o l l u t i o n t h er e c o v e r yo f l o wc o n c e n t r a t i o nv o cw a s t eg a si sv a l u e l e s sa n d i t st r e a t m e n ti sv e r yd i f f i c u l ta n de x p e n s i v ef o r t r a d i t i o n a lp h y s i c a la n dc h e m i c a l t r e a t m e n tt e c h n o l c g i e s t h eb i o l o - 西c a lt r e a t m e n tt e c h n o l o g yo fv o cw a s t eg a sh a s b e c o m ear e s e a r c hh o t s p o ti nt h ew o r l db e c a u s eo fh i 曲p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c y , l o w c h a r g eo fi n v e s t m e n ta n dr u n ，a n dn os e c o n d a r yp o l l u t i o ne t c u pt on o w , m a n y p r a c t i c a li n s t a l l a t i o n sh a v eb e e nu s e di nt h ew e s te u r o p e w h i l et h e r ea r eo n l yaf e w r e p o r t sa b o u ti t sa p p l i c a t i o ni n0 1 1 1 c o u n t r y i n t h i sw o r k ，t h em i c r o o r g a n i s mi s c u l t i v a t e da n dd o m e s t i c a t e d av i s u a le x p e r i m e n ta p p a r a t u si sd e s i g n e da n dm a d ef i r s t l y a n dt h e nt h et w o - p h a s ef l o wf r i c t i o nc h a r a c t e r i s t i ca n dp u r i f i c a t i o no ft o l u e n ea r e s t u d i e dv i s u a l l y f r o mt h ev i e w p o i n to fm a s sa n dh e a tt r a n s f e ri ne n 萤n e e r i n g t h e r m o p h y s i c s ，c o m b i n e dw i t hb i o c h e m i c a lr e a c t i o nk i n e t i c sc o n s i d e r i n gt h el i m i t a t i o n o fo x y g e n ，an e wc a p i l l a r ym o d e lh a sb e e n p r o p o s e d t o s t u d yt h ed e g r a d a t i o n c h a r a c t e r i s t i co f t r i c k l i n gb i o f i l t e r b yv i r t u eo f t h i sm o d e l ，t h ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo f t r i c k l i n gb i o f i l t e rw i mt h es u b s e c t i o ni n l e ta n do u t l e ti ss t u d i e d a n dan e wc o n c e p to f m o d u l a r i z e dt r i c k l i n gb i o f i l t e ri sb r o u g h tf o r w a r d b a s e do nt h em e t a b o l i s ma n dh e a t t r a n s f e rt h e o r i e s ，an e wm e t a b o l i z e dh e a tt r a n s p o r tm o d e li sd e v e l o p e d t h er e m a r k a b l y c o n c l u s i o n sa r ed r a w na sf o l l o w s ： 1 、t h r o u g ht w o - p h a s ef l o wv i s u a l i z a t i o ne x p e r i m e n ti np a c k e db e dw i mr e g u l a r p o r o u ss t r u c t u r e ，i ti sf o u n dt h a ta st h ef l o wr a t eo fg a sa n dl i q u i di n c r e a s e ，t h ef l o w r e s i s t a n c eo fg a si n c r e a s e s ac o r r e l a t i o no ff l o wf r i c t i o nf a c t o ri so b t a i n e df r o mt h e e x p e r i m e n t a ld a t ab yu s i n gr e y n o l d sn u m b e r , w e b e rn u m b e r , b o n dn u m b e r , a n dt h e d i m e n s i o n l e s sf l o wp a r a m e t e r i na d d i t i o n ，t h ep h e n o m e n ao f l i q u i dc o l l e c t i o ni np a c k e d b e dc a nb eo b s e r v e dd u r i n ge x p e r i m e n t 2 、f r o mt h ee x p e r i m e n to ft o l u e n ep u r i f i e di np a c k e db e dw i mr e g u l a rp o r o u s s t r u c t u r e ，i ti sf o u n dt h a t 谢mt h ei n c r e a s eo ft h eo fg a sf l o wr a t e ，l i q u i df l o wr a t e , a n d t h ei n l e tt o l u e n ec o n c e n t r a t i o n , t h ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yd e c r e a s e s e f f e c to fp ho n p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yi ss t u d i e da l s o w h e np hi sl i t m u s l e s s ，t h ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c y i st h el a r g e s t t h eu n h o m o g e n e i t yo fl i q u i df l o wr e s u l t si nt h eu n e v e nb i o f i l mg r o w t h t h ef l o wr e s i s t a n c ea f t e rs t a r t - u pi ss i g n i f i c a n t l yl a r g e rt h a nt h a tb e f o r es t a r t - u p ，w h i c h i 重庆大学硕士学位论文 p r o v i d e sa m e t h o dt om o n i t o rt h eb i o f i l mg r o w t h 3 、t h ep a c k e db e di ss i m p l i f i e dt oas e r i e so f s t r a i 曲tc a p i l l a r yt u b e sc o v e r e db yt h e b i o f i l m t h et w o p h a s ef l o wa n dm a s st r a n s p o r t ，b i o c h e m i c a lr e a c t i o nk i n e t i c s ，a n dt h e 1 i m i t a t i o no fo x y g e na r et a k e na c c o u n to fi nt h i sm o d e l t h er e s u l t so fm o d e la r e b a s i c a l l yi na g r e e m e n tw i t ht h ee x p e r i m e n t a ld a t a t h ec o m p u t e dr e s u l t ss h o wt h a tw i t h t h ei n c r e a s eo fg a sf l o wr a t e ，l i q u i df l o wr a t e ，t h ei n l e tt o l u e n ec o n c e n t r a t i o n ，t h e p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yd e c r e a s e s ；w h i l e a st h es p e c i f i cs u r f a c ea r e ao fp a c k e dm a t e r i a l a n dt h ec o v e r a g ef r a c t i o no fb i o f i l mi n c r e a s i n g ，t h ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yi n c r e a s e s a d d i t i o n a l l y , i ti s f o u n dt h a tt h e r ee x i s t sa l lo p t i m a l p o r o s i t yo fp a c k e d b e d c o r r e s p o n d i n gt ot h em a x i m a lp u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c y 4 、b a s e do nc a p i l l a r yt u b em o d e l ，t h ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo ft r i c k l i n gb i o f i l t e r w i 1s u b s e c t i o ni n l e ta n do u t l e ti sf i r s t l ya n a l y z e d i ti sf o u n dt h a tf o rt h et r i c k i n g b i o f i l t e rw i 血m u l t is u b “e t sa n do n eo u t l e t w i t ht h ei n c r e a s eo f 廿1 en u m b e ro f s u b i i l l e lt h ep u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yd e c r e a s e s ；f o rt h et r i c k l i n gb i o f i l t e rw i t hm u l t i s u b “e t sa n dm u l t is u b o u t l e t s w i t ht h ei n c r e a s eo ft h en u m b e ro fs u b s e c t i o n ，t h e p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yb a s i c a l l yk e e p sc o n s t a n t a s ar e s u l t ，t h ea p p l i c a t i o no ft h e t r i c k l i n gb i o f i l t e rw i 也m u l t is u b i n l e t sa n ds u b o u f l e t sc a ne n h a n c et h eu t i l i z a t i o no f m i c r o o r g a n i s ma tt h et o po f p a c k e db e d ，w h i c hr e d u c e st h eb l o c kp o s s i b i l i t yo f t r i c k l i n g b i o f i l t e r , w i t h o u tc a u s i n gt h ed e c r e a s eo f p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c yo f t h et r i c k l i n gb i o f i l t e r t h et h e o r e t i c a la n a l y s i so fp u r i f i c a t i o nc h a r a c t e r i s t i c sp r o v i d e st h eb a s i sf o rt h e d e v e l o p m e n to f m o d u l a r i z e dt r i c k l i n gb i o f i l t e r 5 、b a s e do nc a p i l l a r yt u b em o d e la n dm e t a b o l i s mt h e o r y , t h em e t a b o l i z e dh e a t g e n e r a t i o nm o d e li sp r o p o s e df i r s t l y i ti sf o u n dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo fg a sf l o wr a t e a n d l i q u i df l o wr a t e ，t h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eb e t w e e n o m l e ta n di n l e td e c r e a s e s ；w i t h t h ei n c r e a s eo ft h ei n l e tt o l u e n ec o n c e n t r a t i o na n dt h es p e c i f i cs u r f a c ea r e ao fp a c k e d m a t e r i a l 也et e m p e r a t u r ed i f f e r e n e eb e t w e e no u t l e ta n di n l e ti n c r e a s e s ；t h e r ee x i s t sa p o r o s i t yo f p a c k e db e dc o r r e s p o n d i n gt om a x i m a lg a st e m p e r a t u r eb e t w e e n t h ei n l e ta n d t h e0 u 廿e t k e y w o r d s ：t r i c k l i n gb i o f i l t e r , t r a n s p o r tc h a r a c t e r i s t i c ，p u r i f i c a t i o ne f f i c i e n c y , c a p i l l a r y t u b em o d e l m e t a b o l i z e dh e a tg e n e r a t i o n 主要符号表 爿 口 b 0 c c 4 d d ，v h 龋： k r r 肠 k t 希腊字母 口 8 8 i p 2 口 下标 b g 主要符号表 露积 m 2 填料比表面积 m - l 】 b o n d 准则数 浓度e k g m 3 气体比热 1 k gk 扩散系数 m 2 s 】 直径 m 气体负荷因子陋1 4 m ”s 1 】 阻力系数 重力加速度 一s 2 高度 m 细胞产热率 j k g 微生物生长抑制常数 咖3 】 氧气利用比生长速率常数 g m 3 甲苯利用比生长速率常数 g ，m 3 分段数 亨利常数 生物膜覆盖率 2 工r m “彤( y i d b i c g i h ) 2 l , l g h p g cg 九l = a h , 。x v 。r ；“写九) 厚度 m 】 降解率 导热系数 w mk 】 孔隙率 = d b d l 生物膜 气相 i 节点 进口 ，节点 液相 i x 压力 p a 压差 p a 】 p e e l e t 准则数 流量 m 3 s 雷诺数 水力半径 m 】 半径 m 径向坐标 液相饱和度 温度( ) 速度 m s 】 w e b b e r 准则数 生物膜干密度皿g ，m 3 轴向坐标 微生物氧气利用率 k g k g 微生物甲苯利用率r k g k g 动力粘度眦s m 2 最大比生长速率常数 运动粘度i r a = t b 九 密度 k g m 3 表面张力系数f n 触 剪应力阱m 2 1 流动参数 0氧气 o u t出口 s 固相 r甲苯 w 壁面 p廿忍。船黜r ，。r。臃妇r埽 口 卢y口 p 盯 f 1 绪论 1 绪论 1 1 概述 随着国民经济的高速发展，人民物质生活水平的不断改善，人们对生活、学 习、工作环境的要求也日益提高。由于全球工业化进程的加快而带来得各类环境 污染问题逐渐引起人们的广泛重视。有机化工、煤化工、橡胶再生以及油漆喷涂 等工业过程排放低浓度挥发有机废气以及恶臭气体己对一些地区的大气环境造成 了很大污染，严重地危害着当地的人体健康和生态环境。这些低浓度废气，已无 回收利用价值，净化处理难度大且费用高，但其对人体健康与生态环境的危害却 是不容忽视的，因而这类工业废气的净化处理在国内外都是环境保护方面的难题 之一。 生物法处理工业低浓度废气就是针对这类工业废气的净化处理而研究开发的 环境生物技术，经国外十多年的实践表明，这一方法净化效果好、操作稳定、运 行费用低、无二次污染，是现阶段净化处理工业低浓度废气的有效方法。现今在 德、美、日、荷兰等国已有相当数量工业规模各类生物净化装置投入运行，并且 取得了很好的效果。在美国的芝加哥，b b a 投资3 7 5 0 0 0 美元兴建了一座生物废气 处理厂，其处理量为2 2 0 0 0 m 3 h - 1 ，运行费用约为0 0 6 美元1 0 0 0 m 3 ，去除率达 9 5 9 9 。在纽约，c 时o fp o u g h k e e p s i e 投资2 8 8 0 0 0 美元建立了一座生物废气处 理厂，其处理量约为2 5 8 0 0 0m 3 h - 1 ，平均每1 0 0 0m 3 的运行费用约为0 2 美元，而 去除率达9 8 【h o 适用于微生物处理的废气污染物组分主要有乙醇、硫醇、酚、硫化氢、甲苯、 甲酚、吲哚、噻妥衍生物、脂肪酸、乙醛、甲醛、酮、二硫化碳、氨和胺等。这 些污染物质或者具有毒性和致癌性，或者带有恶臭，严重影响生活环境，被列入 许多国家的重点污染物名单，并制定了严格的排放标准。特别对于含有低浓度苯、 甲苯、多环芳烃、有机硫化物、有机氯化物等工业低浓度挥发性有机废气( v o c ) 的污染控制得到了人们越来越广泛的重视，1 9 9 t 年联合国通过了有关v o c 跨国 大气污染议定书。生物废气处理的机理是利用微生物的生化反应，使有机物氧化， 产生代谢产物：二氧化碳和水。与一般的化学处理方法如吸附法、吸收法、氧化 法及中和法等相比，生物净化方法具有净化效果好，操作稳定，能耗小，投资少、 运行费用低，无二次污染等优点。据文献 2 】报道：生物净化法的投资成本仅为吸 附和催化氧化法的4 2 和5 7 ，而运行费用仅为两者的2 7 和3 2 。目前，这一 方法已成为世界工业废气净化研究的前沿热点课题之一( 3 】。在我国，生物废气净化 技术研究工作尚处于起步阶段，仅有少数文献报道 4 】，同济大学、昆明理工大学等 重庆大学硕士学位论文 进行了一些研究，但仅有极少量的实际装置投入运行。 在生物废气处理过程中，其核心装置是生物膜多孔填料塔，是一个含生化反 应的多元多相流体流动、传热传质的复杂体系，流体的多相流动和传输特性又与 多孔填料塔内的生化反应特性及废气净化性能密切相关，是生物工程、环境工程、 工程热物理等多学科交叉研究领域。因而，本课题从工程热物理学科角度出发， 考虑多孔介质中的两相流动及多孔介质内的传质问题，并结合生化反应动力学分 别从实验和理论两方面来研究生物膜多孔填料塔的降解性能，提出具有工程实践 参考价值的数据，为生物膜滴滤塔的实际工程应用奠定理论基础。 1 2 文献综述 1 2 1 基本原理 气态污染物的生物净化处理装置习惯上分三类：生物过滤塔( b i o f i l t e r ) 、生物 滴滤塔( b i o t r i c l d i n gf i l t e r ) 、生物涤气塔( b i o w a s h e ro rb i o s c r u b b 啪。生物过滤法和 生物滴滤法的主要区别在于生物膜表面的液膜流动速度，生物过滤法的液膜速度 v l = o ，而生物滴滤法的液膜速度v = c ( c 0 ) 。虽然生物过滤法的液膜速度和生 物滴滤法的液膜速度不同，但机理基本相同。 液相 气相 图1 1 生物滤床内污染物传质过程示意图 1 f i g i 1 m a s s t r a n s f e r i n b i o f i l t e r 图1 2 生物过滤床内污染物微观传输与吸附过程示意图1 】 f i g 1 2t r a n s p o r ta n da d s o r p t i o no f c o n t a m i n a t i o ni nb i o f i l t e r 2 对工业废气的生物净化过程实质上是利用微生物的生命活动将废气中有害物 质转变成为简单的无机物( c 0 2 和h 2 0 ) 或为细胞本身所利用等。生物过滤法和滴 滤法的工作机理是十分复杂的，其过程一般可分为以下几个步骤：( 1 ) 污染物由 气相到液相的传质过程，过程如图1 1 所示。( 2 ) 通过扩散和对流，污染物又从液 膜表面扩散到生物膜中去；( 3 ) 污染物与水中的有机化合物形成其他合成物，或 吸附在生物膜上，也可以被介质所吸附，具体见图1 2 。( 4 ) 微生物将污染物转化 为生物量、新陈代谢副产物或者二氧化碳和水。 1 2 2 模型简介 早期的生物法废气处理研究是以实验为主，目标是通过实验了解各参数间的 相互关系，为废气净化装置的设计提供依据。随着生物废气处理技术的快速发展， 仅仅通过实验研究的方法已不能满足生物废气处理装置的工程应用、以及新工艺、 新装置的开发需要。目前，针对生物过滤法和滴滤法废气处理过程的数学模型建 立与计算，以预测在给定条件下生物净化法的处理效果，为设计和过程优化提供 依据，已成为环境生物技术领域的一个重要研究方向。在此，对近年来国内外在 微生物法处理废气的数学模型方面开展的研究工作进行了归纳总结，以下将着重 介绍生物过滤法和生物滴滤法两种滤床数学模型的研究发展概况。 1 2 2 1o t t e n g r a f 模型pj 。 1 9 8 3 年o t t e n g r a f 最先发表了关于生物滤床的数学模型文章口 。o t t e n g r a f 以 j e n n i n g s 在1 9 7 6 年提出的非吸附理论模型e 6 为基础，并加以修正提出了气液生物 膜模型。模型把净化过程分为零级反应和一级反应( 见图1 3 a ) ，在扩散控制或反 应控制条件下，研究了一级反应、扩散控制下的零级反应和反应控制下的零级反 应三种状态。模型见图1 3 b 一1 3 c 所示。为简化模型，o t t e n g r a f 假设：( 1 ) 气相阻 力忽略不计，气液界面浓度相等：( 2 ) 气体湍流，无径向浓度梯度，忽略轴向扩 散；( 3 ) 污染物在生物膜中以扩散方式传递，引入有效扩散系数d c f f ；( 4 ) 生物膜 厚度相对于填料颗粒的径向尺寸很小，微元体内可认为生物膜是平整的。( 5 ) 生 物膜中的降解微动力学用m i c h a e l i s m e n t e n 的典型表达式表达。模型主要要反映污 染物浓度沿填料床高度方向的变化规律，因而建模时就需要污染物的液相浓度和 气相浓度、扩散系数、生物膜厚度、反应常数等参数，基于以上假设可得： 警小。 一l 百d c c = 盹 ，：0 ：巴：鱼 x ；占：堕；o 对于反应控制的零级反应，_ 占。而对于扩散控制的零级反应， ( 1 2 ) ( 1 3 ) ( 1 4 ) 生物膜中存在 重庆大学硕士学位论文 一个无反应区，- 岛 ，此时第二个边界条件变为工= 五时，i d c t = 。， 即为生物 膜的有效厚度。解出三种状态下的关系式： i c _ q _ o = e x p ( 一蔫 毒小皓 百c g = 陆卜s ， 蜜。懊 ab c 图1 3o t t e n g r a f 模型t 1 3 】示意图 f i g 1 3s c h e m a t i co f t h ep h y s i c a lp r o b l e m 从结果可以看出，在一级反应、反应控制下的零级反应和扩散控制下的零级 反应等条件下，污染物浓度沿填科床高度方向分别呈指数曲线、一次曲线和二次 曲线变化。o t t e n g r a f 模型最早且较完整的提出了生物膜数学模型，为生物膜数学 模型的发展奠定了基础，后来很多数学模型都是从此模型发展而来的。o t t e n g r a f 模型适用于堆肥和泥煤式滤床，在设计应用上，由于其动力学的假设及其他一些 严格的限制，实际应用存在一定的局限性 1 】。 1 2 2 2d e v i n n y 和h o d g e 模型7 。1 0 这种模型描述污染物进口浓度变化对生物降解效果的影响。同时，模型也预 测了代谢产物二氧化碳浓度的变化规律。在建立模型时，作者做了以下一些简化 假设：( 1 ) 无大范围的扰动发生。( 2 ) 填料床内各向同性。( 3 ) 与对流传质及生 物降解相比，水中的传质和介质表面的吸附是很快的。忽略了水和固体介质中的 浓度分布。( 4 ) 反应遵循一级反应。在有了以上假设之后，d e v i m a g 和h o d g e 分别 从传质和生物降解两方面列出微分等式，建立了一个数学模型： 百o c = 。害一矿署一( 坐0 c c “ ( 1 6 ) a f 苏2缸l 、7 二：；生= 征 c c 。女) 一6 c o ( 1 7 ) o c _ 0 i _ 2 l m ：k 。【c d 2 卜 c o z 。) 十r 。0 c 。) ( 1 8 ) 在建模型时认为气液界面污染物浓度遵循准亨利定律，既如= 三亨，并且还定 义了一个重要参数迟滞因子r ，即r = i + ，k 为质比系数。于是方程简化为： 4 露 1 绪论 丝：旦氅vo c 一丝生c( 1 9 ) mr 舐rd xr 稳态时，忽略扩散传质，即罢尝：o ，方程变为：矿罢+ b k 。c ：o ， 出。 咖 易得到分析解c ：c 。e x p f 二笔正 7 上述方程采用有限差分法求解。模型计算和实验结果的比较见图1 4 。同时， 研究结果表明：生物滤床内，在开始阶段吸附起主导作用，到后来，污染物的去 除主要是生物降解。许多研究还表明生物降解能力和污染物的溶解能力是决定生 物净化效果的两个重要因素。d e v i n n y 和h o d g e 模型主要适用于碳和堆肥式滤床。 8 0 0 0 6 0 0 0 倒 墨。4 0 0 0 8 士 曩骂2 0 0 0 n 0 0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 填料床内的高度 图1 4d e v i r m y 和h e d g e 模型预测值与实验值比较 f 培1 4e x p e r i m e n t a ld a t aa n dm o d e lp r e d i c t i o n sf o re t h a n o la n dc 0 2 c o n c e n t r a t i o np r o f i l e si ng a cb i o f i l t e r 1 2 2 3s h a r e e f d e e n 模型 1 1 】 1 9 9 3 年s h a r e e f d e e n 等采用与o t t e n g r a f 模型相似的假设，仅在动力学描述上 作了修改，建立了相关的模型【1 l 】。模型中考虑到碳源和氧的限制，即碳源或氧二者 其中一种在抵达生物膜一固体界面前，至少有一种被耗尽。所以就也类似地定义 了一个有效生物膜厚度 。为避免在零级反应和一级反应中作选择，还采用了数 值积分的方法。其动力学表达式为： 扣2 一丽k + z , ( j 硐彘 1 。1 0 ) 其中，k 为反应速率，焉m 。为最大反应速率，c l 。i 为液相中第，种污染物组分的浓度， c l 0 为液相中氧的浓度，j 写哪为第j 种污染物组分的半饱和常数，砥为氧的半饱 和常数。 重庆大学硕士学位论文 模型中运用了大量参数，这些参数决定了污染物在填料床中传质和降解效果， 诸如微生物生长率、界面面积、生物膜密度等。这些参数有的由实验确定，有的 则事先计算而得。模型采用数值解法，对生物层中污染物的浓度分布采用假设试 算的办法，不断比较修正。计算结果与实验数据吻合得较好( 见图1 5 ) 。 # e - r 摇 鞋 篷 0 5 0 1 0 01 5 02 0 0 2 5 0 甲醇负荷g m 。h 1 图1 5s h a r e e f d e e n 模型预测值与实验值比较 f i g 1 5c o m p a r i s o nb e t w e e ne x p e r i m e n t a ld a t aa n dm o d e ls i m u l a t i o n 1 2 2 4s h a r e e f d e e n 和b a l t z i s 模型陋1 习 1 9 9 4 年s h a r e e f d e e n 和b a l t z i s 联合建立了一种碎片分布式生物膜数学模型。 这种模型与s h a r e e f d e e n 模型【i l 】的不同点在于生物膜覆盖填料颗粒表面的情况。 s h a r e e f d e e n 模型【1 1 】假定生物膜均匀覆盖颗粒表面，而此模型中则认为生物膜以碎 片方式部分覆盖颗粒表面，而在颗粒表面有些地方直接与气流接触，这样就会有 些污染物直接吸附在固体颗粒表面而不被微生物降解。因此模型中保留了大量原 先的假设，又提出了一些新假设：( 1 ) 生物膜只在颗粒表面形成，颗粒内无生化 反应。( 2 ) 生物膜不是规则的附着在颗粒表面上，而留下了部分颗粒表面直接与 气体接触。( 3 ) 吸附只在固气界面发生，生物膜表面不会发生吸附。( 4 ) 生物膜 厚度相对颗粒径向尺寸很小，建模时可以认为膜是平整的。( 5 ) 生物膜的表面相 对于其厚度很大，轴向传质忽略不计，就可简化为一维问题。除对单种污染物降 解外，s h a r e e f d e e n 在原有的稳态模型的基础上，并考虑到含有多种污染物的情况， 从生物膜、气相、固体颗粒三方面的质量平衡出发建立了一个比较完整的非稳态 数学模型，： ( i ) 生物膜 百a s j = 舰) d ，等一鲁。) ( 1 1 1 ) 6 如 0 l 绪论 鲁= ，) d 。争一专盹s o ) f ：o ， ：o ，x ：o ：s i ；垒5 。：叠 。 m ，肌。 f _ 0 0 舢：邮，：三趔e ：c o , o ( h ) f = 0 ，o z j ：s j = s p s o = 是o o t u g t , x = o ：驴掣疋= 掣 o t v , o o 舻占：堡：0 盟：0f o ， o ，工= 占：= 二= ( i i ) 气相 v 鲁= 一。o 砸c j + d m 瞎o s i 。一k ( 1 刊z b _ ) v 鲁= 一。百0 c o + d o 一，阢m 面o s o l t = 0 h = 0 ：c j = c # pc o = c 口i ? 0 t = o o h - 0 h = 0 ：c j = c j ic o = ( ) 固相 ( 1 一咖，挈= k ( 1 一a m b c ) o t 。 t = 0h 0 ：c m = c 自o ( ) ( 1 1 2 ) ( 1 1 3 ) ( 1 _ 1 4 ) ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) ( 1 1 9 ) ( 1 2 0 ) ( 1 2 0 ( 1 2 2 ) ( 1 2 3 ) ( 1 2 4 ) ( 1 2 5 ) ( 1 2 6 ) 其中，爿。+ 是单位体积内生物膜的有效表面积，q 是，组分在气相某高度h 处的浓 度，g 4 是平衡时，种组分在气相中的浓度，是固体颗粒表面，组分的浓度，c o 是气相中的氧在某高度h 处的浓度，s j 是- ，种组分在某高度h 处生物膜内x 点处的 浓度，品是氧在某高度h 处生物膜内z 点处的浓度，f ( x v ) 是化合物在生物膜和水中 的扩散系数之比，d i 。是，种组分在液相中的扩散系数，d j 。是氧在液相中的扩散系 数，j ，v 是生物质密度，e 是，组分对生物量的生长系数，y o j 是，组分为碳源时氧 对生物量的生长系数，fj 是比生长速率，1 t i 比生长速率表达式中的常数，日是填 料床高度，“。气体流速，r 是孔隙率，p 。固体颗粒密度，毛是气相和固体介质之 7 重庆大学硕士学位论文 间的传质系数，下标0 表示t = o ，i 表示h = o 。 在模型还引用了一个重要参数生物膜覆盖率口。一般的实验认为难为 3 0 ，但至今没有任何实验可以证明。通过数量级比较的方法解出的结果和实验结 果的比较见图1 6 。模型也主要适用于泥碳式和珍珠岩式的滤床。 1 0 百0 8 望 o 0 6 捌 粪o 4 矿 二幡0 2 0 00 20 4 0 6 0 8 1 0 生物滤床相对高度h h t o “- ) 图1 6s h a r e e f d e e t x 和b a l t z i s 模型预测值与实验值比较 f i g 1 6e x p e r i m e n t a ld a t aa n dm o d e lp r e d i c t i o nf o ras t e p - c h a n g e i no p e r a t i n gc o n d i t i o n s ( s h a r e e f d e e na n db a l t z i s ) 1 2 2 5d e s h u s s e s 模型1 7 d e s h u s s e s 模型是较早的一个描述瞬态情况下生物膜内扩散过程的数学模型。 d e s h u s s e s 等认为存在一个由液体构成的吸附容积，在吸附容积内无生化反应。因 此建模时，可把填料床沿气体流动方向分层，每一层又由三个部分构成：气相、 生物膜和吸附容积。进一步又把生物膜分成四层，每一层均理想混合，具体见图 1 7 。与其他模型一样，模型认为气液相间的污染物浓度遵循亨利定律，在生物膜 中，污染物迅速扩散被微生物消耗。d e s h u s s e s 模型的基本假设与o t t e n g r a f 模型 相似，最大区别在于：( 1 ) 每层均为理想混合，其浓度相同；( 2 ) 吸附容积等于 水体积减去生物膜体积，且容积内无生化反应：( 3 ) 供氧充足；( 4 ) 生物量无净 增长。通过假设简化后，d e s h u s s e s 从气相、生物膜、吸附容积三部分的质量平衡