（市政工程专业论文）生物滤池废水处理过程的数学模拟.pdf

摘要 v 7 4 1 0 6 5 - 工 摘要 本文对生物滤池废水处理过程模型的建立进行了研究。主要内容包 括： ( 1 ) 污水与生物量组分的划分。通过对生物滤池中的各类物质按其 存在形式和可生物降解性进行划分，司以把这些物质分为1 4 种组分， 其中颗粒性和溶解性组分各7 种。 ( 2 ) 生物滤池模型的建立。通过对生物滤池废水处理过程机理的分 析，文中认为完整的生物滤池模型应当由以下三个子模型共同组成： o 包括1 0 个反应过程的反应动力学予模型。该反应动力学子模型 以矩i f 年形式袭示，集中地描述了生物腆内各组分的变化与相互转 化关系。 b 扩敝传质子模型。浚予模型以扩做方程的形式描述了生物腴内、 生物腆与液相主体之间各组分的迁移和传递过程。 c 过滤子模型。该予模型主要用于描述生物滤池对颗粒性组分( 浊 质) 的截流过滤作用，以及溶解性组分由于传质而形成的沿滤床 高度递减的现象。 ( 3 ) 滤池反冲洗模型的建立。作为对生物滤池模型的重要补充，该 反冲洗模型能自行计算水头损失，并决定是否执行反冲洗程序。 ( 4 ) 模型验证。模型采用一个曝气生物滤池的试验数据对模型的可 行性和准确性进行了验证。验证结果表明模型是有效的。 关键词：生物滤池模型废水处理 - 1 a b s t r a c t t h em o d e li n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l ei sas y n t h e t i c a l ，m u l t i - d i m e n s i o n a l ， m u l t i p l e s p e c i e sb i o f i l t e rm o d e i ( s m d m s b m ) t h i s m o d e lc a nd e s c r i b et h e e f f e c to fb a c k w a s ha n d t i m e v a r y i n gi n f l u e n tc o n d i t i o n so n t h eb i o f i l t er t h e s m d m s b mi n c l u d e st h ef o l l o w i n gf e a t u r e st h a ta r ee s s e n t i a lf o rd e s c r i b i n g at y p i c a lb i o f i l t e r ： 1 t h es m d m s b mm o d e lh a s1 4 c o m p o n e n t s ，i n c l u d i n g4b i o m a s s t y p e s ：h e t e r o t r o p h s ，a m m o n i ao x i d i z e r s ，n i t r i t eo x i d i z e r sa n di n e r t b i o m a s s ；7 d i s s o l v e dc h e m i c a l s p e c i e s ：d i s s o l v e db i o d e g r a d a b l e o r g a n i cs u b s t a n c e ，d i s s o l v e dn o n b i o d e g r a d a b l es u b s t a n c e ，d i s s o l v e d o x y g e n ，n i t r o g e no fn i t r i t e ，n i t r o g e no f n i t r a t ea n dd i s s o l v e do r g a n i c n i t r o g e n ；3 s o l i dc h e m i c a l s p e c i e s ：s o l i db i o d e g r a d a b l eo r g a n i c s u b s t a n c e ，s o l i d n o b - b i o d e g r a d a b l e s u b s t a n c ea n ds o l i d o r g a n i c n i t r o g e n 2 t h es m d m s b mi sm a d e u po fb y t h r e es u b m o d e l s t h ef r s to n ei s ar e a c t i o n a lk i n e t i cm o d e lw h i c hh a s10r e a c t i o n sd e s c r i b i n gt h e v a r i a t i o no fb i o f i l mc o m p o n e n t s t h es e c o n do n ei st h ed i f f u s i o n m o d e lw h i c hd e s c r i b e st h et r a n s m i s s i o no fc o m p o n e n t si nt h e b i o f i l ma n db e t w e e nt h eb i o f i l ma n dt h el i q u i db o d y a n dt h el a s t o n ei saf i l t r a t i o nm o d e lw h i c hd e s c r i b e st h er e s u l to f t h ew a s t e w a t e r t r e a m l e n t 3 ，i es m d 朋匹肼，a l s oi n c l u d e sab a c k w a s hm o d e l t l l i sb a c k w a s h 北京交通大学硕士毕业论文 m o d e lc a nc a l c u l a t et h eh e a dl o s sa n dd e c i d ew h e t h e rt op e r f o 订nt h e b a c k w a s hp r o c e d u r eo rn o ta u t o m a t i c a l l y a m o n gt h e s e f e a t u r e sa b o v e m e n t i o n e d ，t h ef i l t r a t i o nm o d e la n dt h e b a c k w a s hm o d e li sn o v e la d d i t i o n so f t h es m d m s b mt ot h eb i o f i l t c rm o d e l e v e rb e f o r e t h es m d m s b m i st e s t e di nt h i sa r t i c l eb ys o m ee x p e r i m e n td a t a t h e r e s u l to f t h e t e s ts h o w s t h a t t h e s m d m s b m m a t c h e s t h er e a l i t yq u i t e w e l l k e y w o r d s ：b i o f i l t e r m o d e lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t n 第一章绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 1 我国水资源及水环境状况 我国是一个水资源短缺的国家。首先，我国的水资源并不丰富，是 世界上1 3 个贫水国之一，年均降水量只有6 3 0 m m ，低于全球陆地面积 年均降水量( 8 8 0 r a m ) 。虽然年均水资源总量为2 8 1 万亿1 1 1 3 居世界第 六位。但由于我国人口众多，按人均计算，我国的人均占有水资源爨极 少，按1 9 9 8 年的1 2 4 8 亿人来算，人均水资源占有量仅为2 2 5 1 m 3 ，是 世界人均水平的四分之一，届世界第1 4 9 个国家的第ll o 位。其次水 资源在时空上分布不均匀更使一些地区处于严峻的缺水状态。华北地 区显得尤为突出，随着我国经济的发展和城市化进程的加快，城市缺水 问题日益突出。据资料统计，目前全国6 6 9 个城市中，4 0 0 个城市常年 供水不足，其中l l o 个城市严重缺水，目缺水最达1 6 0 0 万m 3 ，年缺水 量6 0 亿m 3 。由于缺水，每年都将影响工业产值2 0 0 0 多亿元。水资源 短缺已成为制约我国经济发展的重要因素i l j 。 一方面水资源严重短缺，另一方面水环境污染状况却仍然相当严重。 根据2 0 0 3 年中国环境状况公报，2 0 0 3 年，全国工业和城镇生活废水排 放总量为4 6 0 0 亿吨，比上年增加4 7 。其中工业废水排放量2 1 2 4 亿 吨，比上年增加2 5 ：城镇生活污水排放囊2 4 7 ，6 亿吨，比上年增加6 6 。 废水中化学需氧量( c o d ) 排放总量1 3 3 3 6 万吨，比上年减少2 4 。 其中工业废水中c o d 排放量5 1 1 9 万吨，比上年减少1 2 3 ；城镇生活 北京交通大学硕士毕业论文 污水中c o d 排放量8 2 1 7 万吨，比上年增加5 0 。废水中氨氮排放总 量1 2 9 7 万吨，比上年增加o 7 。其中工业废水中氮氮排放量4 0 4 万吨， 比上年减少4 0 ：城镇生活污水中氨氮排放量8 9 3 万吨，比上年增加 3 o 。对我国七大主要水系的污染程度监测结果表明：在4 0 7 个重点监 测断面中，3 8 1 的断面满足i 类水质要求，3 2 2 的断面属、 v 类水质，2 9 7 的断露属劣v 类水质。其中七大水系干流的1 1 8 个国 控断面中i i i i 类水质断面占5 3 4 ，i v 、v 类水质断面占3 7 3 ， 劣v 类水质断面占9 3 。七大水系污染程度由重到轻依次为：海河、 辽河、黄河、淮河、松花江、长江、珠江n 上述数据表明，虽然我国 已经投入巨资来治理水资源污染，但污染情况仍然星加重趋势。一方面 污染不断加剧，另一方面国民经济的飞速发展需要更多的水资源；水资 源的供需矛盾已经愈来愈尖锐，尤其是城市缺水闽题更是急需解决。 1 1 2 污水生物处理 工业废水和生活污水中存在蔚大量的呈溶解态和胶体状态的有机污 染物质，污水生物处理的主要处理对象就是这些有机污染物质。污水生物 处理工艺利用微生物的新陈代谢作用使之转化成稳定的无害化物质。在 发达国家。为控制水体的有机污染普遍采用= 级生物处理工艺，如美国 约有污水处理厂18 0 0 0 座，其中8 4 为二级处理厂；英国共有处理厂约 3 0 0 0 座，几乎全部是二级处理厂：日本有城市污水处理厂6 3 0 座，村镇 污水处理厂2 0 0 0 座，其中二级生物处理厂和深度处理厂占9 8 左右； 瑞典人口虽少，但却有1 5 4 0 座城市污水处理厂。其中9 t 为二级生物 处理厂| 3 l 。 按是否需要氧的参与，废水生物处理工艺可分为好氧生物处理工艺 和厌氧生物处理工艺。在好氧工艺中，微生物生长率高，降解单位污染 第一章绪论 物所生成的细胞物质也高，大量的生长比率研究数据表明：降解碳水化 合物的好氧异养微生物的产率系数一般在o 4 8 加7 2 m g 细胞c o d r a g 基 质c o d l 4 l ：相比之下，在厌氧工艺的环境中，微生物的生长效率远低于 好氧工艺环境之下的生长效率，其产率系数在o 0 3 , - - 0 0 4 m g 细胞c o d m g 基质c o d 。因而，前者通常是用于处理中等浓度以下的城市污水，而后 者则多用于处理高浓度的有机物水和污水处理中所产生的污泥。 从废水生物处理反应器中微生物的存在状态来分，污水生物处理工 艺则可分为悬浮生长工艺和附着生长工艺前者通常以活性污泥法为代 表，而后者则是以生物膜法为代表。在活性污泥法的反应器中，微生物 在物理搅拌或曝气的作用下处于悬浮状态，基质与活性污泥充分地混合 在一起：丽在生物膜法的反应器中，微生物以膜的形式附着在固体载体 上，鏊质在浓度梯度的作用下向生物膜内扩散，被微生物降解和消耗。 1 1 3 研究生物滤池数学模型的意义 生物滤池是生物膜法污水生物处理工艺的最初形式，也是其典型的 工艺形式。随著对生物滤池处理工艺不断深入的研究和愈来愈广泛地运 用，生物滤池已由原来承受较低负荷的单一形式的普通，土物滤池逐步发 展成为能承受较高负荷的高负荷生物滤池、塔式生物滤池和曝气生物滤 池等多种形式，并且其应用也越来越广。 虽然随着生物滤池应用范围的不断扩大，人们对生物滤池的实际应 用越来越得心应手。但是在现实中。废水处理工程师们对生物滤池的应 用仍仅局限于从以往经验或实验出发来设计和运营生物滤池反应器。这 种局限性使得工程师们在进行反应器方案比选、参数确定时需要花费大 量的人力和物力：并且在运营过程中，由于缺乏能及时反映反应器内部 状态的信息，难以对污水处理系统进行实时优化。要解决以上问题，通 北京交通大学硕士毕业论文 过对生物滤池的机理进行研究，建立起能有效模拟生物滤池废水处理过 程的数学模型，并通过数学模型来对其进行模拟便是其必经的途径。 1 2 国内外研究现状 1 r 2 1 国内研究现状 国内对生物滤池数学模型的研究起步较晚，实际上，即便是对生物 膜法的研究，在我国也是近三十多年才开始的因而在我国关于生物滤 池数学模型的研究报道较少。而在已有研究报道中，从理论上报道生物 滤池( 生物膜) 模型移 究就更少了，丽支日雨则是其中之一， 1 9 9 7 年刘雨【5 】提出，在数学模拟生物膜法进行污水处理时，应当把 膜中的生物量分为活性生物摄和非活性生物镦，能对污水中的基质起到 降解作用的只有活性生物嚣。并且，活性生物基在生物膜中的生长受到 基质扩散和生存空间的限制，存在一个最大活悭生物避的限值，所以一 旦活性生物噩达到最大，那么生物膜膜厚的增长就完全来自于非活性 生物覆因而此时所增长的生物膜厚度对蒸质的降解毫无作用。在此纂 础上，刘雨提出了法国c a p d e v i l l e 教授的生物膜增长动力学体系【6 】并 给出了自己的关于生物膜增长动力学的数学模型。 此后在2 0 0 0 年，刘雨又和赵庆良、郑兴灿编著一本关于生物膜法 污水处理技术的专著【 。专著从生物膜的机理出发介绍了微生物固定动 力学、生物膜增长及底物去除动力学、生物膜微生物的能量代谢理论和 水力剪切力对生物膜豹作用。并给出了相应的数学模型。 相比之下，利用实验对生物滤池进行研究然后结合现有理论，从 而推导出半经验性的关于生物滤池数学模型的报道要多一些。徐元勤， 韩月玲等人利用实验研究了好氧生物滤床去除c o d 和氨氮的能力，通 第一章绪论 过回归，他们给出了处理效果与滤床截面积、体积流量、滤科比表面积、 滤床高度、过滤系数等参数的关系式，指出出水基质浓度与进水基质浓 度成指数关系【s l 。庞金钊、郭彤斌等人认为填充塔式生物滤池沿高度方 向可以看成是一个个混合池所组成的反应器，在反应器内不考虑基质与 微生物量的传质与扩散关系，仅简单的认为反应器内基质的降解速率与 微生物量和载体表面积有关，并且不随时间变化。从而，他们建立了一 个生物膜废水处理的一维混合池模型，并用实验数据对模型进行了验证 【9 ) 。李汝琪系统地探讨了用曝气生物滤池技术处理生活污水和工业废水 的处理效果、工艺参数、影响处理效果的因素，研究了曝气生物滤池技 术的去除机理，通过回归建立了曝气生物滤池处理生活污水的效果模型 和反冲洗模型，为优化设计打下了一定基础l 泪j 。而在2 0 0 3 年王晟等人 参考了景有海 1 1 l 在描述滤池过滤性能方面的模型，并结合生物滤池除了 过滤会增长截馨摄，生物盈的生长和衰减也会对截留最产生影响的特 点。认为只要在景有海的澄潞方程上添加两个系数分剐表示生物凰的生 长和衰减对滤池出7 k 效果的影响，那么便能建立起一个自e 模拟实际生物 滤池运行的数学模型，他们建立了这样的模型，并用深圳大涌水厂的饮 用水深度处理数据对模型进行了验证”“。 总的来说，由于国内对生物滤池( 生物膜法) 的研究起步较晚，所 以研究的重点都集中在通过实验来归纳生物滤池运行动力学模型和反 冲洗模型。所得出来的模型郡具有v c z 模型l l3 】韵特点，及认为基质浓度 随深度以指数关系降低，并且所有的模型都是一维的稳态模型。 1 2 2 国外研究现状 国外对生物滤池( 生物膜法) 数学模型的研究可以分成两个时期，早期 多数集中于研究一维的半经验性单物种模型，丽近期的模型往往从机理 北京交通丈学硕士毕业论文 入手研究稳态模型，并且正在向研究多维非稳态多物种模型的方向发 展。 早期的半经验性单物种模型的代表有：v e l z 模型1 3 l 、e c k e n f e l d e r 模 型f j 4 】、k o r n e g a y 模型l l s 】和s c h r o e d e r 模型1 6 1 。前二者指出出水水质与进 水水质存在指数关系，并使用了一些经验性的参数来表示滤床高度、流 量对滤池的影响；后二者则用微分方程的形式给出了基质浓度随滤床高 度的变化梯度。 近期的研究则更注重于模型的机理研究，因而这一阶段的模型通常 都包含有假定、基质的传质与扩散、生物量增长动力学( 基质的降解) 三部分的内容。虽然稳态模型和多维非稳态多物种模型都包含这兰方面 的内容，但是在具体上是有差别的。 在假定方面，稳态模型除了假定维数是一维之外还通常假设： 电子受体( 主要是指氧) 是过盘的，面电子供体是唯一的限制 营养物。 滤池的生物膜中仅存在一种微生物，并只有该微生物超作用。 如榘电子供体是有机物，那么该微生物为异养菌：如果电子供体是氨氮， 该微生物则为自养菌。 生物膜处于稳态条件下。r a - - l ：生物膜中的生物擐的增长速率与 水力剪切作用所产生的生物量剥离速率相等，所以生物膜具有恒定的膜 厚。 废水均匀流过整个生物滤池的横截面。并且在整个滤池高度内， 废水都以恒定厚度的薄层在流动。 生物滤池呈推流状态。 而多维非稳态多物种模型则往往要求假定： 第一章绪论 生物滤池呈推流状态： 生物膜的膜厚在同一滤床高度是上一样的： ，进出细菌细胞的基质、营养物、电子受体等的传质都只通过分 子扩散进行： 在液相主体和生物膜间的传质主要是对流传输和紊流扩散。 在基质的传质和扩散方面，稳态模型和多维非稳态多物种模型在内 容上是一致的，都认为基质先是从水膜中传质到生物膜表层，然后再在 膜内扩散。只是在形式上由于非稳态多物种模型考虑的不仅仅是一种基 质，因而在方程数强上要比稳态模型多。 在生物量增长动力学方面。稳态模型因为认为生物膜的膜厚和密度 是一定的，所以更注熏于基质降解的表述，认为基质的降解速率与膜厚 成正比。并具有以下形式： 小 w 上，( 剁 z ， 式中：，。革位面积的基质降解速率， 刁。传质总有效因子， 。w 生物量的浓度， l 生物膜厚度 4 。比基质去除速率， s 。基质浓度， 足。半饱和系数。 相比之下，非稳态多物种模型在描述生物量生长动力学上则要复杂 北京交通大学硬士毕业论文 得多。这是因为模型不但要描述分布在不同空间上的各物种生物量对基 质的吸收和降解，还要描述它们对空间和基质的竞争关系。这使得模型 的规模大为扩张。 关于稳态模型，比较典型的例子有a t k i n s o n 的滴滤池数学模型。 该模型如图1 1 。水膜沿壤料表面的生物膜向下流动。水膜厚度j ，高 度日。水膜在z = 0 处的底物浓度为n ，在流动过程中向生物膜传递 的底物通量为，因此，在水膜和生物膜中都存在底物浓度p 的梯度， 这由底物浓度分布曲线可以看出。在水膜与生物膜交界处的底物浓度为 p 。底物浓度沿高度是减少的，出口处0 = h ) 的底物浓度为反。 图1 1a t k i n s o n 滴滤池模型 a t k i n s o n 模型假定： 整个系统为稳定状态： 第一章绪论 水膜内的流速v v ( 1 一割； 水膜内无纵向的混合； 气水交界面处无限制性营养物传递： 在0 = 0 ) 进1 ：3 处不存在底物的浓度梯度。 通过取水团微元建立方程，得封数学模型如下： v ， 1 - ( 奢2 胁。等 初始条件为： p i = p ( 1 3 ) 边界条件为： 字i 。0( 1 4 ) 哕k 加乩刈 s ) 而对于非稳态多物种模型。有许多研究者作出了贡献，提出了各种 形式的模型，如k i s s e l 等人w a n n e r 和g u j e r l l 9 2 0 1 ，r i t t m a n n 和 m a n e m 2 ”r e i c h e r t t ，w a n n e r 和r e i c h e r t i ”1 ，f u r u m a i 和r j t t l n a r l d _ 2 4 , 2 5 1 ， 以及r i t t m a n nb e 和d o u g l a ss t i t w e l l 等人【2 6 1 的模型。而其中r i t t m a n n b e 和d o u g l a ss t i l w e l l 等人的t s m s b m 模型i 2 6 是其中最完备的一个。 t s m s b m 是针对生物滤池工艺丽提出的非稳态多物种生物膜模型。该模 型包括四种生物量，分别是氪氧化菌( a m m o n i a o x i d i z e rb i o m a s s ) 、异养 菌( h e t e r o t r o p h i cb i o m a s s ) 、亚硝氮氧化菌( n i 喇t eo x i d i z e r ) 和惰性生物量 北京变通大学硬士毕业论文 ( i n e r tb i o m a s s ) ，以及七种组分，分别是氨氮、亚硝氮、硝氮、氧、可降 解性有机底物、与生物利用有关的产物和与底物利用有关的产物。 t s m s b m 模型针对这四种生物量和七种组分，认为可以把生物膜中的生 物量增长动力学过程划分为八个子过程，并在考虑了传质与扩散，以及 生物膜由于生物量自身的衰减以及水力剪切作用而引起的常规的和周 期的剥藩的基础上，得出了能描述这四种生物量、七种组分动态变化的 1 1 个微分方程式，构建了模型。此外，t s m s b m 模型还考虑了反冲洗对 生物膜的影响，这使得它比其它生物滤池模型在完备上更上一层。但美 中不足的事，t s m s b m 模型并未考虑生物滤池的过滤功能，而且在滤床 反冲洗方面的描述也比较粗糙。 总的来说，国外对生物滤池( 生物膜) 模型的研究由于起步较犁， 所以较囡内成熟。但是由于生物膜本身的复杂性，其研究正方兴未艾 而且愈来愈趋向于从机理上研究能动态描述生物滤池状态的数学模型， 这也是今后的研究方向所在。 第二章废水处理中生物膜及生物滤池的作用机理 第二章废水处理中生物膜及生物滤池的作用机理 2 1 污水的来源与成分分析 2 1 1 污水的来源 污水是人们在生活与生产过程中使用过的含有各种污染物的水，主 要来源于城镇的住宅、工厂和各种公共建筑设施。例如，在人们的日常 生活中，洗漱、淋浴、洗涤和卫生设备等均排出生活污水；在工农业生 产中，几乎所有的工厂、厂矿或车间亦均排出工业废水。我国的污水水 量相当庞大，据统计，2 0 0 3 年，全国工业和城镇生活废水排放总蛰为 4 6 0 0 亿吨，比上年增加4 7 。其中工业废水排放量2 1 2 4 亿吨，比上 年增加2 5 ；城镇生活污水排放置2 4 7 6 亿吨，比上年增加6 6 t 2 l 。 2 1 2 污水的分类与成分 各种废水的成分和性质有很大的差别。这主要是因为各种不同废水 的来源不同。通常，按照污水的来源可分为_ 三大类：生活污水、工业废 水和农业废水。 生活污水是指居民在日常生活活动过程中所产生的废水。主要是生 活废料和人的排泄物，其中包括厨房洗涤、淋浴、洗衣等的废水以及冲 洗厕所等的废水。该类废水的成分及变化取决于居民的生活习惯、生活 状况和生活水平，其中污染物质的浓度则与用水量有关。 生活污水的成分比较稳定。其中固体物质约占总量的0 1 - 0 2 ，而 其中可溶性固体又占固体总量的3 5 2 3 ，主要是各种无机盐类和可溶性 的有机物质，而在其悬浮固体中有机成分几乎占3 4 以上。生活污水中 北京交通大学硕士毕业论文 还含有氮、磷等营养物质。表1 1 是美国中等城市生活污水的典型组成 1 2 7 1 。表1 - 2 是我国一些城市生活污水水质情况【2 7 】。 表1 1 美国中等城市生活污水的典型组成 无机的有机的总的b o d 5 可沉固体 4 01 0 01 4 0 5 5 不可沉固体 2 57 09 56 5 溶解固体 2 l o2 1 04 2 04 0 总固体 2 7 53 8 06 5 51 6 0 氮 1 52 03 5 一 磷 538 一 袭1 2 我国一些城市生活污水水质情况 水质项目北京上海西安武汉喻尔滨 p i l 7 0 7 77 0 7 57 3 7 97 1 7 66 9 7 9 悬浮固体 lo o 3 2 03 0 0 3 5 0 6 0 3 6 01l0 4 5 0 b o d 5 9 0 18 03 5 0 3 7 0 3 2 0 3 4 08 0 2 5 0 耗氧量 3 0 8 8一一6 0 2 2 07 0 2 3 0 氨氮 2 5 4 54 0 5 021 7 - 3 2 5l5 6 0l5 5 0 氯化物 1 4 2 1 2 81 4 0 1 5 08 0 - 1 0 5 一一 磷 3 0 3 5 一一一 5 - 1 0 钾1 8 - 2 2一一一一 工业废水是指工业生产过程中排放出来的废水。由于工业废水来自 第二章废水处理中生物膜及生物滤池的作用机理 于不同的工厂，而工厂的工业类型、所用原料、生产工艺以及用水水质 和管理水平等的差异，使得废水的水质千差万别。 农业废水的主要污染物是农药和化肥。施用于农田的农药和化肥除 一部分被农作物吸收外，其余都残留在土壤和漂浮于大气中，经过降水 的淋洗和冲刷，尤其是农田灌溉的排水，这些残留的农药( 杀虫剂、除 草剂、植物生长调节剂等) 和化肥( 氮、磷等) 会随着降水和灌溉排水 的径流和渗流进入地面水和地下水中。此外，农业污水还含有大量的致 病细菌、病毒和寄生虫卵等。 2 2 生物膜 2 2 1 生物膜的形成过程及其结构 微生物能在适宜的载体表面牢固地附麓，并在其上生长和繁殖，由 细胞内向外伸展的胞外多聚物使微生物细胞形成纤维状的缠结缩构，这 利一结构体便是生物膜。 按照c h a r a c k l i s ( 1 9 9 0 ) 2 s 的研究，生物膜的累积形成悬以下物理、化 学和生物过程综合作用的结果； 有机分子从水中向载体表面运送。其中一部分被吸附到了载体上 面，便形成了改良过的载体表面； 冰中的浮游微生物细胞与改良栽体表露接触，一部分吸附到了载 体表面上。这些被吸附了的微生物细胞其中育一部分在水力剪切或其他 物理、化学和生物作用下叉解吸了出来，另一部分则被固定在了载体表 面： 固定在载体表面的微生物细胞摄取并消耗水中的底物与营养物 质，数目增多：在此同时，细胞产生大量的产物。产物中含有胞外多聚 13 北京交通大学硕士毕业论文 物，将生物膜紧紧她结合了起来。由此，微生物细胞不断吸收水中的营 养成分进行新陈代谢，不断积累生物量，从而生物膜也逐步累积了起来； 由于生物膜处于水中，故而在水力剪切或其他物理化学、生物作 用下，生物膜中的微生物细胞和多聚物也会向膜外液相主体释放i 7 1 。 载体表面的生物膜可分为两个部分：基膜和表膜，如图2 1 所示。 f i ) 、 j ，一l l | l 、i | 一， ! 、： 1 ，7 生物膜 j 基塑皇堡lj ! 鲢l - j 图2 1 生物膜系统示意图 这两部分都是由微生物以及包含有其它颗粒物的胞外多聚物组成的。通 图2 2 几乎完全由基膜构成的生物膜的扫描电子显微照片 常认为在基膜中的传质是通过分予扩散来进行的，并认为基膜具有如图 1 4 - 第二章废水处理中生物膜及生物滤池的作用机理 2 2 所示的结构 2 9 1 。但事实上并非如此。这是因为，对生物膜新的研究 表明，生物是通过胞外聚合物由离散细胞簇相互粘结和固相载体粘附所 构成的不均匀结构，生物膜内生物体的分布是不均匀的30 3 1 l 。这种不均 匀结构一方面使得液相主体与生物膜的真实的传质界面远大于图2 1 所 示两者之间的界面。而且，在另一方面这种不均匀性也使得现在大多数 假定传质系数在膜内处处相等的生物膜模型变得不合实际。但是，也正 是因为生物膜的复杂性，要找到理想的传质系数来能精确描述其传质过 程几乎是不可能的故丽在本文将要建立的模型中，还将采用以往的方 法，即认为传质系数处处相等且不随时间而变化。 2 2 2 生物膜的微生物相 生物膜中的微生物种类繁多，形态各异，但主要由细菌、真菌、藻 类( 嚣光照条件) 、原生动物和后生动物等组成。表2 j 列出了生物膜中 常见的各类微生物1 3 2 】。 表2 1 生物媵中鬻见的各类微生物 微生物相种类 细菌球衣菌、动胶菌、硫杼菌属、无色杆菌属、产碱菌属、 甲单胞菡属、诺卡氏菌属、色杆菌属、八叠球菌属、粪 链球菌、埃希氏大肠杆菌、副大肠杆菌属、亚硝化单胞 菌属和硝化杼菌属等 真菌瘤胞属、灿烂徽重寞菌、红色桨霉、水镰刀霉、岛地霉、 皮状丝胞酵母等 藻类小球藻属、绿球藻属、席藻属、颤藻属、毛枝藻属和环 丝藻属等 北京交通大学硕士毕业论文 原生动物鞭毛类，气球屋滴虫、圆珠背钩虫、粗袋鞭虫、尾波豆 虫、侧弹跳虫和活泼锥滴虫等；肉足类，变形虫属、简 便虫属和表壳虫属等；纤毛虫类，侧盘盖虫、媳状独缩 虫、钩钟虫、钩刺斜管虫、集盖虫等 后生动物轮虫类，旋轮虫和蛭型轮虫等：线虫类，双胃线虫和 杆线虫属等：寡毛类，爱胜蚯、颤蚯属和水丝蚓属； 这些微生物共同组成了生物膜复杂的生态关系。然而，这些微生物 的出现和是否在生物膜中占优势地位与生物膜所处的水环境有关。如就 菌类来说，在好氧条件、有机物充足的条件下，好氧异养菌将在生物膜 中占主要地位：而在好氧条件、有机物不多而氨氮充足的条件下，好氧 的自养菌将占优势地位。但就整个生物膜面吉，虽然细菌的菌类及数照 会随环境而变化，组成生物膜的主体通常还都是细菌。 2 2 3 尘物腆净化污水的机理 生物膜净化污水的机理如图2 - 3 所示。通常条件下，液相主体向膜 内传递溶解氧的能力是有限的因而一般的生物膜内都可以分为好氧层 和厌氧层两部分。同时，由于附着于载体表面的生物膜是高度亲水的物 质。所以当污水从膜外流过的时候，其外侧便会有附着一薄层水膜即 附着水层。附着水层外流动水层中的有机物( b o d ) 、溶解氧( 0 2 ) 、氨氮 ( n h 3 ) 通过对流和扩散作用传递到生物膜中。其中有机物可以被一直 传递到厌氧层中，而溶解氧和氨氮则大多只传递到了好氧层中。好氧层 中的微生物利用溶解氧作为电予受体，有机物和氨氮作为电子供体进行 新陈代谢，产生新的微生物和其他产物，包括二氧化碳( c 0 2 ) 和水； 厌氧层中微生物则利用有机物进行厌氧呼吸，释放出硫化氢( h 2 s ) 、氨 氮( n h 3 ) 和其他产物。就这样，污水中的有机物等基质不断通过传质 第二章废水处理中生物膜及生物滤池的作用机理 效应传递到生物膜中并被膜中微生物降解掉，从而达到净化的目的。 2 3 生物滤池 2 3 1 生物滤池的结构 生物滤池作为生物膜法的最初应用形式，发展到今已基本定形。以 普通生物滤池来说，生物滤池通常都是由滤床( 滤料层) 、布水系统、 排水系统和通风( 供氧) 系统组成。其结构可参照图2 - 4 a 滤 料 厌 氧 屡 图2 3 生物膜净化污水机理示意图 滤床由滤料组成。滤料是微生物栖息的场所，也即前面所说的载体。 滤料通常都是非生物活性和不可渗透的并虽粒径细小，能为微生物提 供大量的表面积作为附着面。 布水系统由管道组成。之所以设置布水管道，目的在于使污水能均 匀地分布在整个滤床表面上。 北京交通大学硕士毕业论文 图2 - 4 生物滤池的结构 排水系统的作用一方面是收集滤床流出的污水与生物膜，另一方面 保证通风供飘和支撑滤料。池底排水系统有池底、排水假底和集水沟组 成。排水假底使用特制的砌块和栅板铺成滤料就堆在假底上面。 通风系统主要是供给滤池中微生物需要的氧分。通风系统主要通过 排水假底下部池壁上的通风孔进入空气。当然。对于一些对供氧要求较 严格的生物滤池，也可以通过管道曝气器对滤池曝气。 除了滤床、布水系统、排水系统和通风系统之外，一些生物滤池为 解决滤池的易堵塞问题，往往还设置有由管道组成的反冲系统。反冲系 统通常和通风系统一样设置在滤池底部。有单水反冲系统。也有气一水 联合反冲系统。 ! 3 2 生物滤池废水处理过程 生物滤池废水处理流程的示意图如图2 5 。在滤池工作阶段，废水通 1 r 第二章废水处理中生物膜及生物滤池的作用机理 过布水系统均匀分布到滤料层的上表面，在重力作用下顺着滤料表面往 下流动。在流过滤料表面的时候，废水中的一部分溶解性污染物由于传 质作用被传递到滤料表面的生物膜中而被生物膜降解掉；另一部分的颗 粒性成分则在滤料的截留作用下被截留在滤床中。生物滤池就是通过降 解和截留来净化废水的。 进水 竺竺兰兰l 图2 - 5 带澄清池的生物滤池废水处理流程圈 生物滤池在运行一段时间后，由于生物膜的增长以及截留物质的增 多会逐渐把滤床堵塞。所以，当滤床的水头损失和出水水质超过标准后， 便需要对滤池进行反冲，以维持生物膜的活性和降低水头损失。 北京交通大学碗士毕业论文 第三章生物滤池模型的建立 3 1 污水及生物量组分的划分 污水中的污染物种类繁多，成分复杂。在模型中如要把它们一 列出，再研究它们在生物滤池废水处理过程中的变化情况是不可能的， 也不必要。由于本文将要建立的模型只研究生物滤池在去除有机物、 氨氮方面的模拟问题，所以根据需要，并参考a s m 系列活性污泥模型 对污水组分的划分方法，文中把污水组分划分成如下七种可溶性组分 以及三种颗粒性组分。 其中这七种可溶性组分是： 可溶性不易降解有机物( s o ， m ( c o d ) l 】 这一类物质是非生物活性的。因而在处理过程中将没有形态上的 变化，其出水的浓度应当与进水的浓度相等。其爨纲是，m ，p 。文中， 单位为m g ( c o d ) l 。 。可溶性易降解有机物( s s ) ，【m ( c o d ) l 这一类物质是处理过程的主要对象。异氧菌的生长需要利用该类 物质作为电子供体。其最纲是，m l 3 。文中，单位为m g ( c o d ) l 。 。溶解氧( s o ) ， m ( c o d ) l 3 自养菌和异氧菌的好氧生长都需要利用溶解氧作为电子受体，并 且活性生物量的衰减也需要消耗溶解氧。其爨纲是，m l 3 。文中，单 位为m g ( c o d ) 几。 溶解性氨氮( s n h ) ，( m ( n h 3 - n ) l 3 1 第三章生物滤池模型的建立 该类物质包括离子( 铵) 和非离子( 氨) 形态的总和。溶解性氨 氮在异氧菌的生长中作为氮源，而在自养菌的生长中除了作为氮源外， 还是电子供体。其量纲是，m l 3 。文中，单位为m g ( n h 3 - n ) l 。 溶解性亚硝态氮( s n o o ， m ( n 0 2 - n ) l 3 】 溶解性亚硝态氮能被亚硝氮氧化菌( 硝化菌) 氧化利用成硝态氮， 并且充当氮源以供其生长。其量纲是，m l 3 。文中，单位为 m g ( n 0 2 一n ) l 。 溶解性硝态氮( s n 0 3 ) ， m ( n 0 3 - n ) l 3 溶解性硝态氮是异氧菌缺氧生长的电子受体，并且还使其生长的 氮源来源。其最纲是，m l 3 。文中，单位为m g ( n 0 3 - n ) l 。 溶解性有机氮( s n d ) ， m ( n ) l 3 】 溶解性商机氮在微生物维胞胞外酶的作用下会被氮化成溶解性氨 氮。其盘纲是，m l 3 。文中，单位为m g ( n ) l 三种颗粒性组分是： ，颗粒性可降解有机物( x s ) m ( c o d ) l 3 颗粒性可降解有机物可以被水解成溶解性易降解有机物。其量纲 是，m l 3 。文中，单位为m g ( c o d ) l 。 颗粒性不易降解物质( x i ) ，【m ( c o d ) l 3 】 这一类物质包括颗粒性难降解有机物以及不易降解物质。该类物 质在处理过程中是非生物活性的，生物滤池对其的去除主要是通过过 滤的功能来达成。其量纲是，m l 3 。文中，单位为m g ( c o d ) l 。 颗粒性有机氮( x n d ) ， m ( n ) l 3 颗粒性有机氮可以被水解成可溶性有机氮。其量纲是，m l 3 。文 中，单位为m g ( n ) l l 。 北京交通大学硕士毕业论文 由于模型只考虑生物滤池在废水处理过程中的去除有机物、硝化 和反硝化问题，所以拟把生物膜中的生物量分为下面四种。 异氧菌( ) ( b h ) ， m ( c o d ) l 3 异养菌可以在好氧或缺氧环境下生长并伴随着衰减。其量纲是， m l 3 。文中，单位为m g ( c o d ) l 。 氮氧化菌b ，删) ， m ( c o d ) l 3 】 氨氧化菌，即亚硝化菌只能在好氧条件下生长，并以衰减的形式 破坏。其量纲是，m l 3 。文中，单位为m g ( c o d ) l 。 。亚硝氮氧化菌( ) ( b 2 ) ，【m ( c o d ) 几3 】 亚硝氮氧化菌，即硝化菌在好氧条件下利用亚硝态氮生长，以衰 减的形式破坏。其晟纲是，m l 3 文中，单位为m g ( c o d ) l 。 。惰性微生物( x 8 p ) m ( c o d ) l 3 上述三种生物盘的褒减产物，不具有生物活性。其盘纲是，m l 3 。 文中，单位为m g ( c o d ) l 。 3 2 生物滤池各子模型的建立 3 2 1 反应动力学子模型 由于生物膜法处理污水的反应动力学原理实际上与活性污泥法是 一致的，两者都是利用微生物来对污染成分进行降解，所以反应动力 学予模型可以参考活性污泥法的矩阵建模方法。 根据上述各污水组分和生物量组分在生物膜内的转变过程，可以 把发生在生物膜内的反应动力学过程划分为如下十个子过程： 可溶性易生物降解有机物的好氧利用 a 起作用微生物：异养菌 2 2 第三章生物滤池模型的建立 b 相关反应结果： a 异养菌的生成： b 溶解氧的消耗： c 氨氮的消耗； d 可溶性易降解有机物消耗 n h 3 - n 向n 0 2 n 转化的好氧硝化作用 a 起作用微生物：氨氧化菌 b 相关反应结果： a 氮氧化菌的生成：b 溶解氧的消耗； c 氨氮的消耗；d , n 0 2 - n 的形成； 。n 0 2 n 向n 0 3 n 转化的硝化作用 a 起作用微生物：亚硝氨氧化菌 b 斗日关反应结果： a 。亚硝氮氧化菌的生成；b 。溶解氧的消耗： c , n 0 2 - n 的消耗：d n 0 3 - n 的形成： 异养菌的缺氧生长( 反硝化作用) a 起作用微生物：异养菌 b 相关反应结果： a 异养菌的生成：b n 0 3 - n 的消耗： c 可溶性易降解有机物的消耗： 异养菌的衰减 a 起作用微生物：异养菌 b 相关反应结果： a 异养菌的减少；b 溶解氧的消耗： c 惰性微生物的形成：d 颗粒性有机氮的生成： e 颗粒性易生物降解有机物的生成； 北京交通大学硕士毕业论文 氨氧化菌的衰减 a 起作用微生物：氨氧化菌 b 相关反应结果： a 氨氧化菌的减少：b 溶解氧的消耗： c 惰性微生物的形成：d 颗粒性有机氮的生成 e 颗粒性易生物降解有机物的生成： 亚硝氮氧化菌的衰减 a 起作用微生物：亚硝氮氧化菌 b 相关反应结果： a 亚硝氮氧化菌的减少；b 溶解氧的消耗： c 惰性微生物的形成：d 颗粒性有机氮的生成 e 颗粒性易生物降解有机物的生成： 颗粒性易降解有机物的水解 a 起作用微生物：异养菌 b 牛目关反应结果： a 可溶性易降解有机物的生成： b 颗粒性易降解有机物的减少： 颗粒性有机氮的水解 a 起作用微生物：异养菌 b 相关反应结果： a 可溶性易降解有机氮的生成： b 颗粒性易降解有机氮的减少： 溶解性有机氮的氮化 a 起作用微生物：异养菌 第三章生物滤池模型的建立 b 相关反应结果： a 溶解性氨氮的生成： b 溶解性有机氮的减少： 分析上述十个反应过程，可以看出反应过程满足以下规律： i 由于反应需满足电子平衡的要求，故而对任何电子供体基质的 利用都会导致按化学计量式计算的溶解氧消耗。并形成相应的利用该 电子供体基质的活性微生物。 i i 微生物对有机底物的利用需要n h 3 - n 作为n 源：而n h 3 - n 、 n 0 2 n 的好氧