（环境工程专业论文）复合氧化沟工艺流态及传质动力学研究.pdf

中文摘要 摘要 污水生物处理中，建立反应器数学模型及流态分析对反应器过程机理认知及 控制有着十分重要的意义。虽然活性污泥和生物膜工艺均有完善的数学模型，但 针对复合生物处理工艺，传质过程的研究大多停留在氧传递效果k ，。或单纯底物降 解分析上，对整个系统研究相对较少。由于复合式生物反应器同时存在活性污泥 及生物膜两种不同状态微生物，不能直接使用任何一个现有的活性污泥或生物膜 数学模型。因此，建立复合氧化沟传质动力学模型及流态研究对深入了解其机理、 协助工艺控制及工艺发展都具有十分重要的意义。 通过复合氧化沟系统传质反应过程分析，将原有复杂系统简化为气液固三相 具有时间先后顺序的活性污泥与生物膜相结合系统。通过对每一过程的传质反应 分析，得到复合工艺通用数学模型，并结合复合氧化沟实际情况，将通用三维模 型简化为一维扩散反应模型并验证，得到复合氧化沟传质动力学模型基本数学方 程如下： 气液相间传质基本方程： i d c ：屯( e c )i = k 妇( e c ) 气液固三相传质反应基本方程： 鲁= 屯( e - c ) = 型k 水厂q o + c 土一垃：益墨：鲣 e c x xyq(so-s)-avjs。0c+xsv(booc-1) h 岱d e c + 1 ) v s ：垒l 坚鱼：生竺! ! 二丝：生型 ( n m 。一k 二) 一1 + r f ( 6 d 。6 l c 1 ) 通过模型分析，得到影响复合氧化沟传质反应的主要因素为系统的溶解氧含 量、生物量及水力停留时间。通过清水充氧试验和正交试验，确定传质反应最优 工况为：填料投配率3 0 ，h r t 为1 0h ，污泥龄为2 5d ，采用联合曝气( 倒伞转 速5 8 5r r a i n ，微孔曝气量8 0l h ) ，夜间间歇曝气。通过最优工况确定系统气液 相间总传质系数及系统满足一级反应动力学。 通过对氧化沟投加填料前后流场数值模拟及实测得到投加填料后对原有流场 影响较大，增加了系统局部紊动及水力剪切，改变系统原有速度分布，系统大部 重庆大学硕士学位论文 分点速度变化趋势接近，投加填料后仍存在速度分布，保证氧化沟固有流态形式。 将流场分析传质反应结合分析发现，悬浮填料伴随氧化沟混合液流动而不是 固定在一定区域更利于系统气液固三相传质反应的发生。并且复合氧化沟可满足 在不增加系统外加动力能耗情况下，促进系统气液固三相传质反应，具有对原氧 化沟系统升级改造的意义。 关键词：氧化沟，生物膜，传质动力学，计算流体力学，数学模型 英文摘要 a b s t r a c t i nb i o l o g i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，t h ee s t a b l i s h m e n to fm a t h e m a t i c a lm o d e la n d f l o wf i e l da n a l y s i sa r ev e r yi m p o r t a n tm e t h o d st ou n d e r s t a n dt h em e c h a n i s mo ft h e s y s t e ma n dc o n t r o lt h er e a c t o r a l t h o u g ha c t i v a t e ds l u d g ea n db i o f i l mp r o c e s s e sh a v e t h e i rf u l l ym a t h e m a t i c a lm o d e l s ，i td o e sn o th a v ea n yf u l l ym a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rt h e n o v e lh y b r i db i o l o g i c a ls y s t e m f o rt h eh y b r i db i o l o g i c a ls y s t e m ，t h er e s e a r c ho f m a t h e m a t i c a lm o d e l sm o s t l yf o c u s e so nt h ea n a l y s i so f go rs u b s t r a t ed e g r a d a t i o n t h u st h er e s e a r c ho nt h ew h o l es y s t e mi sr e l a t i v e l yf e w a n db e c a u s et h e r ea r et w o k i n d so fm i c r o b i a lc e l l se x i s t e d ( s u s p e n d e ds t a t ea n da t t a c h e ds t a t e ) i nh y b r i db i o l o g i c a l s y s t e m ，i tc a n n o td i r e c t l y u s e sa n yo ft h ee x i s t i n ga c t i v a t e ds l u d g ea n db i o f i l m m a t h e m a t i c a lm o d e l s t h e r e f o r e ，i th a sag r e a ts i g n i f i c a n c et oe s t a b l i s hm a s st r a n s f e r k i n e t i c sm o d e lo fh y b f i db i o l o g i c a ls y s t e ma n df l o wf i e l da n a l y s i sf o ru n d e r s t a n d i n gi t s m e c h a n i s ma n da s s i s t i n gt h ep r o c e s sc o n t r o la n dt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n t i nu s eo fp r o c e d u r ea n a l y s i sa n dh y p o t h e s i so nh y b r i db i o l o g i c a ls y s t e m ，t h i sp a p e r s i m p l i f i e dh y b r i db i o l o g i c a ls y s t e m t oam a s st r a n s f e r - r e a c t i o np r o c e s sw i t h g a s 1 i q u i d s o l i dt h r e e p h a s er e l a t i o n s h i p ，i n t h i sc o n t e x t ，a c h i e v e dt h e g e n e r a l m a t h e m a t i cm o d e lo fh y b r i db i o l o g i c a ls y s t e m ；c o m b i n e dt h eh y b r i do x i d a t i o nd i t c h s a c t u a ls i t u a t i o nt os i m p l i f yt h eg e n e r a lm a t h e m a t i c a lm o d e la n de s t a b l i s h e dt oam o r e s u i t a b l eo n e d i m e n s i o n a ld i f f u s i o n r e a c t i o nk i n e t i c sm o d e l ，t h eb a s i cm a t h e m a t i c a l e q u a t i o n sa r ea sf o l l o w s ： b a s i ce q u a t i o no fm a s st r a n s f e rb e t w e e ng a s l i q u i d ： i d c ：吒( e c ) b a s i ce q u m i o n so fm a s st r a n s f e ra n dr e a c t i o ni ng a s - - l i q u i d s o l i dt h r e ep h a s e s ： 警= 屯( c 。_ c ) = 丽g , i l l s x c 妊厂q 土：些盟：当圣：丝 e c x = 塑燮焉器掣 s：ks1+kdoc+rf(1-booc) 艮( 乃。一k 0 ) 一1 + r f ( 6 d 艮一1 ) i i i 重庆大学硕士学位论文 b ya n a l y s i se s t a b l i s h e dm o d e lo fh y b r i do x i d a t i o nd i t c hs y s t e m i tc a l lb eg e t t h e m a i nf a c t o r so nm a s st r a n s f e ra n dr e a c t i o no fh y b r i do x i d a t i o nd i t c hs y s t e ma r e d i s s o l v e do x y g e n ，b i o m a s sa n dh y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m e b yc l e a rw a t e ro x y g e n a t i o n e x p e r i m e n ta n do r t h o g o n a l e x p e r i m e n t ，t h eo p t i m a l c o n d i t i o nf o rs y s t e mo nm a s s t r a n s f e ra n dr e a c t i o ni st h a tv o l u m er a d i oo fs u s p e n d e db i o l o g i c a l f i l l e r si s3 0 ， h r t = ioh ，s r t = 2 5d ，u s ej o i n ta e r a t i o n ( r e v o l v i n gs p e e do fd o w n - u m b r e l l aa e r a t i o ni s 5 8 5r m i n ，m i c r o p o r o u so x y g e ni s8 0l h ) ，a n du s ei n t e r m i t t e n ta e r a t i o na tn i g h t b yn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt e s t i n gt h ef l o wf l i e d ，a f t e ra d d i n gf i l l e r s ，i th a sa g r e a te f f e c to no r i g i n a lf l o wf i e l d ，w h i c hh a si n c r e a s e dl o c a lo ft u r b u l e n td y n a m i ca n d t h eh y d r a u l i cs h e a rf o r c eo ft h es y s t e m ，c h a n g e ds p e e dd i s t r i b u t i o ns y s t e mo r i g i n a l h o w e v e r ，m o s tp o i n t so ns p e e dc h a n g e dt r e n do f t h es y s t e ma r ec l o s e ，w h i c hs t i l le x i s t v e l o c i t yd i s t r i b u t i o n i tc a l lb ek n o wt h a tn a t u r a lf l o wo f t h eo x i d a t i o nd i t c hi s s t i l li n w o r k i n g b va n a l y s i so nf l o wf i e l da n dm a s st r a n s f e rr e a c t i o n ，i tc a n b ef o u n dt h a ts u s p e n d e d f i l l e r sf l o w i n gw i t hm i x e dl i q u i di nt h eo x i d a t i o nd i t c hm o b i l er a t h e rt h a nf i x e di n c e r t a i n 棚e a sa r em o r ec o n d u d v et om a s st r a n s f e ra n dr e a c t i o no fg a s l i q u i d s o l i dt h r e e p h a s e si ns y s t e m h y b r i do x i d a t i o n d i t c hc a nb em e tw i t h o u ti n c r e a s i n ge n e r g y c o n s u m p t i o n ，a n dp r o m o t e dm a s st r a n s f e ra n dr e a c t i o no fg a s l i q u i d - s o l i dt h r e ep h a s e s i ns y s t e m ，w h i c hh a sas i g n i f i c a n c ef o ru p g r a d i n go fo r i g i n a lo x i d a t i o nd i t c hs y s t e m k e y w o r d s ：o x i d a t i o nd i t c h ，b i o f l i m ，m a s st r a n s f e rk i n e t i c s ， c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l s 1绪论 1绪论 1 1 课题背景 1 1 1 三峡库区及上游规划区城镇水质概况 三峡库区及其上游流域规划范围包括重庆市、湖北省等所辖3 9 个地市、315 个区县陆域与相关水域。规划区面积为7 8 2 万，总人口1 8 亿，地区生产总值2 4 9 8 5 万元，人均生产总值1 4 万元，为全国人均g d p 的6 0 。三峡水库具有巨大的防 洪、发电、航运、供水等综合效益，生态功能极其关键，在我国国民经济发展中 具有重要战略地位。但自2 0 0 3 年6 月完成第一期蓄水后，三峡库区水体稀释自净 能力减弱，干流城市江段近岸水域纳污能力减小：部分支流河口和库湾受回水顶托 影响，污染加剧，成为易出现富营养化的敏感水域【l 】。虽然不断加大流域内污染防 治力度库区水环境风险防范及污染问题仍然突出，主要表现为以下几方面1 2 ： 饮用水源地、珍稀鱼类涸游通道等敏感水域水质保障问题突出。上述敏感 水域生态服务功能关键、水质保障需求突出。 支流水质相对较差，库区部分支流水华频发，威胁饮水安全。污染支流成 为影响流域水环境安全的重要因素，重庆市、四川省等地尤为明显。2 0 1 0 年库区 5 6 条次级河流超i i i 类水体断面比例达2 8 8 ，且成库后库区支流回水区中段高锰 酸盐指数浓度显著上升，有机污染加重。支流水体富营养化问题突出，2 0 0 4 年至 2 0 0 9 年，三峡库区发生“水华”共8 4 次，覆盖库区2 1 条一级支流。 局地特征性污染问题突出，成为水质保障的重要风险。流域内局部地区存 在特征型污染的问题，包括磷矿开发及磷污染问题，煤矿开发及重金属污染问题， 局部地区砷污染等问题，部分特征性污染已经直接威胁饮用水安全。 城镇点源污染受到一定控制，但仍不容乐观。流域境内工业企业沿江分布， 企业超排偷排问题时有发生。已建城镇污水处理厂存在管网配套滞后、污水收集 率低、脱氮除磷能力较弱、部分小城镇污水处理工艺脱离实际等问题。且已建污 水处理厂污泥和垃圾填埋场渗滤液处理处置问题突出。 流域面源污染日趋加重，防治力度依然不够。面源污染负荷已然在排污结 构中占绝对优势。其中，库区面源排放的c o d 、t n 及t p 占库区入库负荷的 6 6 8 8 ：库区上游地区面源负荷比例亦占到6 0 以上。 水库消落区缺乏有效保护，水上流动源及漂浮物问题仍然突出。 若三峡库区影响区和上游区废水排放控制不当亦会对下游地区产生严重影 响，因此解决影响区和上游区的水质污染问题对库区的整体水质改善具有重大意 义。 重庆大学硕士学位论文 1 1 2 三峡库区及上游规划区污水处理厂建设发展概况 污水处理厂建设是控制库区城镇江段近岸水域污染的重要措施。随着我国对 环境保护问题重视，大量的污水处理厂建成投入运行。截至2 0 1 0 年3 月底，全国 累计建成城镇污水处理厂2 1 5 7 座，污水处理能力达到1 0 9 亿m 3 d ，在建城镇污 水处理项目1 9 4 9 个，总设计能力约为5 5 0 0 万m 3 d 【3 1 。截止2 0 0 9 年底，在“十一 五”期间三峡库区及其上游流域共建成4 4 座城市污水处理厂和3 个小城镇生活污 水处理厂。此外尚有6 1 座城市污水处理厂在建【2 】。大量城镇污水处理厂的建成投 运，运行管理的好坏直接关系到其能否发挥最大的环境效益，因此，库区内城镇 污水处理厂的运行管理对于库区的水环境保护十分重要。 1 2 课题的提出、研究的目的和主要内容 1 2 1 课题的提出和研究目的 三峡大坝的建成使三峡库区水力学条件发生变化，水体自净能力下降，为保 护库区水环境质量，未来库区城镇污水处理要求达到较高的标准，尤其是对水中 n ，p 的标准将大大提高，随着对库区水环境保护要求的提高，库区污水厂均面临功 能提升改造的任务，使其处理出水优于城镇污水处理厂污染物排放标准一级b 标准。复合生物处理技术为解决这一问题提供了一条切实可行的途径。运用复合 生物处理技术，在不增加现有污水处理厂建设规模的前提下，显著提高其处理能 力。然而复合生物反应器在我国研究和应用尚不深入，在理论与应用相结合方面， 目前还未达到较理想的状态。 本研究基于改良型c a r r o u s e l 氧化沟小试模型，在厌氧池及氧化沟中投加悬浮 填料，构建复合生物反应器( 即悬浮型+ 附着型相结合) ，研究投料后的复合氧化 沟工艺的流态特征，通过建立复合工艺的传质反应动力学模型，对系统中反应动 力学机理进行研究，推导总结出可用于指导复合工艺实际运行的传质反应动力学 模型与参数，以期为之后复合氧化沟的进一步研究及长寿污水厂氧化沟低成本升 级改造提供依据。本研究受国家“十一五”水专项( 2 0 0 9 z x 0 7 3 1 5 0 0 2 0 3 ) 资助。 1 2 2 课题研究内容 本课题主要研究内容如下： 通过投加填料、曝气方面的改变，开展新型复合氧化沟流态的实测及c f d 数值模拟研究。 通过投加填料、曝气方面的改变，开展新型复合氧化沟传质反应动力学 模型、传质反应影响因素及传质反应最优工况研究。 2 1绪论 1 3 国内外复合生物反应器的研究 将各种物化或生化工艺相结合的复合工艺有多种，如生物膜与稳定塘相结合 的复合工艺【4 1 ，生物膜法与人工湿地相结合的复合工艺【5 】等，本课题所研究的复合 生物反应器是在原有活性污泥工艺基础上，通过在反应池中投加提供微生物附着 生长的载体，使反应池中同时存在附着相和悬浮相生物，充分发挥两相微生物优 点，提高处理效果。这种将生物膜法与活性污泥法相结合形成的反应器称为复合 生物反应器( h y b r i db i o l o g i c a lr e a c t o r ，简称h b r ) 6 - - 9 。 1 3 1 国外复合生物反应器的研究 最早的复合生物反应器可追溯到1 9 2 9 年b u s w e l l 等发明的接触氧化法。他们 将薄木片编织成木垫垂直地悬浮在曝气池中，形成复合生物反应器的雏形。但之 后一段时间由于出现易堵塞、费用高、卫生条件差等问题，使得复合生物反应器 的研究基本停滞了近4 0 年。直到2 0 世纪6 0 年代末，材料科学技术的快速发展才 促进了载体投加法的发展。近十几年来，人们开发和应用于各种浸没式活性污泥 系统中的“组合式塑料填充材料( m o d u l ap l a s t i cp a c k i n gm a t e r i a l ) ”。在日本和德国， 由聚氯乙烯纤维和组合塑料制成的塑料网和“成串环状填料( r i n gl a c e ) ”已经在实 际工程中得到了应用瑙j 。 此外，在曝气池中投加多孔悬浮载体的工艺，如l i n p o r 工艺、k a l d n e sm b b r 工艺、c a p t o r 工艺等近年来也得到了重视。在反应器中投加微小载体( 如活性炭 粉、黏土、木屑等) 的工艺也受到关注。 根据载体填料与曝气池的装填方式，可以分为以下两判9 】：池内有悬浮填 料供附着生长的复合工艺；池内有固定填料供附着生长的复合工艺。 池内有悬浮填料供附着生长的复合工艺； 多孔悬浮载体是近年来在市政污水和工业废水的处理中获得广泛研究的一项 新技术，由于在反应器中悬浮的载体上可附着生长生物膜，好氧反应器中的生物 浓度得到提高，并且因为悬浮载体上的生物膜污泥龄较长，使得系统在提高碳的 去除能力的同时也强化了氮的去除。悬浮载体形状规则，孔隙率大，比表面积几 百到几千不等。湿水密度接近于水，在正常的曝气强度下极易达到全池流化翻动。 悬浮载体可直接投加，无需固定安装，只需在反应器出口处设置拦截，靠曝气水 流将其回流至池前端。在运行中不结团，不堵塞，老化的生物膜靠水力冲刷、曝 气搅动等方式自动脱落。从而解决了之前堵塞的问题 8 , 9 1 。 据统计，目前有1 0 余种在活性污泥工艺的曝气池内投加悬浮填料的工艺。典 型的悬浮填料活性污泥处理工艺如：德国l i n d e a g 股份公司的“l i n p o r p r o c e s s ”、 挪威k a l d l l e sa s 公司的“k a l d n e s sm b b r 和英国s i m o n h a r t l e y 公司开发的 “c a p t o r ”系统工艺。 重庆大学硕士学位论文 1 ) c a p t o r 工艺和l i n p o r 工艺 在c a p t o r 工艺和l i n p o r 工艺【8 “1 1 的生物反应器中放置相对密度为o 9 5g c m 3 的泡沫填料块，这些泡沫填料块自由漂浮于池中，并用出水筛网拦挡在池内，如 图1 1 。泡沫填料的体积可占反应器容积的2 0 - - 3 0 。由扩散曝气系统产生的混 合搅拌使泡沫填料在系统中循环流通，如果没有# 1 - a n 的混合搅拌措施，泡沫填料 块往往会聚集在曝气池的出水端和漂浮在池表面【l 叭。池上安装有空气刮板不断清 理筛网，并用泵将填料回流至反应器进水端。固体由二沉池去除，并与活性污泥 工艺相同，从回流管线排走。泡沫填料系统由于大部分的生物体被保留在曝气池 中，因此，其主要优点是能提高现有装置的负荷而不增加现有二沉池的固体负荷， 这些工艺的b o d 负荷率已达1 5 4 0k g ( m 3 d ) ，对应的混合液悬浮固体( m l s s ) 浓度为5 0 0 0 - - - 9 0 0 0m g l i l l 。根据配置有泡沫填料的生产性装置和中间试验装置的 试验结果，似乎在以悬浮生长混合液为基准的固体停留时间( s i 盯) 值比装置内无 内部填料的活性污泥工艺的固体停留时间( s i 汀) 值明显低的情况下，就能发生硝 化。 罨合液内回流聚集在位于反 应器出水口处筛网上的填料 污泥 图1 1 c a p t o r 工艺和l i n p o r 工艺的典型流程图 f i g 1 1 t h et y p i c a lf l o wc h a r to fc a p t o rp r o c e s sa n dl i n p o rp r o c e s s 2 ) k a l d n e s 工艺 挪威公司“k a l d n e sm i l j 咖t e k n o l o g i ”已研究出一种移动床生物膜反应器 ( m o v i n g b e db i o f i l mr e a c t o r , m b b r ) 。该工艺由在曝气的或不曝气的池内投加供生 物膜生长的圆柱形聚乙烯小载体( 相对密度为o 9 6 9 c m 3 ) 构成，小圆柱的直径约 为1 0 m m ，高为7 m m ，圆柱内有十字交叉，外有纵向冀片。在池出口处用多孔板 ( 孔口为5 r a m 2 5 m m ) 将生物膜载体拦挡在反应器内。在一定程度上，用空气搅 拌或混合器使填料不断地在池内循环，填料可装满2 5 - 5 0 的池体容积。填料的 4 1 绪论 比表面积约为5 0 0m 2 m 3 。移动床生物膜反应器工艺不需要回流活性污泥或反冲 洗，用二沉池沉淀脱落固体。移动床生物膜反应器工艺降低现有二沉池的固体负 荷，对处理厂的升级很有利0 2 , 1 3 1 l 。如图1 2 所示为已经应用移动床生物膜反应器的 两种不同用途。第一种是最常用的装置，应用于去除b o d 、硝化和脱氮【1 4 1 ，如图 1 2 ( a ) ，应用于缺氧一好氧处理方式时，采用6 级反应器装置。应用于除磷时，需 在移动床生物膜反应器之后投加化学药剂。加进k a l d n e s 的填料之后，反应器内填 料的比表面积达到2 0 0 - 一4 0 0 m 2 m 3 。在第二种用途中，用移动床生物膜反应器替 代固体接触工艺中的生物滤池，如图1 2 ( b ) 。 m 8 b r 徊) ( b ( a ) 去除b o d 和营养物；( b ) 固体接触工艺； 图1 2 移动床生物膜反应器( m b b r ) 处理工艺流程图 f i g 1 2 t h ef l o wc h a r to f m b b r 池内有固定填料供附着生长的复合工艺 据统计，目前有六种以上。三种典型的固定填料工艺包括：环形辫带( r i n g j l a c e ) 工艺、生物填质( b i o m 撕x ，双生物污泥b i o - 2 s l u d g e ) i z 、淹没式生物转盘( r b c ) 工艺和载体活性污泥工艺( c a 玎i e r - a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，简称c a s p ) 。 1 ) 环形辫带( r i n g l a c e ) 工艺 环形辫带( r i n g l a c e ) 填料是一种环形的聚氯乙烯填料，其直径为5 m m 左右。 以组件方式放置于活性污泥池中，约占池体容积的2 5 - - - - 3 5 ，各组组件间相距 4 0 1 0 0 m m ，如图1 3 。提供的比表面积在1 2 0 5 0 0 m 2 m 3 池体容积范围内变化。 填料在曝气池内放置位置属于浸没填料系鲥8 1 ，填料在曝气池内放置很重要。为了 重庆大学硕士学位论文 使填料与废水能有效接触，应将填料沿曝气池有曝气设备的一侧布置，使水流以 螺旋卷武通过填料【1 5 1 。螺旋卷式曝气的效率一般低于池底用微孔泡扩散器满铺的 效率。 填料沿池长安放的位置对硝化和脱氮系统的运行也很重要。r a n d a l l 和s e n f l 6 】 对填料所处的位置作了推荐，该处应保持有充足的b o d 以促进生物膜的生长，但 是b o d 的需要量又很低以便生物膜上可发生氨的氧化。然而，他们提到，由于 b o d 负荷的变化可以改变填料上生物膜的生长，以及异养菌和自养菌之间对填料 表面的竞争，因此很难达到最佳的速率。在有些应用中，由于生物膜上滋长毛足 虫而抵消了采用池内固定填料的优越性。 污泥 ( a ) 活性污泥反应器中填料布置的示意图；( b ) 活性污泥反应器中填料安放的等轴图 图1 3 环形辫带( r i n g l a c e ) 填料在活性污泥反应器中的布置 f i g 1 3 t h el a y o u to fr i n gb r a i d e df i l l e r s ( r i n g l a c e ) i nt h ea c t i v es l u d g er e a c t o r 2 ) 双生物污泥( b i o 一2 - s l u d g e ) 工艺 图1 4 所示为双生物污泥( b i o 一2 一s l u d g e ) 工艺的示意图。聚氯乙烯( p v c ) 填料组件沿曝气池两侧墙面放置，填料组件的比表面积为9 0 - 一1 6 5 m 2 m 3 ，为防止 堵塞，其最小开孑l 为2 0 r a m 2 0 m m 。池内配置有空气扩散系统，使混合液能循环 流过填料1 。 1 绪论 供生物膜 附着生长 用的填料 曝气器 空气 材 r kj _ 一 霞霞l f 鋈霞f l l - j、 ill j l ”矿、嘲- 图1 4 双生物污泥( b i o - 2 - s l u d g e ) - r 艺图 f i g 1 4 t h ec h a r to f b i o - 2 - s l u d g ep r o c e s s 3 ) 淹没式生物转盘 此工艺是在曝气池的液相主体中引入生物转盘的工艺 9 1 。生物转盘装置已在活 性污泥系统中安装使用，淹没式生物转盘( s u b m e r g e dr o t a t i n gb i o l o g i c a lc o n t a c t o r , s r b c ) 运行时的淹没度约为8 5 。淹没式生物转盘装置的直径可以大到5 5 m ，拥 有2 8 0 0 0 m 2 的表面积。其旋转可以靠曝气驱动，也可以辅以机械的传动。淹没式 的运行减轻了填料轴上的负荷。 这种工艺最早可追溯到1 9 7 5 年。为了减轻有机负荷和提高二级处理厂的处理 效率，美国费城建成了第一套生物转盘和曝气池结合的系统。在东京，为了改造 现有二级处理厂，提高脱氮能力人们将生物转盘添加到现有曝气池中的第三级( 好 氧区) ，以提高系统的反硝化能力【_ 7 1 。 4 ) 载体活性污泥系统 载体活性污泥工艺( c a r r i e r - a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，简称c a s p ) 是指在曝气池 中投加微载体( m i c r o c a r r i e r ) 的活性污泥工艺【8 】。这些工艺的效果取决于载体的种类 和浓度。根据载体的特性，可将这些载体分为三类，即惰性载体、吸附载体和化 学活性载体。 由此可见国外复合生物反应器技术经过多年的发展已经较为成熟，并且进入 工程化应用阶段。 1 3 2 国内复合生物反应器的研究 在我国，复合式生物处理系统在传统活性污泥工艺、a a o 工艺、s b r 等工 艺中均有研究。 张永丽等人【 1 将多孔悬浮填料投加于传统s b r t 艺中，结果显示投加后的系 重庆大学硕士学位论文 统在生物种类、存在方式及基质的分配与传质方式都有明显的改善，表现出良好 的耐水量和水质冲击的能力，出水的c o d 、b o d 、氨氮、t p 的去除率分别由原来 的6 7 9 、8 1 6 、5 6 4 、6 2 5 提高到7 8 4 、8 8 9 、6 9 2 、7 4 2 。文中针对 变水位s b r 工艺等间歇式曝气池，突破了悬浮填料主要应用于恒水位连续式曝气 池，对于已建污水厂的技术改进具有很强的实用性。 仪征化纤公司采用小试研究，在曝气池中悬挂软性塑料纤维【l 引。发现复合生 物反应器生化系统中生物固体质量浓度达6g l 左右，比普通活性污泥法系统中的 生物固体浓度提高5 0 以上，大量的丝状菌附着在填料上，有效地降低了s v i 值。 同时，在低泥龄时可以阻止生化系统曝气池中硝化菌的流失，提高系统的硝化能 力，因此，系统c o d 和氨氮的去除率分别提高了2 0 和9 6 。 赵庆良等人【1 9 】在活性污泥法工艺中加入废弃轮胎颗粒作为生物载体。载体颗 粒平均粒径为2 2 5 m m ，比表面积为2 3 0 0 m 2 m 3 ，颗粒密度1 1 2 9 c m 3 ，投配率为1 2 。 发现废弃轮胎颗粒作为一种新型的污水处理生物膜载体具有强度高、耐磨损、材 料易得价格低廉和废物再利用等优点。如在传统的曝气池中m l s s 为2 0 0 0 - - 3 0 0 0 m g l 的基础上，向曝气池中投加的颗粒为4 0 9 l 则至少可使附着生长生物量 增加2 0 0 0 m g l 。 周增炎、高廷耀等人 2 0 - - 2 3 1 不仅做了在传统的活性污泥工艺中投加悬浮填料的 系列研究，还研究了投料于a a o 工艺的硝化特性研究，结果表明：合理地选择 悬浮填料的投配率与投加位置将会大大提高投料a a o 工艺对氨氮的处理效果和 经济效益。 综上所述，我国在复合生物反应器领域的研究较多，但基本处于探索阶段。 大多针对实际污水进行实验室技术探讨性研究，在理论与应用相结合方面目前还 未达到较理想的状态。 1 4 本苹小结 通过以上分析，复合工艺的研究对于污水厂功能提升改造十分有意义。不难 看出，国外对于复合工艺的研究已十分成熟，也已投入到实际工程运用中；而国 内基本上处于试验研究探索阶段，还未能很好的投入到实际工程的使用。尤其是 复合氧化沟工艺，国内早在9 0 年代就已对复合氧化沟进行研究，但后续复合工艺 的研究就转移到传统的活性污泥工艺中，因此复合氧化沟工艺研究较少。本课题 将从传质反应及流场分析角度出发，展开对复合氧化沟工艺的系统研究。 2 废水生物处理传质反应动力学原理及模型 2 废水生物处理传质反应动力学原理及模型 建立传质反应动力学模型的首要功能是将复杂系统简化，用最少的方程项进 行描述，以便于运用，帮助我们理解系统如何响应条件的变化。我们所采用的模 型都是以质量、动量和能量守恒为基础的过程传质模型。下面主要介绍基本建模 原理，氧的传递，活性污泥法，生物膜法传质理论及数学模型。 2 1 基本建模方程 2 1 1 物料衡算方程 质量守恒是传质反应中运用最为广泛的方程。在废水生物处理领域对整个系 统进行物料衡算来分析其传质反应过程。物料平衡原理应用的基本步骤如下f 2 4 , 2 5 】： 一般文字描述 f ，反应物在限定体1f ，反应物在限定体、f ，反应物在限定体、f ，反应物在限定体、 i 积内净累积速率ji 积内的输入速率j 【积内的输出速率j i 积的净生成速率j 简化描述 圆= 圆一圈+ 圈 数学表达式 d s d 衍sv = o s o 一筘+ y ( 2 1 ) 式中，i 为限定体积内底物浓度的变化速率，m l - 3 t ；v 为限定体积p ； q 为进入限定体积的体积流量，r 丁；瓯为进人限定体积的底物浓度，m l - 3 ；s 为离开限定体积的底物浓度，m l - 3 ；匕为反应速率，m l - 3 t 一；t 为时间，丁。此 数学表达式中默认进出限定体积的体积流量相等。 稳态条件下的简化 在废水生物处理领域，大多数反应器都是在稳态条件下工作的，而推导实用 的动力学模型都是以稳态条件为基础进行的。当系统达到稳态时认为累积量为零 ( 尘矿= o ) 所以( 2 1 ) 简化为： 埘0 = q ( s o s ) + y( 2 2 ) 2 1 2 微生物增长与底物利用基本方程 m o n o d 方程与m m 方程 m o n o d 方程是建模时用以描述底物与微生物基本关系的方程，具有十分重要 的作用。m o n o d 于1 9 4 2 年用纯种的微生物在单一底物的培养基上进行了微生物增 殖速率与底物浓度之间关系的试验。试验结果得出了和m i c h a e l i s m e n t e n 的于1 9 1 3 年通过试验所取得的酶促反应速度与底物浓度之间关系的结果是相同的。因此， 9 重庆大学硕士学位论文 m o n o d 认为，可以通过经典的m m 方程式来描述底物浓度与微生物比增殖速度 之间的关系1 2 4 , 2 5 】，即： su 肛2j l l m “而 ( 2 3 ) 式中，删生物的比增殖速率，且口单位生物量的增殖速率，t ； 微生物最大比增殖速率，r ； k 一为饱和常数，为当j l l = 1 2 1 a m 。时的底物浓度，也称之为半速率常 数，m l - 3 ； s 底物浓度，m l - 3 。 可以设定，微生物的比增值速率( 肛) 与底物的比降解速率( r ) 呈比例关系， 即：p o cr 。因此，与微生物的比增殖速率相对应的底物比降解速率也可以用m m 方程式描述1 2 4 ，2 5 1 ，即： s p p 一 8 x 妊+ s ( 2 4 ) 式中，卜底物的比降解速率，即单位生物量的降解速率，f ； 底物最大比降解速率，t ；其余符号意义同前。 微生物增长与底物利用方程 微生物对底物的利用包含两方面：一是底物中用于合成的部分( 即为微生物 增长提供结构物质) ；二是底物中用于提供能量的部分( 被氧化，以便为所有的细 胞功能提供能量) ，因此对底物的利用进行物料衡算可写为： ( 警) 甜= ( 鲁) s + ( 鲁) 8 ( 2 5 ) 式中，( 鲁1 为总底物利用速率，m l - 3 t ；( 鲁) 。为用于合成的底物利用速 率，m l - 3 t ；f i d s l 为用于提供能量的底物利用逮萃：m l - 3 t 。 幽( 甜( 料( 矗 q 6 式中，r o f 七为微生物的净增长速率，m l - 3 t ；( 警上为微生物的合成速率， f 坚1 ：k ，x 2 废水生物处理传质反应动力学原理及模型 而微生物与底物之间存在以下关系： ( 警) s = y ( 警) “ 8 ， 因此将( 2 7 ) 和( 2 8 ) 代入( 2 6 ) 得： ( 乱= y ( 警) “一心x 晓9 ， 也可表示为： p = y r 一屹 ( 2 1 0 ) 所以对于活性污泥系统有： 如= 一k a ( 2 11 ) 但对于生物膜系统有： 如= 魄一心一6 d ( 2 1 2 ) 式中、心分别表示活性污泥系统和生物膜系统中微生物的比增殖速率， t ；、r s 分别表示活性污泥系统和生物膜系统中底物的比降解速率，t ：y 为产率系数，表示被利用的单位底物的量转化为微生物量的系数，未包含因内源 代谢所引起的微生物减少量，m m ；6 n 为生物膜的单位质量的脱落系数，丁。 对于生物膜系统而言，其损失系数通常包含三方面：内源衰减、捕食和脱落。但 通常忽略捕食的影响，因此式( 2 1 2 ) 中只包含了内源代谢项和脱落项。大多数情 况下，大于k d 2 6 1 。 2 1 3f i e k 第一定律 描述扩散传质的基本物理定律为f i e k 第一定律，是a f i e k 于1 8 5 5 年提出在 浓度梯度作用下的分子扩散通量的经验性定律，若组分a 的摩尔分数的分布是一 维的( 只沿着z 轴方向变化) 2 7 1 ，则： 一f 誓 ( 2 1 3 ) 式中，。一组分a 沿z 方向的扩散通量，m l - 2 t ； 见b 一组分a 在组分b 中的扩散系数，r 丁一； c 。一总摩尔浓度，n t 一； x 。一单位摩尔混合物中含组分a 的摩尔数1 ， 式( 2 1 3 ) 是一维稳态扩散方程，被称为f i c k 第一定律。 在恒温恒压的气体混合物或浓度均匀的溶液中，总摩尔浓度c 。为常数，且 c a = _ c f ，这时式( 2 1 3 ) 可写为： j a = - d a 曰誓 比 f 14 、 重庆大学硕士学位论文 其中，艺即为组分a 沿z 方向的浓度梯度，c 为组分a 的摩尔浓度，n t 。3 ；。 对于三维坐标系，f i c k 第一定律的表达式为： l ：一冬+ 墼+ 誓) ：一只嚣v q ( 2 1 5 ) 似 o y “o 式中誓、誓、誓分别表示x 、y 、z 方向上的浓度梯度。 织卯宓 2 2 氧传递理论及数学模型 2 2 1 氧的传递过程 在废水生物处理领域中存在大量的好氧工艺，对于这些需氧的生化反应，氧 的传递是十分重要的。氧气首先从气相通过扩散进人液相，进而又经过在液相中 的扩散进入微生物细胞的内部进行反应。氧从气泡传递到细胞内部要克服一系列 的阻力，它们的相对大小决定于混合液的流体力学特性、温度、微生物的活性和 浓度、界面特性以及其他一些因素。从图中可以看