滤池气水反冲洗的数学模型.pdf

合并为一个回流系统 因而流程简捷 宜于推广 c 在冬季低温条件下 例如水温为10 脱氮 微生物仍能保持较高的反硝化速率 只要保证硝化 系 统就会具有较好的脱氮能力 但是 低温对聚磷菌的生 物活性影响巨大 在水温10 时系统的除磷能力基本 上完全丧失 d 在缺氧段 聚磷菌既可以表现为释磷也可以 表现为吸磷 这取决于微生物此前所处的环境和污水 的水质 当微生物此前处于好氧环境且污水中有一定 的V FA含量时 聚磷菌一般表现为释磷 当微生物此 前处于厌氧环境 且污水中V FA含量不太高时 聚磷 菌表现为吸磷 而当污水中V FA含量特别高时 则无 论此前环境如何聚磷菌一般都会先表现为释磷 然后 再吸磷 5 参考文献 1 国家环保局编委会 水和废水监测分析方法 中国环境 科学出版社 1989 2 卢里耶 工业污水的化学分析 化学工业出版社 1989 298 302 作者简介 张波 副教授 博士 通讯处 266033 青岛市抚顺路11号 收稿日期1996 11 29 滤池气水反冲洗的数学模型 张俊贞 邓彩玲 安鼎年 天津大学 摘 要 通过定量分析气水反冲洗过程中的剪切力作用和碰撞摩擦作用 阐明气水反冲洗作用机 理 同时分析了空气在滤层中的运动状态 建立空气冲洗数学模型 并在实践中得到验证 关键词 气水反冲洗 速度梯度 剪切力 摩擦作用 1 前言 气水反冲洗是国内外水厂广泛使用的冲洗方法 它良好的冲洗效果已经被实践所证明 其冲洗机理普 遍认为是空气促进滤料颗粒间的碰撞摩擦作用 但仅 仅局限于定性阶段 本文对煤砂双层滤料滤池气水反 冲洗过程的剪切力和碰撞摩擦作用分别做定量分析 并推出空气冲洗最优化数学模型 2 气水反冲洗时的水力剪切作用 由于气水混合冲洗容易使双层滤池的煤滤料流 失 实验采用先气洗 后水洗的冲洗方式 流体产生的 剪切力可以表示为 aG 1 式中 剪切力 N a 与剪切力方向平行的滤料表面积 m 2 水的动力粘度 N s m 2 显然 速度梯度能够反映施加于滤料表面的剪切力大 小 水洗产生的速度梯度为 GW gvw h Le 2 式中 Gw 水洗产生的速度梯度 s 1 vw 水洗流速 m s h 反冲洗时滤层水头损失 m Le 膨胀滤床深度 m 水的密度 1000kg m 3 g 重力加速度 9 81m s2 空气冲洗产生的速度梯度为 GA WA V 3 式中 GA 空气冲洗产生的速度梯度 s 1 WA 气洗时输入系统的能量 J s V 滤床体积 m 3 气洗时输入系统的能量有两部分 一部分为气泡膨胀 的体积功 另一部分为气泡在滤层中上升克服重力所 做的功 这部分功很小 可以忽略不计 因此 WA 1 01 105vAAln P1 P2 4 将式 4 代入方程 3 华北电力设计院 01中国给水排水1997 Vol 13 No 3 GA 1 01 105vAln P1 P2 L 5 式中 vA 气洗流速 m s A 滤床表面积 m 2 L 滤床深度 m P1 P2 始末态气体压力 本系统中 P1 110 15kPa P2 100 94kPa 不同气洗强度和水洗强度下的速度梯度值见表1 由此可见 空气产生的G值几乎是单纯水洗的两倍 说 明空气对滤料的水力剪切作用远远大于单纯水洗 它 能更有效地将杂质从滤料上剥落下来 表1 气水冲洗速度梯度计算 温度 气 冲 气冲强度 L s m2 G气 s 1 水 冲 水冲强度 L s m2 水冲水头损失 m 膨胀后滤层高度 m G水 s 1 备注 高温 20 25 2548515 730 611 24275 2548513 050 571 14253 2548510 220 631 09241 2043515 730 611 24278 2043413 050 611 20255 2043510 220 551 06228 1537515 730 651 26282 1537613 050 611 16259 1537510 220 671 14243 204358 650 631 04208 1030615 730 641 24282 204357 070 621 02205 20 时 1 0 10 3 N s m2 低温 7 9 2542011 010 621 21204 254208 650 601 10186 254207 080 631 05177 2542013 050 591 26212 0 时 1 33 10 3 N s m2 3 空气的摩擦作用 空气冲洗时 高速气流产生的气泡通过滤床 引起 颗粒间剧烈的碰撞摩擦作用 从而将粘附在滤料上的 杂质剥落下来 现就这一过程加以解释 取滤面下深度h m 处一微小立方单元 如果滤料 水平方向上各向同性 相邻颗粒间的相互接触力只会 在立方单元上引起法向应力 x y 这两个应力如果引 起颗粒间的相对错动就会使砂体产生应变和破坏 此 时它的抗剪强度遵守摩尔 库仑定律 tg 6 式中 砂的内摩擦角 如果减小图1 b中的水平方向法应力 x 使砂体 处于主动朗肯应力状态 极限平衡状态 当继续减 小 x砂体就会产生相对错动而破坏 在主动朗肯应力 状态下 摩尔应力圆与摩尔 库仑破坏应力相切 见 图1 c 由此可以求得 x和 y的比值 x y tg245 2 7 式中 x y 作用在单元体上的有效应力 不包含 静水压力P0 对图1 a所示的系统 有静水压力存在时 y y P0 8 x x P0 9 y h s w h 10 式中 s w 分别为滤料和水的容重 滤料的淹没容重 另外 为了分析冲洗时空气运动的变化 分别对粘 性液体中气泡的形成和运动做了研究 1 2 他们认为在 一定压力下 气体流速与通过孔口压差的平方根成正 比 2 a 滤床中的静水压力和有效应力 111997 Vol 13 No 3中国给水排水 b 砂体中的接触力 c 主动朗肯状态下摩尔圆分析 图1 vA KP gh 2T r 1 2 11 式中 P 空气管口测量压力 T 表面张力 r 气泡半径 K 经验系数 将上式整理得 P gh 2T r Cv2A 12 式中 C 系数 式 12 说明 在常压下气泡形成所需的压力等于 三个因素之和 静水压力 gh 表面张力 空气流 入气泡所需要的动能 通过方程 10 12 可以分析空气冲洗的基本原 理 气体是以气泡的形式穿过滤层 外面包着一层水 膜 假设气泡在刚刚形成时气泡内的压力通过式 12 得到 在气泡上升过程中因静水压力减小 气泡体积不 断增大 表面张力则随着气泡半径的增大而变小 在图 1 a所示的装置中 气泡首先通过孔隙较大的承托层 此时的气泡体积很小可以在其中任意窜动 当气泡进 入砂层孔隙变小 而气泡体积在不断增大 当它的半径 大于孔隙半径气体会充满孔隙形成气囊 并对周围的 砂体产生横向挤压作用 当气囊继续上升离开这个位 置 孔隙收缩恢复到原来大小 在这个过程中砂粒受到 压迫 放松的交替作用 显然气囊体积膨胀得越大 对两侧砂体的作用力越大 当达到主动朗肯破坏应力 时砂体的平衡被破坏 发生塌陷 砂粒间产生相对错 动 当砂体趋于稳定 其间的孔隙又会被新的气囊所充 满 实践证明 当气量很小时这个现象只在滤床上部发 生 增大气量会使发生部位向下移动 因此可以得出结 论 当整个滤层在气泡通过之后都会产生砂体结构破 坏时 颗粒间的碰撞摩擦作用最强 此时的空气流速也 就是最佳的冲洗强度 4 空气冲洗数学模型 气囊在滤床孔隙中运动 它和周围砂体间的作用 力是难以计算的 但是随着气囊上升砂体处于主动朗 肯应力破坏状态时 应力可以通过计算得出 假设在液 体中限制气泡形成和体积增大的因素是静水压力 gh 见式 12 在气泡上升过程中静水压力减小 体积增 大 表面张力也减小 通过高度为H3的承托层后静水 压力只有初始的 H H3 H 倍 H为滤床含水层的高 度 表面张力也减小到可以忽略不计 在砂层中限制 气囊体积增大的因素是总水平应力 x 包括静水压 力 因此 在砂层的固液基质中 方程 12 变为 x H H3 H P Cv2A 13 根据方程 7 10 x tg245 2 H2 14 静水压力 P0 w H1 H2 15 因此 x tg245 2 H2 w H1 H2 16 在砂体破坏前的准平衡状态下 方程 13 和 16 所示的 x值应该相等 于是 H H3 H P Cv2A tg245 2 H2 w H1 H2 17 整理得 vA 1 C P H2H H1 H2tg 2 45 2 wH 1 2 18 方程 18 表明 在这个空气流速下颗粒间的碰撞摩擦 作用最强 它需要满足假设条件 滤床在水平方向上 各向同性 滤料为非粘性砂体 5 验证数学模型 本试验系统滤床深度H2 0 94m 其中砂层厚 0160m 容重 s砂 25 80kN m 3 煤层厚0 34m 容重 21中国给水排水1997 Vol 13 No 3 s煤 14 03kN m 3 滤床上面水深H1 0 30m 承托层 厚H3 0 76m 因此 H H1 H2 H3 2 0m H1 H2 1 24m w 9 81kN m 3 砂 15 99kN m 3 煤 4122kN m 3 通过空气管进入滤床入口处的压力P 0 025 M Pa 通过试验确定C 0 0487 34 将上列数 值代入方程 18 就可以求得最佳的冲洗强度 vA 1 0 0487 0 025 16 6 2 0 1 24tg 2 45 34 2 15 99 103 0 6 4 22 10 3 0 34 9 81 103 2 0 1 2 84 89m h 23 58L s m 2 另外 通过正交试验分析不同温度及不同冲洗强 度和冲洗时间下的气水反冲洗效果 得到气水反冲洗 最优工况 高温期 20 25 气洗强度25L s m 2 水 洗强度13L s m 2 气洗时间3m in 水洗时间4m in 在 低温期 7 9 水洗强度需要降低2 3L s m 2 其 他条件保持不变 在这样的冲洗工况下 能使滤池的周 期产水量最高 初始过滤水头损失最小 冲洗结束时排 水浊度最小 洗水率较低 上述结论证明 理论计算的 最佳气洗强度与试验结果吻合良好 6 结论 综上所述 空气冲洗一方面能产生较大的速度梯 度 485s 1 是冲洗强度为15L s m 2的单纯水洗所产 生G值的1 8倍 另一方面 气泡在滤层中运动 使颗 粒间产生剧烈的相对错动 碰撞摩擦作用得以充分发 挥 冲洗强度为23 58L s m 2时碰撞摩擦作用最强 因 此 在气洗过程中截留在滤层中的絮体被击碎 并与滤 料分离 大部分聚集在滤层上面的水层中 在此之后 用足以使滤层膨胀的水进行漂洗 将滤层内及上部杂 质带出滤池 7 参考文献 1 Davidson J F and Schuler B O G Bubble Formation at an O rifice in an InviscidL iquid Trans of the Institution of Chem ical Engineers London Vol 38 1960 pp335 342 2 Davidson J F and Schuler B O G Bubble Formation at an O rifice in an viscour L iquid Trans of the Institution of Chem ical Engineers London Vol 38 1960 pp144 154 作者简介 张俊贞 天津大学环境工程研究所所长 教授 通讯处 300072 天津市六里台 收稿日期1996 12 20 杂环化合物及多环芳烃厌氧酸化 降解性能的研究 何 苗 张晓健 瞿福平 顾夏声 清华大学 摘 要 采用厌氧酸化处理试验 分别在单基质及共基质条件下较为系统地研究了杂环化合物多 环芳烃的厌氧酸化降解性能 研究结果表明 多数受试物在与葡萄糖共基质条件下具有较好的厌氧降解 性能 其中多环芳烃较易实现厌氧酸化反应 而单环杂环化合物则表现出抗厌氧转化的倾向 苯环的加 入可缓解它们的抗性 共代谢作用在其厌氧酸化降解过程中起着重要的作用 关键词 杂环化合物及多环芳烃 厌氧酸化 共代谢 据文献报道 经过厌氧酸化预处理可以改变难降 解有机物的化学结构 使其生物降解性能提高 为后续 的好氧生物降解创造良好的条件 近年来有关厌氧微 生物代谢的研究表明 厌氧微生物具有某些脱毒和利 用难降解有机物的性能 而且还具有某些在好氧条件 下较难发生的生物化学反应 如多氯芳烃的还原脱氯 芳香烃及杂环化合物的开环裂解等 对于杂环化合物 及多环芳烃来说 在好氧条件下 环的裂解是其整个生 化反应的限速步骤 无疑上面的研究结论给杂环化合 本研究为自然科学基金重点资助课题 并为 八五 攻关课题 311997 Vol 13 No 3中国给水排水 MATHMATICAL MODEL O F AIR2WATER BACK WASHI NG O F FI LTER 10 Junzhen Zhang T ianjin U niversity Cailing Deng N orth2China E lectric Pow er D esign Institute D ingnian A n T ianjin U niversity Abstract The mechanism of air2water backwashing is expounded by quantitative analysis of shear and abrasion actions during air2water backwashing process A t the same ti me a mathmatic model of air2water backwashing is set up based on analysing the moving state of air bubbles in the filter bed The model established is verified to be correct in practice Keyw ords A ir2water backwashing V elocity gradient Shear action A brasion action A STUDY ON ANAEROB IC AC I D IFICATI ON B I ODEGRADAB I LITY O F HETEROCYCLIC COM2 POUNDS AND POLICYCLIC AROMATIC HYDROCARBONS 13 M iao He Xiaojian Zhang Fuping Q u Xiasheng Gu Q inghua U niversity Abstract A systematic study was conducted on the anaerobic biodegradability of heterocyclic compounds and polycyclic aromatic hydrocarbons under single2substrate and cosubstrate anaerobic acidification The experi mental results show thatmost of test compundswhen using glucose as cosubstrat have a fairly good biodegradation perfor2 mance under anaerobic condition among them PAH s are ready to get acidified while mono2heterocyclic compounds showesistant trend to anaerobic conversion but the addition of benzine ring may lower this resis