生物快滤池的基本过滤方程.pdf

1 生物快滤池的基本过滤方程 曹相生 1 孟雪征1 朱兆亮2 1 北京工业大学建工学院 北京 100022 2 山东建筑大学市政与环境工程学院 济南 250101 摘 要 摘 要 滤床内微生物的存在使生物快滤池对浊质的去除过程与普通快滤池有了本质不同 在生物快滤池内 游离细菌等生 命类颗粒也成为水中浊质组成部分 在细菌等微生物生命活动的影响下 滤床内浊质的量在不断发生变化 考虑到这些因素 在普通快滤池基本过滤方程的基础上 提出了一个生物快滤池的基本过滤方程 关键词关键词 生物快滤池 过滤方程 生物作用 A basic filtration equation for rapid biological filter CAO Xiang sheng1 MENG xue zheng1 Zhu Zhaoliang2 1 School of Civil Engineering Beijing University of Technology Beijing 100022 2 School of Civil filtration equation biological function 传统的快滤池主要利用滤料和浊质颗粒间的物理化学作用来去除浊度 而很少考虑滤池的生物作用 生物快滤池则在保留传统快滤池物化除浊功能的基础上 通过强化滤床内的生物作用达到去除有机物和氨 氮等生物可利用物质的目的 生物快滤池首先在欧洲得到应用 之后在北美地区获得推广 1 中国也对此进行了研究和应用 2 3 4 目前 生物快滤池不仅成为控制饮用水中有机物含量的有效手段 而且也被应用到污水的深度处理中 达 到高效去除有机物和氨氮 提高再生水水质的目的 5 6 7 生物快滤池内大量存在的微生物对滤池的除浊功能产生了影响 一方面 细菌本身就是浊质的一部分 细菌的增殖会使浊质的量增加 同时细菌和一些微型动物又能吞食一些浊质粒子 另一方面 滤料上的生 物膜也会使滤料的物化性质发生改变 滤床孔隙内悬浮的微生物也会改变一些浊质粒子的性质 进而影响 到浊质的去除过程 所以说 生物快滤池内浊质的总量 包括滤料上沉积的部分和滤床孔隙内部分 随时 间是变化的 不是一个恒量 然而 普通快滤池的过滤方程是建立在浊质总量不随时间变化的基础上的 显然不适用于生物快滤池 为此在普通快滤池基本过滤方程的基础上 考虑生物作用对浊质去除的影响后 提出了适合于生物快滤池的基本过滤方程 1 普通快滤池的基本过滤方程 在非稳态条件下 普通快滤池进出水中悬浮颗粒的物料衡算方程为 i irJ t C 1 式中 C 水中悬浮颗粒质量浓度 kg m3 t 时间 h Ji 在 i 方向上的质量通量 kg m3 h 算符 ziyixi zyx ri i 方向上的反应速率 kg m3 h 对滤池的过滤行为做以下简化 认为悬浮颗粒的运动为沿过滤方向的一维流动 忽略悬浮颗粒 的浓度差所造成的扩散 忽略水流流速在断面上分布的不均匀性产生的纵向分散 假设滤池内水流 中悬浮颗粒的浓度很小或不随时间变化 在这 4 个简化条件下 公式 1 有如下的形式 0 tx C V 2 式中 V 滤速 m h 质量比沉积量 kg m3 x 沿过滤方向滤床的深 高 度 m 2 公式 2 既为普通快滤池的基本过滤方程 2 生物快滤池内浊质的变化过程分析 无论是微污染水还是污水厂二级出水 水中的杂质从粒径大小都可分为两类 溶解类杂质和能够形成 浊度的颗粒类杂质 从后续生物快滤池处理的角度 可把浊质颗粒分为三部分 生物不可降解颗粒 生物 可降解颗粒 微生物 溶解性物质可分为两部分 生物可降解的溶解性物质和生物不可降解的溶解性物质 当含有杂质的水或污水进入生物快滤池后 由于物理化学和生物作用的存在 这 5 类物质发生了不同 的变化 生物不可降解颗粒 这类物质完全遵循普通快滤池的物化过滤规律 在生物快滤池中的质量总量 不会发生变化 只是一部分的存在形式有了改变 生物不可降解颗粒随着水流进入生物快滤池后 一部分 会在扩散 沉淀 截留 惯性和水动力等过滤作用下在滤料表面沉积下来 形成生物膜的一部分 其中一 部分会重新回到水中 生物可降解颗粒 这一部分物质在生物快滤池中的质量总量会减少 在生物可降解颗粒随着水流 流经滤床时 水中悬浮态的微生物会利用其中一部分做为基质进行新陈代谢活动 从而使生物可降解颗粒 的量有所减少 同时 一部分生物可降解颗粒也会在过滤作用下沉积到滤料表面 形成生物膜的一部分 显然 一部分沉积在滤料表面的生物可降解颗粒会被生物膜内的微生物利用 使其质量继续减少 同时也 会有一些重新回到水中 微生物 主要指细菌等尺寸在胶体范围内的具有活性的生物体 微生物在生物快滤池中的行为比 较复杂 一方面 微生物会遵循颗粒在普通快滤池中的行为在滤料表面和水中进行质量传递 另一方面会 遵循生物学规律进行自身增殖和衰减 水中悬浮微生物会利用一部分生物可降解颗粒和生物可降解的溶解 性物质实现自身量的增长 同时 一部分微生物也会在过滤作用下沉积到滤料表面 形成生物膜的一部分 显然 生物膜内的微生物也会利用沉积在生物膜内的生物可降解颗粒和扩散到生物膜内的生物可降解溶解 性物质生长 同时一部分会回到水中 另外 无论是生物膜中的微生物 还是滤床孔隙内的悬浮微生物都 会进行一定的内源呼吸 从而又使微生物的量有所减少 一般来说 在上述微生物的生长过程中 也会产 生一定数量的溶解性物质 生物可降解的溶解性物质 这部分随着水流进入到生物快滤池后 一部分会被滤床孔隙内悬浮微 生物所利用 同时 一部分会在扩散作用下进入到生物膜内被生物膜中的微生物所利用 生物不可降解的溶解性物质 这一部分杂质也会在扩散力的作用下会在生物膜和水中进行质量传 递 但不会在生物膜内沉积下来 因此总质量不会发生变化 可以认为生物不可降解的溶解性物质只是 穿 过 了生物快滤池 在进出水中的质量或浓度没有发生变化 3 生物快滤池的基本过滤方程 根据以上对生物快滤池中杂质的变化规律分析 可以用数学语言对此进行描述 在生物快滤池的数学 模型推导之前 作如下简化和假设 由于细菌等微生物对生物可降解颗粒的利用过程复杂 分解速率较慢 再加上水力停留时间较短 因此假定滤床中生物可降解颗粒主要靠滤料以及滤床内微生物的絮凝 附聚作用去除的 其总质量没有改 变 不仅微生物内源呼吸会导致生物快滤池中微生物数量的减少 微生物之间和微型动物的捕食也会 起到一定作用 这种捕食作用和内源呼吸作用认为包含在产率系数 YS和 YN中 既 YS和 YN应理解为净产率 系数 忽略水中浊质和溶解性物质在水流方向上的扩散作用 假定在生物膜内和滤床孔隙内 微生物及其可利用的基质的浓度分别是均匀的 对同一种基质 在生物膜内和滤床孔隙内具有相同的生物学性质 认为浊质和溶解性物质在滤床截面上的浓度是均匀的 从微生物利用的角度 把生物可降解的溶解性物质分为生物可降解的溶解性有机物和氨氮 在以上假设条件成立的前提下 在滤床内取厚度为 dx 的薄层 进行物料衡算 图 1 3 x C x CS 0 N C x x S x S x N x N x d ddd 图 1 生物快滤池滤床内浊质物料衡算示意图 Fig 1 Mass balance sketch for turbidity particulates calculation in rapid biological filter bed 对生物可降解的溶解性有机物进行物料衡算 xA t S Qx x S SxAr SQ S d d d 3 式中 S 生物可降解的溶解性有机物 mg L Q 生物快滤池进水流量 L h rS 生物可降解的溶解性有机物去除速率 mg L h 1 A 生物快滤池截面积 10 3m2 x 沿过滤方向滤床的深度 m t 时间 h 化简公式 3 得到生物可降解的溶解性有机物去除速率的表达式 t S x S VrS 4 式中 V 滤速 m h 对氨氮进行物料衡算 xA t N Qx x N NxAr NQ N d d d 5 式中 N 氨氮浓度 mg L rN 氨氮去除速率 mg L h 1 化简公式 5 可以得到氨氮的去除速率 t N x N VrN 6 对浊质进行物料衡算 此处的浊质包括生物不可降解颗粒 生物可降解颗粒和微生物三部分 xdA C t Q xd x C C xdAYrxdAYrCQ NNSS 7 式中 C 浊质质量浓度 kg m3 YS 异养菌产率系数 mg mg YN 自养菌产率系数 mg mg 质量比沉积量 kg m3 滤床孔隙率 化简公式 7 得到 0 t N x N V Y t S x S V Y C tx C V NS 8 忽略滤床内液相中浊质浓度的变化 得到 0 t N x N VY t S x S VY tx C V NS 9 4 公式 9 既为生物快滤池的基本过滤方程 对比公式 9 和公式 2 可以看出 与普通快滤池的基本过滤方程相比 生物快滤池的基本过滤方 程增加了两项 其中左边第 3 项代表异养菌利用有机物后自身的增殖对浊质质量的影响 左边第 4 项则代 表自养菌利用氨氮后自身增殖对浊质质量的影响 从以上分析可以看出 公式 9 具有更广泛的适用性 它不仅适合生物快滤池 而且对其它形式的生 物过滤池也是适用的 如果公式 9 中不考虑细菌增殖对浊质的影响 则可以忽略掉左侧的第 3 项和第 4 项 此时公式 9 和普通快滤池的基本过滤方程具有完全相同的形式 公式 9 只是生物快滤池的基本过滤方程 要想确定出浊质的变化规律还需要其它的方程支持 这些 工作可以借鉴普通快滤池的唯象理论或迹线理论来完成 4 结论 生物快滤池内浊质粒子既包括非生命部分 也包括细菌等生命部分 在细菌等微生物生命活动的影响 下 滤床内浊质的量在不断发生变化 基于此种考虑 通过对滤床内浊质等部分的物料衡算 得出了生物 快滤池的基本过滤方程 参考文献 1 E J Bouwer P B Crowe Assessment of biological process in drinking water treatment J J AWWA 1990 82 9 82 92 2 于鑫 张晓健 王占生 磷元素在饮用水生物处理中的限制因子作用 J 环境科学 2003 24 1 57 62 3 仲丽娟 朱明章 李伟 复合生物活性滤料滤池的性能研究 J 中国给水排水 2001 17 12 1 5 4 李亚新 侯建荣 生物砂滤池处理微污染原水工艺特性研究 J 给水排水 1997 23 7 6 8 5 张长 曾光明 余健 GAC 石英砂生物过滤处理微污染源水德特性 J 中国环