第九章生物膜法

1、第九章 生物膜法本章重点：（1）Atkinson滴滤池数学模型（2）生物流化床§9.1 生物膜法的基本概念1基本流程图91系生物膜法处理系统的基本流程。废水经初次沉淀池后进入生物膜反应器、废水在生物膜反应器中经需氧生物氧化去除有机物后，再通过二次沉淀池出水。初次沉淀池的作用是防止生物膜反应器受大块物质的堵塞，对孔隙小的填料是必要的，但对孔隙大的填料也可以省略。二次沉淀池的作用是去除从填料上脱落人废水小的生物膜。生物膜法系统中的回流并不是必不可少，但回流可稀释进水中有机物浓度，提高生物膜反应器中水力负荷，从而增大水流对生物膜的冲刷，以便平衡高有机物负荷生物膜反应器中生物膜的累积。表91

2、中列出了生物膜法中各类反应器的设计参数。该表是根据国内外有关资料整理得出的，其中生物流化床是美国Ecolotrol公司处理城市废水的生产性试验资料。图91 生物膜法基本流程表91 生物膜法的类型及设计数据类型水力负荷m3/(m2.d)负荷kgBOD5 /( m2.d)BOD5去除率/%水力停留时间/h标准滴滤池13.50.080.48085生物转盘0.10.20.148090流化床7.27840.26接触氧化池11.8507512* 单位为g BOD5 /( m2.d)2生物膜法的发展生物膜法与活性污泥法是废水生物处理的两个主要方法。与活性污泥法比较起来，生物膜法具有许多优点，例如：单位体积反

3、应器中能够负荷的生物量较大；蜕膜的沉降性能良好；没有污泥膨胀之庚；不存在运行中的污泥沉降性能限制等等。然而，在20世纪50年代以前，生物膜法却一直未被人们重视，其原因主要是因为生产中最早采用的生物膜法构筑物足以碎石为填料的滴滤池。碎石的比表面积小，能够为微生物附着生长的表面积小，因而滴滤池的负荷不可能很大，使其占地面积较大，加之废水以喷洒方式在滴滤池表面布水，卫生状况也不好。50年代，由于塑料工业的发展以及塑料填料引入生物膜处理系统，使生物膜法出现了许多具有重要意义的发展。因此，50年代以后出现了许多新型的生物膜法设备。例如，塑料填料超速滴滤池、塑料盘片生物转盘以及蜂窝填料接触氧化池等。 20

4、世纪70年代末，为强化生物膜法反应器中的传质，流化床系统被引人生物膜处理中，称为生物流化床。生物流化床兼有活性污泥法和生物膜法的待点，因此有人格它称为半生物膜和半悬浮生长系统。本书根据流化床对废水中有机物起主要降解作用的是生物膜中的微生物这一特点，故在本章中进行讨论。§92 滴滤池法滴滤池(trickling filter)在中国虽也称生物滤池(biological fi1ter)，但两者实际上是有区别的。滴滤池用的是粗填料，常见的是75125mm的碎石、碎石之间有很大的空隙，当废水洒布在填料上的时候，废水从填料上的生物膜上滴流而下，当池外空气温度高于池内空气温度时，空气则自下而上流

5、道空隙反之则空气自上而下流过空隙以保持生物需氧氧化状态。滴滤池一词强调了这个滴字。因为它实际上不是滤池，并无一般所理解的过滤性能。生物滤池虽然也是借生物作用来处理废水但它的填料除了包括粗料外，还可以是砂、卵石等细料。这种细料的生物滤池就接近般的滴滤池概念了。所以，生物滤池的概念虽然包括了滴滤池在内，但不应该用来代替滴滤池。滴滤池是一个最典型的生物膜方法，借生物过程以去除废水中溶解的以及肢体的有机物。生物膜及其工作过程示意见图92。生物膜长在填料表面上，是一种包含细菌以及其它生物群(biota)的粘质膜，厚度一般为0.12mm，可分需氧区与厌氧区两区。需氧区一般厚为50100，取决于氧气能穿透的

6、深度。需氧区内生长的是需氧微生物，厌氧区内生长的是兼性厌氧菌及厌氧菌。氧气及溶解的有机物必须扩散入生物膜内以维持生物群的生长。生物膜的厚度由废水中所能取得的食物量控制。增加有机物的负荷，膜的厚度能增长达到一个极大的有效厚度。这个厚度又由水力负荷(反映产生的剪切力)、填料类型有机物类型、温度以及微生物的性质等因素来决定。另外，生物膜变厚以后有机物在未到达整个膜厚时就已经消耗掉了。因此，厌氧区的细菌往往处于内源呼吸状态，内源呼吸的细菌附着在填料上的能力较差，这使生物膜在滴滤池的运行过程中，会连续地或者间歇地从填料表面上脱离下来，这个现象称为蜕膜(sloughing)。蜕膜后又在原处生长新膜；图92

7、 生物膜工作过程示意滴滤池系统的回流有多种不同的方式，图91中分别用实线及虚线表示了三种常见的情况：(1)由二沉池出水回流到滴滤池前；(2)由滴滤池出水回流到滴滤池前；(3)由滴滤池出水回流到初次沉淀池前：回流的作用有：均衡滴滤池流量；改善填料的流量分布；改善池子的维护条件；防止产生蝶蝇；改善去除有机物的条件。回流流量与进水流量之比R，一般为1.02.0，但最高可达5。当进入滴滤池的废水COD小于400500 mgL时总的生物过程是由底物浓度限制的超过这浓度范围时则变成氧的传递限制：回流作用可使高COD的原废水经稀释后进入滴滤池，不受氧传递的限制，因此不产生臭气的问题。 滴滤池一般按其水力负荷

8、及有机物负荷而称为普通滴滤他、高速滴滤池等名称，其分类及各类性能见表92。表92 滴滤池类型及性能910 类型性能低速或标准滴滤池中速滴滤池高速滴滤池超速滴滤池粗滤滴滤池两级滴滤池填料碎石碎石碎石塑料塑料/红木碎石/塑料水力负荷13.519.59.5381485471879.538BOD5负荷0.080.40.240.50.50.950.51.61.6812池深1.82.41.82.40.91.63124.5121.82.4回流比0011212140.52滤池蝇多有少少或无少或无少或无脱膜情况间歇性间歇性连续性连续性连续性连续性去除率809050706585658040658595出水质量硝化

9、良好部分硝化略有硝化略有硝化无硝化硝化良好§93 Atkinson的滴滤池数学模型1.基本方程式 滴滤池的模型见图93。水膜沿填料表面的生物膜向下流动。水膜厚，高度H 。水膜在z=o处的底物浓度为，在流动过程中，向生物膜传递的底物通量为N因此，在水膜和生物膜中都存在底物浓度的梯度，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。浓度在生物膜内传递的数学模型即采用75所建立的模型，因此即相当于图712及式(739)、式(740)中的。底物浓度是沿高度减少的，出口处(z=H)的底物浓度为,交界面的底物浓度也是沿高度变化的。图93 滴滤池模型这一模型的假定如下：(1)生物膜

10、内的代谢过程服从75的模型假定；(2)整个系统为稳定状态(3)水膜内的流速按48的层流流速分布公式(485)计算，(4)水膜内无纵向的混合(5)底物的横向通量按Fick公式计算(6)底物的纵向通量；(7)气水交界面无限制营养物传递；(8)在z=0进口处不存在底物的浓度梯度。写出水团微元y·x·z内的物料衡算关系，然后化简得出：V1-()=D (9-1)初始条件为： (9-2)边界条件为： (9-3)初始条件式（9-2）根据假定 (8)得出。边界条件式(93)根据假定(7)及(5)得出。 2基本方程式的解 按下列新变数的关系使式(91)等关系无量纲化Y= (9-4)Z= (9

11、-5)f= (9-6)k= (9-7) 这样，微分方程(91)、初始条件(92)及边界条件(93)等式分别成为（1-Y)f (9-8) 对式(97)的k表达式可以进一步加以改变以便于应用。先令k= (9-9)式中k的量纲为长度时间，相当于传质系数，又令w表示填料单位横断面积的润湿长度，代表单位润湿长度的流量，Q表示单位横断面积的流量，则由量纲关系可以写成下式：Q(长度3时间·长度2) (Q p长度3时间·长度) ×w(长度长度2)进一步可假定w=r(常数) ×Aw(填料的润湿面积单位体积填料)的量纲为长度2长度3与w的量纲一致，故得：Q=QA (9-10

12、) 对随机填料来说，比例常数r为1。又由式(484)得流速v的平均值因此，对田93模型的单位润周长度上(即膜的宽度为1时)的流量并由式(910)得v= (9-11)以式(99)及(933)代入式(97)，并根据随机填料的假定r=1得k= (9-12) 式(98)中的边界条件的通量N即75式(731)中的。但由于其中的表达式(730)为隐函数形式，不便求解，所以先将它线性化写成N=b+b (9-13)从而求出b ，b得出下列式子：b= (9-14)b=N- b (9-15) 这样，就可利用公式(730)、(731)、(735)及(736)等把b和b的表达式求出来。但这里取式(735b)的公式，并

13、对原公式中的浓度重新加以解释。由于b及b皆为常数，所以式(735)及式(736)中的应以常数来代替，最合理的是取沿H高的平均浓度来代替即= (9-16)两边化简： (9-17)这样，就可以根据上述有关公式由式(914)从式(915)求出b，b。 将式(913)代入式(98)中得下列边界条件：=-=- (9-19) (9-20) 因此，在方程式(98)中，k已改用式(912)计算，式(919)已代替了原来相应的边界条件。为了求解，令：g=+f (9-22)式(98)中微分方程变成(1-Y)=k (9-23)初始条件变成g(Y,0)=1+ (9-24)边界条件分别为： (9-25) (9-26)式

14、子中，g为Y、Z、k及的函数，故可以表示g(Y、Z、k、)。Atkinson等得出=0时式（9-19）（9-23）的解g(Y、Z、k、0)。式中，为一特征函数的特征值，为包括在内的另一函数形式的系数，其表达式见附录二。Atkinson又指出在函数g(Y、Z、k、)中所起的作用可表示为下列关系，再由式（9-22）得=(1+) g(Y,Z,k,0)- (9-29)F()= (9-30)然后通过函数计算当=0时，得出F()= (9-31)比较式(930)及式(931)可得下列关系F()=(1+) F()- (9-32)由式(927)、式(931)代人式(932)即可计算出F(、k、)值来其值也就是出

15、口浓度与进口浓度的比值/。从g(Y、Z、k、0)的表达式可知计算是很复杂的，所以利用图94的曲线来求/值。式(917)为Y=1时，计算沿整个微生物膜表面高度H的浓度的平均值的公式，故可仿照建立函数F(、k、)的过程另定义一函数I(、k、)以便于计算，得出： I()=(1+)I()- (9-33)I()= (9-34) =(1+)I（）-由上式就能计算出/值来。I(、k、)的计算和F(、k、)的计算类似，也很复杂、可用图95的曲线以减少计算过程。图95 I()对的计算曲线2 式(91)式(93)的解最后变成了式(918)、式(920)、式(921)、式(932)及式(935)的计算过程。其计算程

16、序见图96。数据、Q、A假设 比较及1由式（9-18）计算b1、b2由式（9-20）计算由式（9-12）计算k由图9-5计算I(、k、0)由式（9-35）计算由式（9-21）计算由图9-4）计算F(、k、0)由式（9-32）计算F(、k、)图96 滴滤池的计算程序§9-4 滴滤池的简化模型1.滴滤池的设计 滴滤池的简化模型如图97所示，填料高为H废水流量为Q，回流量为RQ，原水有机物浓度为；，原水与回流混合后的有机物浓度为出水有机物浓度为。断面的润周长度为w，微生物膜的厚度为L，水膜厚度为，并假定在整个高度H内L均无变化。传质通量N仍然为单向的。先建立N的表达式。由式(730)及式(

17、731)得由于膜的厚度不变细菌在膜内的浓度不变，所以a应为一常数aa因此可用另一常数来代替。当0时，有效系数E应为0，又假定在滴滤池所常遇到的范围内，E与近似成正比关系，可得E=代人式(936)得N=EN=E (9-36)建立高的滴滤池物料衡算关系得N= (9-37)以式(936)代人并略去下标b简化得出：= (-) (9-38) 然后进行计算，得出滴滤池出口处（Z=H）的有机物浓度为= (- (9-39)图97 滴滤池简化模型从式(939)可看出，由于；为常数值，故当回流比R为零时，与wH/Q间应呈直线关系。图98的塑料填料数据对这关系也起了验证的作用。这就是说，在推导式(938)的过程中所

18、做的些简化模型假定是比较合理的，至少对于几何形状较规律的塑料填料是如此。由图98可得出值约为1.4×10-4cms：。由图98所得的值代人式(938)可以得出回流比R对及的影响关系。如图99及图910所示，由图中看出，无论是对原水的有机物去除率1-，或者对滴滤池的总去除率1-。来说，增大回流比R都起了降低去除率的作用。图98 塑料填科的高负荷滴滤池去除有机物效果图99 R对的影响2Eckenfelder公式公式如下：=exp(- （9-40）式中，A为滴滤池的横断面积；a为填料的比表面积；K、m及n为试验常数，其余符号向前。如果把式(940)与式(939)比较则可看出，当M=0、n=

19、0时，Eckenfelder公式中的K相当于式(939)中的·a可wH/HA=w/A表示故A相当w。Eckenfelder公式的实用形式为= exp(-) (9-41)式中：L= L代表滤池的水力负荷。应用式(941)时，应通过试验求出K、n常数，但要经过下列三步运算先把式(940)写成=-()H (9-42)由上式可知，由试验数据对H肋作图得条直线，其斜率S即(K)值，当固定水力负荷为，变化滴滤池的填料高H时，可得斜率，同样，对水力负荷，,等也得出相应的斜率，等，如图912所示；这样就得出两组对应的L与S值。由上述关系得=-K() (9-43)图912求斜率S值因此，以图912所得

20、的两组S及L值按上式关系作图，得出一条直线，其斜率为-n，如图913所示。最后，把式(941)写成K(-)+= (9-44)以n代人上式后，按于绘成的直线，其斜率即K，如图914所示：图913 求Eckenfelder公式的n图914 求Eckenfelder公式的K§95 生物转盘生物转盘的工作过程见图915，每块圆盘上生物膜的有机物扩散通量可用式(937)表示：N= (9-37)图915 生物转盘工作过程示意假定每面膜的淹没面积为As，则每面膜去除有机物的速率为M=As (9-37)由于圆盘与圆盘的间距很小，可以假定去除速率是连续函数。又令VL代表一片圆盘两面的膜所担负的去除有机

21、物的水容积，则可将去除有机物的速率写成下列关系：=-2M=-2 As式中：为水在生物转盘氧化槽内所经历的时间：含水的停留时间为又以及分别代表废水在生物转盘进门和出口处的有机物浓度。将上式写成下列形式进行积分，积分后得下列关系式：K(-)+= (9-44)式(944)可以作为求参数及K的依据，转盘的圆盘理论片数可以直接从QVL值得出。§96生物流化床1.基本原理由于生物流化床(biological fluidized bed reactor)具有有机物容积负荷大、处理效率高、占地少和投资省等优点，因此，近二十年来得到了广泛的研究，并取得了许多重大的进展。 图916为生物流化床处理系统的

22、基本流程。废水和从生物流化床反应器出水的回流水在充氧设备进口处与空气混合后，从反应器的底部进入，自下而上通过反应器，使续料保持在流化的工作状态、经填料上的生物膜处理后的废水，除部分回流到无氧设备进口处外，最后流人二次沉淀池，以便沉掉悬浮的生物量，排出合格的出水。图916 生物流化床流程生物流化床以粒状材料为填料，一般为粒径0.21.0mm的砂、焦炭、活性炭或陶粒，填料床厂作时的流化状态与快滤池的滤料层在反冲洗时的硫化状态完全一样。生物流化床运行时，废水中的有机构与处于流化状态的生物颗粒(长满生物膜的细粒填料)接触而被去除。如果生物流化床用于需氧处理，则向废水中供氧是必要的，氧源可以是纯氧或空气

23、，如果氧源是纯氧，供气的方式通常采用在床外与废水很合后再进人流化床；如利用空气，则既可在床外与废水混合，也可育接向床内供气。在生物流化床的运行中，为使床内填料流化，回流往往是需要的。当然，在采用空气作氧源时，也可加大供气量来流化填料，回流便可以省去。回流比R根据填料层所需的流化速率(空床速率)确定。显然，流化床中的填料是随水流的上升流速的增加而逐渐由固定床经膨胀床最后成为流化床的。一般将填料层膨胀率为5时的上升流速称临界流化速度。将广升流速等于填料颗粒的自由沉降速度称冲出速度(washout velocity)。流化床的回流比应使流化床中的空床上升流速处于上述两种速度之间。临界流化速度可按下式

24、计算：= (9-45)式中，为临界流化速率，单化为cm/s； d p为填料粒径，单位为cm；和分别为填料和水流的密度，单价为gcm3;为水的动力粘滞系数，单位为gcm.s；g为重力加速度，981cm/s2；是填料开始膨胀时的孔隙率；为球形度，定义为同体积球形颗粒的表面积除以颗粒实际表面积。砂的值为0.60.85，焦炭的值则约为0.35。生物流化床内于采用1mm以下的细粒径填料，便从两个方面强化了生物处理过程。一方面可为微生物附着生长提供巨大的固着表面，流化床容积的比表面积可高达20003000m2m3，这就大大地提高了床内单位体积的生物量，一般生物流化床的生物量浓度可达10 gL以上，甚至可高

25、达30 gL 。另一方面，由于生物颗粒在床中处于自由运动(流化)状态、便提高了废水中生物颗粒的接触更新机会；同时，在流化床中可以采用控制膨胀率的办法来控制水流紊动对生物颗粒表面的剪力水平。进而控制填料上生物膜的厚度。所有这些，都大大地强化了废水中有机物向生物膜内的传递过程，使生物流化床的有机物容积降解速率大大提高。通常，生物流化床的有机物容积负荷可高达8kgBOD5m3.d以上。2生物流化床性能分析与设计计算 在§73中，已经详细地介绍了Atkinson在进行滴滤池研究时建立生物膜基本方程式的思路及其求解的方法。在1981年出版的水和废水处理生物流化床一书中，Atkinson将这一生

26、物膜基本方程式应用于生物流化床，求解方法的思路也与§73介绍的一样，只是定义了一些新的无量纲参数。本节主要介绍他对生物流化床所进行的理论分析和应用的方法。在有关的理论分析中，假定生物流化床是一个处于稳态的CSTR型反应器，并忽略生物膜对有机物的传递阻力1。评价生物流化床的工作性能参数主要是它的有机物去除率和有机物的容量去除速率。有机物的去除率为：=1-=1-f (9-46)式中，和分别为流化床反应器进水和出水的有机物浓度，f可称为有机物的残余浓度率。流化床的容量去除速率可表示为：R= (9-47)式中，Q为废水流量，v为流化床的容积。有机物的去除率或残余浓度率f与容量去除速率R v应

27、该是反应器的停留时间VQ、单位容积床体所容纳的生物且与有机物在进水中的浓度的函数。如以L代表演料上生物膜的厚度、代表单位容积流化床内的填料表面积，代表填料上的生物量的密度，则流化床单位容积床体的生物量应为L，因此可得下列两个函数关系：f=f(,) (9-48)R= f (,) (9-49)为了得出流化床的相似准数间的相关关系，须先对式（948)和式(949)中的有量纲量进行无量纲转换。因此得出下列关系：无量纲容量去除速率=无量纲停留时间倒数=无量纲生物量浓度=无量纲进水浓度=a式中和分别为Monod公式中的最大比增殖率和饱和常数；Y为产率因数；其余符号同前。按上述关系对式(948)和式(949)进行无量纲化后可得下列的相关函数形式： (9-50) (9-51)由于直接