在生物膜模拟传输和反应
尽管生物膜的异质性,是假设在大多数模型底物的运输分子扩散,因此,一个有效扩散系数是一个系统的特征常数。(阿特金森和福勒1974;Harremoes和Riemer 1975;Harremoes、1975、1976、1978;阿尔文和Harremoes 1990;拉莫塔1976;威廉姆森和麦卡蒂1976;Grasmick et al ., 1979年,1981年;里特曼和麦卡蒂1981)。
生物膜中的反应速率的概念是基于极限衬底。如果废水需氧,限制衬底将包括氧气、有机碳和/或氨。
的本征反应速率限制衬底可以描述,根据作者,Monod-type,首先,或零阶方程。
在废水处理中,它已被证明,最好的近似零阶(拉莫塔1976;Riemer和Harremoes 1978;Grasmick 1982)。根据渗透到生物膜,表观反应速率将为全熔透,零阶动力学和半阶动力学部分穿透(Harremoes 1978)。表5.1给出了生物膜动力学的值。
阿尔文和Harremoes(1990)提出,生物膜模型的基本特征是执行的过程的动力学活性细菌的电影。这种方法可以用于描述过程以外的如有氧矿化、硝化反硝化硫酸盐还原、发酵、甲烷生成。
细菌活动:
如果^ max和Y可以被认为是普遍的,那么细菌活动可以被改变莫诺方程(3.11):
地点:
kx =最大的可溶性底物利用率(零阶)。生物膜反应器的动力学特性是:
1。底物的扩散阻力运动到生物膜。
2。产品开发的生物膜。
有不同反应器的性能取决于衬底是否可以穿透生物膜完全或部分(Harremoes 1978)。
扩散阻力:
扩散阻力影响去除率和反应。阿尔文和Harremoes(1990)解释说:
——一阶反应在生物膜的内部转化为一阶大部分反应速度降低。
——一个零阶反应生物膜的内部仍然是一个零阶反应,如果生物膜完全渗透,但转换为半反应,如果这部电影只是部分渗透。
假设硝化反应速率反硝化作用是零阶,可以使用下面的动力学方程:
的生物膜基质渗透充分:
(零阶)
底物的生物膜的穿透部分:
(一半顺序)
(一半顺序)
地点:
dS / dt =单位生物膜表面上的反应速率。
kB =内在反应速率单位体积的生物膜。
L =生物膜的厚度。扩散系数D =。
S =基质浓度,可以形式的氮碳和氧。
从零阶过渡到半阶动力学是由基质的相对渗透率,订单可以确定使用以下方程。
在哪里(3 > 1比生物膜基质完全渗透,而facebook < 1部分渗透。
生物膜的在滴滤池对待国内废水通常会遵循一个一半动能。
non-diffusible物质在生物膜反应器的出现。
理论的基质去除生物膜遭受这一事实只有很少关于生物膜影响non-diffusible物质(Levine 1985;和突袭1987)。
关于non-diffusible事的两个主要问题是:
——如何附加到biofim颗粒物表面吗?
——什么是附加颗粒物的细胞外降解机制?
颗粒物的去除取决于以下几方面(Arvin和Harremoes 1990):
1。的大小和化学的微粒。
2。的大小、形状和化学成分的支持媒体。
3所示。生物膜的表面。
4所示。通过细菌过滤器废水流。
污染 |
限制衬底 |
条件 |
临时°C。 |
内在的零阶单位生物膜 (公斤/立方米1 ct3) |
表观哈尔福德系数单位体积的生物膜 (kgKnfHs ' 1 1 ct5 |
明显的哈尔福德系数单位反应器体积 (公斤^ ^ s1 1 ct3) |
参考 |
牛奶 |
02 |
固定床 |
20. |
0,12 |
Grasmick et al。(1980) |
||
牛肉膏 |
02 |
固定床 |
20. |
0,32 |
Grasmick et al。(1980) |
||
甲醇 |
甲醇 |
旋转反应器 |
22 |
0 16-0 19 |
0,38 - 1,58岁 |
詹森和Kristensen (1980) |
|
牛奶 |
TOC |
旋转 |
20. |
0,27 - 0,59岁 |
0083 - 0,18岁 |
Grasmick (1982) |
来自:Grasmick (1985)
来自:Grasmick (1985)
non-diffusible物质进入生物膜的运输是非常慢,而扩散物质的运输。
降解生物膜以外的颗粒物是由胞外酶释放到污水的生物膜,或酶在生物膜的膜。这个颗粒物质转化为可溶性的产品,能够扩散到生物膜,可能通过一个特殊的机制,促进了生物膜的渗透。
液膜扩散。
任何反应之前发生在生物膜内,基质需要从散装液体转移到固相。传质阻力的存在证明liquid-biofilm har。(拉莫塔1976;Grasmick 1982)
通量,J,底物的生物膜遵循菲克第一定律。
J = - D * dS / dx = D (S - Ss) /磅(5.6)
地点:年代和党卫军是散装和界面浓度;磅是边界扩散层的厚度。磅可以决定使用一个方法被bouw和麦卡蒂(1985)。
在实践中,氧气总是速度限制因素而非氨浓度,因为两者之间的临界比浓度进行硝化作用是0.3 - -0.4毫克的NH3 / mg 02 (Gonec 1982)。如果是02年的浓度,例如,4 mg / l,然后氨的浓度必须小于1.3 mg / l限制。表5.2给出了有效扩散系数的值在纯水和生物膜。
细菌生物膜种群动态。
如果一个生物膜氧化碳物质和硝化同时,两个电子给体将争夺相同的电子受体,氧气。两个过程将在有氧区生物膜。有限的电子受体的相对使用的资源是由异养生物的种群动态和硝化细菌生物膜。有氧区,两种类型的细菌将增长,但速度不同,取决于可用的基质和不同种类的细菌的增长。
在一个特定的有机物质比氨、异养生物硝化细菌将长大,不会发生硝化作用。这种效果是类似于一个氮化物的本事活性污泥厂在过低污泥的年龄。如果生物膜没有完全由氧气渗透(图5.4),它将被分为一个有氧部分毗邻散装液体和一个潜在的厌氧部分。应用斜发沸石作为支持介质的上升气流固定床反应器(UFBR)(见部分5.8.1)可以获得同步硝化和反硝化(Halling-Sorensen和Hjuler 1992)。
生物膜成分始终是一个“镜子”成分的废水应用于处理系统。不同的区域可能被开发作为衬底的加载函数生物膜。根据金纳(1983)(见表5.3)最多样的生物膜引起的负载很高的废水可以有四个不同的层次,如下:
1。与异养外层氧化有机碳,硫化和氧化硝化反硝化。
2。微量需氧的层脱氮和发酵。
3所示。厌氧层与硫酸呼吸和发酵活动。
4所示。厌氧层相邻支架材料与甲烷生成和发酵。
如果加载废水变得不那么严重,或可能获得不同的成分,生物膜将建立图层1和2,或由层1只。
在稳态生物fj的一部分,在一个层,表明之间的平衡增长和衰减,为:
ra *易= bj 'Xa«fi - | (5.7)
ra =单位表面积的去除率的底物利用生物组我。
为生物组Y | =产量不变。b | =生物组我。Xa的衰变常数=整个生物膜的生物。
el f | =生物组的分数我。i =区与生物组的长度。
产品Xa * fj * l = ra * Y / b来源于方程(5.7)和反映了机体的稳态活性生物量集团我单位面积生物膜。
生物膜的pH值的影响。
硝化作用是一个acidity-producing过程,而反硝化是一种碱性生产过程中部分(3.4)和(4.4)。散装水域低碱度的结果,因此,是一个重要的生物膜进行硝化的pH值下降。这可能导致硝化作用的抑制,因为过低的pH值。
反硝化生物膜,pH值可以增加在后面的电影在某种程度上降水的磷酸盐可能发生(Arvin和克里斯腾森1979)。在文献中没有提到pH值的生物膜进行同步硝化和反硝化作用。
5.5生物膜工厂Massbalance方程
生物膜的质量平衡方程植物没有再循环可以概述如下:
Qinf * Cinf - rx s * V * XB = Qeff * Ce1t (5.8)
污染 |
底物 |
条件 |
临时(°C)。 |
有效扩散系数10 ~ 10 (nrr / s) |
参考 |
纯水 |
02 |
20. |
15 |
||
牛奶 |
o2 |
固定床 |
20. |
3 - 9 |
Grasmick et al。(1980) |
牛肉膏 |
02 |
固定床 |
20. |
8 - 10 |
Grasmick et al。(1980) |
废水 |
o2 |
旋转圆筒 |
20. |
12 - 17 |
汤姆林森和Snaddon (1966) |
葡萄糖 |
02 |
20. |
4 - 20 |
马特森和Charaklis (1976) |
|
氮的化合物 |
02 |
25 |
威廉姆森和麦卡蒂(1976) |
||
甲醇 葡萄糖 TOC |
旋转旋转反应器旋转反应堆 |
22 22 25 |
20 - 50 1 - 5 6 - 50 |
詹森和Kristensen(1980)拉莫塔(1976)Grasmick (1982) |
来自:Grasmick (1985)。
来自:Grasmick (1985)。
占主导地位的细菌 |
代谢过程 |
反应 |
限制衬底 |
反应物+产品 |
有氧+硝化异养生物
Beggiatios像细丝
硫酸异径接头兼性anaerobs
Metanogens兼性anaerobs
有氧呼吸
异养硝化硫磺储存
硝酸异径接头Denltritiers兼性厌氧菌
硫酸盐还原发酵
产甲烷发酵
h2o CH2ON CH20 + 02 - co2 +。NH4 + o2 _
硝酸盐还原5 CH20 + 4 N03“t4H *,
Denltrltication 2 N2 + 5 co2 + 7
发酵(CH2°) n + H2°- (CH2°) n + co2 + H2 + 2 H *
2 CHjO + / _ S2的2 + 2二氧化碳+水(OHjO) n + 3 - (CH20) n。,+ co2 + H2 + 2 H *
2 CH20 _ CH4 +二氧化碳
((CH20)„+ h2o) - CH20 n。+二氧化碳
CH,阿
CHjO
CHjO
加拿大皇家银行的塑料媒体k
有氧+硝化异养生物
硝酸异径接头脱氮剂兼性厌氧菌
有氧呼吸
异养硝化作用
CH2O + 02 -二氧化碳+水
CH2ON, NH4 + + o2 ^ 11月+有限公司+ HoO
硝酸盐还原
Denitrlfication
发酵
5 CH20 + 4 N03 + 4 H +,
2 N2 + 5 co2 + 7
(CH20) _ (CH20) n, n +用水+ co2 + H2 + 2 H +
加拿大皇家银行塑料媒体
有氧+硝化异养生物
有氧呼吸
异养硝化作用
自养硝化细菌硝化
”NH4 + 2 DJ、NOj + 2 H * + h2o
Cinf =影响底物浓度在mg / l。
rx s =过程反应速率在公斤每公斤衬底生物量/ m3
V =反应堆的体积立方米。
Ceff = mg / l的废水底物浓度。
因为很难量化或估计在植物生物膜生物量浓度XB,有人建议在文献术语rx•V * XB改变一个术语考虑体积或面积增长细菌。
在文献中除以下条款经常被使用。
房车,s * V = ra, s * (5.9)
旅游房车=每天每立方米的基质去除量,表示为一个容积反应速率。ra, s = am0Lint每天每平方米的基质去除红细胞(一个术语通常用于植物),表示为一个表面反应速率。使用上述条款避免知道生物量的浓度XB的必要性,但可以简单地将反应速率与目前生物质XB,在稳态条件下,特定的面积或体积。表5.4显示了不同单位标明衬底(氮)去除率。
根据底物是否能完全穿透生物膜,动能将遵循零级动力学或Vz秩序。方程(5.2)或(5.3)必须被引入动能率。
应用零阶动力学生物膜的质量平衡工厂将:
Qinf / Cjnf - kB * L * A = Qeff * Ceff (5.10)
Qinf Cinf - (2 D kB *年代)*’= Qeff * Ceff (5.11)
地点:
这个方程的使用也需要生物量浓度XB的知识,因此kB通常是一个实验发现常数中观察到一组特殊的条件,这也让可能的生物量的估算。
表5.4不同单位,表明衬底(氮)的去除率。
硝化速率任期生物质rx
容积率房车
由于表层速度ra c
单位公斤N /公斤生物质每立方米* d公斤N / m3 * d g N / m2'd。
如果使用再循环的废水在生物膜工厂,以下biomass-balance可用方程:
Qinf * Xinf + rx, x V * XB = Qeff * Xeff + Qsedimentation * Xsedimentation (5.13)
地点:
rx x =单位生物量的生物活动。水的再循环用于确保恒定的水通过的支持材料。
5.6硝化滴过滤器(NTF)
介绍了滴滤池在上个世纪结束时,和第一个方法用于从废水氮的去除。起初,只是一种原始的滴过滤器土地处理不时,污水传播在沙质地面,让沙子干燥之间蔓延。
后来,沙子被石头所取代,但操作过程保持不变,流量废水的应用。滴过滤器被介绍在英国。圆形和提供一个旋转分配器顶部的过滤器,和措施被送往安全准确的曝气。
一个阴沟系统旨在带走处理废水和腐生物质能。有几种运作模式为滴过滤器。标准过滤器低液压加载和不包括提供回收。高效过滤器维持高液压加载的循环部分废水。过滤器放置在系列的有效深度增加,从而增加效率。大量的可能性存在不同的流动机制。
图5.1显示了滴滤池的基本设计。现代滴过滤器(有时称为bio-towers)富含不同类型的塑料媒体,也允许过滤器更有效率,能治疗严重污染工业废水。塑料媒体包括垂直流动或错流物质。
使用塑料媒体的优点是高的比表面除了高空隙率和低体重,降低建设成本和高稳定性shock-loads;一遍,允许小滴的建设和应用过滤器。
过程改进的涓涓过滤器,使用bioflocculation组件作为一个治疗后的生物治疗后,产生了比以前更高质量的废水。这种改进使滴滤池与活性污泥系统兼容,并能产生高质量的废水,比得上产生使用活性污泥法。
滴过滤器用于硝化,受聘硝化二次废水,或结合有机与硝化作用去除主要的废水。根据影响废水的组成,不同的细菌人口将会发达。
减少氮的去除效率可以发生在一个滴滤池因为各种各样的原因。其中最重要的是去除生物膜的掠食者(蠕虫和苍蝇的幼虫),和不完全润湿的媒体。抑郁硝化率,但是,也源于对溶氧氮化物和异养生物之间的竞争。
帕克和理查兹(1986)确定可溶性BOD5浓度超过20 mg / l是足以防止硝化Nitrifiying滴滤池(NTF)。
一个典型的去除率之间的保守NTF加载0.20和0.39 g N / m2 * d。的发展Biofilm-Controlled-Nitrifying-Trickling-Filter (BCNTF)在1980年代末的反应速率在这些过滤器已经显著增加。
作为比较,正常用滴滤池去除有机物的订单2 - 3公斤BOD / m3 * d。但极端BOD去除率高达10 - 20公斤/立方米”d已报告(Audoin et al . 1971年)。
5.6.1滴过滤器的性能
滴过滤器的性能受很多因素的影响,如液压、有机氮直接,影响废水的特点,其温度分布,分布频率,和组成。其他因素是细菌的浓度和macroorganisms,氧气供应,体积和几何形状的过滤介质和深度的过滤器。
滴滤池的媒介。
慢慢过滤介质的要求提供一个大的表面细菌数量的增长,并提供一个足够大的空间来保证曝气。
只有通过应用plastic-medium是否可以同时满足这两个要求,因为它的低体重。几何形状的包装也非常重要,不仅关系到最大可用表面生物生长,但是对其影响过滤的流体动力学;这又影响过滤器的保留时间。表5.5显示propoerties滴过滤介质。
氮和有机负荷变化的影响滴滤池。
ammonium-nitrogen的重要负荷变化过程中是正常的。硝化滴滤池必须,因此,设计能够治疗高峰负荷,否则必须预期突破铵废水。滴在废水ammonium-nitrogen过滤器是特别敏感,因为很短水力停留时间加上流动系统。
的较低部分滴滤池获得铵每天只有几个小时,它可能需要很长时间才能建立一个完全开发的生物膜反应器的底部。只在温暖的天气的上部滴滤池可能活跃,由于单位面积上的反应速率越高。因此,温度突然下降可能导致铵突破以来,生物膜可能不是发达的反应器的底部。为了避免这种情况,锅炉和Gujer(1986)建议两滴过滤器串联操作。其序列应该逆转每周一次获得均匀分布的生物量在整个反应堆。
易降解有机物永远是首选的细菌,和滴滤池的能力,处理废水的成分,因此,高。
一些调查表明,每卷滤波器去除在中等负荷可以被描述为一个线性函数的负载/体积。
因此,滴滤池的性能评估去除有机物和氮的数量将取决于总有机负荷应用于过滤器,而不是它的浓度和流量。
氧转移在硝化生物膜正常植物的关系。
通过计算总氧转移到硝化生物膜,可以确定的最大去除氮为不同类型的塑料媒体如5.5图所示。
错流媒体预计生产硝化率高于垂直流媒体相同的表面积,因为在混合流体破坏点错流媒体(帕克等。1989)。
表5.5滴滤池媒体的属性。
媒介
公称尺寸毫米
质量/单位体积千克/立方米
比表面积nf / m3
孔隙空间每分
河岩小大
25 - 65 100 - 120
1250 - 1450 800 - 1000
55 - 70 40 - 50
40 - 50 - 60
高炉矿渣小大
50 - 80 75 - 125
900 - 1200 800 - 1000
55 - 70天
40 - 50 - 60
塑料传统高比表面
600 x600x 1200 30 - 100 600 x 600 x 1200 30 - 100
80 - 100 100 - 200
94 - 97 94 - 97
红木
1200 x 1200 x500 150 - 175
40 - 50
70 - 80
来自:麦特卡尔夫和艾迪(1991)
答:垂直媒体b .横向流媒体
图5.5在垂直向下流动模式和错流媒体。在帕克和美林(1984)。
液压加载。
液压负载是一个因素影响保留时间,它被认为是最重要的影响因素之一滴滤池的性能。
高加载速率生物质快速增长的结果,和过度增长可能会导致毛孔堵塞和随后的洪水的部分中。增加了液压加载速率,增加脱落,并有助于保持床上开放。
其中一个局限性是包装在低负载的不完全润湿和渗透在高负载。但是其他因素也可以增强或降低幕墙的性能。如果在液膜扩散在过滤器控制反应速率,增加流量会增加反应。
plastic-packed慢慢过滤器与高的比表面,这种影响很可能会影响反应速率甚至在正常载荷(NTF 0.20 - -0.40 g N / m2 *天)。在文献中水力负荷的影响对滤波器的润湿面积建议这种性能的一个重要因素。湿区可能随深度,因为生物量分布不均的过滤器。
的关系的深度和保留时间滴滤池。
保留时间是直接与深度成正比,因此使用保留时间自动包括深度。深度通常是用作测量可用的总生物量,同时保留时间是时间的一个量度单位生物和衬底之间的联系。下面的方程是公认在计算滴滤池中的保留时间:
Q "
地点:
Q =流动l / H =水力停留时间回收t = n =没有的时间
从液体有机污染物的去除主要是通过吸附和吸收,生物和衬底之间接触的时间比液体的保留时间的长得多。
生物膜表面的单位除有时增加更高的流量,这是与理论相反,大多数模型中使用,只有流对保留时间的影响。观察到相同的应用和机制时如5.8.1节所示。
温度的影响在滴滤池的性能。
很少的信息可以在硝化速率和温度之间的关系(见图5.6),因为大多数的研究结合碳氧化和硝化滴过滤器进行了16°C以上。
低温度数据很难获得由于缺乏调查,和硝化温度升高时不能轻易获得的数据转换为代表性能例如十度低,因为硝化率的变化会反映相对增长率的变化两种不同类型的生物处理厂。没有信息的影响,温度对硝化菌和异养生物之间的竞争。
生物量的接口,水和空气也使得滴过滤器对温度变化非常敏感。污水质量因此可能会出现剧烈的季节性变化,主要原因是环境空气温度的变化。浪费水和空气的温度也决定通过介质空气流动的方向。冷水吸收空气中的热量,冷却空气下沉对过滤器的底部与水以顺流方式。
相反,温水加热空气,使其上升通过暗渠和通过媒介。极端寒冷可能导致糖衣和破坏生物膜。
滴滤池的影响再循环。
再循环的目的是确保恒定体积的废水进入工厂,稀释强或有毒废物,增加表面负荷或延长保留时间,所以,每个“基质粒子”不止一次通过过滤器。
在一些调查,再循环证明提高工厂的效率。最重要的因素在确定再循环的程度确定哪些因素控制反应速率,因为再循环的影响可能改变一个因素的反应速率的控制,例如液体扩散控制的过程可能成为生物膜扩散控制的或代谢活动。
的影响底物组成滴滤池的性能。
生活污水等复杂基质,将最有可能存在不同的有机氮化合物很难分解。这种差异在废水的组成是非常重要的考虑在可能的计算效率。
+ y中央山谷
@利马^“米德兰
10 15
图5.6的温度对硝化作用的影响滴滤池。Gujer和锅炉(1986)之后。
5.6.2方程建模的硝化滴滤池(NTF)
最常用的公式,提出了设计一个滴过滤器由Erkenfelder(1961),如下:
NH * e - q-kPio”(5.15)
SNH4e =废水底物浓度,mg / l
SNH4i =影响底物浓度,mg / l
Q =液压加载速率m3 / m2 *分钟。
k =可处理性常数有关废水和介质特性、最小“1。
n =系数有关媒介特征。
可处理性常数k的值从0.01到0.1不等。城市垃圾塑料媒体的平均值是0.06的顺序在20°C(日尔曼1966年)
校正其他温度下可以通过调整可处理性因素kT如下:
可处理性因素kT应该为每种情况决定从一个试验工厂废水的分析,以及所选择的媒介。塑料媒体是0.5的系数n·和兰德尔(1980)。
包括废水再循环进入方程,方程5.15可以修改为:
snh * (1 ^ Ri-Rek°iar
项 |
低利率过滤器 |
中间速度滤波器 |
高速率滤波器 |
液压加载m3 / m2•d |
1 - 4 |
4到10 |
10-40 |
米的深度 |
1.5 - -3.0 |
1.25 - -2.5 |
1.0 - -2.0 |
再循环率 |
0 |
0 - 1 |
1.3 |
过滤介质 |
岩石、矿渣等 |
岩石、矿渣等 |
岩石、矿渣合成材料 |
电力需求kW / 103立方米 |
2 - 4 |
2 - 8 |
1 - 10 |
过滤器苍蝇 |
许多 |
中间 |
少,幼虫被冲走了 |
给药间隔 |
不到5分钟 |
15-60交会 |
不到15秒 |
废水 |
通常完全硝化 |
部分nitri-nitrified |
在低载荷硝化 |
来自:麦特卡尔夫和艾迪(1991)
来自:麦特卡尔夫和艾迪(1991)
SNH4, =生和回收混合的混合物中的内容应用于一种媒介。
R =回收的比例流向渗透。
j = S»“*°+ R * Sn”* q (518)
Gujer和锅炉(1986)提出以下line-fit方程的下降在滴滤池硝化率随深度:
rn, z, t = rn, z = 0, t e”k * z (5-19)
地点:
z =深度在塔米。
rn, z, t =硝化速率深度、N g / m2 * d。
rn, z = o、t =硝化率顶部的塔,gN / m2的d。
k =经验参数描述的降低速率随深度(k变化在0.075和0.16之间)。
t =温度在摄氏度。
Gujer和锅炉(1986)建立了一个生物膜模型预测表面硝化率作为散装液体中氨浓度的函数,考虑质量平衡的生物膜内的氧和氨。
通过结合与正常的莫诺动力学方程,方程5.18 Gujer和锅炉开发了以下两个解决方案NTF的设计。
引入k(经验参数)不同于0:
地点:
Sn =大量液氨氮浓度在mg / l。
Sn j =影响氨氮浓度mg / l。
约,max =最大硝化速率在高氨的水平,N g / m2•d。
约(s, t) =硝化速率氨浓度N g / m2 * d。N =饱和参数mg / l。
滴滤池=比表面积的媒体在m2 / m3。Vn =液压负载滴滤池在l / m2 *年代。181
因为不同的塑料媒体的氧转移效率不同,下列方程可用于正确的硝化速率的区别:
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