填料塔中衬底去除模型
16.1.1简化假设
通过某些简化假设，有效因子方法可以用于研究填充塔的理论性能，这已经由Grady和Lim完成。”因此，这里将介绍他们的方法。第一个假设是，电子受体过量存在，以至于电子供体充当单一的限制性营养物质。第二，只有一种微生物存在;如果电子供体是有机物，则为异养生物;如果电子供体是氨氮，则为自养生物。结果将在去除可溶性异养体方面提出化学需氧量(COD)，但它们在质量上与无异养的自养生物去除氨氮的情况相似。第三种是在稳态条件下，微生物以与其生长相等的速率从生物膜表面被剪切，从而形成厚度恒定的生物膜。第四个假设是生物膜的厚度在整个塔是恒定的。厚度是一个输入参数，不在模型中计算。第五种假设是分离的生物质随着液体流动而流动，并有助于底物的去除。第六种假设是，只有经过澄清的废水在塔周围再循环，并且澄清器是完美的，因此再循环不含生物质。第七个假设是流体均匀地施加在整个塔截面上，并且流体在整个塔深度中以恒定厚度的薄板流动。最后的假设是，通过塔的流动符合完美的plug-flow特性。所有这些假设对建模工作的输出都有重要的含义，并阻止模型被用作量化设计工具。尽管如此，输出在定性上足够准确，以允许的主要特征里塔被观察和理解。
在15.2.2节中提出的有效因子方法认为生物膜是平坦的，具有特征厚度L，。然而，由于填料塔中介质的性质，生物膜的表面很少是平坦的。因此，乍一看，整个有效性因子方法对于一个拥挤的塔是无效的。然而，对情况的仔细调查显示，事实并非如此。活性生物膜的厚度约为100pm，而支撑介质的等效半径大于30 mm。”因此，生物膜可以看作是一个环空，其厚度与其总半径相比可以忽略不计，因此它可以近似为具有相同厚度的平板。换句话说，即使生物膜的表面实际上不是平坦的，它也可以被看作是一个平板，从而允许生物膜内基质的质量平衡方程以平面几何形式书写。然而，即使不能使用这种平板近似，仍然可以使用总体有效因子，因为已经发现，在适当的特征长度L的取值下，圆柱体和球体等曲线形状的有效因子的数值非常接近平板。是used.1任意形状的正确值为:
因此，即使不能认为表面的行为完全像一个平板，适当的选择L，将使误差最小化，从而使我们能够使用总有效因子方法，如图15.9所示，r) L()的值来考虑内部和外部传质的影响。
16.1.2外部传质
填料塔内的流动模式非常复杂，反映了流动在不同支撑表面上的流体元素之间的相互作用，随机填料中流动可用的横截面积的变化，由沟道引起的不规则，以及由生物膜突出物掉落的液滴引起的短路。”由于这些复杂的流动模式，有必要发展液相的经验相关性传质系数， k，在这样的塔内。一种常见的相关形式将传质系数与施密特数(Sc = |x " ./p " Dw)和雷诺数(Re = vpwd/p,w)联系起来，其中p.，是流体粘度，p "是其密度，v是其通过生物膜的体流体速度，是基质在水中的扩散率，d是表征介质的维度。由于流体的速度和密度的乘积是质量速度M，所以雷诺数通常被写成Md/p。利用这一概念，Wilson和Geankoplis“报告了填料床中液体传质的以下相关性:
生物膜体积
反应物渗透的外部表面积
k =(0.25米/ ep) Sc”“Rc k =(1.09米/ epJSc”“是
这些方程被限制在0.35 < e < 0.75，其中e是介质元素之间的空隙空间，作为总床层体积的一部分，即孔隙率。由于雷诺数与M成正比，公式16.2预测传质系数随M""y的增大而增大，此时M为基于垂直于流动方向的整个床层横截面积的表面质量速度。不幸的是，用于废水处理的填料塔中使用的大多数塑料介质的空隙分数约为0.95，因此在此类系统中，需要类似的相关性来预测k。量纲分析，以及上述方程，建议使用相关的形式:
其中a取决于流体和介质的性质，而b取决于所采用的流量范围。这种相关性的一般用途是一个悬而未决的问题，因为生物填料塔中的传质受到生物膜的存在和特征的强烈影响，而生物膜的存在和特征在很大程度上取决于被降解底物的性质和浓度。然而，现在很清楚的是，用清洁介质测量的传质系数并不能准确反映含有生物膜的塔中的传质，并且所需的研究将不容易进行。尽管如此，对附加生长系统的基于机械的模型的持续改进要求他们这样做。尽管Grady和Lim使用的传质相关性存在缺陷，但“可以从他们的模拟中获得有价值的信息，并将在这里介绍。”
16.1.3通用模型
填料塔示意图如图16.1所示。流速为F的含有可溶性底物(浓度为SM)的废水流入塔，在那里它与含有残留底物(浓度为Sv)的澄清池的再循环出水混合，从而将进水浓度稀释到S，，。也就是施加的浓度。Ss的值可以从混合点的质量平衡计算出来:
1 + a，其中a是流入流量中再循环的部分。通过塔的总流速为F(1 + a)，并在整个横截面积a上均匀连续地施加。流体流动的截面积为f.vA。式中，f v为液膜所占塔架横截面积的百分比。废水被认为是缺乏生物量的，再循环流量也是如此。因此，没有生物质进入塔。然而，由于塔中的生物膜被认为处于稳态，生物质不断从其表面去除，并通过塔向下携带到澄清器。这意味着悬浮液中生物质的浓度随着流体通过塔的移动而增加，得到浓度X,u。在进入澄清器的流体中。悬浮的生物质将有助于底物去除，尽管附着的生物膜将负责大部分。
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