第5章 生物滤池处理系统.docx
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第5章生物滤池处理系统
第5章生物滤池
PoulHarremoës,MogensHenze著
生物滤池的特征是细菌以生物膜的方式附着在固体表面上。
生物膜是一个稠密的细菌层，细菌附着在固体介质上形成固定的聚合体薄层，在其中细菌能避免脱落。
生物滤池的水力停留时间较短，因此水中的游离细菌会流失。
生物滤池的缺点是微生物群体的低效率。
原因是水中的物质必须经传输至生物膜由微生物去除。
而完成此传输的分子扩散是一个慢反应。
事实表明，基本的规则是去除受扩散的限制。
必须理解此现象才能理解生物滤池的功能。
5.1生物膜动力学
图5.1是一种假定均匀的理想化生物膜。
生物膜外部的水相中其物质浓度假定为S，通过分子扩散传入生物膜内，扩散系数为D。
图5.1物质在理想生物膜中通过扩散进行迁移，整个过程受扩散的限制。
对于一个无穷小断面的生物膜，在稳态条件下可建立以下平衡。
进=出+去除
（5.1）
式中N——沿横截面的迁移；
rVf——生物膜的容积反应速率。
当沿横截面的迁移单独由扩散完成时，有：
该等式可定量解释为：
浓度分布二阶导数表示分布曲率。
如果不发生反应，浓度分布为直线，例如5.3节中的在水相中扩散。
如果反应为“产生”，分布曲线向上。
如果反应为“去除”，如下所示，则分布曲线向下。
通过有关特性参数的比例化，该方程可转化为无因次（无量纲）
（5.2）
作为此二阶微分方程的特解，有两种情况：
A0和一级反应。
一级反应：
rVf=k1VfSVf
式中SVf——生物膜内的浓度；
k1Vf——一级反应速率常数，单位为d-1
（5.3）
该二阶齐次微分方程含常数的特征方程为：
R2-2=0
R=±
实数的通解为：
常数A和B由下述边界条件确定：
=0sVf=1
=1
由此可得到通解为：
sVf=cosh-tanhsinh（5.4）
应用叠加公式，我们得到：
（5.5）
对于生物膜结构与扩散无因次表达式的不同取值，其浓度分布见5.2图所示。
通过生物膜表面的传递：
对式（5.5）求导并代入，得到：
由此可看到，生物膜内的一级反应可用膜外水相中相应的一级反应说明。
通过膜表面的传递反应正好与膜外浓度成正比。
单位表面积反应率为：
（5.6）
单位表面积反应为：
k1A=k1VfL（5.7）
式中k1A——降低的速率常数；
——效率因子。
图5.2生物膜中发生一级反应的浓度分布及效率因子。
效率因扩散传递能力的限制而降低。
图5.2中的效率因子如表示膜结构与膜扩散的无量纲函数式所示。
对应于100%效率，数值<1，~1.0。
膜完全穿透。
若>1，适用于膜较厚情况。
（5.8）
式中
变量单位为“长度”，可理解为有效扩散路径。
对于厚生物膜
（5.9）
零级反应
零级反应表达式要简单得多
rVf=k0Vf（5.10）
（5.11）
全积分式为：
由表面边界条件得到：
=0,sVf=1K2=1
若所观测的物质能够全部穿透生物膜，得到下述边界条件：
=1,
（5.12）
（5.13）
生物膜内浓度分布情况见图5.3，穿过膜表面的迁移总量为：
rA=N=k0VfL
符合全效生物膜的去除率意味着整个生物膜段上发生零级反应。
但需这部分物质在膜的最深处被去除，其意义是=1时的浓度大于零。
结果是下述条件：
>1
不符合该条件的边界条件须改为：
=,sVf=0
=,
图5.3生物膜内发生一级反应的浓度分布。
右：
膜内物质扩散至深处，
左图：
膜内物质无法穿透至膜的深处。
由此到下述解：
（5.14）
（5.15）
式中是生物膜的有效部分。
这种情况下膜内浓度分布也在图5.3中表示。
式（5.14）表明，无量纲参数是基质可穿透的相对膜厚的表达式，因此称为穿透度。
从而得到一切通过膜表面的总扩散量公式为：
（5.16）
值得注意的是全效能生物膜发生零级反应时，使得膜外水中也发生不依赖于底质S的零级反应；部分效能生物膜使膜外水中发生半级反应。
对于基质的比表面积反应速率，可得到
全效生物膜：
rA=K0A=K0VfL
部分效能生物膜：
（5.17）
（5.18）
有关生物膜零级反应动力学的更为详尽的研究信息参见在文献/1/、/2/、/3/和/4/。
【例5.1】
滴滤池顶部存在高浓度可去除的溶解性有机物，氧浓度接近饱和：
8g/m3。
有机物和氧扩散进入生物膜，有机物矿化过程的耗氧速率为k0f,o2=200000g/（m3d）。
氧的传散系数设定为Do2=1.710-4m2/d，见表5.1和表5.2。
氧穿透生物膜的厚度为：
m
如果生物膜厚度小于117m，膜将被完全穿透。
相反，如果膜厚度大于117m，膜被部分穿透，不论厚度为多大都为半级反应，氧的反应速率为：
rA,O2=8.2×81/2=23gO2/（m2d）
实际上，生物滤池的生物膜厚度明显大于117m（为1mm级），因此部分穿透和半级反应占优势。
总的生物膜反应模式可总结如下：
一级：
（5.19）
零级：
总体上来看，三个级别反应之间的关系可通过下面的替代关系得到：
k0Vf=k1VfKS（5.20）
式中KS——只有一级和零级反应，并且两者的反应速率相同时的浓度，或者为莫诺得（Monod）动力学饱和常数。
因此有：
（5.21）
算术表达见图5.4。
显然，<2时没有半级反应；>2时，半级反应构成一级和零级反应间的一种轻缓过渡。
这种轻缓过渡与莫诺得模式相似，经常把它们混淆。
但是半级反应是生物扩散限制的表达式，由扩散路径决定，而理论上莫诺得动力学适用于单个细菌。
图5.4生物膜外浓度与反应速率无因次表达式的关系。
有三种反应：
一种是零级，一种是一级，另一种为半级（>2）。
【例5.2】
在滤池的最后部分，易降解有机物浓度降至10g/m3。
生物膜去除有机物的KS=10g/m3、K0Vf=300kg/（m3∙d），膜厚度为200m，扩散系数为0.4×10-4m2/d。
求反应等级及反应速率。
S/KS=10/10=1.0
因在S/KS=2处反应级别发生变化，因此为一级反应；当S=20g/m3时出现半级到一级反应的变化，膜内部一级反应速率常数为：
k1Vf=k0Vf/KS=30×103/10=30000d-1
估计生物膜只被轻微穿透，因为
未达到扩散极限（~1）的单位表面积的去除量为：
k1A=k1VfL＝30000d-1×200×10-6m=6m/d
rA=k1ASorg=k1VfLSorg=60g/（m2∙d）（无扩散限制）
达到扩散极限的去除量降低为：
k1A=6×0.18=1.1m/d
rA=60×0.18=11.0g/（m2∙d）（达到极限）
这些关于生物、尤其是生物膜及生物絮体的扩散反应极限的原理都可概括为反应级数为n的任意反应过程。
因此通用控制参数可写为：
（5.22）
对零级反应可得：
（5.23）
对一级反应可得：
（5.24）
参数称为Thiele模数。
5.2生物膜动力学参数
生物膜上的菌体对膜上基质的去除作用与悬浮个体细菌所引作用相同。
菌体的增长为：
式中V——可理解为膜内容积
由基质的去除类推，近似推出基质去除的下述零级和一级反应式：
（5.25）
在这些公式中可用已知活性污泥的动力学常数。
与活性污泥不同之处在于生物膜的细菌浓度要大得多，活性污泥法污水处理的污泥浓度为2~6kgVSS/m3。
生物膜的污泥浓度介于10~60kgVSS/m3范围内。
因此使用的唯一一个新参数为扩散系数D。
由于生物膜的扩散系数测定具有不确定性，因此也不可靠。
实际上认为该扩散系数等于或略低于分子扩散系数，而分子扩散系数可在标准参考文献（如例5）中查到。
表5.1是纯水中有关的扩散系数值。
一般使用时采用0.8的折减系数，见表5.2。
但是需强调的是该系数范围很宽，例如由生物膜的表面结构等因素决定[6]。
25℃时纯水中的扩散系数，单位为10-4m2/d表5.1
物质
D
物质
D
物质
D
O2
2.1
CH3COO-
1.0
NH4-
1.7
CO2
1.6
C6H12O6
0.6
NO2-
0.9
HCO3-
1.0
NO3-
1.6
CO32-
0.4
生物膜内氧和有机物的扩散系数。
化学计算条件及去除率的估算值具有不确定性，仅供参考。
表5.2
物质
D（10-4m2/d）
υO2,S*（gCOD/gO2）
k0Vf（kgCOD/m3d）
氧
1.7～2.1
–––
25～200
醋酸
0.3～0.7
2.1
230～300
甲醇
0.8～4
1.2
4.～110
葡萄糖
0.1～0.7
2.4
350～550
非特定COD
0.3～0.6
1.4～2
50～500
非特定BOD
0.3～0.6
0.8～1.2
25～250
*与生物的增长有关
细菌密度这个参数难于预测，因为它不是个常数，随着生物膜生长期的不同以一种未知的方式变化：
低基质浓度上生长的细菌密度大。
相反，对于易降解、溶解性有机物，细菌密度小。
【例5.3】
在理想混合的滴滤池中，比表面积为100m2/m3，求单位毫米厚度的生物膜COD去除量，动力学常数与活性污泥法（表3.7）相同：
max=6d-1
KS,COD=20gCOD（B）/m3
YH=0.67gCOD（B）/gCOD（S）
膜上细菌浓度为40kgVSS/m3，等于40×1.4=50kgCOD（B）/m3
生物膜细菌容积浓度为：
X=100m2/m3×1×10-3m×40kgVSS/m3=4kgVSS/m3=5.6kgCOD（B）/m3
看来滴滤池内有效生物量不比活性污泥厂的多，非常大的比表面积如流化滤池得到的单位生物量大。
当滤池内COD浓度为50g/m3时，单位表面积的去除率多大?
这是一个零级反应，因为水中浓度大于2倍的KS。
=500kgCOD/（m3生物膜∙d）
有机物扩散系数取0.4×10-4m2/d。
对于高负荷滴滤池的容积负荷为45×100m2/m3=4500gCOD/（m3d）。
（假定氧充足，见例5.5）
5.3水力膜扩散
除了生物膜自身的扩散限制外，实际上基质从液相至生物膜表面的扩散也受到限制。
这种传输可简单地采用传递差值与浓度的比值来表示。
N=h（S-Sg）（5.26）
式中h——传递系数（m/d）
这种现象类似于动量、热和质的传输。
关于管道、飞机表面等的资料很多，但很难将这些理论用于生物膜，因为生物膜的表面结构在流体力学中没有叙述清楚，实践中也很少有可用的数据。
鉴于水力膜和生物膜中存在扩散限制，生物膜中零级反应的结果为：
（5.27）
因为通过水力膜和生物膜之间界面的通量是相同的。
图5.5的曲线表示从液相（主体）浓度S变化到生物膜中的Sf=0的变化曲线。
通过积分生物膜扩散微分方程，得：
式中：
边界条件：
图5.5生物膜部分穿透时水力膜和生物膜中的浓度分布
h为水力膜扩散的传递系数，上式的解为：
（5.28）
式中——一无量纲数，表示水力膜扩散与生物膜扩散这间的比值，满足：
0rAhS
∞rAk1/2AS1/2
结果示于图5.6，因此在符合一级反应的单纯水力膜扩散与生物膜的半级反应之间存在一种过渡性转换。
对生物膜中的一级反应，可得通量
N=h（S-Sg）=rA=k1ASg
（5.29）
但任何情况下反应级别为一级反应，仅受扩散限制的影响，在这种情形下很难将这两种扩散限制区分开。
水力膜扩散|半级反应
图5.6水力主导膜扩散与半级异质生物膜主导反应间的过渡
【例5.4】
通过对试验的解释有必要考虑对水力膜扩散与生物膜扩散限制都有影响的可能。
图5.7列出了表示单位表面积硝酸盐去除率的测点，该去除是由一较厚生物膜内的脱氮细菌完成的。
显然可得如下关系式：
rA=0.09S0.64
因此不同于所希望的半级反应
通过替换：
h=0.15m/h
k1/2A=0.13g1/2m-1/2h-1
得到图5.7中的实线。
S约为50gNO3-–N/m3，反应为半级反应。
因此该指数（n=0.64）可说明反应界于半级反应（n=0.5）与一级反应（n=1.00）之间。
但这些数据并不能充分清楚地显示出一级反应，因此有时常对实际上的曲线图进行线性回归。
图5.7生物转盘中硝酸盐比表面反应速率与水相中硝酸盐浓度的关系
5.4双组分扩散
生物去除几乎总是氧化还原过程，需要两种基质：
氧化剂和还原剂，一般为氧和有机物。
生物膜反应动力学的一项最重要的研究成果是决定哪种基质对去除起限制作用，这是由这两种基质的扩散速率和去除率调节的。
氧化剂：
（5.30）
式中，符号：
“ox”表示氧化剂，x1代表生物膜中临界点，超过该点将由于两种基质中一种的耗尽而使反应停止。
见图5.8。
通过类比，可得：
还原剂：
（5.31）
如果假定有足够的还原剂（图5.8右），当x=x1氧化剂将时用光。
与前面的限制性基质的方程式相同。
对还原剂我们可得生物膜单位表面积去除率：
图5.8两种组分（氧化剂和还原剂）部分渗透和速率限制示意图
还原剂的去除受氧化剂的限制，虽然还原剂存在于整个生物膜中，但当x>x1时由于没有氧化剂，无法去除还原剂（图5.8左图）。
渗入生物膜距离最短的基质即为限制去除作用的决定因素。
oxred，则氧化剂成为制约因素
redox，则还原剂成为制约因素
综上所述，可得以下判断式：
（5.32）
式中υox,red——化学计量系数。
如果该不等式的符号为“”，那麽还原剂可能成为去除作用的限制因素，反之若为“”，则氧化剂由于其渗透距离最短而成为主要制约因素。
【例5.5】
某生物滤池处理污水，假定污水中有机物为溶解性的，即可在生物膜内扩散，进水浓度为150gCOD/m3，动力学常数可估值（根据表5.2）为：
DO2=1.710-4m2/d
DCOD=0.410-4m2/d
02，COD=1.7gCOD/gO2
对去除作用采用下式判断控制因素：
如果氧浓度小于0.14SCOD，它将成为去除作用的制约因素，进水中氧浓度小于0.14gO2/gCOD150gCOD/m3=21gO2/m3，而这远大于空气中饱和溶解氧浓度：
10gO2/m3（15C）。
如果假定滤池中出水口之前的溶解氧浓度为2gO2/m3，则COD要成为制约的因素，其浓度应小于SO2/0.14=2/0.14=2/0.14gCOD/m3。
结论是：
滤池中采用氧气作为唯一的氧化剂处理溶解性有机物，那麽氧将成为滤池主要部分中去除作用的制约因素。
5.5滤池动力学
对一个给定滤料的滤池，滤池工艺的研究可以分为两个阶段（见图5.9）：
Ⅰ确定氧或有机物是否为控制去除速率和动力学的可能的限制因子
Ⅱ确定整个生物膜是否具有活性（即在整个生物膜是否找到可能的限制因子，或者是否仅生物膜的外部去除有机物），这对反应的级数很重要。
计算流程见图5.9。
图5.10为一个在没有水力膜扩散下发生的非均质工艺过程的完全混和反应器。
三级反应分别为：
零级：
（5.33）
图5.9生物膜动力学说明，用于确定与废水相关的动力学参数的计算程序
半级：
（5.34）
一级：
（5.35）
注意反应器的体积和停留时间完全不包括在公式中。
这些公式可以用于整个被看作一个完全混合反应器的滤池工艺的模拟。
例5.4中给出的参数是通过完全混合的转盘的脱氮测量而获得的。
图5.10发生非均质工艺过程的完全混合器
通过淹没式滤池（即完全淹没在水中的滤池）的流动可以合理地近似认为是推流式的。
在静态的条件下，对于一个无穷小的单元可以建立以下的平衡：
输入-去除=输出
（5.36）
式中Q——滤池的流量
S——浓度
A——滤池的横截面面积
rV,S——为滤池的体积去除率
（5.37）
或无量纲
（5.38）
式中——水力停留时间（相对于一个空滤池）。
在此当为单位滤池体积滤料表面积时，rV,S=rA,S。
在生物膜扩散中可以观察到rA,S的三个情况。
图5.11发生非均质工艺过程的淹没式滤池的物料衡算和发生0级反应时滤池内的浓度分布
零级反应：
（5.39）
（5.40）
（5.41）
式中E——处理效率，见图5.11，当然公式仅适用于
的情况。
半级反应：
rV=rA=k1/2S1/2=k1/2VS1/2s1/2（5.42）
（5.43）
（5.44）
（5.45）
一级反应：
（5.46）
（5.47）
对于各自反应速率的不同值和进水浓度，每一个表示处理效率和停留时间关系的公式都可以独立使用。
然而因为所有这些情况都可以在同一滤池中不同的液面上的发生，所以一个特殊的情况是具有生物膜扩散的生物滤池。
在进水中，浓度对滤料而言足够大可以扩散到生物膜底部（零级反应）。
经过了一定降解，浓度降低，意味着生物膜开始部分有效——半级反应。
此后滤池中生物膜外部的浓度会从相对应于半级反应的值降到相对于一级反应的值。
整个生物膜反应为一个降低速率的一级反应，见5.1节。
零级反应到半级反应之间的转过渡可直接确定。
根据前一节，过渡的标准为：
从半级反应到一级反应之间的过渡也可相应确定
【例5.6】
一个高4m填充有比表面积为100m2/m3的塑料滤料的淹没式滤池，理论滤速为1m/h。
废水的浓度为500gCOD/m3。
使用与例5.3和5.5相同的工艺参数。
不断往滤池输送空气，产生有效的曝气，以致整个高度上的水中氧浓度为2gO2/m3。
根据例5.5，当SCOD降到14gCOD/m3时，在滤池中从顶部到SO2/SCOD=0.14gO2/gCOD的位置氧为限制因素。
在滤池的上部，去除率为氧浓度的半级反应，而氧的浓度假定为恒定的，所以在滤池中自身发生零级反应。
（5.48）
这对应于高速滤池。
（因此由于氧为去除的限制因子，所以例5.3中的结果不切合实际）。
滤池的负荷为1m/h（等于24m/d）和500gCOD/m3或500×24=12000gCOD/（m2∙d）。
滤池在4m之内去除了2400gCOD/（m2∙d），即9600gCOD/（m2∙d）。
剩余量：
2400gCOD/（m2∙d），对应的出水浓度2400/24=100gCOD/m3，因此COD不会成为去除的限制因子（100gCOD/m3>14gCOD/m3）。
5.6生物滤池的物料平衡
由于生物膜和足够大固体（载体）比表面积的存在，生物滤池中的污泥浓度很大，没有必要进行污泥回流。
由于不需要污泥回流，在某些情况下，我们可以省去二成沉池，见第6章硝化。
然而，通常生物滤池出水中污泥需要进行沉淀。
污泥主要自来于生物膜的脱落和进水中悬浮固体。
5.6.1无回流生物滤池
生滤池自身的物料平衡表示如下：
Q1C1-rV,SV2=Q3C3（5.49）
去除也可以通过污泥浓度X2表示为：
rV,SV2=rX,SV2X2（5.50）
若X2仅包括通常未知的活性生物量，它通常适用于与载体的表面积或体积相关的去除。
如果去除用单位载体的面积表示，公式（5.5）将表示如下：
Q1C1-rA,SA2*=Q3C3（5.51）
图5.12无回流的生物滤池
式中rA,S——单位载体面积的去除率（例如单位为kgCOD/（m2∙d））
A2*——滤料的总面积（例如m2）
5.6.2带回流生物滤池
大多数生物滤池都在滤池上直接进行回流（图5.13），回流比R定义为
R=Q6/Q1（5.52）
回流的目的是确保滤池合适的进水量。
这对大多数类型的生物滤池构筑物很重要。
同时，回流降低了滤池的进水浓度从而影响工艺过程，既影响反应的级数又涉及到氧是否为限制因子。
基质去除的公式与无回流生物滤池相同，但是反应条件受回流的影响。
图5.13回流生物滤池
5.7概念和定义
生物滤池的概念和定义在很大程度上与活性污泥中使用的一致。
处理效率定义为（见图5.13）
E=（C1-C4）/C1（5.53）
与活性污泥法相似，处理效率包括二级沉淀池的作用。
回流比定义为公式（5.52）。
体积负荷率定义为
BV=Q1C1/V2（5.54）
Q1C1，单位时间单位体积增加的物质重量是在回流之前的某一位置计算出。
体积负荷率不能因构筑物的内部的回流而提高。
生物膜表面积有两种含义，滤池的横截面面积和载体的表面积。
后者通常由公式（5.55）计算出
A2*=V2（5.55）
式中——载体的比表面积（例如m2/m3）。
横截面面积A2用于水力表面负荷率的计算。
有机物表面负荷率表示为滤池载体的表面负荷。
BA,C=Q1C1/A2*（5.56）
水力表面负荷率（或滤速）由图5.13的定义为：
BA,V=Q1,2/A2=（Q1+Q6）/A2*（5.57）
该参数表示通过生物膜的流量。
且表示水力损失，该水力损失对控制生物膜厚度非常重要。
（在德国的文献中，Q1为分布在24小时的流量，例如大型构筑物分布在18小时以上的每天的流量，见图1.6）
污泥产量，FSP为单位时间从构筑物流出的污泥质量。
根据图5.13，它表示为
FSP=Q5X5+Q4X4（5.58）
有关污泥产量更深入的资料见第4章4.2节。
此章的论述也适用于生物滤池构筑物。
因此污泥产量由公式（4.13）计算出。
注意：
生物滤池中的污泥产量与活性污泥构筑物的产量有所区别。
剩余污泥量是构筑物中需进一步处理的一部分污泥量，即Q5、X5，见图5.13。
5.8生物膜法的类型
生物滤池必须能够很好地承担处理废水、去除有机物的四种功能。
滤池设计应该满足以下四种功能：
—工艺所需要的细菌能够附着在载体上。
—废水有效地与附着在载体上的污泥相接触。
—控制生物膜的增长，使得不会发生阻塞。
—提供有机物降解所需要的氧。
细菌有一种很强的附着在固体表面的能力，无论是石料、木材还是塑料。
在
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