第六章 GPUC载体新型生物流化床处理模拟有机废水的基本特性Word文档下载推荐.docx

1、第四次控制 HRT 为 2h ,进水 COD600mg/L左右,历时 10d 。不同的 停留时间下,进、出水 COD 历时变化如图 6-2所示。从图中可以看出,在水力停留时 间为 2h 时进水 COD 为 500mg/L, COD 去除率接近 91%, HRT 越大, COD 去除率越高, HRT 为 6h 时, COD 去除率为 95%左右;当进水 COD 达到 2500 mg/L左右, HRT 为 8h 时,出水 COD 保持在 80mg/L以下,说明新型内循环生物流化床具有良好的传质效果, 有利于高浓度有机废水的处理。2468time /dH R T /hC O D i n /m g L

2、 -1N V /k g C O D m -3d -1304050607080C O D o u t /m g L -1E C O D /%图 6-2 水力停留时间的影响Fig.6-2 Effect of hydraulic resident time图 6-3为不同停留时间下, 反应器内 GPUC 载体上附着生长的生物量及其占生物总 量的比例。由图中可以看出,当 HRT 为 8h 时,随着实验的进行,反应器内悬浮污泥大 量增长,附着微生物量增长不多,与启动初期时比较变化非常小,实验进行到第 10d , 附着污泥量在总污泥量中所占的比例只有 6%。 这表明, 当 HRT 较长时, 微生物流失量

3、小,悬浮微生物的增长速率大于其流失率,从而可以不断增殖而在反应器内逐渐积累起 来; 分析原因, 认为悬浮的微生物与附着的微生物相比, 在生长的竞争过程中更为有利, 这是由于附着的微生物易于受到生物膜内传质阻力和底物扩散限制的影响。 当微生物在 载体外部和内部附着以后,底物必须首先穿过表层生物膜才能为载体内的微生物所利 用,故存在底物扩散限制的问题;而当微生物以悬浮状絮体存在时,由于絮体相对于生 物膜来说极小,且呈分散状存在,每个微生物均可自由地与底物接触,极易摄取底物, 因此悬浮生物的生长速率大于附着生物,使悬浮生物量比附着生物量多,其摄取的底物 量也比附着生物更多,如此造成一种对附着微生物生

4、长不利的循环。随着停留时间的减短,附着微生物量在总生物量中所占的比例上升,当 HRT 为 2h 时,悬浮微生物量接近于 0g/L,附着微生物量达到 6g/L, 这是因为停留时间缩短,虽然华南理工大学博士学位论文会增大水力剪切力,但是其对附着微生物的促进作用要强于水力剪切力带来的负面效 应。 内循环生物流化床良好运行的基本条件是培养出良好的固定化微生物并减少悬浮生 物量,从而发挥高生物浓度的优势。为了使生物膜生长良好,必须采取较短的 HRT ,使 得悬浮生物的稀释率大于其增长率,即使得 HRT 小于悬浮微生物增长率的倒数,此时 悬浮生物可被冲出反应器外。由于固定化微生物在载体内部附着生长,当 H

5、RT 减小时, 只要载体不被冲出反应器外,固定化微生物就不会随出水流失,即附着生物的稀释率不 随 HRT 的减小而增大,从而即使当 HRT 很小时,其稀释率仍小于增长率,附着微生物 仍可在反应器内繁殖,因此,为了让固定化微生物生长良好,启动阶段必须采取较短的 停留时间,以利于附着生物的增长 。02468时 间（d 浓 度 （g /L 比 例 （%图 6-3. HRT对微生物固定化的影响Fig6-3. The effect of HRT on the immobilization of microorganisms6.3.2有机容积负荷（NV 的影响在三个不同的有机容积负荷下进行实验,控制进水

6、COD Cr 在 800-1000mg/L之间变 化,第一次挂膜控制 HRT 为 6h , Nv 约为 2.33 kg/（m 3d ,历时 9d ;第二次挂膜控制 HRT 为 2h , Nv 约为 6.94 kg/（m 3d ,历时 10d ;第三次挂膜控制 HRT 为 1 h , Nv 约 为 13.86 kg/（m 3d ,历时 10d 。结果见图 6-4。废水处理过程中有机容积负荷是一个 关键的控制参数。在不同的容积负荷下,反应器会呈现不同的处理效果。当有机 容积负荷变化时,微生物总量也会发生相应的变化,朝着使 F /M 值（食物-生物 量之比维持稳定的方向发展,同时,有机容积负荷在一定

7、范围内的变化也会导致微生物活性的变化,而微生物活性的变化将力图削弱有机容积负荷变化所带来 的影响。也就是说,有机容积负荷的增加改变了反应器内原有的稳定状态,不仅 影响了微生物的活性,也刺激了微生物的生长繁殖,在溶解氧浓度能够满足微生 物生长需要的情况下,微生物的去除作用与有机容积负荷会达到新的稳定状态。由图 6-4可以看出,在反应器运行初期由于 GPUC 载体的吸附作用,第一天反应器 出水 COD 低于 100mg/L,去除率达到 80%以上,经过第一阶段的 10天后,载体表面 形成了生物膜,出水 COD 持续下降。当负荷达到 6.94 kg/（m 3d 时,由于有机负 荷的提高对微生物的活性

8、产生明显的抑制作用,使其活性下降,影响了去除效果; 继续提高负荷达到 12.86 kg/（m 3d , COD 去除率曲线下降比较快, 出水 COD 大于 500 mg/L,去除率仅为 35%左右。这是由于 Nv 较小时,悬浮污泥大量增长,反应器内总污 泥量增大,从而 F/M 较小,所以去除率较高,而随着 Nv 的增大,去除率有所下降, 虽然总污泥量增加较快, 但是 F/M 增大, 所以 COD Cr 去除率下降, 当 Nv 达到 12.86 kg/（m 3d 时,去除率持续下降,这主要是固定化微生物量减少所致。时 间（h 浓 度 （m g /L 去 除 率 （图 6-4 有机容积负荷对反应器

9、出水 COD 的影响 Fig.6-4 Effect of volumetric organic loading图 6-5为不同有机负荷下, 反应器内 GPUC 载体上附着生长的生物量及其占生物总 量的比例。由图中可看出,在 Nv 为 2.33kg/（m 3d 时,附着污泥量在 0.1-0.25mg/L之间变化, 9d 内附着污泥量增加得很少,随着实验的进行,悬浮污泥量极快地增长, 附 着污泥量在总污泥量中所占比例逐渐减小,到第 9d 时,仅占 11%左右。随着 Nv 增长到 7.54 kg/（m 3d ,此时 HRT 为 3h ,停留时间大大缩短,一定量的悬浮污泥冲出, 附着污泥量在总污泥量中

10、所占的比例上升,同时由于 Nv 上升,加之悬浮污泥量减少, 对附着污泥的营养竞争减少,从而附着污泥快速上升,经过 9 d的实验后,附着污泥量 达到了 2.4 g/L左右, 附着污泥量在总污泥量中所占比例达到 84% 左右。 当 Nv 增长到 15.86 kg/（m 3d 时,此时 HRT 为 1.5 h,大量的悬浮污泥被冲出,这时附着污泥浓度 上升得更快,但是随着实验的进行,发现载体内的微生物种类发生了变化,丝状菌大量 繁殖（见图 3-11 ,开始在载体内占优势,这时非丝状菌类微生物量开始减少,由于丝 状菌交叉形成了网状结构,彼此之间空隙较大,从而固定化微生物量减小,随着丝状菌 在中间所占比重

11、的加大,固定化微生物量进一步减少。这主要是由于废水的主要成分是 葡萄糖,所以当 Nv 增大到一定限度时,丝状菌极易过量生长。这表明, Nv 对于固定 化微生物量的增长具有很大的作用, 在一定范围内, 增大 Nv 可以加速固定化微生物量 的增长。 但是如果在固定化微生物培养驯化阶段, 使用的为葡萄糖废水这种类型的废水, 可能过高的 Nv 会造成菌落形态的变化,同时,在 Nv 增大的过程中,所需的曝气量 上升, 曝气量上升会使得所需的能耗增大, 反应器内平均液流速度上升, 水流紊动加剧, 这也是造成固定化微生物量减少的原因之一。01234567时 间（d 污 泥 浓 度 （m g /L 百 分 比

12、 （图 6-5 有机负荷对微生物固定化的影响 Fig.6-5 the effect of organic loads on the immobilisation6.3.3气流量的影响对于流化床生物反应器,气流量的大小是影响处理效果的重要因素,不仅要 保证生物膜载体的完全循环流态化,还要满足微生物好氧过程所需。根据操作气 速对反应器液相循环时间、混合时间以及传氧系数的影响规律可知,增大气速有 利加速液相的循环流动、混和以及氧在气液两相之间的传递,对微生物利用液相 中的氧分子是有利的。 实验在反应器内形成稳定生物膜, COD 去除率基本稳定后, 保持 HRT （2 h和进水 COD 浓度（600m

13、g L 基本不变的情况下,研究气流量 变化对废水处理效果的影响,结果如图 6-6所示。从图中可以看出,随着气流量从 0.1 m3/h增大到 0.3 m3/h,反应器 COD 去除率明显上升,由于气量增大使得载体完全流化,与微生物、底物充分接触,加快了传质过程。第四章的研究结果也充分证明了 增大气速有利加速液相的循环流动、混和以及氧在气液两相之间的传递,对微生物利用液相中的氧分子 是有利的。 实验中进一步增大气量到 0.6 mg L , COD 去除率开始下降,操作气速的提 高会增大水力剪切力,使得生物膜无法形成,造成废水处理效果降低。0.00.20.40.60.8time /dV G /m 3

14、h -1500550600650700C O D i n /m g L -150100150200250300350C O D o u t /m g L -1405060708090E C O D /%图 6-6气流量变化的影响 Fig.6-6 Effect of air suction flowrate实验中测定了不同气流量对应水中溶解氧的变化,结果如图 6-7所示。当气流量为 0.1 m3/h时, 溶解氧在 0.3mg/L1.0mg/L范围内, 结合图 4-5溶解氧对 COD 去除率的 影响可以发现,由于水中溶解氧太低,好氧微生物活性大大降低, COD 去除率在 55%左右;当气流量为 0

15、.3 m3/h时,溶解氧为 1.8mg/L4.0 mg/L,此时生物膜生长情况良 好, COD 去除率达到最高水平;继续增大气流量至 0.6 m3/h时,溶解氧为 5mg/L6.5mg/L,巨大的流体剪切力使载体表面生物膜脱落,造成出水处理效果不好。C O D 去 除 率 （%DO （mg/L图 6-7 DO对 COD 去除率的影响 Fig.6-7 The effect of DO on the removal of COD6.3.4 载体填充率的影响在生物流化床反应器中,载体的加入使得微生物生存环境转变为气、液、固三相, 这种转变影响着微生物的生长、繁殖、脱落和种群分布。从量的角度盾看,系统

16、内的微 生物量和种类与载体的量有很大关系;从质的角度看,系统内载体的加入为世代时间较 长的硝化菌和亚硝化菌繁衍、增殖提供了有利条件,从而增加系统的脱氮能力。许多文 献中流化床反应器内填充率都达到了 25%-40%左右 76。分别在载体填充率为 5%、 10%、 15%、 30%下测定生物膜生长情况及废水处理效果, 实验中 HRT 为 2h ,接种污泥浓度为 2.0g/L, NV 约为 7.0 kgBOD/（m3d ,结果分别见图 6-8和图 6-9。 由图 6-8可以看出, 随着载体填充率从 5%增加至 15%, COD 去除率由 64%提高到 85%,当载体填充率为 15%时, COD 去除

17、率达到最大。当继续提高载体填充率 达到 30%时, COD 去除率开始下降,反应器出水 SS 增加。其原因可分析是:在一定范 围内增大载体投加量,增加了载体的表面积,微生物的附着点同时增加了,使反应器内 附着生物量大大提高,但由于 GPUC 载体是一种亲水性的多孔聚合物,其吸水率达到 300%,投入反应器后发生体积膨胀,当载体投加量达到 40%时,反应器发生堵塞,氧 气利用率下降,造成部分载体表面附着的生物膜形成缺氧状态,微生物死亡,从而影响 出水水质。C O D 去 除 率 （% 时间（d 图 6-8. 填充率对 COD Cr 去除率的影响Fig.6-8 The change of CODC

18、r during the change of different volume rates 图 6-9反映了不同载体投加量对反应器内附着生物量的影响。 填充率为 15%时载体 表面附着生物量明显高于填充率为 10%、 5%的情况,当实验进行到了第 10d 时,生物 量达到 6.3g/L是填充率为 10%时生物量的 1.5倍,是填充率为 5%时生物量的 2倍。实 验结果表明,流化床在保持载体能够流化的前提下,高的填充率可以增大反应中固定化 微生物量。图 6-9. 填充率对固定化微生物量的影响 Fig.6-9 The different biomasses in different volume

19、rates6.4 GPUC载体表面生物膜及在形成过程利用一系列的扫描电镜图说明载体与微生物的相互作用及生物挂膜过程。图 a 为 GPUC 载体未挂膜时的情况,可以清楚地看到 GPUC 载体的孔径在 10-200范围内,呈 网状结构,为微生物的生长繁殖、基质及氧气的供给、细菌排泄物提供了足够的通道。 在生物膜生长阶段 （图 b 、 c ,主要是单个微生物附着在载体上,菌胶团附着量很少, 同时在载体内出现了丝状菌,这些丝状菌缠绵在载体内部,形成了三维立体结构,捕获 水中游离的微生物和菌胶团 （图 d 。图 e 、 f是生物膜生长成熟后的照片,可以看到在 载体孔隙中附着有大量杆菌、球菌并互相交联形成

20、片状的菌胶团。a GPUC载体孔结构b 少量的球菌吸附在载体上c 生物膜生长过程中微生物相互连结d 载体上附着的丝状菌e 生物膜成熟阶段附着大量球菌、杆菌 f 载体上菌胶团的形成图 6-10 GPUC载体表面生物膜形成过程Fig.6-10 The process of microorganism attached on the GPUC carrier6.5 GPUC载体新型生物流化床反应器废水处理的动力学分析6.5.1 GPUC 载体新型生物流化床反应器动力学描述的理论依据6.5.1.1动力学模型建立的假设废水生物降解过程涉及到非常复杂的生化反应, 为了简化理论推导过程, 在不影响 系统模拟

21、结果的前提下作如下假设 115-119:（1本论文对自行设计的生物流化床反应器流体力学特性的研究表明,本反应器具 有良好的混合特性。在建模过程中,可以将其视为完全混合型反应器来处理。整个反应 器中的微生物浓度和底物浓度不随反应器位置而变化,维持一个常量,即 :0=dl dX 及 0=dldS（6-1 （2 进水中不含有微生物及生物固体;（3改变操作条件后系统经过短期的适应即可达到稳态运行条件; （4 全部可生物降解的底物都处于溶解状态;（5 硝化反应对有机物降解动力学过程的影响可以忽略。 6.5.1.2 Monod方程式 62Monod 方程是在废水生物处理动力学分析中用的比较多的一个方程,它

22、描述 的是包括微生物生长曲线的对数期和静止期的关系,具体方程式见式 4-3:SK Ss +=m a （6-2式中:微生物比增长速度（时间 -1 ,即单位生物量的增长速度XdtdX /, X 为微 生物浓度;max 微生物最大比增长速度（时间-1;K s 饱和常数,即当 =max /2时的底物浓度,故又称半速度常数;6.5.1.3 微生物增长与底物降解的基本关系式 62在废水处理中,微生物增长和底物降解之间存在着一定量的关系。这个基本关系由霍克莱金（Heukelekian 等人提出了如下方程式（4-4 :X k dt dSY dt dX d u g -= （ （6-3 式中:gdt dX（微生物

23、净增长速度; udt dS （底物利用（或降解速度;Y 产率系数; kd-内源呼吸（或衰减系数; X 反应器中微生物浓度。6.5.2 GPUC载体新型生物流化床基质降解动力学推导对好氧生物流化床反应器进行基质的物料平衡,在稳态条件下可以得到:eS SA A QS V dt dS V dt dS QS =+ +0 （6-4 式中:Q 进水流量;VA-附着相生物膜体积; VS-悬浮相生物量体积; S0-进水基质浓度; Se-出水基质浓度;A dt dS -单位体积附着生物膜基质降解速率; S dt dS -单位体积悬浮生物量基质降解速率。由于生物流化床内基质降解以生物膜为主, 与 A A V dt

24、 dS 相比, S SV dt dS 可以忽略,于是式（5-1可变为:（A Ae V dt dS S S Q -=-0 （6-5 A OA A dt dS Y dt dX -= （6-6又 A A A X dt dX = （A OAAA e V Y X S S Q =-0 （6-7A X -单位体积附着相生物膜重量 （gVSS/L; A -生物膜比增长速率 （h -1 ;OA Y -生物膜的表观产率 （gVSS/gCODCr ;应用 Monod 经典方程得到 115:（OAA s e YV X S K S S S Q +=-max 0 （6-8 令max maxq Y OA= （6-9q V

25、X S S Q AA e =-0 （6-10将式 （6-9和式 （6-10代入式 （6-8中得到: Sq q s +=max（6-11 式中:q -基质的比消耗速率,即单位质量的微生物菌体单位时间内基质的消耗量 （mgCOD/mgVSS d q max -基质的最大比消耗速率（mgCOD/mgVSS d 式（5-8即为生物流化床有机污染物降解的理论动力学模式。此式在形式上与 Monod 经典方程式是一致的。其中动力学常数 q max 及 K s 需通过实验来测定。6.5.3 基质降解动力学参数的测定根据 5.2.2推导得到的基质降解动力学方程式 （6-11,需要实验测定 K s 及 q max

26、 值。 通过控制不同的进水流量 （1.1618.56 L/h , 得到反应器动态运行的参数如表 6-1所示。表 6-1好氧生物流化床降解动力学实验结果Table 6-1 Dynamic parameter of aerobic biodegradation process 编号 V（L Q（L/h XA（g/L S0（mg/L Se（mg/L 1 10.0 18.56 4.74 303.7 193.9 2 10.0 9.23 5.61 426.3 105.9 3 10.0 4.62 7.84 672.4 86.1 4 10.0 2.31 6.52 891.1 185.6 5 10.0 1.54 5.49 1027.6 264.1 610.01.164.371267.5246.5将式 （6-11取倒数,得到如下式子:maxmax 111q S q K q e s += （6-12 式中 AX q =故X q A =1 而 S S -=A S S X q -=01 （6-13 根据式 （6-12和式 （6-13可知,取不同的水力停留时间 值则可得到不同的 S e 值 （即出水底物的浓度值 。据此,可以获得一组S q 11数据,如表 6-2所示。第六章 GPUC 载体新型生物流化床处理模拟有机废水