活性污泥25-动力学与曝气.ppt
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1、水污染控制工程,唐玉朝 安徽建筑工业学院环境科学与工程系E-mail:Department of Environmental Science and Engineering,Anhui University of Architecture,第四节,曝气原理与设备,1,曝气原理,1.曝气原理,1.1 气体传递原理 Fick定律:vd=D,.(1)vd 表示物质的扩散速度,单位时间内单位断面面积上通过物质的质量,kg/m2h;D 表示物质扩散系数,某物质在介质中的扩散能力,m2/h;表示浓度梯度,kg/m3m.,Water Pollution Control Engineering,曝气原理,vd
2、=,.(2)单位时间内单位断面面积上通过物质的质量,M表示质量.dM/dt=D A.(3),Water Pollution Control Engineering,曝气原理,根据双膜理论,由于氧气的溶解度低,所以其阻力主要在于液膜,对于浓度梯度在液膜处为(CSC)/L,L表示液膜厚度,CSC表示颗粒内外的浓度差,CS液膜外溶解氧的饱和浓度,C表示膜内的实际浓度.dM/dt=D A(CSC)/L,.(4)同除以V:dC/dt=(CSC)DL A/V.(5),Water Pollution Control Engineering,曝气原理,由于A值无法测,将D LA/V以KLa代替,KLa相当于氧
3、气的总传质系数。=KLa(CSC).(6)dC/dt表示液相氧浓度变化速率,kg/m3h KLa氧总传递速率,单位1/h,表示氧的传递性能,KLa大,说明传递快,传递阻力小,KLa小反之。KLa倒数是时间h,表示氧浓度从C提高到CS需要的时间,需要时间长,说明阻力大,即KLa小,反之亦然。,Water Pollution Control Engineering,曝气原理,根据气体传递原理,曝气效率:(dC/dt=(CSC)D A/V L)增大比表面积(A/V),增加气液的接触面,曝气需要用小气泡,但不宜过小(从气浮原理);增加紊流程度,以减小液膜厚度L,剧烈紊流,过分剧烈曝气是否合适?增加气相
4、氧分压,可以提高水中氧饱和浓度CS,纯氧曝气,在较高的气压下,如深井曝气。,Water Pollution Control Engineering,曝气原理,1.2.氧扩散速率(曝气效率)的影响因素:与分子O2在水中的扩散系数D,气体液体界面面积A,液膜的氧饱和浓度差CSC成正比,与液膜厚度L 成反比;污水水质,关于系数和:=污水KLa/清水Kla,比1小,污水中氧传递性能比清水要差.=污水CS/清水CS,污水中氧饱和浓度与清水中的比值,小于1.,Water Pollution Control Engineering,曝气原理,温度:温度增加,扩散系数D 提高,液膜厚度L 减小,使氧传递速率K
5、La大,但由于氧饱和浓度CS减小,所以反而可能导致氧扩散速率降低了,温度对扩散速率的影响取决于对KLa和CS的影响哪个更显著.KLa(T)=KLa(20)1.024(T-20)30比20增加27,根据克劳修斯-克拉帕龙方程,从20增加到30,约CS降20,Water Pollution Control Engineering,曝气原理,氧分压,根据Henry定律,气体在液体中的溶解度与气体压力成正比,所以在池底的曝气出口处氧分压最大,氧饱和浓度CS也最大,随气泡上升,分压减小.曝气池DO浓度,越低效率越高,要远远低于饱和浓度Cs,常温下Cs在8-9左右.,Water Pollution Con
6、trol Engineering,曝气原理,1.3.氧转移率和供气量计算标准状态下,转移到无氧清水中总氧量:OsKLa(20)CS(20)V实际情况下转移量:O2KLa(20)1.024(T-20)(Cs(T)C)VF F是堵塞系数。将实际生化反应需氧量O2转换为标准Os:,Water Pollution Control Engineering,实际需要供氧量 S 考虑到氧利用效率EA:标准状态需要空气量 Gs:最终计算实际非标准状态的需要空气量。,曝气原理,Water Pollution Control Engineering,2,曝气设备,2.曝气设备,曝气装置 曝气装置作用:1供氧;2搅
7、拌与混合曝气装置类型:1鼓风曝气;2机械曝气,Water Pollution Control Engineering,曝气设备,2.1 鼓风曝气 组成:空气净化器、鼓风机、空气输配管、空气扩散装置,根据空气扩散装置分散空气大小分:小气泡:多孔性材料制的微孔扩散板,扩散管,扩散罩等,气泡直径1.5mm;中气泡:穿孔管;大气泡:竖管,气泡直径15mm左右;气泡微小则氧利用率高,但气压损失大,容易堵塞,空气需要过滤处理.反之气泡大,氧利用率低,不堵塞,空气可不净化。,Water Pollution Control Engineering,曝气设备,微孔曝气盘的清水曝气,Water Pollution
8、 Control Engineering,曝气设备,微孔曝气设备,Water Pollution Control Engineering,曝气设备,微气泡曝气:水力剪切,冲击和空气剪切 射流曝气,高速叶轮剪切压缩空气等。射流曝气:气泡直径可达到0.1mm,高速的水流使得气泡和水被粉碎成雾样,混合液可以充分接触,氧传递效率高,氧转移率可达20%,动力效率一般.如果用自吸空气,则无需鼓风机.曝气设备的空气扩散装置,一般在水下,也可以在水表面.,Water Pollution Control Engineering,曝气设备,曝气链在水中做蛇形摆动,无曝气死区属于浅层曝气,曝气头的维护简单,方便,不
9、需停产放空,不影响生产.,Water Pollution Control Engineering,曝气设备,2.2 机械曝气表面曝气,机械搅拌水被抛向空中,或者空气被搅拌进入水中。竖式:转动轴与水面垂直,通过叶轮旋转使水产生飞跃,水在空气中获得氧.卧式:转动轴与水面平行,液流单向,所以多用氧化沟.分转刷和转碟.,Water Pollution Control Engineering,曝气设备,曝气转盘,“转碟”,盘片上有许多突出的槽,提高曝气效率,推动水流.,Water Pollution Control Engineering,工作中的曝气转盘,曝气设备,Water Pollution Co
10、ntrol Engineering,曝气设备,TNO Cage转刷,几种水平转刷曝气机示意图,Mamnoth转刷,Water Pollution Control Engineering,曝气转刷,转刷转动,将空气带入水,同时推动水流,对微生物絮体有破坏作用.,Water Pollution Control Engineering,曝气设备,曝气设备,Water Pollution Control Engineering,曝气设备,工作中的曝气转刷,Water Pollution Control Engineering,立式低速表曝机,曝气设备,Water Pollution Control E
11、ngineering,微气泡空气扩散装置,曝气设备,Water Pollution Control Engineering,曝气设备,2.3 曝气装置的性能动力效率:kgO2/kWh,每消耗1 kWh电能转移到水中的氧量,根本的指标;氧转移率:单位时间内转移到水中的氧量,mgO2/Lh;氧利用率:鼓风曝气进入水中的氧量与供氧量的比,%。,Water Pollution Control Engineering,第三节,活性污泥数学模型基础,活性污泥数学模型基础,1.生化反应动力学 2劳麦模型3.数学模型的发展,Water Pollution Control Engineering,水污染控制工程
12、,1.生化反应动力学,(1)米氏方程:(酶反应速率方程)V=VmaxS/(Km+S)V:酶反应速度,t1Vmax:最大反应速度,t1Km:饱和常数(米氏常数,半速度常数),当反应速率是最大速率1/2时的底物浓度,mg/L,质量/容积。S:底物浓度,mg/L,质量/容积。米氏方程在低浓度和高浓度时的结论。Pseudo-一级动力学。,Water Pollution Control Engineering,1.生化反应动力学,关于米氏常数Km的意义。A.是酶的特性常数,与酶的性质有关、与底物浓度无关;B.受pH及温度等影响,对不同的底物有不同常数;Km最小的底物是最适底物或天然底物;C.Km反映了酶
13、对底物的亲和性能,Km越小亲和力越强。米氏常数的求解。作图可求。,Water Pollution Control Engineering,1.生化反应动力学,(2)Monod方程:(微生物的比增殖速度方程)=maxS/(Ks+S):微生物的比增殖速度max:微生物的最大比增殖速度S:限制微生物增长的底物浓度(BOD)Ks:饱和常数,半速度常数Monod方程的推论,当Ks 底物S则0级反应;反之1级反应。,Water Pollution Control Engineering,1.生化反应动力学,(3)劳-麦方程,有机底物比降解速度方程:由于微生物的增殖是底物降解的结果,所以无论产率系数多少,M
14、onod方程实际上可反映底物降解。以Y表示产率系数、X微生物浓度、S底物浓度。Y产率系数,即微生物增殖/底物消耗:;微生物增殖速率:;比增殖速率:;底物降解速率:。底物比降解速率:;,Water Pollution Control Engineering,1.生化反应动力学,产率系数(表观):微生物的比增殖速度,r底物比降解速度。再根据=Yr,max=Yrmax(严格地说,Y应该是Yobs),根据Monod方程,有 r:有机底物比降解速度,劳-麦方程。,Water Pollution Control Engineering,1.生化反应动力学,Water Pollution Control E
15、ngineering,底物降解速度:,1.生化反应动力学,(4):产率系数(微生物生长与有机物降解)微生物物料的平衡:微生物净增殖速率=微生物合成速率-微生物内源代谢速率微生物内源代谢速率与微生物现存量成正比:微生物的合成速率/底物降解速率即产率系数:,Water Pollution Control Engineering,1.生化反应动力学,推导出:两边除以X:即底物比降解速率 r:rYKd(注意区别此式与前面不同)扣除内源代谢,微生物的净增殖速率是:,Water Pollution Control Engineering,1.生化反应动力学,区别(11-36)与(11-33),(11-36
16、)两边同除以X:Yobsr,Y=Yobs(1+)Yobs(1+Kdc)这些是产率系数与表观产率系数之间的关系。,Water Pollution Control Engineering,2.劳麦模型,2劳麦模型:(1)污泥龄:污泥龄的含义:稳态下物料平衡:流入-排出+合成 内源代谢稳态下曝气池内污泥浓度是稳定的。,Water Pollution Control Engineering,2.劳麦模型,流入的污水中含有的微生物浓度X0忽略不计,有:两边除以XV得到:根据污泥龄的含义:对比(11-34)可知:,Water Pollution Control Engineering,2.劳麦模型,结论1
17、:(1)污泥龄是比增殖速率的倒数,增殖越快,泥龄越短。(2)保持高的泥龄只能降低比增殖速率,增加内源代谢,污泥处于内源代谢期。(3)污泥龄是容易控制的,所以比增殖速率可以控制。,Water Pollution Control Engineering,2.劳麦模型,(2)出水浓度:将劳-麦方程:,带入到对于完全混合反应器,S=Se,即 解出Se:,Water Pollution Control Engineering,从图可见,c值提高,处理水Se值下降,而有机物去除率E值提高;当c值低于某一最小值(c)min时,Se值将急剧升高,E值则急剧下降。,Se,(c)min,E,0,E-c,Se-c,
18、实际活性污泥法处理系统工程中所采用的c值,应大于(c)min值,实际取值为:c=220(c)min,Se-c与E-c关系图,2.劳麦模型,Water Pollution Control Engineering,2.劳麦模型,结论2:(1)活性污泥工艺出水浓度(溶解性有机底物)与进水浓度无关,与水力停留时间无关。(2)出水浓度取决于动力学的参数(包括产率系数、半速度常数、内源代谢系数和rm等)和污泥龄。(3)计算的Se一般较小,实际工程中出水BOD5主要受到SS影响,故提高出水水质一般从削减SS入手。,Water Pollution Control Engineering,2.劳麦模型,(3)污
19、泥浓度:根据以(S0-Se)/t=dS/dt代入,并除以VX得到:式左为污泥龄倒数:污泥浓度:,Water Pollution Control Engineering,2.劳麦模型,结论3:(1)仅从动力学分析,曝气池内污泥浓度与进水底物浓度、出水底物浓度、产率系数、水力停留时间t、内源代谢系数和污泥龄等多种因素有关。(2)工程中曝气池污泥浓度(X)取决于回流污泥浓度Xr和回流比r,而Xr和回流比r都取决于污泥容积指数SVI和沉降比SV。改善污泥沉降性能是提高曝气池污泥浓度的途径。,Water Pollution Control Engineering,2.劳麦模型,(4)劳-麦模型中参数的测
20、定:反应器中很容易测定的参数:污泥浓度X(一般以MLVSS),水力停留时间t,进水、出水浓度S0和Se,反应器容积V,污泥龄c。不易直接测的参数:内源代谢系数Kd,半速度常数Ks,底物最大比降解速率rm,产率系数Y。,Water Pollution Control Engineering,2.劳麦模型,求rm和Ks:取倒数:在不同的实验条件下,以 为纵坐标,为 横坐标作图。截距为,斜率为,即求出rm和Ks。,Water Pollution Control Engineering,2.劳麦模型,求产率系数Y和内源代谢系数Kd,Y=Yobs(1+Kdc)因为:,所以,取倒数:作图,可知Y和Kd。,
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