活性污泥动力学与曝气

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:[e-mail]talScienceandEngineering,AnhuiUniversityofArchitecture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/m2·h；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/m3·m.WaterPollutionControlEngineeringddCddC曝气原理vd=,……..（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）WaterPollutionControlEngineeringAdM/dtddC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－(CS－C)/δL，δL表示液膜厚度，CS－C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·(CS－C)/δL,……..（4）同除以V：dC/dt=(CS－C)·D·δL·A/V……..（5）WaterPollutionControlEngineering曝气原理由于A值无法测，将D·δL·A/V以KLa代替，KLa相当于氧气的总传质系数。=KLa(CS－C)……..（6）dC/dt表示液相氧浓度变化速率，kg/m3·hKLa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。WaterPollutionControlEngineeringdtdC曝气原理根据气体传递原理,曝气效率：(dC/dt=(CS－C)·D·A/V·δL)①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)；②增加紊流程度,以减小液膜厚度δL,剧烈紊流,过分剧烈曝气是否合适?③增加气相氧分压,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。WaterPollutionControlEngineering曝气原理1.2.氧扩散速率(曝气效率)的影响因素：①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CS－C成正比,与液膜厚度δL成反比;②污水水质,关于系数α和β：α=污水KLa/清水Kla,比1小,污水中氧传递性能比清水要差.β=污水CS/清水CS,污水中氧饱和浓度与清水中的比值，小于1.WaterPollutionControlEngineering曝气原理③温度：温度增加,扩散系数D提高,液膜厚度δL减小，使氧传递速率KLa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％,1.02-1.06根据克劳修斯-克拉帕龙方程，从20增加到30，约CS降20％WaterPollutionControlEngineering曝气原理④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.⑤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.WaterPollutionControlEngineering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：Os＝KLa(20)·CS(20)·V实际情况下转移量：O2＝αKLa(20)·1.024(T-20)·(β·ρ·Cs(T)－C)·V·FF是堵塞系数。将实际生化反应需氧量O2转换为标准Os：WaterPollutionControlEngineering)(1.024(20)COO)(20)-(TS2sCCFTS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WaterPollutionControlEngineeringASEOS3.58S0.28SGS2曝气设备2.曝气设备曝气装置曝气装置作用：1供氧；2搅拌与混合曝气装置类型：1鼓风曝气；2机械曝气WaterPollutionControlEngineering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：①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;②中气泡:穿孔管;③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。WaterPollutionControlEngineering曝气设备微孔曝气盘的清水曝气WaterPollutionControlEngineering曝气设备微孔曝气设备WaterPollutionControlEngineering曝气设备④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.WaterPollutionControlEngineering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，不需停产放空,不影响生产.WaterPollutionControlEngineering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.WaterPollutionControlEngineering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.WaterPollutionControlEngineering工作中的曝气转盘曝气设备WaterPollutionControlEngineering曝气设备TNOCage转刷几种水平转刷曝气机示意图1Mamnoth转刷Kessener转刷长度不定1WaterPollutionControlEngineering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.WaterPollutionControlEngineering曝气设备曝气设备WaterPollutionControlEngineering曝气设备工作中的曝气转刷WaterPollutionControlEngineering立式低速表曝机曝气设备WaterPollutionControlEngineering扩散管扩散板微孔合成橡胶膜片垫圈安装接头不锈钢丝箍底座微孔合成橡胶膜片通气孔微气泡空气扩散装置曝气设备WaterPollutionControlEngineering曝气设备2.3曝气装置的性能动力效率：kgO2/kW·h，每消耗1kW·h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/L·h；氧利用率：鼓风曝气进入水中的氧量与供氧量的比，%。WaterPollutionControlEngineering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WaterPollutionControlEngineering水污染控制工程1.生化反应动力学(1)．米氏方程：(酶反应速率方程)①V=Vmax·S/(Km+S)V：酶反应速度，t–1Vmax：最大反应速度，t–1Km：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。WaterPollutionControlEngineering1.生化反应动力学②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反映了酶对底物的亲和性能，Km越小亲和力越强。③米氏常数的求解。作图可求。WaterPollutionControlEngineeringmmmV1S1VKV11.生化反应动力学(2)．Monod方程：(微生物的比增殖速度方程)μ=μmax·S/(Ks+S)μ：微生物的比增殖速度μmax：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。WaterPollutionControlEngineering1.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，Monod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：；WaterPollutionControlEngineeringdSdXYdtdXVxXXVdtdSVsXrSV1.生化反应动力学产率系数(表观)μ：微生物的比增殖速度，r底物比降解速度。再根据μ=Y·r，μmax=Y·rmax（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。WaterPollutionControlEngineeringrXXdtdSdtdXdSdXYSXSXVVVVmaxmaxmaxmaxYrrrSKSrrsmax1.生化反应动力学WaterPollutionControlEngineeringSKsXSrXrdtdSmax底物降解速度：μmax0SS=KsS=S'S底物比降解速率与底物浓度的关系Ks+Sr=2r=rmaxrmaxυrmaxrmaxs零级反应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：WaterPollutionControlEngineeringes)dtdX()dtdX()dtdX(gXK)dtdX(deus)dtdS(Y)dtdX(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：μ＝rY－Kd(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：WaterPollutionControlEngineeringXK)dtdS(Y)dtdX(dgUdK)dtdS(XYUU)dtdS(X1YKrd1.生化反应动力学区别(11-36)与(11-33)，(11-36)两边同除以X：µ＝Yobs·r,Y=Yobs·(1+)＝Yobs·(1+Kd·θc)这些是产率系数与表观产率系数之间的关系。WaterPollutionControlEngineeringU)dtdS(Y)dtdX(obsgK1YKYrYddobs