生物接触氧化塔硝化过程模拟

曹宏斌，李鑫钢，张吕鸿，孙津生
(天津大学化工学院，天津300072)

　　摘 要：建立了描述生物接触氧化塔内生物反应过程的一维混合池模型，通过与一维返混模型比较，得到两种模型的一致性判据，采用生物接触氧化塔处理废水中NH₄⁺-N的试验进一步验证了模型的可靠性。对模拟结果的分析发现，填料的比表面积在不同范围内对处理速率的影响 程度不同；对由传质控制的反应，减小传质阻力比增大填料的表面积更为重要。
　　关键词：一维混合池模型；一维返混模型；生物接触氧化塔；废水处理
　　中图分类号：X703.3
　　文献标识码：C
　　文章编号： 1000-4602(2001)02-0073-04

　　生物接触氧化工艺具有负荷大、处理效率高、脱氮能力强等优点，所以在工业废水处理中的应用越来越广泛^［1］。生物接触氧化塔(填充塔)还具有占地面积小、操作方便等优点，但由于填充塔是一个很复杂的生化过程，至今还没有很好的模型描述该过程^［2］ 。

　　1 数学模型

　　1.1一维混合池模型
　　一维混合池模型把填料塔沿轴向等距分为N级(级高δ)，每一级的液相可视为全混流，级间液相返混量BL，每级间返混量的大小与级数无关，每一级的反应量等于R ′(如图1)。

　　对第k级(k=2,3,……,N-1)废水中的基质作物料衡算得：

　　(Q+B_L)·S_k-1-(Q+2B_L)·S_k+BL·S_k+1+R ′＝0 (1)

　　对第1和N级作物料衡算分别得：

　　Q·S0-(Q+BL)·S1+BL·S2+R′＝0 (2)

　　(Q+B_L)·S_N-1-(Q+B_L)·S_N+R′＝0 (3)

　　式(1)就是一维混合池模型的表达式，式(2)、(3)为边界条件。该模型中有3个参量：总级数N、每一级中反应量R′及级间返混量BL。
　　1.2 一维返混模型
　　一维返混模型的表达式为：

　　1/Pe·(d²S/dZ²)-dS/dZ+(L/u_z,e)R＝0 (4)

　　边界条件为：

　　Z=1时，dS/dZ＝0 (5)

　　Z=0时，S₀-S+1/Pe(dS/dZ) ＝0 (6)

　　上式中的轴向离散系数DZ(=u_z,e·L/Pe)是轴 向离散模拟叠加返混。
　　1.3 两种模型间的关系
　　将一维返混模型写成差分格式，经整理可得到：

　　[D_Z·(1/ΔZ²)+u_z,e·(1/Δ Z)]·S_k-1-[D_Z·(2/ΔZ²)+u _z,e·(1/ΔZ)]·S_k+DZ·(1/Δ Z²)S_k+1+R＝0 (7)

　　式(1)两边除Vd得：

　　[(Q+B_L)/A·δ]·S_k-1-(Q+2BL )/A·δ·Sk+B_L/(A·δ)·S_k+1+R＝0 (8)

　　如果δ＝ΔZ,式(7)和(8)相等，则：

　　Q＝u_z,e·A (9)

　　B_L＝DZ·(A/δ) (10)

　　式(8)就是与一维返混模型有限差分格式具有相同返混程度的一维混合池模型的返混量计算式。
　　与一维返混模型有相同返混程度的一维混合池模型的返混量计算式为：

　　B′_L＝A(2D_Z-u_z,e·δ)/2δ (11)

　　显然当δ→0时，式(11)就等于式(10)。与一维返混模型有限差分格式等价的多级全混模型参数的计算式相对于与连续模型等价的多级全混模型参数的计算误差E的计算式为 ：

　　E＝B_L-B′_LB′_L＝uz,e ·δ2DZ-uz,e·δ (12)

　　由上式可知，只有当2DZuz,e·δ时，两种模型才一致，即一致性判据为：

　　δ<<2D_Z/u_z,e (13)

　　与一维返混模型相比，一维混合池模型把实际过程进行了合理离散化，所以便于计算机计算。另外，对于难确定DZ的过程，还可直接通过试验测定返混量BL。

　　2 模型求解与检验

　　2.1模型求解
　　求解上述模型，首先需要知道返混系数D_Z及流速u_z，e与塔内位置(Z)的关系，其次还要知道生物膜内、外传质阻力与基质浓度的关系。由于废水流速一般较慢，所以生物膜表面的滞流水层相对较厚，根据传质理论，外传质阻力主要集中于此。一般情况下，基质在生物膜内分布很复杂，因此在计算微生物反应速率时先以生物膜表面浓度代入方程，再乘效率系数进行校正。此外，为求解方便，作以下几点假设：
　　①生物膜均匀分布在填料表面，即微生物在塔内填料表面的分布与填料所处的位置无关。故塔内单位填料表面积上微生物对基质利用的速率相同。
　　②塔内液相的返混系数DZ和流速uz，e与塔内位置无关。
　　③生物膜处于稳定状态，新增的微生物将随出水离开系统。
　　对稳定的废水处理过程，微生物利用基质的量(R)应等于从主体项扩散到生物膜内的总扩散量(N·α)，即：

　　R＝N·α (14)
　　N由下式计算：
　　N＝K_L·(S-S_S) (15)

　　如果微生物反应是零级或一级反应，那么直接求解式(4)可得到其解析解的表达式。一般反应项满足Monod方程，即：
　　R＝R_maxα·S_S/(K_S+S_S)η^e (16)
　　把式(15)、(16)代入式(14)，经整理得：

　　把式(15)代入(14)，得到反应项的表达式：

　　R＝K_Lα·(S-S_S) (18)

　　其中S_S由式(17)计算。
　　至此，用Newton-Raphson法可对模型求解。
　　2.2 模型检验
　　以处理某石化厂氧化沟出水中NH₄+-N为例，验证模型结果的正确性。废水水质见表1。

　　试验流程见图2，废水由塔顶进入，塔底排出，空气与之逆流，从塔底进入塔顶流出。表2列出了计算用参数，分别用一维混合池模型和一维返混模型计算废水在0.012、0.016、0.024 、0.032m³/h等四种流量下NH+4-N浓度沿塔内轴向的分布。表3列出了计算值与试验值的比较。由表3可见，尽管两个模型的边界条件不同，但计算结果却很接近，而且基本上都能反映NH+4-N被利用的情况。

　　为了解外传质系数和填料比表面积分别对处理效果的影响，对这两种情况分别进行了模拟。
　　由图3可知，废水以0.01、0.02和0.04m³/h三种流量通过填料塔时，基质去除率受外传质系数KL的影响趋势基本相同。当KL由0.01升至10.0m/h，基质的去除率略有提高；而KL由0.01降至0.001m/h时，基质的去除率却迅速下降；当KL降到0.0001m/h时，生物膜的处理效果已很差了。这是因为，外传质阻力大(即KL小)时，处理速率主要受传质控制；而外传质阻力小(即KL大)时，处理速率主要受微生物利用基质的速率控制。所以，实际水处理过程中应设法降低传质阻力。

　　图4反映了填料的比表面积对生物膜处理效果的影响。由图可知，在相同停留时间下，增大填料的比表面积，基质的去除率也相应升高。这是因为当体积一定时，如果填料比表面积大，则其表面所固定的微生物量也相应增加，所以基质被利用的速率就自然加快。但从图中不难发现，当外传质阻力大时(如KL=0.0002m/h)，即使填料的比表面积增加很大，基质的去除率也只是提高很小。造成这种情况的原因是由于外传质阻力很大时，处理过程主要 由传质控制，即使生物膜中有大量微生物能够利用废水中的基质，但由于外传质阻力很大，导致基质无法很快进入生物膜内被利用。在这种情况下，单纯提高填料的比表面积已没有什么意义。当外传质阻力较小时，微生物利用基质的速率主要取决于生物反应速率，故增大填料的比表面积就能提高处理的速率。
　　另外，从图中可见，即使在外传质阻力较小的情况下，提高填料的比表面积对处理效果的影响也不尽相同，当比表面积由100增至250m²/m³时，基质去除率提高较多，再增大填料的比表面积，对基质去除率的影响就不太大了。此外，工业废水中一般含有固态杂物，生物膜也要在处理过程中不断脱落，如果填料的比表面积过大，塔内就容易发生堵塞现象，所以工业上选择填料时应综合考虑上述因素。

　　参考文献：
　　［1］国家环境保护局.生物接触氧化处理废水技术［M］.北京：中国环境科学出 版社，1992.

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收稿日期：2000-10-11