《水污染控制原理》课程授课教案（讲义，研究生）第九章 生物膜法

研究生精品课程建设教案第九章生物膜法（一）教学设计2.1本章节内容归纳本章节主要内容包括以下几个方面①滴滤池法原理、降解模型及设计②生物转盘、生物流化床原理与设计2.2本章节重点本章节重点：滴滤池法设计原理、生物转盘设计原理、生物流化床设计原理本章节难点：滴滤池法降解模型、生物流化床降解模型2.3本章节教学内容本章教学内容如下9.生物膜法的基本概念9.1生物膜法的基本概念9.2滴滤池法9.3Atkinson的滴滤池数学模型9.4滴滤池的设计9.5生物转盘9.6生物流化床4.4本章节教学方法1.情景导入从生物滤池、生物转盘情景入手，引出动力学参数设计的作用及意义。2.双案例关联生物滤池基础研究方面的应用（案例十八）生物滤池工程设计方面的应用（案例十九）1.4本章节教学互动与考核在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分，主要问题有：①膜法与污泥法对比、②生物膜法设计参数、③生物膜法设计模型、④滴滤池的数学模型与设计、③生物转盘设计要点、③生物流化床特点及设计1

1 研究生精品课程建设教案 第九章 生物膜法 （一）教学设计 2.1本章节内容归纳 本章节主要内容包括以下几个方面 ①滴滤池法原理、降解模型及设计 ②生物转盘、生物流化床原理与设计 2.2本章节重点 本章节重点：滴滤池法设计原理、生物转盘设计原理、生物流化床设计原 理本章节难点：滴滤池法降解模型、生物流化床降解模型 2.3本章节教学内容 本章教学内容如下 9.生物膜法的基本概念 9.1 生物膜法的基本概念 9.2 滴滤池法 9.3 Atkinson 的滴滤池数学模型 9.4 滴滤池的设计 9.5 生物转盘 9.6 生物流化床 4.4 本章节教学方法 1. 情景导入 从生物滤池、生物转盘情景入手，引出动力学参数设计的作用及意义。 2.双案例关联 生物滤池基础研究方面的应用（案例十八） 生物滤池工程设计方面的应用（案例十九） 1.4 本章节教学互动与考核 在课程双案例教学过程中，引导研究生进行相关的教学讨论。研究生在进行 教学讨论之前，主动加强与指导老师的沟通，明确以后研究方向所需要的本门课 程的相关理论知识，了解这些理论知识在研究过程中的意义、地位、作用及如何 应用，了解基础理论在创新工作中的作用。利用本课程建立的教学网站，并将这 类问题变成启发问答式用来和学生互动，通过互动了解研究生对各个知识点掌握 情况、学习的主动性、创新性等，并将互动情况作为课程成绩考核的一个部分， 主要问题有：①膜法与污泥法对比、②生物膜法设计参数、③生物膜法设计模型、 ④滴滤池的数学模型与设计、⑤生物转盘设计要点、⑥生物流化床特点及设计

（二）教学内容1.生物膜法的基本概念工艺流程、设计参数、工艺进展2.滴滤池法原理及分类、基本模型及分析、Eckenfelder公式3.生物转盘生物转盘降解原理与设计4.生物流化床生物流化床降解原理与设计第九章生物膜法s9.1生物膜法的基本概念1.基本流程工艺流程、类型及设计数据回顾2．生物膜法的发展20世纪70年代末，为强化生物膜法反应器中的传质，流化床系统被引入生物膜处理中，称为生物流化床。生物流化床兼有活性污泥法和生物膜法的待点，因此有人把它称为半生物膜和半悬浮生长系统。S9—2滴滤池法滴滤池(tricklingfilter)在中国虽也称生物滤池(biologicalfilter)，但两者实际上是有区别的。滴滤池用的是粗填料，常见的是75一125mm的碎石、碎石之间有很大的空隙，当废水洒布在填料上的时候，废水从填料上的生物膜上滴流而下，当池外空气温度高于池内空气温度时，空气则自下而上流道空隙。反之则空气自上而下流过空隙，以保持生物需氧环境。2

2 （二）教学内容 1. 生物膜法的基本概念 工艺流程、设计参数、工艺进展 2. 滴滤池法 原理及分类、基本模型及分析、Eckenfelder公式 3. 生物转盘 生物转盘降解原理与设计 4. 生物流化床 生物流化床降解原理与设计 第九章 生物膜法 §9.1 生物膜法的基本概念 1．基本流程 工艺流程、类型及设计数据回顾 2．生物膜法的发展 20 世纪 70 年代末，为强化生物膜法反应器中的传质，流化床系统被引入生 物膜处理中，称为生物流化床。生物流化床兼有活性污泥法和生物膜法的待点， 因此有人把它称为半生物膜和半悬浮生长系统。 §9—2 滴滤池法 滴滤池(trickling filter)在中国虽也称生物滤池(biological fi1ter)，但两者实际 上是有区别的。滴滤池用的是粗填料，常见的是 75—125mm 的碎石、碎石之间 有很大的空隙，当废水洒布在填料上的时候，废水从填料上的生物膜上滴流而下， 当池外空气温度高于池内空气温度时，空气则自下而上流道空隙。反之则空气自 上而下流过空隙，以保持生物需氧环境

滴滤池系统的回流可使高COD的原废水经稀释后进入滴滤池，不受氧传递的限制，因此不产生臭气的问题。滴滤池一般按其水力负荷及有机物负荷而称为普通滴滤他、高速滴滤池等名称，其分类及各类性能总结分析。s93Atkinson的滴滤池数学模型1.基本方程式滴滤池的模型见图9-1。AYrea广樂饺)水膜d蝶料衰面流速分布1图9-1滴滤池模型V[((9-1)oy2SOz初始条件为：pr,0=P,(9-2)边界条件为：aplo,Z=0ay-D%P[6,Z=N(9-3)ay3

3 滴滤池系统的回流可使高 COD 的原废水经稀释后进入滴滤池，不受氧传递 的限制，因此不产生臭气的问题。 滴滤池一般按其水力负荷及有机物负荷而称为普通滴滤他、高速滴滤池等名 称，其分类及各类性能总结分析。 §9—3 Atkinson 的滴滤池数学模型 1.基本方程式 滴滤池的模型见图 9-1。 图 9-1 滴滤池模型 V[1-(  y ) 2 ] z p   =D 2 2 y   (9-1) 初始条件为：  i r，0 =  (9-2) 边界条件为： , = 0   o Z y  Z N y D =   −  ,  (9-3)

2.基本方程式的解p-HHpdz(9-4)两边化简："-f''dz(9-5)ob,_ b2(9-6)n=Dk利用图解来求po/e,值。其计算程序见图9-2。数据k、k，、k、k、Q、A1假设pk,L比较一(R）及1(1+2k,p)由式（9-18）计算bl、b2由式（9-20）计算n1由式（9-12）计算k1由图9-5计算I(n、k、0)1由式（9-35）计算p+由式（9-21）计算1由图9-4）计算F(n、k、0)由式（9-32）计算F(n、k、ε)图9-2滴滤池的计算程序89-4滴滤池的简化模型1.滴滤池的设计4

4 2．基本方程式的解   = dZ H H   0 1  (9-4) 两边化简： f f dZ    = 1 0 (9-5) k b D b2 2 = =   (9-6) 利用图解来求  0 /  i 值。其计算程序见图 9-2。 数据 1 k 、 2 k 、 3 k 、k 、Q、A 假设   比较 ( ) (1 2 ) * 3 2 R k k L  +  及 1 由式（9-18）计算 b1、b2 由式（9-20）计算  由式（9-12）计算 k 由图 9-5 计算 I(  、k、0) 由式（9-35）计算  i 由式（9-21）计算  由图 9-4）计算 F(  、k、0) 由式（9-32）计算 F(  、k、 ) 图 9-2 滴滤池的计算程序 §9-4 滴滤池的简化模型 1.滴滤池的设计

fhwk.pP(9-7)exp(1+ R)OP然后进行计算，得出滴滤池出口处（Z=H）的有机物浓度p。为fwk,HPo(9-8)=expp'(1 + R)Q(1+R)Oo(1+R)QP;T:A(1+R)Qp.-tp.(1+R)Q图9-2滴滤池简化模型2.Eckenfelder公式公式如下：4P =exp([-KHuv(9-9)p"(1+ R)O式中，A为滴滤池的横断面积；a为填料的比表面积；K、m及n为试验常数，其余符号向前。如果把式(9一40)与式(9一39)比较．则可看出，当M=0、n=0时，Eckenfelder公式中的K相当于JLk。·a可wH/HA=w/A表示．故Aa。相当W.Eckenfelder公式的实用形式为KHPo(9-10)=exp(L"np式中：L=(1+ R)gAL代表滤池的水力负荷，应通过试验求出K、n常数。5

5    = exp (- R Q flwko (1+ )   ) (9-7) 然后进行计算，得出滴滤池出口处（Z=H）的有机物浓度  0 为    0 = exp (- ) (1 R)Q flwko H +  (9-8) 图 9-2 滴滤池简化模型 2．Eckenfelder 公式 公式如下：    0 =exp(- ] ] (1 ) [ [ 1 m n V R Q A KH + − +  （9-9） 式中，A 为滴滤池的横断面积；a 为填料的比表面积；K、m 及 n 为试验常 数，其余符号向前。如果把式(9—40)与式(9—39)比较．则可看出，当 M=0、n=0 时，Eckenfelder 公式中的 K 相当于 * Lk0  ·a 可 wH/HA=w/A 表示．故 A c a 相当 w。 Eckenfelder 公式的实用形式为    0 = exp(- n L KH ) (9-10) 式中： L= A (1+ R)Q L 代表滤池的水力负荷，应通过试验求出 K、n 常数

s95生物转盘生物转盘的工作过程见图9-3，每块圆盘上生物膜的有机物扩散通量可用式(9-3)表示：N= Jik.pi(9-11)K+Pb例盘一生物膜9QPoTpb2水容积V图9-3生物转盘工作过程示意假定每面膜的淹没面积为As，则每面膜去除有机物的速率为fik.piAsM=(9-12)K + PbK(二.)npb-2/k4(9-13)pboVLPbPhs9—6生物流化床1.基本原理由于生物流化床(biologicalfluidizedbedreactor)具有有机物容积负荷大、处理效率高、占地少和投资省等优点，因此，近二十年来得到了广泛的研究，并取得了许多重大的进展。图9一16为生物流化床处理系统的基本流程。废水和从生物流化床反应器出水的回流水在充氧设备进口处与空气混合后，从反应器的底部进入，自下而上通过反应器，使滤料保持在流化的工作状态、经填料上的生物膜处理后的废水，除部分回流到无氧设备进口处外，最后流入二次沉淀池，以便沉掉悬浮的生物量，排出合格的出水。6

6 §9—5 生物转盘 生物转盘的工作过程见图 9-3，每块圆盘上生物膜的有机物扩散通量可用式(9-3)表示： N= b o K flk   +  2 0 (9-11) 图 9-3 生物转盘工作过程示意 假定每面膜的淹没面积为 As，则每面膜去除有机物的速率为 M= b o b K flk   +  2 As (9-12) K( 0 1  b - 1 1  b )+ In 0 1 b b   = VL fLk A  0 2 (9-13) §9—6 生物流化床 1.基本原理 由于生物流化床(biological fluidized bed reactor)具有有机物容积负荷大、处理效率高、 占地少和投资省等优点，因此，近二十年来得到了广泛的研究，并取得了许多重大的进展。 图 9—16 为生物流化床处理系统的基本流程。废水和从生物流化床反应器出水的回流水 在充氧设备进口处与空气混合后，从反应器的底部进入，自下而上通过反应器，使滤料保持 在流化的工作状态、经填料上的生物膜处理后的废水，除部分回流到无氧设备进口处外，最 后流入二次沉淀池，以便沉掉悬浮的生物量，排出合格的出水

R脱除的脱膜设备生物膜回流脱膜后载体行进水教中生物流化床沉淀池0.P务污泥填料进水O.p;图9-4生物流化床流程生物流化床临界流化速度可按下式计算：gdemr(pp-pi)g(9-14)μmf150(1-8mm)式中，μmf为临界流化速率，单化为cm/s；d，为填料粒径，单位为cm；P,和p,分别为填料和水流的密度，单价为g/cm；μ为水的动力粘滞系数，单位为g/cm.s；g为重力加速度，981cm/s；8m是填料开始膨胀时的孔隙率；Φ,为球形度，定义为同体积球形颗粒的表面积除以颗粒实际表面积。砂的Φ，值为0.6-0.85，焦炭的Φ，值则约为0.35。生物流化床的有机物容积负荷可高达8kgBODs/m.d以上。2.生物流化床性能分析与设计计算有机物的去除率为：n= PL=P-=1. Pa=I-f(9-15)Pi0式中，P,和p。分别为流化床反应器进水和出水的有机物浓度，f可称为有机物的残余浓度率。流化床的容量去除速率可表示为：R,=(P-P)(9-16)V式中，Q为废水流量，V为流化床的容积。有机物的去除率n或残余浓度率f与容量去除速率R应该是反应器的停留时间V/Q、单位容积床体所容纳的生物且与有机物在进水7

7 图 9-4 生物流化床流程 生物流化床临界流化速度可按下式计算：  mf =       150(1 ) ( )1 2 2 3 mf b d p mf p g − − (9-14) 式中，  mf 为临界流化速率，单化为 cm/s； d p 为填料粒径，单位为 cm；  p 和 1 分 别为填料和水流的密度，单价为 g／cm3 ;  为水的动力粘滞系数，单位为 g／cm.s；g 为重 力加速度，981cm/s2 ； mf  是填料开始膨胀时的孔隙率； s 为球形度，定义为同体积球形颗 粒的表面积除以颗粒实际表面积。砂的 s 值为 0.6-0.85，焦炭的 s 值则约为 0.35。 生物流化床的有机物容积负荷可高达 8kgBOD5／m3 .d 以上。 2．生物流化床性能分析与设计计算 有机物的去除率为：  = i e  1 −  =1- i e   =1-f (9-15) 式中，  i 和  e 分别为流化床反应器进水和出水的有机物浓度，f 可称为 有机物的残余浓度率。流化床的容量去除速率可表示为： R V = V Q i v ( −  ) (9-16) 式中，Q 为废水流量，v 为流化床的容积。有机物的去除率  或残余浓度率 f 与容量去 除速率 R v 应该是反应器的停留时间 V／Q、单位容积床体所容纳的生物且与有机物在进水

中的浓度p,的函数。如以L代表演料上生物膜的厚度、α，代表单位容积流化床内的填料表面积，P代表填料上的生物量的密度，则流化床单位容积床体的生物量应为P,Lα，，因此可得下列两个函数关系：Of-f,((9-17)PpLa,p,)OR,=f, ((9-18),P,La,p,)VRy无量纲容量去除速率=KsImxQ无量纲停留时间倒数=Vμmxp,La,=β无量纲生物量浓度=YKsPi=a无量纲进水浓度=BKs式中μmx和K,分别为Monod公式中的最大比增殖率和饱和常数；Y为产率因数：其余符号同前。按上述关系对式(9—48)和式(9—49)进行无量纲化后可得下列的相关函数形式：QprLa,,Pi)Pe= gi((9-19)VumYK,KP,Ry9PpLa,Pr) (9-20)= g2(KslmxVumYK,K,由于直接求P./P,的解析解是困难的，Atkinson采用图解法来求P。/P，和R的值。对生物流化床的性能进行了上面的基本理论分析之后，进行硫化床的设计计算就比较简单了。生物流化床中生物膜的动力学参数μmx、K，、Y可以通过恒化器试验求定，对于需要设计的生物流化床而言，Q，P，P。也都是确定的。这样在计算中便只剩下两个未知数，其中任意假定一个，便可算出另一个来，只是计算出来的参数应当符合上述对性能的理论分析，否则便重新假定进行计算。8

8 中的浓度  i 的函数。如以 L 代表演料上生物膜的厚度、 s a 代表单位容积流化床内的填料表 面积，  p 代表填料上的生物量的密度，则流化床单位容积床体的生物量应为  p L s a ，因此 可得下列两个函数关系： f=f 1 ( b as L V Q ,  ,  i ) (9-17) R V = f 2 ( b as L V Q ,  ,  i ) (9-18) 无量纲容量去除速率= S max V K R 无量纲停留时间倒数= V max Q 无量纲生物量浓度= S b s YK  La =  无量纲进水浓度＝  S i K  =a 式中  max 和 Ks 分别为 Monod 公式中的最大比增殖率和饱和常数；Y 为产率因数；其 余符号同前。按上述关系对式(9—48)和式(9—49)进行无量纲化后可得下列的相关函数形式： ( , , ) max 1 S i S b a i e YK K L V Q g  s     = (9-19) = S max V K R ( , , ) max 2 S i S b a YK K L V Q g  s   (9-20) 由于直接求  e /  i 的解析解是困难的，Atkinson 采用图解法来求  e /  i 和 R v 的值。 对生物流化床的性能进行了上面的基本理论分析之后，进行硫化床的设计计算就比较 简单了。生物流化床中生物膜的动力学参数  max 、Ks 、Y 可以通过恒化器试验求定，对于 需要设计的生物流化床而言，Q，  i ，  e 也都是确定的。这样在计算中便只剩下两个未知 数，其中任意假定一个，便可算出另一个来，只是计算出来的参数应当符合上述对性能的理 论分析，否则便重新假定进行计算