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基于渗流理论的生物膜传质模拟及实验研究

焦妍  
【摘要】:基质在生物膜内的质量传递过程是生物膜法污水处理技术的重要研究内容,是生物膜技术理论的本质和基础。随着科技的发展与理论的更新,这一领域被不断赋予新的研究内容。在前人研究成果的基础上,本文以生物膜多孔介质为研究对象,在生物膜传质模型中引入渗流理论,细化模型结构,通过数值模拟和实验研究的手段,对生物膜的传质过程进行了深入的研究,数值模拟结果与实验测试结果吻合较好。 本文主要内容包括: 1.将渗流理论引入生物膜内的质量传递过程,建立生物膜“对流-扩散-反应”模型。对生物膜模型进行分层处理,使模型物性参数更接近实际生物膜内的真实状态。采用Runge-Kutta法对传质模型进行数值求解,从而研究了不同进料液浓度和渗流速度,不同生物膜孔道弯曲因子和孔隙率条件下的生物膜内传质规律。结果表明:随着各参数值的逐渐增大,基质在生物膜内的渗透深度逐渐增加;进水浓度、生物膜孔隙率和渗流速度对传质影响较大,弯曲因子对基质的渗透影响较小。分层生物膜模型中基质渗透深度大于均一化生物膜模型的结果,分层模型对基质的传质阻力比均一化生物膜模型小。 2.建立了一套10L的固定床好氧生物膜反应器实验装置,研究反应器中水力停留时间(HRT)、进水COD浓度和曝气量等参数对COD去除率的影响,同时利用微电极技术检测了不同参数条件下溶解氧在生物膜内的浓度分布规律。结果表明:较小的液相流速对生物膜内的传质过程影响不大,较高的COD浓度会增大生物膜内的耗氧速率,当COD=800 mg/L时,微生物生长不再受COD浓度的影响;实验测得反应器的最佳运行条件为:HRT=6-8 h,进水COD=600 mg/L,曝气量Qg=0.1 m3/h; 3.根据批实验数据,拟合出反应器内底物基质的生物反应速率方程,得到氧的最大消耗速率为0.0099 min-1,半饱和浓度为6.94 mg/L;葡萄糖的最大降解速率为0.0095min-1,半饱和浓度为485.71 mg/L。用实验测得的参数对生物膜“对流-扩散-反应”传质方程进行分层处理并求解,得到生物膜内基质浓度的分布,计算值与实验值的误差在1.91%-18%之间,表明分层生物膜模型比均一化模型更符合实际传质情况,该模型可用于预测生物膜内的传质过程。


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