膜生物反應(yīng)器“兩次分離”數(shù)學(xué)模型(1)

1、膜生物反應(yīng)器“兩次分離”數(shù)學(xué)模型(1)膜生物反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是生物降解與膜分離相互影響、共同作用的過(guò)程。膜對(duì)活性污泥混合液的分離過(guò)程是由“兩次分離”實(shí)現(xiàn)的：一次分離是混合液在壓力作用下進(jìn)行固液分離，二次分離是分離出來(lái)的液相透過(guò)沉積層到達(dá)膜表面，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物大分子及膠體物質(zhì)與水的分離。固液分離過(guò)程可用阻力模型來(lái)描述；而膜表面有機(jī)物大分子與水的分離可用凝膠極化模型描述。穩(wěn)態(tài)時(shí)，固液分離的速率與有機(jī)物大分子和水分離的速率相等。 關(guān)鍵詞：膜生物反應(yīng)器 兩次分離 數(shù)學(xué)模型 膜生物反應(yīng)器是由超(微)濾膜組件和生物反應(yīng)器構(gòu)成的。傳統(tǒng)超(微)濾過(guò)程的進(jìn)料一般為單相流體(即只有液相)，而膜生物反應(yīng)器中超(微)濾分離的活

2、性污泥混合液卻是固液兩相流體，既包括活性污泥懸浮固體，也包括液體以及溶解在其中的有機(jī)物質(zhì)，膜不但截留大分子有機(jī)物，而且分離固體顆粒。因此，固體顆粒在錯(cuò)流中的遷移規(guī)律(包括固體顆粒在剪切流中的運(yùn)動(dòng)規(guī)律以及固體顆粒在膜面的沉積規(guī)律)就必然會(huì)對(duì)整個(gè)膜分離過(guò)程產(chǎn)生影響，對(duì)此過(guò)程進(jìn)行分析并建立新的數(shù)學(xué)模型加以描述是十分有意義的。1 固體顆粒在錯(cuò)流過(guò)濾中的遷移規(guī)律 在錯(cuò)流過(guò)濾中，固體顆粒的運(yùn)動(dòng)受沿膜面平行流動(dòng)的剪切流和垂直于膜面的過(guò)濾滲透流的共同作用。滲透流趨向于將固體顆粒曳向膜面，而剪切流力圖保持顆粒懸浮，將其隨循環(huán)液帶出膜面。固體顆粒是沉積于膜面還是隨循環(huán)液流出，取決于剪切流和滲透流曳力的相互作用結(jié)果

3、。固體顆粒遷移運(yùn)動(dòng)趨于膜面的速率和流出膜組件的橫向遷移速率應(yīng)該和顆粒直徑、流道幾何尺寸、剪切流速率和膜滲透過(guò)濾速率有關(guān)。借用Alter和Belfort固體顆粒在錯(cuò)流微濾過(guò)程中的遷移機(jī)理1，對(duì)于達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，即膜面的滲透過(guò)濾速率保持穩(wěn)定時(shí)，顆粒遷移運(yùn)動(dòng)趨于膜面的速率為：VP=Vmg() Rewh2() (1)式中VP顆粒遷移運(yùn)動(dòng)趨于膜面的速率Vm膜滲透過(guò)濾速率Rew滲透系數(shù)流道無(wú)量綱寬度g()、h2()的函數(shù)顆粒橫向遷移速率為：Ve=Rep(dp/2B)2umf( ) (2)式中Ve 顆粒橫向遷移速率um流道剪切流速率dp顆粒直徑B流道寬度Rep系數(shù)f()的函數(shù)由式(1)、(2)可見(jiàn)，顆粒遷移

4、運(yùn)動(dòng)趨于膜面的速率與膜滲透過(guò)濾速率成正比；顆粒橫向遷移 速率與流道剪切流速率成正比。2 固體顆粒沉積阻力模型的建立 錯(cuò)流過(guò)濾中，固體顆粒在過(guò)濾滲透流和剪切流的綜合作用下，有向膜面沉積的趨勢(shì)。隨著過(guò)濾的進(jìn)行，會(huì)在膜面逐步形成沉積層。沉積層累積阻力Rd可由下式確定：Rd=dMd (3)式中Rd 固體顆料沉積層累積阻力d比阻Md沉積負(fù)荷(單位膜面積的沉積量)比阻d可由KozenyCarman關(guān)系計(jì)算2：d180(1-)2/（ds23） ( 4)式中 沉積層孔隙率ds固體顆粒粒徑由式(4)可見(jiàn)，沉積層愈密實(shí)，固體顆粒粒徑愈小，沉積層比阻愈大。比阻受操作壓力P的影響，并有：dd0Pn (5)式中d0系數(shù)

5、n壓縮系數(shù)由超濾過(guò)程的阻力模型3得膜通量為：Jv=P/(Rm Rd)=P/R 總 (6)式中Rm 膜本身的阻力Rd累積阻力R總總阻力P膜組件的操作壓力動(dòng)力粘滯系數(shù)將式(3)、(5)代入式(6)中，有：Jv=1/（P/（Rm d0M dPn） (7)當(dāng)操作壓力較大時(shí)，Rmd0MdPn，膜通量可近等于：Jv=1/（P1-n/d0 Md ） (8)由于在操作壓力較大時(shí)已形成凝膠層，在此情況下，Jv已基本與P無(wú)關(guān)，亦即相當(dāng)于n1，故式(7)可簡(jiǎn)化為：Jv=1/P/（Rm d0MdP） (9)3 “兩次分離”模型的建立在膜生物反應(yīng)器中，膜分離不僅實(shí)現(xiàn)活性污泥混合液的固液分離，而且還實(shí)現(xiàn)大分子有 機(jī)物與水

6、的分離。因此提出膜生物反應(yīng)器的“兩次分離”觀點(diǎn)：膜對(duì)活性污泥混合液的分離過(guò)程是由兩次分離實(shí)現(xiàn)的，一次分離是混合液在壓力作用下進(jìn)行固液分離，即混合液中的液相與活性污泥的固體顆粒分離，其相當(dāng)于一個(gè)壓縮脫水過(guò)程，水中的溶解性有機(jī)物及部分膠體物質(zhì)隨液相分離出來(lái)，而固體顆粒則在其遷移運(yùn)動(dòng)中逐步形成沉積層。二次分離是分離出來(lái)的液相透過(guò)沉積層到達(dá)膜表面，實(shí)現(xiàn)有機(jī)物大分子及膠體物質(zhì)與水的分離。大分子有機(jī)物被截留在膜面形成濃差極化并逐步發(fā)展為凝膠層，水透過(guò)膜形成透過(guò)液。固液分離過(guò)程可用阻力模型來(lái)描述；而膜表面有機(jī)物大分子與水的分離可用凝膠極化模 型描述。穩(wěn)態(tài)時(shí)，固液分離的速率與有機(jī)物大分子和水分離的速率相等。上

7、述假定用圖1表示。根據(jù)上述假定，固液分離過(guò)程可表述為：Jw=1/P/（Rm d0MdP） (10)描述膜表面有機(jī)物大分子與水的分離，根據(jù)超濾分離的凝膠極化模型3有：Jc=kln（Cm-Ce）/（Cb-Ce） (11)式中k物質(zhì)遷移系數(shù)令Jw=Jc，有：1/P/（Rm d0MdP ）kln（Cm-Ce）/（Cb-Ce） (12)摘膜生物反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是生物降解與膜分離相互影響、共同作用的過(guò)程。膜對(duì)活性污泥混合液的分離過(guò)程是由“兩次 本篇論文是由3COME文檔頻道的網(wǎng)友為您在網(wǎng)絡(luò)上收集整理餅投稿至本站的，論文版權(quán)屬原作者，請(qǐng)不用于商業(yè)用途或者抄襲，僅供參考學(xué)習(xí)之用，否者后果自負(fù)，如果此文侵犯您的合法權(quán)

8、益，請(qǐng)聯(lián)系我們。引入膜對(duì)溶質(zhì)的表觀分離率R=1-（Ce/Cb） ，代入式(12)并整理得：Cm/Cb=Rexp（1/k）( P/Rm d0MdP)-1 1 (13)若Ce足夠小，則有：Cm=Cbexp（1/k）(P/（Rm d0MdP) (14)式(13)、(14)綜合地反映了膜生物反應(yīng)器中，膜分離活性污泥混合液時(shí)固體顆粒的沉積和大分子有機(jī)物的濃差極化之間的相互作用，體現(xiàn)了操作條件(膜面流速u(mài)含在k中)與有機(jī)物濃度之間的相互關(guān)系，可以作為描述膜生物反應(yīng)器“兩次分離”觀點(diǎn)的數(shù)學(xué)模型。膜生物反應(yīng)器“兩次分離”觀點(diǎn)的提出及其數(shù)學(xué)模型的建立，主是依據(jù)理論分析，如何進(jìn)一步驗(yàn)證該觀點(diǎn)及其數(shù)學(xué)模型并使其具有可操作性，尚需在分子水平