外文翻譯-- 組裝的多相生物反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)室示范研究氧氣在活性污泥的轉(zhuǎn)化效率 中文版

1 組裝的多相生物反應(yīng)器在實(shí)驗(yàn)室示范 :研究 氧氣 在活性 污泥 的轉(zhuǎn)化 效率 摘要 ： 一個(gè)凸顯經(jīng)濟(jì)因素的簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)裝置已經(jīng)裝配在真正 重要 的化學(xué)工程問題。研究了多相反應(yīng)器是一種活性污泥反應(yīng)器。目的是提升學(xué)生 對(duì) 多相反應(yīng)器的理解 ,氧化廢水、固體細(xì)菌群體所蘊(yùn)含有機(jī)質(zhì)和氮基板 ,在這種類型的反應(yīng)堆 可轉(zhuǎn)換為人類所需要的氧氣。 氣體彌散的一個(gè)因素的重要性在操作性能和本 ,reactorIn 覆蓋每個(gè)多相工作在這里 ,學(xué)生確定這一因素的影響 ,在裝配在考慮能源消耗 (經(jīng)濟(jì)成本 )的類型取決于使用都和操作條件下曝氣器對(duì)于一個(gè)給定的曝氣器提出了一個(gè)理 論模型 ,從而使得該解釋結(jié)果基于如下假設(shè) ,即氣體吸收和生物化學(xué)反應(yīng)的限制措施。適合做這試驗(yàn)數(shù)據(jù)的參數(shù)模型 ,并進(jìn)行了比較 ,得到了允許每個(gè)類型的曝氣器的行為 ,同時(shí)也提供一個(gè)理解的過程。 簡(jiǎn)介 ： 多相反應(yīng)器的類型包括漿 ,滴流床、生物反應(yīng)器 ,在這些系統(tǒng)中 ,反應(yīng)氣體與液體或氣體的階段發(fā)生在一個(gè)固體催化劑表面或表面的細(xì)菌組被稱為生物絮狀沉淀。多相反應(yīng)器在兩個(gè)或者更多的階段是很有必要的 ,可以進(jìn)行反應(yīng) 。 活 性污泥工藝 (ASP)是一個(gè)典型的例子 ,對(duì)這類系統(tǒng) ,它是最主要的生物過程發(fā)生在二次廢水處理方法。在這個(gè)過程中 ,微生物氧 化有機(jī)碳氮 (nonoxidized 生化需氧量 )和總氮 )基體中包含 Kjeldahl 廢水和用能量獲得過程中形成新的微生物。同每一個(gè)多相反應(yīng)器 ,在 ASP 組件之間轉(zhuǎn)移 (氧轉(zhuǎn)移 )注入氣泡 (空氣 )和固相 (生物 flocs)是至關(guān)重要的一個(gè)因素。因此 ,這個(gè)參數(shù) ,極大地影響了工藝性能和運(yùn)行費(fèi)用 1,而且目前其最大化是一個(gè)研究領(lǐng)域的主要興趣。 ASP 是一個(gè) 必須 的過程中使用的多相反應(yīng)器的研究 gas-component因?yàn)槭芸貤l件下 (氧氣 )的消耗速度是常數(shù)和數(shù)學(xué)程序 ,用于描述的過程中 ,能夠簡(jiǎn)化。如前所述 ,活性污泥可以使用氧氣氧化氮 有機(jī)質(zhì)或 nonoxidized,包括死的微生物。這個(gè)過程叫做 “ 內(nèi)源呼吸。由于微生物濃度的污泥是非常高的 ,它可以被認(rèn)定在 轉(zhuǎn)化率是不變的， 這個(gè)事實(shí)意味著 ,當(dāng)沒有 特殊的渠道， 氧速率也不變。 2 氧氣供給反應(yīng)堆和散布到液 體 使用的曝氣設(shè)備。通常使用 三種曝氣步驟 : 一 )機(jī)械表面 充氣器 。這些系統(tǒng)使用葉片的表面 ,攪拌反應(yīng)器和分散空氣進(jìn)入液 體階段 、生產(chǎn)表層和次表層的湍流 (圖 1)。 二） 曝氣系統(tǒng)。這些增氧機(jī)使用注射系統(tǒng)內(nèi)的空氣壓縮機(jī)的粗、細(xì)氣泡的形式 (氧氣或空氣 )在液體表面。這些多孔泡沫是獲得使用穿孔管及其他類似的系統(tǒng) (圖 2)。 三） 噴射充 氣器 。這些系統(tǒng)結(jié)合空氣擴(kuò)散與液體抽送。泵站系統(tǒng)使混合相 (廢水生物flocs)+通過噴嘴總成。吸 (或 )空氣壓縮機(jī)介紹空氣進(jìn)入系統(tǒng) (圖 3)。 實(shí)驗(yàn) 該系統(tǒng)由一個(gè)多批曝氣生物反應(yīng)器的混合和不同的元素 ,這是一起使用的各種測(cè)量裝置。實(shí)驗(yàn)的建立是顯示在圖 4。 這個(gè)生物反應(yīng)器由一個(gè)圓柱形罐做成的 40-cm HDPE(30-cm 直徑及高度 ),這是充滿了活性污泥。這酒可以獲得 (游離） 從任何污水處理廠。可進(jìn)行試驗(yàn)研究?jī)尚r(shí)左右的時(shí)間運(yùn)用一種活性污泥濃度 (以總懸浮固體物 )的距離接近 3000毫克 /升。的濃度污水處理廠活性污泥中典型 的范圍很廣 ,從 1000 5000毫克 /升 )的總懸浮固體物。因?yàn)檫@個(gè)原因 ,污泥用于組裝可能需要被稀釋 (與廢水處理 )或濃了沉淀及清除的澄清區(qū) )終于到達(dá)預(yù)期的濃度。此外 ,flocs 蘊(yùn)含活性污泥很快安頓 ,為了維護(hù)中微生物的懸架 ,同時(shí)減少大氣中的氧轉(zhuǎn)移反應(yīng)器表面 ,水下的離心泵泵頭 0.6米 ,最大流量 :400 L / h)作為一種 攪拌器。 三種 表面 曝氣器檢驗(yàn)裝配 一個(gè) controlled-speed 模擬曝氣器 (300到 3000股時(shí)每分鐘轉(zhuǎn)速 )攪拌 3 (HEINDOLPH 2000年 )。得到了該風(fēng)口增氧機(jī) ,是通過將一 漁 業(yè)壓縮機(jī) (最大壓力 :1.2米的水 ；最大流量 :2.5 L /分鐘在標(biāo)準(zhǔn)條件下 ),一套管和 2-mm 閥 (直徑 )和一些擴(kuò)壓器的石頭上。在模擬 射 流曝氣器使用液下泵連接到一根管子。 圖一 表面曝氣器 的增氧原理 4 圖二 擴(kuò)壓曝氣器 的增氧原理 兩個(gè)測(cè)量裝置是用來獲取實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析。一個(gè)氧儀表用于測(cè)量溶解氧濃度 (黃色 ),并包括一個(gè) 爆炸 YS52功率計(jì) ,這是一種電學(xué)為測(cè)量裝置能耗 ,詳細(xì)描述這個(gè)裝置 ,隨著總是 提 出了一種支持指令物質(zhì)作為一個(gè)微 PowerPoint 文 件。 圖三 噴 流曝氣器 的增氧原理 5 圖四 葉 片的實(shí)驗(yàn)裝置 理論依據(jù) 一般來說 ,反應(yīng)進(jìn)行多相流反應(yīng)器包括幾個(gè)步驟。例如 ,在泥漿反應(yīng)器在多相流動(dòng)反應(yīng)器(反應(yīng)物氣體發(fā)泡通過溶液含固體催化劑顆粒 )的存在五個(gè)步驟 2: 五個(gè)步驟 2: 1。從氣 體階段 吸附進(jìn)入液 體 的 泡沫表面。 2。液相擴(kuò)散的從泡面大部分的液體。 3。從散裝液體擴(kuò)散 的外部表面固體催化劑。 4。內(nèi)部擴(kuò)散反應(yīng)物多孔催化劑。 5。在多孔催化劑 內(nèi)部 的反應(yīng)。 6 每一步都可能被認(rèn)為是反應(yīng)整體速率一個(gè)阻力的的速度 ,所以 ,每一步都應(yīng)該被人知道的為了模型反應(yīng)器。多相反應(yīng)器一個(gè)數(shù)學(xué)模型通常都相當(dāng)復(fù)雜 ,因此要制造一個(gè)困難的一種實(shí)用的多相反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)室。所示的介紹中 ,一種很好的選擇用于學(xué)術(shù)用途是考慮多相生物反應(yīng)器。這些系統(tǒng)還相當(dāng)類似 ,除了漿反應(yīng)器固體顆粒是由微生物而不是固體催化劑顆粒。在多相生物反應(yīng) ,可能很危險(xiǎn)認(rèn)為 ,在外部物質(zhì)的傳輸?shù)难?(和對(duì)固體表面工件不重要 ,因?yàn)?flocs(微生物 )的濃度非常 高。 此外 ,內(nèi)部物質(zhì)的傳輸效果是可以忽略不計(jì)的 ， 因?yàn)榉磻?yīng)主要在 液體 表面。 根據(jù) Henze 孫俐。 3、控制中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)活性污泥工藝是氧氣吸收進(jìn)入的速度液相色譜與生化反應(yīng)速率。為了氧氣吸收的過程模型率 (資產(chǎn) ),(t) 證明用于表達(dá) : 表一 :實(shí)驗(yàn)進(jìn)度 實(shí)驗(yàn)型曝氣器的操作條件 1 表面曝氣器轉(zhuǎn)速 :1300每分鐘轉(zhuǎn)速 2 表面曝氣器轉(zhuǎn)速 :800每分鐘轉(zhuǎn)速 3 曝氣增氧機(jī)粗氣泡。 最大空氣流動(dòng)速度 4 曝氣 增氧機(jī)細(xì)氣泡。最大空氣流動(dòng)速度 在這個(gè)方程式中 , 傳遞系數(shù)質(zhì)量和 價(jià)值取決于類型的曝氣器和上了過程操作條件下 , 濃度在實(shí)驗(yàn)的條件是氧飽和度 (這個(gè)因素取決于進(jìn)行濃度的污泥 ,介質(zhì)的鹽 7 度、溫度、壓力等 )。在這個(gè)參數(shù)實(shí)驗(yàn)的價(jià)值是假定常數(shù)。 這 生化反應(yīng)速率 可以獲得 (eq 2)加 快 耗氧速率由于微生物 (內(nèi)源性衰變過程 )基板的氧化率 考慮到這一事實(shí) ,正如前文所述 ,兩者都做外部和內(nèi)部質(zhì)是可以忽略不計(jì) ,整體 對(duì)一批質(zhì)量平衡混合生物反應(yīng)器可發(fā)展為 3中顯示的情商 。 在這樣 的情形不是 更多 外部基質(zhì) 這個(gè)詞 可以假設(shè)為零。此外 ,由于內(nèi)源性衰變率也可以假定固定的時(shí)間區(qū)間應(yīng)用 (3至 4小時(shí) ),它可以假定數(shù)值的 是不變的。因此 ,eq 3即可簡(jiǎn)化的 eq 4。 該方程用于描述動(dòng)態(tài)的變化研究了溶氧濃度的時(shí)候肖蘭的性能。當(dāng)整個(gè)曝氣器是不工作 ,氧氣吸收速率接近于零 ,因?yàn)?是 從大氣中最小量是通過混合系統(tǒng) ,其效果是考慮的術(shù)語 這 術(shù)語 將氧傳質(zhì)。一個(gè)用一個(gè)類似的意義參數(shù) (盡管學(xué)生更容易理解 )是標(biāo)準(zhǔn)的氧化能力 (SOC),其定義是由 eq6。 8 這個(gè)參數(shù) ,給出了最大氧轉(zhuǎn)移率 (gO2 / s)為給定類型的曝氣器和操作條件。系統(tǒng)的效率是由一種曝氣器 eq 7,在 W 是電源消耗 (在瓦 )。 操作規(guī)程 第 一 部分。測(cè)定微生物的呼吸率 。 把油箱灌滿與活性污泥 (這很容易獲得任何城市污水廠 )。打開壓縮機(jī)和保持直到氧曝氣飽和度是取得了 (7到 8毫克 /升 )。關(guān)掉壓縮機(jī)混合使用和維護(hù)的液泵。氧氣濃度會(huì)降低到零。 (在進(jìn)行測(cè)量時(shí)間間隔 1分鐘 )的溶解氧的隨時(shí)間變化 ,直到要么是濃度為 1至 2毫克 /升 )達(dá)到或者最大實(shí)驗(yàn)時(shí)間已被用完 ,但 10分鐘。這些數(shù)據(jù)將后來的研究中使用該系統(tǒng)。 第二部分。測(cè)定不同 充氣機(jī) 的效率 。 在這一階段的效率 ,不同 充氣機(jī) 在不同的條件下 ,進(jìn)行了研究。關(guān)掉任何曝氣混合系統(tǒng)和維護(hù)使用液下泵。允許系統(tǒng)達(dá)到氧濃度約為 6毫克 /升。開關(guān) 充氣機(jī) (之一的操作條件其中顯示于表格 1)和測(cè)量氧氣在濃度隨時(shí)間變化的時(shí)間間隔 (5秒 ),直到穩(wěn)態(tài)條件表達(dá)式。測(cè)量功率的消耗。這些數(shù)據(jù)應(yīng)該被保存以供將來使用。重復(fù)這個(gè)過程為每個(gè)曝氣器系統(tǒng)。我們建議實(shí)驗(yàn)時(shí)間表表 1規(guī)定的數(shù)值被執(zhí)行。 注意安全！ 活性 污泥法可以包含一些病原微生物 ；因此 ,我們建議使用乳液或其他塑料手套 ,避免衛(wèi)生問題。污泥用于會(huì)眾可以被處理的實(shí)驗(yàn)室中沉沒。這些按照建議預(yù)防措施提出了建議以水環(huán)境聯(lián)合會(huì)杯 4,一個(gè)著名的 作家 ,作品在國內(nèi)外廢水處理領(lǐng)域的權(quán)威 。不過 ,我們已經(jīng)用了四年與這個(gè)大會(huì)超過 100名學(xué)生 ,并且在這段經(jīng)歷 ,我們也沒有有經(jīng)驗(yàn)的任何問題。 實(shí)驗(yàn)計(jì)算 9 效率確定每種類型的曝氣器和操作條件的影響。計(jì)算是使用微軟 Excel 軟件進(jìn)行試算表 (如果在 7.0支撐材料 )。詳細(xì)描述的使用這個(gè)電子表格的試驗(yàn)計(jì)算也是提供的證明材料 (微軟 PowerPoint 文件 ) 在本質(zhì)上 ,計(jì)算過程包括評(píng)估參數(shù)的質(zhì)量平衡 (微分 eqs 4及 5)擬合實(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)得到的裝配這些方程式。利用微分方程進(jìn)行了求解歐拉一階連續(xù)屬性離散化方法 (見附件 ), 表 2。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的實(shí)驗(yàn) (立即給予例子 )。第 1部分 :測(cè)定微生物的呼吸率 表 3。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的實(shí)驗(yàn) (立即給予例子 )。第二部分 :測(cè)定的 Aerator1效率 10 圖 5。模擬實(shí)驗(yàn)與溶解氧數(shù)學(xué)擬合濃度之前。給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 表 2。猜測(cè)值的 rend-dec 用于仿真是 0.001毫克 /升 s。 該算法是很容易實(shí)現(xiàn)在一個(gè)工作表。一個(gè)最小二乘 回歸方法是用于調(diào)整價(jià)值參數(shù)。在該方法中 ,誤差的平方之和 (社經(jīng)地位 ,)功能 (eq 8),仿真和實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較價(jià)值觀的溶解氧濃度、最小量是通過改變參數(shù) / s 調(diào)整一下。 作為一個(gè)例子 ,表 2和 3顯示一些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)在實(shí)驗(yàn)室獲得一個(gè)先前的實(shí)驗(yàn)。 圖 6。實(shí)驗(yàn)與 modeleled 溶解氧 concentration.數(shù)學(xué)擬合后。給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 表 2。計(jì)算值 rend-dec 0.000714 毫克 /升 )是 s。 11 在 從數(shù)據(jù)中可以計(jì)算出在表 2(哪個(gè)對(duì)應(yīng)于第 1 部分的操作程序 )和均衡 5。在要實(shí)現(xiàn)這 一計(jì)算 ,學(xué)生必須 設(shè) 一個(gè)初始任意值 （一個(gè)值接近 0.001 是 )使用了優(yōu)化算法來確定的正確的價(jià)值 (后 計(jì)算的值 0.000714毫克 /升 )得到s)。 5和 6顯示數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)隨時(shí)間變化 ,兩者之前之后 ,也就是由社經(jīng)地位的最小化。它可以被觀察到模型是非常敏感的 ,因?yàn)榇筮@個(gè)參數(shù)當(dāng)使用差異可以觀察到一個(gè)錯(cuò)誤的值的 此外 可以看出 ,正確的使用價(jià)值 導(dǎo)致兩組數(shù)據(jù)匹配偉大的搜索性能 ,提出了一種情況 ,表明了適用性假設(shè)所用的模型中所描述的理論基礎(chǔ)部分。 為了確定的值 和 為每個(gè)曝氣器系統(tǒng)中 ,數(shù)據(jù)來自于表 3(對(duì)應(yīng)于那些在第二部分獲得的操作程序 )、 eq4,獲得的價(jià)值 學(xué)生必須使用這必須值 和 系統(tǒng)的曝氣器 (價(jià)值觀的 0.01 s1和 8毫克 /升 )是代表兩個(gè) ),使用的參數(shù) ,分別優(yōu)化求解算法確定正確的價(jià)值觀 (后這兩個(gè)參數(shù)應(yīng)用該算法 ,0.0144 s 值 1和 6.85毫克 /升 )獲得隨訪 , 和 分別 )。數(shù)字第 7和第 8代表將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與模擬數(shù)據(jù)隨時(shí)間 ,兩者分別之前和之后的 () 應(yīng)用的優(yōu)化步驟。它可以被觀察到模型是非常敏感的參數(shù)值 ,所述以上時(shí) ,使用正確的價(jià)值取向?qū)γ總€(gè)參數(shù)提供了一個(gè)準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)匹配。再一次地 ,這個(gè)論證了該模型的適用 性假設(shè)中所討論的理論基礎(chǔ)部分。 12 圖 7 .模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)擬合溶氧 concentration.之前。給出了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表 3。猜測(cè)用于仿真是 0.01毫克 /升 )的 s。猜測(cè) 用于仿真 :8毫克 /升 圖 8 模擬實(shí)驗(yàn)和數(shù)學(xué)擬合后的溶解氧濃度。計(jì)算 的值是 0.0144 mg/L s. ，計(jì)算的值是 6.85 mg/L. 13 各種類型增氧機(jī) 圖 9 .曝氣器的效率在不同的系統(tǒng)使用的實(shí)驗(yàn)裝置。 一旦形參的值 ,計(jì)算了該增氧機(jī)、價(jià)值 SOC 和 運(yùn)用 eqs 可以計(jì)算出第 6和第 7條。 本程序?yàn)槊總€(gè)曝氣器必須重復(fù)直到數(shù)學(xué)處理的數(shù)據(jù)是完整的 獲得的價(jià)值 必須相似為所有的實(shí)驗(yàn)都不管增氧機(jī)使用的類型。圖 9所示為例 ,所得結(jié)果對(duì)不同曝氣器系統(tǒng)用于我們的實(shí)驗(yàn)裝置。 結(jié)論 在這里我們描述了一個(gè)簡(jiǎn)單的裝置 ,研究了天然氣的色散對(duì)影響生物反應(yīng)器的性能 ,已被多相聚集在我們的機(jī)構(gòu)。學(xué)生的理解來解釋多相反應(yīng)器 ,以前的課堂教學(xué)中 ,增加是因?yàn)檫@些簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)。學(xué)生的目標(biāo)是評(píng)價(jià)哪一個(gè)是最有效的在中控室內(nèi)把氧氣運(yùn)送到系統(tǒng)。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo) ,學(xué)生必須監(jiān)督溶解氧隨時(shí)間 ,合適的結(jié)果數(shù)據(jù)到一個(gè)報(bào)道的數(shù)學(xué)模型。分析的結(jié)果數(shù)據(jù)將 允許的確定價(jià)值的效率 (定義為標(biāo)準(zhǔn)的氧化能力每瓦特的功率消耗 )的每一曝氣器系統(tǒng)。 術(shù)語 溶解氧濃度在時(shí)間 t。 14 氧飽和濃度 質(zhì)量傳遞系數(shù) 氧氣吸收速度 凈生化反應(yīng)速率 由于微生物耗氧速率的死亡 由于耗氧速率的氧化作用的 基體上 。 總和平方誤差 。 氧化能力標(biāo)準(zhǔn) V 反應(yīng)器容量 W 能量功耗 曝氣器系統(tǒng)的效率 附錄 eqs 進(jìn)行了分析計(jì)算的目的 ,3號(hào)和 4號(hào)必須由歐拉方程離散一階的方法。因此 ,鑑別術(shù)語轉(zhuǎn)化如下 3號(hào)和 4號(hào) ,以便 eqs 被轉(zhuǎn)換成 eqs 10號(hào)機(jī)和 11號(hào)機(jī) 15 該遞歸方程可以很容易地輸入一個(gè)表格 (見支持材料 )；因此 ,學(xué)生可以解決的的微分方程 ,采用這種方法。為了盡量減少數(shù)學(xué)錯(cuò)誤 ,整合步驟 (t) 必須非常小。我們通常推薦值設(shè)為 1,s。使用此值的誤差很小給代表的