氧化沟:第二章反应器基础

在氧化沟技术中,研究反应器基础,以进一步认识氧化沟这种反应器的特征,这对氧化沟的设计、运行管理和技术的进一步发展是十分必要的。

所有废水生物处理过程都是在由特定边界限定的容器内发生的,通常称这种工作容器为反应器。反应器是化工生产过程的名词,它是化工生产的最核心部分。在水处理方面引入反应器理论,推动了水处理工艺技术的发展。反应器理论已经成为污水处理技术设计的理论基础,其核心是研究反应速率的反应动力学,涉及反应器的水力特性,即反应物在反应器内的流动和混合状态等。推流(Plug Flow)和完全混合(CSTR)是反应器水力特性的两种极端情况,此外是弥散流。反应器的水力特性直接影响反应动力学特征,反应器的水力特性不仅与能量投入有关,还与池型特征有关。反应动力学可以用来预测反应结果,是计算反应器容积的基础。

反应器最为根本的目的是要反应器内的液体搅动起来,使器内液体产生反应达到反应结果。这就要求反应器内的液体充分地混合、流动。而混合搅拌的功率密度、表曝机的提升力、转刷单位长度的混合搅拌容积等,这些都是需要知道的重要参数,在这方面至今还是依靠经验。依靠经验设计,能量投入过高造成浪费,投入过低则混合搅动不起来,满足不了工艺要求、造成死角或者造成反应物的沉积。另一重要方面就是氧化沟活性污泥中微生物生命活动及生物化学反应规律,因为起核心净化作用的是微生物细菌,通过反应器内微生物的生命活动才能达到净化污水的目的。

2.1反应器的反应速率与反应级数

1.反应速率

常用的反应速率表示方法如下:如果在液体容积V中的组分A由于反应在dt时间内所产生的物质的量变化为时,组分A的反应速率则可以表示为:
                                                    (2-1)

 

其中表示组分A的摩尔数,因此得

                                                                                                             (2-2)

式中 为反应物A的反应速率,[物质的量]×[容积]-1×[时间]-1;CA为组分A的浓度,[物质的量]×[容积]-1

2.反应级数

就某一指定的化合物而言,反应级数等于该化合物的化学计量系数。例如,在下面的反应中,化合物A的反应级数为,化合物B的反应级数为等,以此类推。

                                                                    aA+bB→pP+qQ+…                                                                              (2-3)

通过试验,如果得出速率与A浓度的一次方成比例(即=1),则可说,关于A的反应为一级反应。在反应过程的机理尚不了解的情况下,式(2-3)的反应速率可用下面的表达式进行估计

                                                                                                                                                                                                                                     (2-4)

式中分别为反应物A和B的反应级数,是总反应级数(n=a+b+…),也就是说反应物浓度的幂次总和即为该反应的反应级数。下面将分别讨论不同类型的反应。

(1)零级反应

零级反应即反应速率与任何反应物浓度无关的反应。

                                                                                                                                                                                                                                     (2-5)

式中 为反应物A的衰减速率,[物质的量]×[容积]-1×[时间]-1;k为反应速率常数,[摩尔]×[容积]-1×[时间]-1

如果以C来表示任意时刻t时反应物A的浓度,那么,可将速率方程表达为

                                                                                                                                                                                                                                                      (2-6)

式中  为反应物A的浓度随时间的变化速率,负号表示反应物A浓度随时间减少;如果给出的是正号,则表示浓度随时间增加;k为反应速率常数,[物质的量]×[容积]-1×[时间]-1

在活性污泥法中,当底物极其丰富时,微生物增长速率与底物浓度无关,对底物呈零级反应。这种方法在活性污泥培养中经常使用,若污水处理厂管理者希望建成的曝气池或氧化沟尽早投入运行,则可采用投加足量的粪便污水以增加营养的办法使活性污泥尽快培养出来。

(2)一级反应

即反应进行的速率只与某一种反应物的浓度有关。由于反应速率取决于反应物浓度,而反应物浓度又随时间而变化,所以与零级反应不同,一级反应的反应物浓度随时间的变化在普通坐标图上得不到线性结果。

如果反应物A的衰减速率遵守一级反应动力学,则反应物A的衰减速率由以下速率方程表示

                                                                                                                                                                                                                                                                          (2-7)

式中  为反应物A的浓度随时间的变化速率,[质量]×[容积]-1×[时间]-1;C为反应物A在任意时间t的浓度,[质量]×[容积]-1,k为反应速率常数,[时间]-1

在活性污泥法中,当底物不丰富时,微生物增长速率与底物浓度有关,对底物呈一级反应。对于城市污水,当有机物浓度不高时就是这种情况。

(3)二级反应

二级反应即反应进行的速率与反应物浓度的二次方成正比的反应。对于二级反应

                                                                                                                                                                                                                                         (2-8)

式中 C为反应物A在任意时间t的浓度,[质量]×[容积]-1;t为反应时间,[时间];k为反应速率常数,[容积]×[质量]-1×[时间]-1

国内试验表明,在兼性负荷条件下,氧化塘内有机物降解到一定程度时,就转变为二级反应。

2.1.3反应级数的确定

通常根据双对数法来确定反应级数。

一般情况下,两端取对数

                                                                                                                                                                                                          (2-9)

于是可以通过试验,整理试验结果来求反应级数,见图2.1

图2.1反应级数的确定

在活性污泥法中,实际发生的反应常为零级、一级反应,故也可以根据实验数据先假定该反应的级数,然后根据相应的结果作图,看哪种假设与实验数据最为吻合,便可确定出其级数。后面的活性污泥法反应动力学理论分析中,可以清楚知道发生的零级或一级反应的情况。

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