废水生物处理》第四章悬浮生长式系统模型
37页1、废水生物处理废水生物处理东南大学研究生课程东南大学研究生课程 主讲:李先宁主讲:李先宁 数学模型的首要功能是将复杂系统简化、用最少的方程项进行描述,以便于运用,帮助我们理解系统如何响应条件的变化。一般,数学模型并不能够对系统进行完全性的描述,但是,如果谨慎选择工程,模型响应能定性地与真实系统比较。第四章第四章 悬浮生长式系统模型悬浮生长式系统模型 我们采用的模型是以质量、动量和能量的转换为根底的过程传递模型。这些模型根本上是属于现象类型的,因为其速率表达式只是以根本形式描述了反响的根本机理。这些模型是经验性的,因为模型应用的最终检验是通过实际观测和经验而不是凭根本原理推导。4.1 4.1 微生物系统模型微生物系统模型 第四章第四章 悬浮生长式系统模型悬浮生长式系统模型 对模型和速率表达式所做的简化性假设:对模型和速率表达式所做的简化性假设:1 1、一个反响器系统中指定种类微生物的所有个体都相同。、一个反响器系统中指定种类微生物的所有个体都相同。2 2、随机现象可以忽略,亦即细胞之间的任何随机型差异都可以不、随机现象可以忽略,亦即细胞之间的任何随机型差异都可以不予考虑。予考虑。3 3、每
2、个微生物功能组别例如,好氧异养菌、自养菌等中,所、每个微生物功能组别例如,好氧异养菌、自养菌等中,所有的微生物都被看做属于同一个种类。有的微生物都被看做属于同一个种类。4 4、在一个微生物种类之中不考虑其个体,亦即我们关注的是微生、在一个微生物种类之中不考虑其个体,亦即我们关注的是微生物群整体。物群整体。5 5、悬浮生长式反响器的反响是均匀进行的,尽管反响器中的微生、悬浮生长式反响器的反响是均匀进行的,尽管反响器中的微生物会有不同的生长阶段。物会有不同的生长阶段。第四章第四章 悬浮生长式系统模型悬浮生长式系统模型 4.1 4.1 微生物系统模型微生物系统模型 传质模型基于质量、动量和能量的守恒。但是,对于大多数悬浮生长式生物反响器模型,只需要质量平衡。质量平衡方程:单位:质量/时间 物质在限定体积内净累积速率=限定体积的输入速率 -限定体积的输出速率 +限定体积的净生成速率 可简化为:累积=输入-输出+生成4.2 4.2 质量平衡方程质量平衡方程 第四章第四章 悬浮生长式系统模型悬浮生长式系统模型 4.3.1 4.3.1 理想式反响器理想式反响器 4.3.2 4.3.2 非理想式反响器
3、非理想式反响器第四章第四章 悬浮生长式系统模型悬浮生长式系统模型 4.3 4.3 反响器类型反响器类型 连续搅拌式反响器CSTR,又称为连续流搅拌式反响器CFSTR,反混式反响器,完全混合式反响器。4.3.1 4.3.1 理想式反响器理想式反响器 连续搅拌式反响器连续搅拌式反响器CSTRCSTR 图图图图4-14-1连续搅拌式反响器连续搅拌式反响器连续搅拌式反响器连续搅拌式反响器CSTRCSTR 第四章第四章 悬浮生长式系统模型悬浮生长式系统模型 从反响器中各点采集的样品具有同样的组成,反响器出从反响器中各点采集的样品具有同样的组成,反响器出水成分与反响器内相同。水成分与反响器内相同。将质量平衡方程用于反响器全部体积中的反响物,得:将质量平衡方程用于反响器全部体积中的反响物,得:式中,式中,F0 F0 进水的体积流量;进水的体积流量;F F 出水的体积流量;出水的体积流量;CA0 CA0 在进水中的浓度;在进水中的浓度;CA CA 在出水或反响器中的浓度。在出水或反响器中的浓度。第四章第四章 悬浮生长式系统模型悬浮生长式系统模型 4.3.1 4.3.1 理想式反响器理想式反响器 连续搅
4、拌式反响器连续搅拌式反响器CSTRCSTR 假定假定F0F0F F,如果进水流量和浓度恒定,那么反响器通常会处,如果进水流量和浓度恒定,那么反响器通常会处于稳态,那么方程于稳态,那么方程 可简化为:可简化为:方程说明方程说明A A进入或排出反响器的质量流量的差值是由于进入或排出反响器的质量流量的差值是由于A A在反在反响器中生成所引起。响器中生成所引起。如果被消耗,那么如果被消耗,那么CACA将小于将小于CA0CA0,生成速率是负值。,生成速率是负值。第四章第四章 悬浮生长式系统模型悬浮生长式系统模型 4.3.1 4.3.1 理想式反响器理想式反响器 连续搅拌式反响器连续搅拌式反响器CSTRCSTR 稳态质量平衡方程的用途:稳态质量平衡方程的用途:1 1、因为它可以计算的生成速率,所以可用于获得实验速率表达式。、因为它可以计算的生成速率,所以可用于获得实验速率表达式。2 2、如果知道反响速率,那么可以获得到达一定出水浓度所需要的反、如果知道反响速率,那么可以获得到达一定出水浓度所需要的反响器体积,即:响器体积,即:3 3、计算反响器体积所能处理的流量,即:、计算反响器体积所能处理的流量
5、,即:第四章第四章 悬浮生长式系统模型悬浮生长式系统模型 4.3.1 4.3.1 理想式反响器理想式反响器 连续搅拌式反响器连续搅拌式反响器CSTRCSTR 推流式反响器推流式反响器PFRPFR,也称为管式或活塞流反响器,也称为管式或活塞流反响器 假定其内部流动形态沿反响器径向的流速和物质浓度都是均假定其内部流动形态沿反响器径向的流速和物质浓度都是均匀分布,没有轴向的扩散混合,每一流体单元都按照相对的顺序匀分布,没有轴向的扩散混合,每一流体单元都按照相对的顺序与其他流体单元流过反响器。反响物和产物的浓度只是随着轴向与其他流体单元流过反响器。反响物和产物的浓度只是随着轴向距离而变化。距离而变化。图图图图4-24-2推流式反响器推流式反响器推流式反响器推流式反响器PFRPFR第四章第四章 悬浮生长式系统模型悬浮生长式系统模型 4.3.1 4.3.1 理想式反响器理想式反响器 推流式反响器推流式反响器 选取微体积元V,其中浓度均匀。反响物在微体积元中的质量平衡为 式中,式中,ACAC反响器截面积;反响器截面积;X X 距反响器进口的距离;距反响器进口的距离;X X 反响器微体积元的长度;反响
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