膜生物反應(yīng)器污水處理及膜污染過程的數(shù)學(xué)模擬與研究.pdf

1、膜生物反應(yīng)器(MBR)利用膜分離裝置代替?zhèn)鹘y(tǒng)的二沉池,實(shí)現(xiàn)了固液的有效分離,被視為最具發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景的污水處理新工藝之一。然而膜污染是限制MBR進(jìn)一步商業(yè)化應(yīng)用的瓶頸問題,如何減緩膜污染問題是目前膜技術(shù)研究的熱點(diǎn)。本文借助數(shù)學(xué)模擬手段,解析了關(guān)鍵膜污染物溶解性微生物產(chǎn)物(SMP)在MBR中的生成代謝途徑及其組分的膜污染潛能,實(shí)現(xiàn)了MBR系統(tǒng)生物處理過程及泥餅層對(duì)污染物截留行為的模擬,探明了不同形態(tài)活性污泥的胞外聚合物(EPS)-膜體

2、系XDLVO的相互作用能,研發(fā)了污泥形態(tài)學(xué)參數(shù)圖像分析技術(shù),構(gòu)建了膜孔污染與膜面泥餅層污染的分析模型,彌補(bǔ)了MBR在數(shù)值模擬方面研究的不足。
　　本研究結(jié)合序批實(shí)驗(yàn)及數(shù)學(xué)模擬手段分析SMP的生成代謝途徑,發(fā)現(xiàn)微生物利用底物產(chǎn)生的溶解性產(chǎn)物(UAP)和微生物死亡產(chǎn)生的溶解性產(chǎn)物(BAP)均具有生物可降解性,但其數(shù)均分子量(Mn)均高于20kDa而無法被微生物直接利用,在此基礎(chǔ)上提出了基于生成-水解-利用途徑的SMP生成代謝模型。針對(duì)

3、SMP污染問題,利用膜過濾實(shí)驗(yàn)分析了BAP和UAP的過濾性能,BAP和UAP的MFI-UF指數(shù)分別為4.37×103和1.63×104s/L2;結(jié)合BAP和UAP的過濾模式分別符合泥餅層過濾型(R2=0.988)和完全堵塞型(R2=0.997),表明微生物利用底物產(chǎn)生的UAP更容易引起膜污染。因此,控制MBR適宜的操作條件,降低UAP的生成量,可有效減緩由SMP引起的膜污染問題。
　　在傳統(tǒng)ASM3模型基礎(chǔ)上引入異養(yǎng)菌同時(shí)貯存利用

4、有機(jī)底物機(jī)制和SMP生成代謝機(jī)制,構(gòu)建了適用于MBR的擴(kuò)展ASM3-SMP模型,其對(duì)MLSS,COD,SMP和SNO均具有較好的預(yù)測(cè)能力,相關(guān)系數(shù)R2值分別為0.83,0.51,0.58和0.74,標(biāo)準(zhǔn)偏差RMSE值分別為134.1mg/L,4.82mg/L,2.23mg/L和1.72mg/L。在此基礎(chǔ)上,首次利用擴(kuò)展傅立葉幅值敏感性測(cè)試(EFAST)算法對(duì)擴(kuò)展ASM3-SMP模型進(jìn)行敏感性和不確定性分析,得出隨著SRT的延長(zhǎng)輸出值受參

5、數(shù)主敏感度的影響逐漸增強(qiáng)且模型趨于線性化的結(jié)論。此外,依據(jù)質(zhì)量守恒、受力平衡及一階傳遞原理,構(gòu)建了泥餅層形成及污染物在泥餅層-膜過濾過程中的截留模型,避免了采用固定截留系數(shù)值帶來的模擬偏差,更為真實(shí)地模擬了MBR的膜出水水質(zhì)。
　　在分析正?；钚晕勰?NS)和絲狀菌膨脹污泥(BS)的膜污染特性基礎(chǔ)上,研發(fā)了污泥絮體形態(tài)圖像分析系統(tǒng),構(gòu)建了形態(tài)學(xué)參數(shù)與污泥指數(shù)(DSVI)的自回歸歷遍模型(ARX),其中AR(或R),EFLI/FAI

6、和FF的組合是最佳輸入?yún)?shù),以[EFLI/FAI,FF,R]為輸入?yún)?shù)時(shí),ARX的預(yù)測(cè)值與實(shí)驗(yàn)值間的2adjR達(dá)到0.57-0.86,且延遲時(shí)間nk偏離零值。為分析NS與BS膜污染特性的差異,本論文進(jìn)一步探討了不同形態(tài)活性污泥的EPS-重構(gòu)膜體系間的XDLVO作用能,EPS-膜系統(tǒng)總界面能123XDLVOU為負(fù)值,PVDF膜與BS-EPS的123XDLVOU具有相對(duì)較大的負(fù)值;此外膜表面的粗糙度極大地改變了EPS-膜體系間的相互作用能,

7、相比于光滑膜面,NS-EPS和BS-EPS的膜臨界通量分別降低了27.4％和58.2%,結(jié)果表明EPS-膜系統(tǒng)之間會(huì)發(fā)生自吸附行為,其中BS-EPS更容易引起膜污染。
　　由于膜污染劃分為膜孔污染及膜面泥餅層污染,本文分別基于膜面泥餅層對(duì)污染物的截留構(gòu)建膜孔污染模型以及基于質(zhì)量守恒、受力平衡、塌縮效應(yīng)構(gòu)建膜面泥層污染模型。TMP變化的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了良好的擬合度,證實(shí)了模型對(duì)膜污染過程預(yù)測(cè)的實(shí)用性。結(jié)合擴(kuò)展ASM3-SMP