膜生物反应器污水处理及膜污染过程的数学模拟与研究

【摘要】：膜生物反应器(MBR)利用膜分离装置代替传统的二沉池，实现了固液的有效分离，被视为最具发展潜力和应用前景的污水处理新工艺之一。然而膜污染是限制MBR进一步商业化应用的瓶颈问题，如何减缓膜污染问题是目前膜技术研究的热点。本文借助数学模拟手段，解析了关键膜污染物溶解性微生物产物(SMP)在MBR中的生成代谢途径及其组分的膜污染潜能，实现了MBR系统生物处理过程及泥饼层对污染物截留行为的模拟，探明了不同形态活性污泥的胞外聚合物(EPS)-膜体系XDLVO的相互作用能，研发了污泥形态学参数图像分析技术，构建了膜孔污染与膜面泥饼层污染的分析模型，弥补了MBR在数值模拟方面研究的不足。 本研究结合序批实验及数学模拟手段分析SMP的生成代谢途径，发现微生物利用底物产生的溶解性产物(UAP)和微生物死亡产生的溶解性产物(BAP)均具有生物可降解性，但其数均分子量(M_n)均高于20kDa而无法被微生物直接利用，在此基础上提出了基于生成-水解-利用途径的SMP生成代谢模型。针对SMP污染问题，利用膜过滤实验分析了BAP和UAP的过滤性能，BAP和UAP的MFI-UF指数分别为4.37×10~3和1.63×10~4s/L~2；结合BAP和UAP的过滤模式分别符合泥饼层过滤型(R~2=0.988)和完全堵塞型(R~2=0.997)，表明微生物利用底物产生的UAP更容易引起膜污染。因此，控制MBR适宜的操作条件，降低UAP的生成量，可有效减缓由SMP引起的膜污染问题。 在传统ASM3模型基础上引入异养菌同时贮存利用有机底物机制和SMP生成代谢机制，构建了适用于MBR的扩展ASM3-SMP模型，其对MLSS，COD，SMP和S_(NO)均具有较好的预测能力，相关系数R~2值分别为0.83，0.51，0.58和0.74，标准偏差RMSE值分别为134.1mg/L，4.82mg/L，2.23mg/L和1.72mg/L。在此基础上，首次利用扩展傅立叶幅值敏感性测试(EFAST)算法对扩展ASM3-SMP模型进行敏感性和不确定性分析，得出随着SRT的延长输出值受参数主敏感度的影响逐渐增强且模型趋于线性化的结论。此外，依据质量守恒、受力平衡及一阶传递原理，构建了泥饼层形成及污染物在泥饼层-膜过滤过程中的截留模型，避免了采用固定截留系数值带来的模拟偏差，更为真实地模拟了MBR的膜出水水质。 在分析正常活性污泥(NS)和丝状菌膨胀污泥(BS)的膜污染特性基础上，研发了污泥絮体形态图像分析系统，构建了形态学参数与污泥指数(DSVI)的自回归历遍模型(ARX)，其中AR(或R)，EFLI/FAI和FF的组合是最佳输入参数，以[EFLI/FAI,FF, R]为输入参数时，ARX的预测值与实验值间的R_(adj)~2达到0.57-0.86，且延迟时间nk偏离零值。为分析NS与BS膜污染特性的差异，本论文进一步探讨了不同形态活性污泥的EPS-重构膜体系间的XDLVO作用能，EPS-膜系统总界面能U XDLVO123为负值，PVDF膜与BS-EPS的U_(123)~(XDLVO)具有相对较大的负值；此外膜表面的粗糙度极大地改变了EPS-膜体系间的相互作用能，相比于光滑膜面，NS-EPS和BS-EPS的膜临界通量分别降低了27.4%和58.2%，结果表明EPS-膜系统之间会发生自吸附行为，其中BS-EPS更容易引起膜污染。 由于膜污染划分为膜孔污染及膜面泥饼层污染，本文分别基于膜面泥饼层对污染物的截留构建膜孔污染模型以及基于质量守恒、受力平衡、塌缩效应构建膜面泥层污染模型。TMP变化的模拟结果与试验结果达到了良好的拟合度，证实了模型对膜污染过程预测的实用性。结合扩展ASM3-SMP模型及膜污染模型，考察系统运行参数对膜污染的影响并进行优化，结果表明通量是影响膜污染速率的最重要因素，水力停留时间的较优控制范围为7-9h，污泥停留时间的较优控制范围为20-40d，曝气量的较优控制范围为1.2-1.8m~3/h。 【关键词】：膜污染 数学模拟 溶解性微生物产物 扩展ASM3-SMP模型 污泥形态学参数
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2012
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要4-6
• ABSTRACT6-9
• 目录9-17
• 索引17-24
• 第1章 绪论24-45
• 1.1 课题背景24-26
• 1.2 膜生物处理技术的现状及挑战26-30
• 1.2.1 膜生物技术的发展历程26-27
• 1.2.2 膜生物反应器的分类及特点27-28
• 1.2.3 膜生物处理技术的发展机遇28-30
• 1.3 膜生物处理技术膜污染过程研究进展30-37
• 1.3.1 膜污染特点30
• 1.3.2 膜污染过程主要影响因素30-37
• 1.4 膜生物反应器污水处理及膜污染过程模拟的研究进展37-42
• 1.4.1 活性污泥模型37-38
• 1.4.2 膜生物处理技术生物处理过程模拟38-40
• 1.4.3 膜污染过程模型40-42
• 1.5 课题研究意义与内容42-45
• 1.5.1 课题研究意义42-43
• 1.5.2 课题来源43
• 1.5.3 课题研究内容43-45
• 第2章 实验及分析方法45-59
• 2.1 实验装置构成及主要运行参数45
• 2.2 SMP 生成代谢序批试验45-46
• 2.3 污泥混合液膜污染特性试验46-47
• 2.3.1 SMP 膜污染特性试验46-47
• 2.3.2 EPS 膜污染特性试验47
• 2.4 分析方法47-58
• 2.4.1 常规水质及污泥浓度分析47-48
• 2.4.2 SMP 和 EPS 分析48-50
• 2.4.3 污泥混合液分析50
• 2.4.4 扩展 ASM3-SMP 模型参数测定50-57
• 2.4.5 膜污染阻力测定57
• 2.4.6 临界通量测定57-58
• 2.5 模拟环境的选择58-59
• 第3章 溶解性微生物产物膜污染特性及生成代谢机制研究59-83
• 3.1 引言59
• 3.2 微生物降解基质及代谢过程中 SMP 性质研究59-66
• 3.2.1 SMP 组成成分与含量分析59-61
• 3.2.2 UAP 和 BAP 生成代谢中 EEM 分析61-63
• 3.2.3 UAP 和 BAP 生成代谢中 FTIR 分析63-64
• 3.2.4 UAP 和 BAP 生成代谢中分子量分布64-66
• 3.3 UAP/BAP 过滤特性研究66-74
• 3.3.1 UAP、BAP 以及 SMP 的过滤行为66-68
• 3.3.2 UAP 和 BAP 过滤前后 EEM 分析68-70
• 3.3.3 UAP 和 BAP 过滤前后分子量分布70-71
• 3.3.4 膜面污染物的 ATR-FTIR 分析71-73
• 3.3.5 膜表面的 AFM 观测73-74
• 3.4 UAP/BAP 污染过程模拟74-76
• 3.4.1 堵塞过滤模型74-75
• 3.4.2 UAP/BAP 过滤过程模拟75-76
• 3.5 SMP 生成代谢模型的建立76-82
• 3.5.1 参数估计及置信区间计算77
• 3.5.2 BAP 生成代谢模型的构建77-78
• 3.5.3 异养菌利用基质 UAP 生成代谢模型的构建78-80
• 3.5.4 自养菌利用基质 UAP 生成代谢模型的构建80
• 3.5.5 操作条件对 SMP 形成影响的分析80-82
• 3.6 本章小结82-83
• 第4章 基于扩展 ASM3-SMP 的 MBR 中营养物质降解过程的模拟研究83-115
• 4.1 引言83
• 4.2 MBR 生物处理过程及泥饼层过滤作用联合模型的构建83-90
• 4.2.1 MBR 扩展 ASM3-SMP 模型的构建83-85
• 4.2.2 MBR 泥饼层-滤膜过滤模型构建85-89
• 4.2.3 MBR 生物处理过程及泥饼层过滤作用联合模型的计算89-90
• 4.3 MBR 联合模型参数测定结果分析90-93
• 4.4 MBR 扩展 ASM3-SMP 模型的敏感性及不确定性分析93-109
• 4.4.1 基于扩展 FAST 算法的全局敏感性分析94-96
• 4.4.2 敏感性分析参数分布范围的确定96-100
• 4.4.3 MBR 扩展 ASM3-SMP 模型全局敏感性分析结果及探讨100-104
• 4.4.4 MBR 扩展 ASM3-SMP 模型不确定分析及评估104-108
• 4.4.5 MBR 扩展 ASM3-SMP 模型不确定性分析结果及参数校正108-109
• 4.5 MBR 污染物生物降解过程模拟结果与分析109-111
• 4.6 MBR 膜面泥饼层-滤膜对污染物截留过滤模拟结果与分析111-113
• 4.7 本章小结113-115
• 第5章 活性污泥丝状菌膨胀对膜污染的影响以及 EPS-滤膜间作用能分析115-141
• 5.1 引言115
• 5.2 丝状菌膨胀对膜污染的影响115-120
• 5.3 不同活性污泥形态的 EPS 膜吸附污染特征研究120-132
• 5.3.1 EPS 膜吸附污染的实验研究120-122
• 5.3.2 EPS-滤膜间 XDLVO 作用能计算122-124
• 5.3.3 重构膜表面形态表征124-125
• 5.3.4 滤膜表面及 EPS 热力学性质分析125-128
• 5.3.5 EPS-重构膜之间 XDLVO 能谱分析128-132
• 5.4 MBR 中污泥形态图像分析及自回归历遍预测模型的构建132-139
• 5.4.1 MBR 中污泥形态图像分析132-134
• 5.4.2 自回归历遍模型的构建134-135
• 5.4.3 基于图像分析技术的污泥形态参数分析及 ARX 模型的建立135-139
• 5.5 本章小结139-141
• 第6章 MBR 膜污染过程模拟及控制条件的优化141-163
• 6.1 引言141
• 6.2 MBR 膜污染模型的建立141-148
• 6.2.1 MBR 膜孔污染阻力模型141-142
• 6.2.2 MBR 膜面泥层污染阻力模型142-147
• 6.2.3 MBR 膜污染模型参数的确定147-148
• 6.3 MBR 膜污染模型模拟值与实验值的对比148-150
• 6.4 MBR 膜面泥饼层污染过程模拟研究150-156
• 6.4.1 泥饼层塌缩效应及絮体孔隙的区分对泥饼层比阻的影响研究150-152
• 6.4.2 泥饼层污染模型中不同d a、 J 对 realinter和intra的影响研究152-154
• 6.4.3 泥饼层污染模型中不同 df 与 s对 cake的影响研究154-156
• 6.5 MBR 膜孔堵塞过程模拟研究156-157
• 6.6 MBR 运行参数对膜污染的影响与优化157-161
• 6.7 本章小结161-163
• 结论163-165
• 参考文献165-184
• 攻读博士学位期间发表的论文及其它成果184-186
• 致谢186-187
• 个人简历187

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