膜生物反应器在污水处理中的非线性动力学研究

【摘要】： 在污水处理中,膜生物反应器的优势日益明显,但膜污染问题已经成为阻碍该工艺进一步推广的瓶颈。在三大类影响因素中,污泥混合液的特性对膜污染起到了主要的作用,因此对污泥混合液特性的研究已成为当前国内外研究膜污染问题的主要方向。本文从非线性动力学的角度出发,对活性污泥的稳定性以及膜生物反应器中胞外聚合物EPS和可溶性微生物产物SMP的形成机理进行了研究。在实验数据的基础上,通过数值模拟,证明了所建数学模型的正确性,并利用非线性动力学理论,对模型进行了稳定性分析。 在分析污泥稳定性中,通过简化传统的ASM1污泥模型提取出污泥和污水中底物的非线性动力学作用关系,建立了一个适用由于膜生物反应器的简化二维数学模型。通过修正原模型参数,该模型能够和实验数据吻合良好,证明了该模型的有效性。在此基础上从非线性动力学的角度对数学模型进行了有界性的验证和分析,从理论的角度给出了模型参数的选取范围。 在研究EPS和SMP生成机理中,根据质量守恒原理提出了一个新的解释EPS和SMP生成机理的数学模型,此模型结构简单,仅有底物、活性污泥、EPS和SMP四个组分,且参数确定工作量小,通过实验验证可知该模型能正确的模拟出膜生物反应器中的污泥生长和SMP形成的生物反应过程。 【关键词】：膜生物反应器 非线性 数学模型 稳定性 数值模拟
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2008
【分类号】：X703
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 前言8-9
• 第一章 绪论9-12
• 1.1 选题背景及意义9-10
• 1.2 研究现状10-11
• 1.2.1 膜生物反应器的研究现状10
• 1.2.2 膜生物反应器动力学模型的研究现状10-11
• 1.3 论文的研究内容与创新11
• 1.3.1 活性污泥稳定性的非线性分析11
• 1.3.2 SMP与EPS生成机理数学模型的建立及仿真11
• 1.4 论文的研究目的11-12
• 第二章 膜生物反应器与膜污染12-22
• 2.1 膜生物反应器12-17
• 2.1.1 膜生物反应器的历史12-13
• 2.1.2 膜生物反应器的分类13-15
• 2.1.3 膜生物反应器的优势15
• 2.1.4 膜生物反应器的局限性15-17
• 2.2 膜生物反应器的膜污染17-19
• 2.2.1 膜污染的影响因素17-18
• 2.2.2 膜污染形成过程18-19
• 2.3 料液内各组分对膜污染的影响19-22
• 2.3.1 污泥浓度19
• 2.3.2 胞外聚合物EPS19-20
• 2.3.3 可溶性微生物产物SMP20-21
• 2.3.4 其他影响组分21-22
• 第三章 料液组分浓度的测定22-29
• 3.1 实验装置22-23
• 3.2 实验运行条件23
• 3.3 实验用水23-24
• 3.4 主要分析项目与测定方法24-27
• 3.4.1 污泥浓度的测定24-25
• 3.4.2 总有机碳TOC的测定25-26
• 3.4.3 胞外聚合物EPS浓度的测定26
• 3.4.4 可溶性微生物产物SMP浓度的测定26-27
• 3.5 实验数据27-29
• 第四章 活性污泥的非线性动力学研究29-40
• 4.1 活性污泥模型29-32
• 4.1.1 活性污泥模型的研究现状29
• 4.1.2 ASM型活性污泥模型29-30
• 4.1.3 ASM1 型活性污泥模型30-32
• 4.1.4 Monod方程32
• 4.2 简化模型的建立32-34
• 4.2.1 与模型有关的假设与限定32-33
• 4.2.2 模型的建立33
• 4.2.3 变量及参数说明33
• 4.2.4 模型的物理意义33-34
• 4.3 模型的数值模拟34-36
• 4.3.1 模型的简化34
• 4.3.2 参数的选取34-35
• 4.3.3 数值模拟35-36
• 4.4 模型的理论分析36-39
• 4.4.1 模型的有界性验证36-37
• 4.4.2 模型的稳态分析37-39
• 4.5 本章小结39-40
• 第五章 SMP和EPS数学模型的建立及仿真40-49
• 5.1 SMP和EPS形成机理40-43
• 5.1.1 SMP与EPS的统一理论40-41
• 5.1.2 基于“统一理论”的SMP与EPS生长模型41-43
• 5.1.3 原有模型的局限43
• 5.2 改进模型的建立43-45
• 5.2.1 前提假设43-44
• 5.2.2 改进模型的建立及参数说明44-45
• 5.2.3 模型的物理意义45
• 5.3 数值模拟45-47
• 5.3.1 参数的选择45
• 5.3.2 数值模拟45-47
• 5.4 本章小结47-49
• 第六章 总结与展望49-52
• 6.1 本文工作总结49-50
• 6.1.1 污泥简化模型49
• 6.1.2 EPS与SMP生成机理模型49
• 6.1.3 建议49-50
• 6.2 膜生物反应器数学模型的展望50-52
• 6.2.1 国内应用50
• 6.2.2 生物多样性50-51
• 6.2.3 利用数学模型对膜污染问题进行有效控制51-52
• 参考文献52-57
• 发表论文和参加科研情况说明57-58
• 致谢58

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