（工程力学专业论文）膜生物反应器在污水处理中的非线性动力学研究.pdf

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己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e p s 和可溶性微生物产物s m p 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a s m l 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e p s 和s m p 生成机理中，根据质量守恒原理提出了一个新的解释e p s 和s m p 生成机理的数学模型，此模型结构简单，仅有底物、活性污泥、e p s 和 s m p 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s m p 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 a b s t r a c t a d v a n t a g e so fm e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) a r ei n c r e a s i n g l yi ne v i d e n c ei n s e w a g et r e a t m e n t b u tt h ep r o b l e mo fm e m b r a n ep o l l u t i o nh a sb e c o m eab o t t l e n e c k b l o c k i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h et e c h n i c s i nt h et h r e ek i n d so fi m p a c t t h e c h a r a c t e r i s t i co fs l u d g eh a sp l a y e da l li m p o r t a n tr o l ei nm e m b r a n e p o l l u t i o na n dh a s b e e nt h em a i na s p e c to fr e s e a r c hi nm e m b r a n e p o l l u t i o n i nt h i sp a p e r , at w od i m e n s i o nm a t h e m a t i c a lm o d e lw h i c hi s a p p l i c a b l ef o r m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) w a sp r o p o s e db y s i m p l i f y i n gt h ed y n a m i c a lr e l a t i o i l si n a s m1a c t i v es l u d g em o d e l w i t hs o m en e w p a r a m e t e rc o m b 血a t i o n s 。t h es i i r m l a t i o n r e s u l t sf i tt h et e s t i n gd a t aw e l l ，s ot h ea c c u r a c yo ft h i sm o d e lw a sp r o v e d t h e nt h e b o u n d e d n e s sa n dt h es t a b i l i t yo ft h i sm o d e lw a sa n a l y z e di nt h ev i e wo fn o n l i i l e a r d y n a m i c s ，a n dt h ec h o i c er e g i o no f t h ep a r a m e t e r sw a s g a i n e d 也e o r e t i c a l l v 1 1 1t h er e s e a r c ho f t h e o r yo ft h eb u i l d i n go fe p sa n ds m p ，o n en e wm a t l l 锄a t i c a l m o d e lw a sp r o p o s e dt oe x p l a i nt h er e l a t i o n s h i p sa m o n gb e t w e e ns o l u b l e1 1 1 i c r c i b i a l p r o d u c ta n de x t r ac e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e si nm b r t h i sm o d e lh a sas i m p l e s t r u c t u r ew i t ho n l yf o u r v a r i a b l e s ：o r i g i n a ls u b s t r a t e ，a c t i v eb i o m a s s s o l u b l e m i c r o b i a lp r o d u c ta n de x t r ac e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s w i t ha s e to fp a r a m e t e r s m o d e lo u t p u t sc a p t u r ea l lt r e n d so b s e r v e di nt h ee x p e r i m e n t k e y w o r d s m e m b r a n eb i o r e a c t o r ( m b r ) ，n o n l i n e a r ，m a t l l e m a t i c a l m o d e l ，s t a b i l i t y ，n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 前言 刖吾 目前，世界水资源的匮乏已越发严重，水资源的循环利用也是各国科学家积 极研究的一个重要科研领域，而污水处理则是水资源循环利用中的一个关键环 节。污水处理的方法主要有常规沉淀方法以及膜生物过滤方法，其中膜生物反应 器法( r ，m e m b r a n eb i o r e a c t o r ) 应用较为广泛。膜分离生物反应器是一种集 膜过滤和生物处理于一体的新型高效的生物处理技术。同常规好氧生物处理法相 比具有污泥浓度高、污泥龄长、容积负荷高、出水水质好及占地面积小等优点， 这使其在污水处理领域有着广阔的应用前景。然而，膜污染和目前高昂的投资费 用是影响膜生物反应器进一步推广应用的主要因素。随着材料科学技术的发展， 膜材料和膜组件的费用会逐步降低，但今后膜污染却依旧是是阻碍该工艺进一步 推广及应用的瓶颈，所以对膜污染问题的研究是具有现实意义和经济价值的。 影响膜生物反应器膜污染的因素可划分为3 大类：膜组件( 如膜材料、膜孔 径和分布、膜组件的构造) 、操作条件( 如压力、错流速率和紊流) 、污泥混合 液特性。膜生物反应器处理污水不同于常规的膜过滤污水，因此，研究膜生物反 应器的膜污染机理，不仅需要考虑常规的膜污染过程，并且应充分考虑到混合悬 浮液的生物动力学特性及其与膜过滤的关系。活性污泥中的微生物在降解污染物 的同时也会释放出微生物次生级代谢产物，即：溶解性微生物产物( s o l u b l e m i c r o b i a lp r o d u c t ，s m p ) 及胞外聚合物( e x t r a c e l l u l a rp o l y m e r i cs u b s t a n c e s ，e p s ) 。 因此，污泥混合悬浮液中的胶体和可溶性物质是膜生物反应器膜污染的主要影响 因素，利用数学模型来研究它们之间的关系为分析膜污染提供了理论依据。 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：毽乃 签字日期：2 册寥年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权丕盗苤堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：乏万 签字日期：2 却多年月日 新签名：互【蔓讪 少 o 签字日期：沙扩年月 9 3 。 1 9 9 4 年，b r o o k s 等【19 j 用选择性高分子憎水性硅橡胶萃取式膜生物反应器，成功地 用于3 氯硝基苯化工废水处理研究；z a l o n m 2 0 】等用厌氧m b r 对处理含油废水进 行了研究。1 9 9 6 年，u r b r a i n 等1 2 l j 用m b 瞄行饮用水生产性的研究，去除饮用水 中的氮、有机物与杀虫剂，取得了良好的效果。进入2 1 世纪，膜生物反应器已被 广泛引用到污水处理当中，膜污染问题以及能耗问题已成为学者们研究的重点。 随着我国水污染和水短缺问题的加重，我国的膜生物反应器研究正加快发 展，1 9 9 7 年中国科学院生态环境研究中心开始了穿流式膜生物反应器的研究工 作，清华大学、同济大学、天津大学等高校开展了分离式m b r 和一体式m b r 的 研究；膜生物反应器的研究对象从生活污水扩展到石化污水、高浓度有机废水、 食品废水、啤酒废水、港口废水、印染废水；生物反应器从活性污泥法扩展到接 触氧化法；生物处理流程从好氧发展到厌氧，并且对不同污水的处理效果、系统 的稳定运行操作条件的优化进行了研究。目前膜生物反应器已有在大楼废水、生 活污水回用、医院废水处理的工程实例，但应用工程数量还较少。国产的专用膜 生物反应器的膜材料、膜组件虽然可以生产，但是数量上还十分有限，有待加快 研究和开发，以加快我国m b r 技术的应用与发展。 2 1 2 膜生物反应器的分类 膜生物反应器不断的发展，其含义也得到不断的拓展。k e i t hb r i n d l e 等将两 种通过膜来优化反应器的工艺也纳入膜生物反应器范畴：即无泡曝气( b u b b e l e s s a e r a t i o n ) m b r 和萃取( e x t r a c t i v e ) m b r 。膜分离生物反应器的膜组件相当于传 统生物处理系统中的二沉池，利用膜组件进行固液分离，在此进行固液分离，截 留的污泥回到生物反应器，渗透液被排走；无泡曝气膜生物反应器采用透气性膜， 对生物反应器进行无泡曝气；萃取膜生物反应器利用膜将有毒工业废水中的优先 污染物萃取后对其进行单独的生化处理。 通常所指的膜生物反应器，实际上是三类膜反应器的总称：即膜分离生物反 应器( b i o m a s ss e p a r a t i o nm e m b r a n eb i o r e a c t o r ，b s m b r ，简称m b r ) 、膜曝 气生物反应器( m e m b r a n ea e r a t i o nb i o r e a c t o r ，m a b r ) 、萃取膜生物反应器 第二章膜生物反应器与膜污染 ( e x t r a c t i v em e m b r a n eb i o r e a c t o r ，e r ) 。本文中所说的m b r 在一般情况下 指的是膜分离生物反应器。 另外，按照膜组件和生物反应器的相对位置，膜分离生物反应器又可以分为 一体式膜生物反应器、分置式膜生物反应器、复合式膜生物反应器三种。 进水 上 医习 d 膜组件 生物反应器 图1 1 一体式m b r 出水 一体式的m b r 中，不需要循环泵，抽吸泵的工作压力小，其能耗低于分置 式m b r 的能耗，但在运行稳定性、操作管理和清洗更换方面不及分置式。 进水 污泥回流 ll ：= ：_ 水泵水泵 生物反应器 厂一、，一、广 图1 2 分置式m b r 膜 出水 分置式m b r ，特点是运行稳定可靠、操作管理容易、膜组件易于清洗和更 换。但为了减少污染物在膜面的沉积，由循环泵提供的料液流速很高，因此动力 消耗较高。 进水 图1 - 3 复合式m b r 6 出水 第二章膜生物反应器与膜污染 复合式m b r 也属于一体式m b r 的一种，不同的是在反应器中安装填料， 其目的有二：一是提高处理系统的抗冲击负荷，保证系统的处理效果；二是降低 反应器中悬浮性活性污泥浓度，减小膜污染的程度，保证较高的膜通量。复合式 m b r 中，由于填料上附着大量活性微生物，能够保证系统具有较高的处理效果 并有抵抗冲击负荷的能力，同时又不会使反应器内悬浮污泥浓度过高，降低了对 膜通量影响。 2 1 3 膜生物反应器的优势 膜生物反应器技术具有许多传统污水处理技术无法比拟的明显优势2 2 1 ，主要 优点有： 1 工艺流程短，占地省，小型化系统的放置场所不受限制。在轻巧、小型的 装置中，生物处理机能和膜分离机能被一体化，省去了二沉池，占地面积缩小， 只有生物处理法的一半。 2 用膜组件取代二次沉淀池可以使生物反应器获得比普通活性污泥法更高 的生物浓度，提高了生物降解能力，处理效果好，出水b o d 5 、氮、磷和悬浮固 体浓度很低，不含细菌，病毒、寄生虫卵等，出水符合三级处理标准，可直接回 收或补充地下水。 3 膜分离单元不受污泥膨胀等到因素的影响，易于设计成自动控制系统，便 于管理。 4 可以使污泥龄和水力停留时间完全分开，使运行控制更灵活、稳定。通过 控制较长的污泥龄，使世代时间较长的硝化菌得以富集，提高硝化效果；同时膜 分离也使废水中那些大分子颗粒状难降解的成分在生物反应器中有足够的停留 时间，从而达到较高的去除率。 总之，m b r 工艺所具有的优越性是其它工艺无法比拟的，特别是在高浓度 难降解有机废水和污水回用上具有独特的优势。加上m b r 工艺在国外的成熟运 用和快速推广，我国也紧跟形势，正加大对m b r 处理工艺的基础研究，为我国 的m b r 工艺早日大规模运用到实际工程中提供理论基础。 2 1 4 膜生物反应器的局限性 膜生物反应器的广泛应用不仅取决于自身技术的可行性，还取决于其经济的 可行性，表1 1 比较了不同流量下m r 和传统活性污泥法( c o n v e m i o na c t i v a t e d ， c a s ) 污水厂的费用。 第二章膜生物反应器与膜污染 由表1 1 可以看出：在设计流量为2 7 5 0 人口当量时，c a s 污水厂比m b r 污 水厂的总基建建设费用高出6 0 ，而当设计流量为3 7 5 0 0 人口当量时，c a s 污水 厂总基建建设费用仅为m b r 的5 4 。由处理成本可见，m b r 的能耗比c a s 高， 高能耗的主要原因首先是m b r 分离过程必须保持一定的膜驱动压力；其次是 m b r 工艺中m l s s ( 1 l 曝气池污泥混合液所含干污泥的质量，即污泥浓度) 高， 水中氧的传质效果差，所以m b r i 艺采用加大曝气量的方式来改善这一状况， 由此造成能耗偏高；更重要的是膜污染使得膜通量降低，为了维持稳定的膜通量， 需提高膜表面的流速，冲刷膜面，减小膜污染。1 9 9 7 年c o t e 报告一体式m b r 能 耗为o 3 k w l l m 3 ，其中0 2 8 k w m 3 为曝气能耗。大量研究数据表明，在一 体式m b r 运行过程中，曝气能耗占总能耗的8 0 以上。 由比较可知，与c a s 相比，m b r 存在一个最大经济流量。就目前的研究结 果来看，膜污染问题仍没有得到彻底的解决，这就极大地限制了m b r 在实际工 程中的应用。此外，由于m b r 系统通常需要专门的泵为膜组件提供膜分离所需 要的压力，反应器内污泥浓度较高，要满足对膜面的冲刷作用就需要采用较大的 曝气量，因此，通常能耗较高。尤其是对于分体式m b r 系统，其每立方米出水 的能耗甚至高达普通生物处理的十倍以上，这也限制了m b r 系统的推广。 第二章膜生物反应器与膜污染 2 2 膜生物反应器的膜污染 广义的膜污染不仅包括由于不可逆的吸附、堵塞引起的膜污染( 不可逆污 染) ，还包括由于可逆的浓差极化导致凝胶层的形成( 可逆的污染) 。二者共同 作用造成了运行过程中膜通量的衰减 2 4 】。 2 2 1 膜污染的影响因素 膜污染指的是与膜接触的料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子因为与膜存 在物理、化学或机械作用，在膜面或膜孔内吸附、沉积，造成膜孔经变小或堵塞， 使膜产生通透流量与分离特性不可逆变化的现象【2 5 1 。浓差极化和膜污染都能引起 模性能的变化，使膜的使用性能变坏，而膜的污染是膜通量和分离性能下降的主 要原因。因此，目前水处理工作者的主要精力放在研究不可逆污染方面。 在m b r 中，膜处于有机物、无机物及微生物等组成的复杂的混合液中，特 别是生物细胞具有活性，有着比物理过程、化学过程更为复杂的生物化学反应过 程，因此膜污染是一个很复杂的过程，其机理目前尚不完全清楚。 从污染物的位置来划分，膜污染分为膜附着层污染和膜堵塞。在附着层中， 发现有悬浮物、胶体物质及微生物形成的滤饼层，溶解性有机物浓缩后粘附的凝 胶层，溶解性无机物形成的水垢层。膜堵塞是由于上述料液中的溶质浓缩、结晶 及沉淀致使膜孔产生不同程度的堵塞。 从污染物的性质可分为有机物、无机物和颗粒污染物。m b r 内膜污染和膜 通量下降与活性污泥混合液的构成密切相关。胞外聚合物、溶解性有机物和微粒 胶体等对此都有影响。 影响m b r 膜污染的因素可划分为3 大类：膜组件( 如膜材料、膜孔径和分 布、膜组件的构造) 、操作条件( 如压力、错流速率和紊流) 、污泥混合液特性。 这三方面互相影响，互相制约( 见图1 6 ) 。膜生物反应器的膜污染防治问题涉 及到化学、物理学、水力学、材料学和工程学等多个学科，问题的解决需要各个 学科相互借鉴和深入研究。 9 第二章膜生物反应器与膜污染 2 2 2 膜污染形成过程 图1 - 6 膜污染的影响因素 膜污染过程一般可分为两个阶段：形成生物膜、造成膜生物污染。几乎所有 高分子材料都会被细菌吸附从而进行生长和繁殖，即使是表面自由能很低的憎水 性材料也会被细菌吸附，用于污水处理的高分子膜当然也不例外。特别是在强化 传递过程以增强生物降解效果的膜生物反应器中，微生物和膜面的接触也同时得 到了强化，使得细菌很容易吸附到膜面上形成生物膜，并进一步生长、繁殖形成 生物污垢。形成生物膜的细菌由于自身代谢和聚合作用产生大量的e p s ，他们将 粘附在膜面上的细胞体包裹起来，形成粘度很高的水合凝胶层，进一步增强了污 垢与膜的结合力。 根据不同的膜对微生物表现出不同的生物亲和性，膜污染过程大体可分为4 个阶段【z 6 j ： 1 聚糖脂、腐殖质和其他微生物代谢产物等大分子物质在膜面上吸附，形成 一层生物膜，为微生物的生存提供了前提条件： 2 进水微生物中粘附速度快的细胞形成初期粘附过程。这一阶段是生物膜的 初期发展阶段，此阶段生物膜生长缓慢； 3 由于后续大量菌种的粘附，特别是e p s 的形成，加剧了微生物的繁殖和群 集： 1 0 第二章膜生物反应器与膜污染 4 生物膜的生长和脱出达到平衡，生物膜趋于稳定，由于生物污染造成了膜 的不可逆堵塞，导致过滤阻力上升，膜通量下降。 2 3 料液内各组分对膜污染的影响 膜污染是由膜和活性污泥混合液中污染物质共同作用的结果。污泥混合液的 组成包括营养基质、微生物细胞、细胞碎片以及微生物代谢物，如e p s 等。这 些污染物由固体大颗粒、小颗粒、胶体、有机大分子、小分子和溶解性物质等组 成，成份复杂多变，特别是其中的微生物具有生物活性，因此膜污染是一个复杂 的生物化学过程。 2 3 1 污泥浓度 膜生物反应器的一个重要特点就是利用膜分离的高度浓缩性能可以大大提 高生物反应器内的污泥浓度，从而提高反应器内有机物的处理能力，减少生物反 应器的容积。与传统生物工艺相比，膜生物反应器可以维持较高的污泥浓度。其 浓度大小受有机负荷的制约，有机负荷小，m b r 中污泥浓度也会很大，有机负 荷大，污泥浓度相应升高，但在实际操作中，在进水水质、膜分离操作条件和膜 面积一定的条件下，有机负荷受水力停留时间的限制，而水力停留时间受膜的水 通量影响，所以，有机负荷的提高是有限的，相应的污泥浓度不会无限升高。因 此生物反应器处理能力必须与膜组件的处理能力相匹配。同时从膜分离角度看， 也不允许污泥浓度无限升高，因为污泥浓度过高，流体的水力学特征会发生突变， 粘度急剧升高，膜表面的浓度极化现象异常严重，膜水通量显著降低，甚至出现 堵塞现象。污泥浓度一直被认为与膜污染有直接关系。k y a m m a m o t o 等【2 7 研究 认为，在一体式m b r 中，m l s s 质量浓度超过4 0 0 0 0 m g l 时，膜通量就会急剧下 降。 好氧m b r 的污泥浓度一般在3 0 0 0 3 1 0 0 0 m g l 之l n - j 2 8 】。当污泥浓度过高时， 料液粘度就成为导致膜通量下降的主要因素。t u e d a 2 9 】发现粘度的增加导致抽吸 压力急剧上升，最终结果可以导致m b r 系统停止运行。 2 3 2 胞外聚合物e p s 胞外聚合物成份复杂，包括多糖、蛋白质、核酸、类脂等高分子化合物。它 是微生物细胞分泌的粘性物质，成为含水凝聚基质将微生物粘结在一起，对于污 泥絮体的形成具有重要的作用。 第二章膜生物反应器与膜污染 近年来的许多研究认为e p s 是膜污染众多因素中最重的生物因素【3 0 1 。膜的生 物污染造成的直接后果就是膜通量降低，从而引起操作压力的上升，增加了系统 的能耗。但是膜通量的下降并不是线性的，而是初期的时候下降迅速，随后逐渐 下降缓慢，最终稳定在较低的水平。其主要原因是因为，在运行初期细菌的粘附 和大量繁殖，以及e p s 的累积使得生物污染层的生长处于绝对优势，因而导致膜 通量下降明显。随着系统的运行，污垢层的生长和脱落渐渐达到动态平衡，因此 膜通量的变化较小。最后，由于大量的污染层覆盖在膜表面上，使得膜通量只能 维持在较低的水平。尽管目前还很难从分子角度去解释生物污染对膜通量的影 响，也没有建立生物污染层物化特性( 膜厚度、粗糙度、微生物组成、e p s 结构、 含水量等) 和膜通量之间的数学模型，但学者们普遍认为，膜通量的下降主要是 粘附在膜面上的细菌和e p s 共同作用的结果。 此外，e p s 还可以与膜相互渗入，并与膜以化学键的形式紧密地胶联在一起， 从而改变膜的透水性和渗透性。这样的交互作用，严重阻碍了污水向膜面的对流 传递，既导致了膜通量的下降，又削弱了水力剪切力对污染层的脱除作用。 m c d o n o g h 等【3 l j 在没有改变污泥层厚度的情况下，通过对e p s 结构的改性实现了 通量的恢复。这既证明了e p s 是引起膜通量下降的重要因素，同时也提供了一种 恢复膜通量的重要方法。e p s 的累积还增加了膜表面附近溶液的粘度，粘度的上 升将会直接影响膜表面液体的流动状况，减弱了湍流传质效果，进而加剧了膜表 面的浓差极化，引起传质推动力下降，从而造成了膜通量的降低，并遏制了水力 剪切力对污染层的脱除作用。 j u n g g o o c h o i 等t 3 2 j 研究发现，当发生污泥膨胀时膜的污染更为严重，原因是 丝状细菌比菌胶团细菌产生更多的e p s ，并且丝状细菌比正常污泥含有较多的类 脂类物质。 2 3 3 可溶性微生物产物s m p 溶解性物质对于膜的内部和外部污染均有贡献，外部污染主要以浓差极化的 形式出现。k i s h i g u r o 掣3 3 1 对于超滤膜处理污水的实验研究发现膜通量j 与溶解性 有机碳之间存在下面的关系，式( 1 1 ) ： j = a + 6 l o g ( c 1 ( 1 一1 ) 式中：口，6 经验常数； c 溶解有机碳质量浓度。 膜的高效截留作用也使m b r 成为一个对微生物来说相对封闭的系统，伴随 着污水生物处理过程而产生的部分溶解性微生物产物s m p 有可能被膜截留，在 m b r 中累积，从而对料液的可滤性产生影响。 第二章膜生物反应器与膜污染 s m p 是造成膜污染的主要原因之一，造成膜污染的s m p 可分为两大类：一类 是数千分子量的肽类，另一类是数百万分子量的多糖、蛋白质类，这些均主要来 源于微生物的代谢过程。肽类有机物主要吸附于膜孔内，造成膜孔堵塞：多糖、 蛋白质类主要吸附于膜表面，形成凝胶层。目前，s m p 对膜污染的影响越来越引 起人们的重视【3 4 1 ，许多科学家发现，分置式膜生物反应器中，循环泵产生的剪切 力对污泥絮体有较强的破坏作用，致使污泥絮体释放出大量的s m p 等溶解性物 质，从而加重了膜污染，大大增加了膜的过滤阻力。s a t o 和i s h i l 3 5 】对分置式m b r 处理粪便污水过程中产生的活性污泥进行y d , 型过滤实验，指出溶解性有机物浓 度是造成膜污染的重要因素之一，其对膜过滤阻力的影响可用式( 1 2 ) 表示： r = 8 4 2 7 p ( s s ) o 9 2 6 ( c o d ) 1 3 6 8 o 3 2 6 ( 1 - 2 ) 式中：r 膜过滤阻力，m 。1 p 操作压力，p a 嬲混合液悬浮固体浓度，m g l c 溶解性c o d 浓度，m g l 活性污泥混合液粘度，p a s 一体式膜生物反应器中由于膜面错流流速较小，因此s m p 对膜污染的影响往 往不如分置式膜生物反应器明显。但是当s m p 在反应器中因累积而达到较高的浓 度时，也有可能造成比较严重的膜污染【3 6 】；其中，污泥内源呼吸和细胞解体过程 中产生的s m p 中，高分子物质的含量较高，在反应器内更容易累积，因而更有可 能成为膜污染的来源 3 7 】。 2 3 4 其他影响组分 污泥颗粒大小以及分布对料液的可滤性也有较大影响，一般颗粒尺寸越小， 向膜面的净迁移速度就越大，颗粒越易在膜面沉积，形成的沉积层也越致密，透 水性降低，因此，颗粒尺寸过小将加剧膜污染。 第三章料液组分浓度的测定 3 1 实验装置 第三章料液组分浓度的测定 本实验的实验装置为一台膜生物反应器，反应器外壳材质为u p v c ，曝气池 有效容积为1 0 l ，膜组件浸没在污泥混合液中，实验装置见图3 1 。 卜+ 8 1 进水箱2 平衡水箱3 一膜组件4 穿孔曝气管5 真空表6 曝气泵7 气体流量计8 蠕动泵 图3 1m b r 工艺流程图 反应器外型尺寸为：反应器高o 6 5 m ，长0 4 1 m ，宽0 0 5 米。主要设备构成 如表3 - 1 ： 表3 1 主要设备型号表 1 4 鱼 第三章料液组分浓度的测定 表3 - 2 膜组件参数 孔径，p m0 1 o 2 膜面积，m 2 1 0 内外径，衄o 5 0 8纤维长度，1 1 1 1 1 14 0 0 比通量，l 1 1 m 2 m1 2组件尺寸( l b ) ，i n t o 4 5 0 3 5 0 + 比通量以2 0 。c 时单位面积单位压力下的流量为评价指标。 3 2 实验运行条件 实验接种污泥取白天津大学游泳馆中水处理站m b r 池，反应器接种污泥浓 度在3 0 0 m g l 左右，间歇驯化1 5 d 后连续进水运行。连续运行条件为：水力停 留时间( h r t ) 为5 h ，溶解氧( d o ) 为2 6 m g l 、p h 值为7 1 、水温为1 5 2 。c ；膜组件的抽歇时间为1 2 m i n 3 m i n ；反应器采用恒流出水方式，出水流量为 2 l l l 。 3 3 实验用水 本实验用水采用人工配水方式，通过调配成分来模拟城市生活废水c o d 浓 度，为模拟实际生活污水的发酵作用，将所配制污水放置3 天后使用，其组成见 表3 3 所示。 其中，化学需氧量( c o d ) 是指水体中易被强氧化剂( 如高锰酸钾、重铬酸 钾) 氧化的需氧污染物质被氧化时所消耗的氧气量，是水质监测分析中最常测定 的项目，是反映水质的重要综合指标之一。c o d 的数值越大，则水体污染越严重。 一般洁净饮用水的c o d 值为几至十几m g l 。 五日生物耗氧量( b o d 5 ) 是指水中的微生物可以降解的有机物被降解后消 耗的氧的量。但是生物完全降解有机物所需时间较长。为了规范和提高检测效率， 国家规定以5 日生物需氧量为说明水质的标准，即用生物降解水中有机物5 天所 消耗的氧的总量。 表3 - 3 人工配制有机污水组成及含量，m g l 成分浓度成分浓度 第三章料液组分浓度的测定 本试验人工配水的进水平均水质为c o d = 4 3 7 m g l ，b o d ! i - - - 2 1 7 m g l ，即进水 的底物浓度为4 3 7 c o d m g l 。 3 4 主要分析项目与测定方法 实验中测定项目及测定方法见表3 - 4 。 表3 4 分析项目及测定方法一览表 测试项目分析方法及检测仪器 曝气量 温度 溶解氧 污泥浓度 总有机碳 生物相 胞外聚合物( e p s ) 可溶性微生物产物 ( s m p ) 颗粒粒径分布 反应器内溶解性t o c 料液的分离 出水c o d 转子流量计 水银温度计 j p s j 6 0 5 型便携式溶氧仪 混合液过滤，1 0 5 c 烘干至恒重，光电天平称重例 t o c 测定仪 光学显微镜镜检 e d t a 提取法 3 9 1 ，以t o c 表征其浓度 污泥水洗离心法，以t o c 表征其浓度 f a m 激光颗粒测量仪 将料液离心过滤( 0 4 5p 膜) 后测定t o c 污泥混合液在离心率3 6 6 r s 下离心5 m i n ，得到悬浮液与 微生物絮体 标准重铬酸钾法【3 8 】 3 4 1 污泥浓度的测定 污泥浓度是指曝气池中污水和活性污泥混合后的混合液悬浮固体数量，单 位：m g l 。 实验仪器包括：光电天平、定量滤纸、烘箱、真空泵、扁嘴无齿镊子、实验 室其它常用仪器等。 测定步骤， 1 实验样品采集在干净的玻璃瓶内，采样之前用待采的水样清洗三次，然后 采集具有代表性的水样1 0 0 - - 2 0 0 m l ，盖严瓶塞。 2 用扁嘴无齿镊子夹取定量滤纸放于事先恒重的称量瓶内，移入烘箱中于 1 0 3 1 0 5 。c 烘干半小时后取出置于干燥器内冷却至室温，称其重量。反复烘干、 1 6 第三章料液组分浓度的测定 冷却、称量，直至两次称量的重量差0 2 m g ，记录( w 1 ) 。将恒重的滤纸放在 玻璃漏斗内。 3 用10 0 m l 量筒量取充分混合均匀的试样10 0 m l ，静止3 0 分钟后读取沉淀后 污泥所占的体积v ( m 1 ) 。 4 倒去上述量筒中清液，用准备好的滤纸进行过滤量筒中的污泥，并用少量 蒸馏水冲洗量筒，合并滤液。( 为提高过滤速度，应采用真空泵进行抽滤。) 将 载有污泥的滤纸放在原恒重的称量瓶里，移入烘箱中于1 0 3 1 0 5 下烘2 3 小 时后移入干燥器中，使冷却到室温，称其重量。反复烘干、冷却、称量，直至两 次称量的重量差0 4 m g 为止，记录( w 2 ) 。 5 计算污泥浓度 污泥浓度( m g l ) = ( w 2 一w 1 ) 1 0 6 1 0 0 3 4 2 总有机碳t o c 的测定 总有机碳( t o c ) ，是以碳的含量表示水体中有机物质总量的综合指标。由于 t o c 的测定采用燃烧法，因此能将有机物全部氧化，它h ：b o d 5 或c o d 更能直接 表示有机物的总量，因此常常被用来评价水体中有机物污染的程度。 实验仪器包括：非色散红外吸收t o c 分析仪、单笔记录仪或微机数据处理 系统、微量注射器( 5 0 0 u 1 ) 实验试剂：无二氧化碳蒸馏水、邻苯二甲酸氢钾、无水碳酸钠、碳酸氧钠、 有机碳标准贮备溶液、有机碳标准溶液、无机碳标准贮备液、无机碳标准溶液。 实验步骤： 1 按说明书调试t o c 分析仪及记录仪或微机数据读取系统。调试好后，仪器 通电预热2 h ，至红外分析仪的输出、记录仪上的基线趋于稳定。 2 用无二氧化碳蒸馏水稀释水样，至诸共存离子含量低于其干扰允许浓度后， 在进行分析。 3 进样，将用硫酸已酸化至p h 2 的约2 5 m l 水样移入5 0 m l 烧杯中，在磁 力搅拌器上剧烈搅拌数分钟，以除去无机碳。吸取2 0 0ul 经除去无机碳的水样 注入总碳燃烧管，测量记录仪上出现的吸收峰峰高。 4 按3 的步骤进行空白实验，用2 0 0ul 无二氧化碳水代替试样。 5 在每组六个5 0 m l 具塞比色管中，分别加入o 0 0 、2 5 0 、5 ：0 0 、1 0 0 0 、2 0 o o 、 5 0 0 0 m l 有机碳标准溶液、无机碳标准溶液，用蒸馏水稀释至标线，混匀。配制 成0 0 、5 0 、1 0 0 、2 0 0 、4 0 0 、1 0 0 0 m g l 的专机碳和无机碳标准系列溶液。然 后技3 的步骤操作。从测得的标淮系列溶液吸收峰峰高，减去空白试验吸收峰峰 第三章料液组分浓度的测定 高，得校止吸收峰峰高，由标准系列溶液浓度与对应的校正吸收峰峰高分别绘制 有机碳和无机碳校准曲线。 6 计算t o c 根据所测试样吸收峰峰高，减去空白实验吸收峰峰高的校正值，从校准曲线 上查得总碳( t c ，m g l ) 和无机碳( i c ，r a g l 3 值，总碳与无机碳之差值，即 为样品总有机碳( t o c ，m g l ) 的浓度：t o c ( m g l ) = t c ( m g l ) - - i c ( m g l ) 3 4 3 胞外聚合物e p s 浓度的测定 实验仪器包括：振荡器、离心机、生物膜( o 4 5um ) 、其他仪器设备参考t o c 测定实验。 实验试剂：浓硫酸、e d t a 溶液、冰乙酸、二苯胺、苯酚、氢氧化钠、碳酸 钠、硫酸铜、酒石酸、高氯酸、葡萄糖、乙醛。 实验操作： 1 向离心试管中加入待测样品5m l ，加入2 e d t a 标准溶液2 m l ，定容 至1 0m l 。 2 在2 0 条件下，将试样放入振荡器中，振荡萃取5h 。 3 取出样品，放入离心机，在转速为6 8 8 0 r m i n 下离心2 0m i n 。 4 将上清液用0 4 5l li t i 膜过滤，滤液即为分离得到的胞外聚合物e p s 。 5 测定t o c 以表征其浓度。 3 4 4 可溶性微生物产物s m p 浓度的测定 实验步骤： 1 实验时从m b r 反应器内取8 l 成熟污泥，进行多次淘洗。 2 把经过淘洗的污泥转移到本次试验的反应装置中( 实验装置如图3 - 2 所示) ， 加入无机营养盐及正丁醉。 3 密闭反应器并恒温搅拌，同时打开纯氧气球阀门，对反应器内污泥供氧。 4 定时从取样口取样，对样品进行离心操作( 同e p s 测定步骤) 。 5 将离心后的试样用孔径0 4 5um 膜进行过滤，最后测定滤出液t o c 以表征 其浓度。 第三章料液组分浓度的测定 实验装置： 3 5 实验数据 图3 2 测定s m p 实验装置 污泥浓度测定，每隔5 天采集数据一次，数据如表3 5 所示。 表3 5 污泥浓度测定数据表 天数051 0 1 52 02 53 03 54 04 55 0 污泥浓度 3 0 32 9 53 1 23 2 23 3 23 4 53 9 84 2 14 4 54 6 74 5 7 ( m g l ) e p s 浓度测定，每隔5 天采集数据一次，数据如表3 - 6 所示。 表3 - 6e p s 浓度测定数据表 1 9 第三章料液组分浓度的测定 s m p 浓度测定，每隔2 天采集数据一次，数据如表3 7 所示。 表3 7s m p 浓度测定数据表 天数24681 01 21 41 61 82 02 2 e p s 浓度 5 04 46 66 47 89 0 9 41 0 2 1 1 0 9 09 4 ( m 乩) 天数2 42 62 8 3 03 23 43 63 84 04 24 4 e p s 浓度 1 0 4 1 0 2 1 0 61 1 01 0 49 81 1 21 2 61 4 41 3 01 0 4 ( m g l ) 天数4 64 85 0 e p s 浓度 1 2 21 1 41 3 8 ( m g l ) 2 0 第四章活性污泥的非线性动力学研究 第四章活性污泥的非线性动力学研究 4 1 活性污泥模型 4 1 1 活性污泥模型的研究现状 活性污泥数学模型研究始于2 0 世纪5 0 年代，从8 0 年代开始，数学模型和 计算机技术在活性污泥法污水处理中的应用日趋活跃，其模型研究经历了从简单 拟合实验数据到采用经典的微生物生长动力学模型，进而根据污水生物处理过程 的特性进行过程动态分析、探索辨识建模的发展过程m 】，实现了从指导活性污泥 工艺设计，到研究活性污泥工艺的动态过程、系统的高效率低能耗运行的转变。 活性污泥数学模型从表示细胞生长动力学的m o n o d 方程 4 l j 出发，结合化工领 域的反应器理论与微生物学理论，对基质降解、微生物生长等各参数之间的数学 关系做定量描述。 传统的活性污泥模型研中具有代表性的有e c k e n f e l d e r a e 等基于挥发性悬浮 固体( v o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d ，v s s ) 积累速率经验公式提出的活性污泥模型、 m c k i n n e y l 4 3 】等基于活性污泥全混假设提出的活性污泥模型和l a w r e n c e 、 m c c a r t y l 4 4 1 等基于微生物生长动力学理论提出的活性污泥模型。但是，这些静 态模型只考虑了污水中含碳有机物的去除，并没有考虑氮磷的去除过程，不能解 释和描述污水生物处理中常见的有机物“快速去除”和出水中有机物浓度随进水 浓度变化的现象，也不能很好地预测实际观察中存在的有机物浓度增加时，微生 物增长速率变化的滞后效应。此外，m o n o d 方程并不能预测有机物浓度降低时活 性污泥过程的瞬变响应，因此，传统的活性污泥模型虽然参数求解和计算过程相 对简单，但无法精确地模拟污水处理中氧利用的动态变化，不能很好地描述活性 污泥系统的动态特性。 4 1 2a s m 型活性污泥模型 在众多的活性污泥数学模型中，由国际水协会( i n t e r n a t i o n a lw a t e r a s s o c i a t i o n ，i w a ) 推出的模型系列发展最为成熟，应用最为广泛。早在1 9 8 2 年，i w a 就成立了活性污泥法设计和操作数学模型攻关研究课题组，并于1 9 8 7 年推出活性污泥1 号模型a s m l t 4 5 1 ( a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 1 ) ，引起了强 烈的反响随着对活性污泥法机理研究的深入和污水分析测试水平及计算能力的 2 1 第四章活性污泥的非线性动力学研究 提高，i w ，a 于1 9 9 5 年推出了活性污泥2 号模型a s m 2l 4 ( a c t i v a t e ds l u d g em o d e l n o 2 ) 和活性污泥2 d 号模型a s m 2 d 4 6 1 ( a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 2 d ) ， 于1 9 9 8 年推出了活性污泥3 号模型a s m 3 【4 7 1 ( a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 3 ) 。 a s m 系列模型的推出，极大地推动了活性污泥数学模型的研究和应用。a s m 模 型推出十年多以来，广泛的应用于科研和实际工程中。 4 1 3a s m l 型活性污泥模型 1 9 7 5 年，a n d r e w s 【4 8 1 等提出了“存储一代谢机理，如图4 1 所示，认为在活 性污泥反应过程中，非溶解性有机物和部分溶解性有机物首先被生物絮体快速吸 附，以胞内贮存物x s t 0 的形式贮存，然后再被微生物利用。这一机理的引入，合 理解释了有机物的“快速去除现象，很好的预测了实际中观察到的底物浓度增 加时微生物增长速度变化的滞后现象。 非溶解性基质 坚堕：竺堡 贮存物质x s t o非溶解性基质_ 贮存物质 贮存 溶解性基质 图4 - 1 “贮存一代谢”机理示意图 1 9 8 7 年，m o g e n s 等在总结前人尤其是南非的m a r a i s 和d o l d 等人工作的基 础上，提出i w a 活性污泥1 号模型a s m l 。a s m l 采用了d o l d 等人提出的“死 亡一再生( d e a t h - - r e