（计算机应用技术专业论文）基于pebi网格求解器的mbr建模与仿真研究.pdf

学位论文主要创新点1 、本文深入剖析了m b r 处理高浓度难降解有机废水的降解机理、成机理及膜污染机理，通过综合分析各种因素，从数学模型入手，影响因素进行了详细研究，建立了合理优化的仿真数学模型。对各种m b r2 、从大量实验结果记录集中抽取样本，充分运用基于m a t l a b 非结构化网格特性与c 灵活高效的优势进行混合编程求解，对抽样数据进行了矩阵分析，并运用最小二乘法对数据进行了多项式拟合，求解出了合理的数学模型，并对实验进行了合理的预测，达到了指导实验的目的。膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r , m b r ) 是将膜分离技术与生物技术相结合并应用于污水处理领域的一项新兴技术。大量研究表明，m b r 的能耗问题主要是由膜污染问题造成的。因此，研究膜污染堵塞机理，确定膜阻力的大小，并用数学模型描述膜的污染成为目前膜生物反应器工艺需要研究解决的关键问题之一，得到了国内外许多学者的重视。本文结合中国纺织工业协会项目( 2 0 0 8 0 6 2 ) 及国家自然科学基金课题( 5 0 8 0 8 1 3 0 ) ，深入分析新工艺处理废水过程中难降解有机物的降解机理、中间产物生成机理及膜污染机理，通过综合分析各种因素，重点研究了对膜污染起关键性作用的c o d 去除率及混合液悬浮固体( m l s s ) 关系。本文首先从理论上对m b r 微生物过程、膜传质过程、膜浓差极化、膜污染机理、膜污染过程等m b r 机理进行深入剖析，总结了各因素对m b r 污水处理过程的影响，在此基础上，综合研究了膜几何结构模型、流体力学模型、膜过滤阻力模型，并将这些模型进一步的分解细化，从数学模型入手，对各种m b r 影响因素进行了详细研究，力求从各种模型中抽象出影响膜污染的数学本质，建立合理优化的仿真数学模型。通过对实验结果的分析，从中抽取样本数据，并充分运用基于m a t l a b 非结构化网格特性与c j f j 进行混合编程优势，对实验结果抽样数据进行矩阵分析，建立膜生物反应器中c o d 去除率与m l s s 关系模型并进行求解，最后对实验进行合理地预测，以实现指导实验的目标。关键词：膜生物反应器；m a t l a b 混合编程；m b r 数学模型；模型仿真m b r ，c o m b i n i n gm e m b r a n es e p a r a t i o nt e c h n o l o g yw i t hb i o t e c h n 0 1 0 9 y i sa n锄e r 目n gt e c h n o l o g yw h i c hi sa p p l i e di nt h ef i e l do fs e w a g et r e a t m e n t al a r g en u m b e ro fs t u d i e sh a v es h o w nt h a tt h ee n e r g y - c o n s u m i n gp r o b l e mi sm a i n l vc a u s e db ym e m b r a n ep o l l u t i o n ，w h i c hh a sl e dt oad e c l i n ei nm 哪b 啪en u xa n di n c r e a s e dt h ef r e q u e n c yo fc l e a n i n ga n dr e p l a c e m e n to fm e m b r a n em o d u l e s t h e r e f o r e ，i ti so n eo ft h ek e yp r o b l e m s ，w h i c hm e m b r a n eb i o r e a c t o rn e e d st os o l v e ，t os t u d yt h ep l u g g i n gm e c h a n i s mo fm e m b r a n ep o l l u t i o n ，t od e t e r m i n et h es i z eo ft h em e n l b r a n er e s i s t a n c ea n dt od e s c r i b et h em e m b r a n ef o u l i n gb yu s i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l i th a sa t t r a c t e dt h ea t t e n t i o no fm a n ys c h o l a r sa th o m ea n da b i 0 a d w i t ht h et o p i co fn a t i o n a ln a t u r a ls c i e n c ef o u n d a t i o n ( 5 0 8 0 813 0 ) ，t h i sp a p e rt a k e sd e e pa n a l y s i so ft h ed e g r a d a t i o nm e c h a n i s mo ft h er e f r a c t o r yo r g a n i c s ，i n t e r m e d i a t ef o r m a t i o nm e c h a n i s ma n dm e m b r a n ef o u l i n gm e c h a n i s m t h r o u g lc o m p r e h e n s i v ea n a l y s i so fv a r i o u sf a c t o r s ，i tf o c u s e so nt h ec o dd i s l o d g i n gr a t ea n dt h er e l a t i o n s h i po f m i x e dl i q u o rs u s p e n d e ds o l i d s ( m l s s ) i nt h i sp a p e r , i td e e p l ya n a l y z e sf a c t o r ss u c ha st h em b rm i c r o b i a lp r o c e s s m e m b r a n em a s st r a n s f e rp r o c e s s ，m e m b r a n ec o n c e n t r a t i o np o l a r i z a t i o n ，m e m b r a n ef o u l i n gm e c h a n i s ma n dm e m b r a n ef o u l i n gp r o c e s s i ts u m m a r i z e st h ei n f l u e n c e so fv a r i o u sf a c t o r so nm b rs e w a g et r e a t m e n tp r o c e s s o nt h i sb a s i s ，ac o m p r e h e n s i v es t u d yh a sb e e nt a k e no u tt of o c u so nm e m b r a n eg e o m e t r ym o d e l ，h y d r o d y n a m i cm o d e la n dm e m b r a n ef i l t r a t i o nr e s i s t a n c em o d e l i tg i v e st h e s em o d e l sf u r t h e rd e c o m p o s i t i o nr e f i n e m e n t s t a r t i n gf r o mt h em a t h e m a t i c a lm o d e l ，i ts t l 】d i e sv a r i o u sf a c t o r so fm b r ，t r y i n gt oa b s t r a c tm a t h e m a t i c a ln a t u r ei n f l u e n c i n gt h em e m b r a n ef o u l i n g t h r o u g ht h ea n a l y s i so fe x p e r i m e n tr e s u l t s ，i te x t r a c t ss a m p l ed a t aa n dm a k e sf u l lu s eo fm a t l a b b a s e du n s t r u c t u r e dg r i d d i n gs p e c ia l t ya n dt h ea d v a n t a g eo fc m l x e dp r o g r a m m m ga n dm a k e sam a t r i xa n a l y s i so ft h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t st oe s t a b l i s har e l a t i o n a lm o d e lo fc o dd i s l o d g i n gr a t ea n dm l s sa sw e l la ss o l v e si t f i n a l l y ，i tr e a s o n a b l yp r e d i c t st h ee x p e r i m e n tt oa c h i e v et h eg o a lt og u i d ei t k e yw o r d s ：m e m b r a n eb i o r e a c t o r ；m a t l a b ；m b rm a t h e m a t i c a lm o d e l ：m o d e ls i m u la t i o n2 4 3 膜污染的影响因素1 72 4 4 膜污染过程的数学模型1 82 5 膜污染控制2 02 6 本章小结一2 1第三章m b r 数学模型研究2 33 1m b r 数学模型研究现状一2 33 2m b r 数学模型研究一2 43 2 1 膜几何结构模型2 43 2 2 流体力学模型2 53 2 3 流体力学渗透边模型一2 93 2 4 膜过滤阻力模型一313 3 本章小结3 7第四章m b r 仿真模型研究3 94 1 概述3 94 2m b r 仿真模型分析一4 14 2 1 仿真模型建立流程分析一4 14 2 2 仿真模型结构分析一4 34 3 建立m b r 仿真模型4 44 3 1 数据收集4 44 3 2 数据处理一4 64 3 3 建立模型一4 84 4 本章小结5 0第五章m b r 模型求解与预测5 15 1 概j 盎一5l5 2 模型求解一515 2 1 求解流程分析一515 2 2 求解过程5 25 3c o d 去除率与m l s s 数据关系预测一5 45 4 本章小结5 5第六章结论与展望5 7参考文献一5 9发表论文及科研情况一6 3附萄毛6 5致谢7 1第一章绪论1 1 膜生物反应器概述第一章绪论1 1 1 膜生物反应器国内外研究现状膜生物反应器( m e m b r a n eb i o r e a c t o r ，m b r ) 是将生物技术与膜分离技术相结合的污水处理系统，是一种强化的生物处理工艺，m b r 构想最早出现在酶制剂工业中。b l a t t 等人在1 9 6 5 年提出了运用膜分离技术进行微生物的浓缩，1 9 6 8年w a n g 等成功运用膜分离技术制取酶制剂，19 6 9 年真正将膜分离技术引入水处理工业，并与活性污泥法相联系。美国s m i t h 首次报道了用活性污泥法和超滤法结合的方法处理城市污水，并由d o f f - o l i v e ri n c 在1 9 6 9 年申请了美国专利。但直到1 9 8 5 年，膜生物反应器的研究基本上还处在基础研究阶段【lj 。目前，科学家对m b r 处理污水的各种影响因素如h r t 、s r t 、m l s s 、曝气量、氧和底物传质、微生物类型及e p s 等进行了大量研究【2 3 】，得出了不同结论。如绝大多数研究者认为h r t 对m l s s 等因素影响显著，是m b r 最重要的操作参数，但j a n g 等研究表明，s r t 及微生物性质对膜污染的影响比h r t 更为敏感【4 】；而r a h m a n 等在用m b r 处理石化废水时甚至得出h r t 对实验效果无明显影响的结论【5 1 。因而，在计算机模拟仿真过程中，有必要通过多种实验根据其特性对动力、能量和质量传递的对应参数进行详细研究，以利于对m b r 机理的深入研究。近年来，科学家们建立了包含系统几何尺寸、底物流体力学、膜通量、过滤阻抗( 含膜阻抗，孔模块，淤泥饼层，离散化粒子，生物膜，极化浓度) 的m b r过程理论及半经验数学模型，并进行了敏感度研究，讨论了膜过程不定参数、生物系统操作参数及m b r 内物理、化学、生物现象的交互作用1 6 j 。大量科学研究及实践表明：制约m b r 推广的主要因素是膜污染和反应器能耗【7 1 。c l e c h 等对近年来m b r 膜污染机理研究成果加以系统总结，分类分析了物理、化学、生物、操作条件等影响因素，简要归纳了膜污染机理及缓解膜污染这一瓶颈问题的措施。m e n g 等【8 】从污泥形态及曝气影响的角度分析了膜污染机理，认为丝状菌和e p s 都是膜污染的主要原因，曝气量彳、= 论大小均对膜渗透性有负面影l 向。l i 等桫j建立了曝气剪切力影响下膜表而生物种群1 及附、脱附的动力学数学模型，并认为过滤通量变化是造成滤饼沉积和污染最重要因素，其次足活性污泥粘度及浓度，天津工业人学学位论文曝气对控制膜污染也很重要。滤饼堆积带来的膜污染可通过减小污泥浓度，提高曝气量，减小过滤通量来实现。1 1 2 膜生物反应器工艺设计1 1 2 1 膜生物反应器的分类膜生物反应器通常可以分为三类：膜分离生物反应器( m e m b r a n es e p a r a t i o nb i o r e a c t o r , 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 ) 和萃取膜生物反应器( 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 m b r ) 1 0 】。其中，膜分离生物反应器用于污水处理中的固液分离工艺；膜曝气生物反应器中膜被用于气体质量传递，通常是为好氧供氧工艺，可以实现生物反应器的无泡曝气，大大提高反应器的供氧效率；萃取膜生物反应器主要用于工业废水中优先污染物的处理，选择性透过膜被用于萃取特定的污染物。目前已进行大量研究并投入大规模实际应用的只有膜分离生物反应器，本课题研究的膜生物反应器属于第一类。如无特殊说明，本文以下均指膜分离生物反应器( m b r ) 。m b r 具有许多其他污水处理方法所不具备的优点，商业应用发展迅速。8 0年代中期建成的m b r 系统已超过5 0 0 套，同时许多工程正在计划建设中。日本的m b r 工程约占世界总量的6 6 左右，其余主要分布在北美和欧洲等地。亚洲的中国和新加坡已经建设完成的多个大型地m b r 系统【l 。膜分离生物反应器的分类方法有多种。按照膜组件的放置方式可为分置式膜生物反应器、一体式膜生物反应器和复合式膜生物反应器。最先出现的是分置式膜生物反应器，生物反应器内的混合液经工艺泵增压后进入膜组件，在压力作用下混合液中的水透过膜成为处理水，其余物质被膜截留并随浓缩液回流到反应器内。总体上讲，分置式膜生物反应器具有运行稳定可靠、易于操作管理、膜的清洗更换和增设容易等优点。一体式膜生物反应器工艺是将膜组件直接安置在生物反应器中，通过工艺泵的负压抽吸作用得到膜过滤出水。由于膜浸没在反应器的混合液中，因此也称为浸没式或淹没式m b r 。同分置式相比，一体式m b r 具有工艺简单和运行费用低的优点，但一体式m b r 在运行稳定性、操作管理和膜的清洗更换等方面不及分置式膜生物反应器。一体式m b r 工艺是将膜组件直接安置在生物反应器中，通过工艺泵的负压抽i 吸作用得到膜过滤出水。由于膜浸没在反应器的混合液中，因此也称为浸没式或淹没式m b r 。同分置式相比，体式m b r 具有工艺简单和运行费用低的优点，但一体式m b r 在运行稳定性、操作管理和膜的清洗更换方面小及分置式膜生物反应器。按照生物反应器是否需氧可分为好氧和厌氧膜生物反应器。根据选用膜材料的不同，又可分为有机膜生物反应器与无机膜生物反应器。整理如表1 1 所示：2第一章绪论表l 一1m b r 的基本分类t a b l el lm b ro ft h eb a s i cc l a s s if i c a t i o n内容分类膜组件膜材料压力驱动形式生物反应器膜组件与生物反应器的组合形式管式、板框式、中空纤维式有机膜、无机膜外压式、抽吸式好氧、厌氧分置式、一体式其中，固液分离膜生物反应器是目前研究和应用最为广泛的一类膜生物反应器，按照膜组件的放置方式它可分为分置式膜生物反应器( 如图1 1 a ) 和一体式膜生物反应器( 如图1 1 b ) 两大类。循环泵图l l a 分置式膜生物反应器f i gl las p l i t - t y p em e m b r a n eb i o r e a c t o r图1 1 b 一体式膜生物反应器f i g1 1bs u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o r1 1 2 2 膜生物反应器的特点由于采用了膜组件来实现污水分离，膜生物反应器中的水力停留时间( h r t )3天津工业大学学位论文和污泥停留时间( s r t ) 不再相互影响，生物反应器中的污泥浓度可以大大高于传统活性污泥处理工艺，因此可以得到更好的c o d 、b o d 去除率，并且还有以下几大优点【l2 】：a ) 处理后的出水水质良好，不仅对悬浮物( s s ) 和有机物去除率高( 可高达1 0 0 ) ，而且可以去除细菌、病毒等。超滤膜的孔径一般0 1 9 m 左右，截留相对分子质量一般为2 0 0 2 0 0 0 9 m o l 。同时这种膜分离几乎是一种强制的机械拦截作用，优于传统法中二沉池的自由重力沉降作用，不会因为污泥膨胀现象而导致出水水质超标或恶化；b ) 反应器内微生物浓度高、种类多、泥龄长，对有机物的去除率高，耐冲击负荷，且传质效率高，氧传递率可高达6 0 左右；c ) 剩余污泥产量小，污泥处理费用少；d ) 污泥龄可随意控制。膜分离使污水中的大分子难降解成分，在体积有限的生物反应器内有足够的停留时间，大大提高了难降解有机物的降解效率；e )由于停留时间较长，有利于增殖缓慢的微生物，如固氮菌、硝化菌以及难降解有机物和分解菌的截留和生长，不需要进行延时曝气就能实现同步硝化和反硝化，强化了系统的硝化能力，对氮、磷等污染物的去除效率提高；f )系统由可编程序控制器( p l c ) 控制，可以实现全程自动化控制；曲用膜组件代替二次沉淀池，很明显的提高了固液分离效率，在一定的操作压力下，可以让水和低分子溶解物质通过它，实现混合液的泥、水分离，而不用体积庞大的二次沉淀池，能够使淤泥与水得到很好的分离，且占地面积小、i 艺设备集中。长期研究结果表明：m b r 出水水质优于传统的生物处理工艺。b o r o nz h a n g等【1 3 】对膜生物反应器工艺与传统活性污泥工艺的微生物种群及系统活性方面进行了细致的对比研究，依据其图示的试验结果，整理( 如表1 2 ) o表1 2 膜生物反应器与传统活性污泥法生物性能对比t a b l e1 - 2m e m b r a n eb i o r e a c t o ra n dc o n v e n t i o n a la c t i v a t e ds l u d g eb i o l o g i c a lp e r f o r m a n c e项目膜生物反应器传统活性污泥法生物剧体停留时间( d )1 6 83 4水力停留时间( d )o 5o 2 4混合液恳浮同体( g l )4 71 5挥发性：悬浮i 刊体：悬浮l 到体o 8 8o 8 2污泥产率( g m l s s l d )o 2 8o 3 34第一章绪论硝化比活性( g n h 4 - n l h )2 o5 o有机物去除比活性( g t o c & g m l v s s h )2 5 53 8 5硝化容积活性( g n h 4 - n l h )1 4 03 8 5有机物去除容积活性( m g t o c l h )1 4 8 o4 5 o多糖l l ( g 葡萄糖k g m l v s s )4 0 o6 0 o1 1 2 3 本课题膜生物反应器设计为配合国家自然科学基金项目( 5 0 8 0 8 1 3 0 ) 的研究，王韬博士设计了一体式多层极膜电生物反应器如图1 2 ，1 3 所示，膜组件为天津膜天膜工程有限公司制造的聚偏氟乙烯( p v d f ) 中空纤维微孔过滤膜( m f ) 组件，纤维孔径0 2 u m ，外压式进水，有效使用面积为2 5 m 2 。本试验为中小试试验，处理水量为2m 3 d ，试验在天津膜天膜研究中心进行，主体工艺为水解酸化。好氧m b r ( 一体式)工艺，实验数据由研究中心研究员提供。1 直流电源2 废水槽3 蠕动泵4 进水管路5 集水管6 曝气装置7 膜组件8 鼓风机9 流量计1 0 催化电极1 1 阳极图1 - 2 多层极板式膜电生物反应器小试装置流程预想图f i g1 - 2m u l t i p o l a rp l a t em e m b r a n eb i o r e a c t o rp r o c e s se n v i s i o n e das m a l lp il o tp l a n td i a g r a m51 直流电源2 污水槽3 鼓风机4 曝气装置5 蠕动泵6 膜组件7 电生物反应器图1 - 3 浸没式膜电生物反应塔式小试装置流程预想幽f i gl 一3s u b m e r g e dm e m b r a n eb i o r e a c t o rp il o tp l a n tp r o c e s se n v i s i o n e das i n a i lt o w e rp l a n5天津工业大学学位论文1 2 膜生物反应器的应用膜生物反应器( m b r ) 是一种将膜分离技术与生物处理单元相结合的新型水处理技术，近年来，该技术已成为国际研究的热点之一，并广泛应用于各种工业、市政废水的处理l 1 4 j 。据报道：2 0 0 0 年至2 0 0 8 年间共有1 7 5 8 多座m b r 工业装置在北美洲投入运营，z e n o n 公司占据了北美洲m b r 主要市场，k u b o t a 及m i t s u b i s h i r a y o n 公司则在世界其他部分占有大量份额【l5 1 。加拿大z e n o n 公司开发的z e e w e e d 系统是全球最大的中空纤维膜生物反应器生产厂商之一，目前世界上已有上百座采用加拿大z e n o n 公司z e e w e e d 工艺的m b r 工艺的污水厂【l 引。最大的两座分别位于德国n o r d k a n a l k a a r s t ( 处理能力4 4 3 0 0m 3 d ) 和意大利v e r z i a n o 的b r e s c i a 污水厂( 处理能力4 1 8 0 0m 3 d ) 。美国西雅图市将采用此系统在两年内建造迄今为止最大的m b r 污水厂，处理能力高达1 7 万m 3 d 以上。目前，m b r 的处理对象已经包括了绝大多数种类的污水，处理规模由小试逐步发展为每天数万吨以上。近日，z e n o n 公司已进军新加坡市场，“使m b r 在新加坡驶上了快车道”。而自2 0 0 7 年十月起，欧洲两大财团整合了欧洲3 0 所大学、研究中心、企业的力量全力推行a m e d e u s 及e u r o m b r a 计划，以加速m b r 技术在欧洲的发展。在生活污水方面，主要涉及城市污水、楼宇污水、公厕污水、污水厂升级改造以及其他有回用要求的污水处理场合。m b r 对生活污水的处理特性一直是研究的重点，其工艺形式多采用好氧型m b r 。在欧、美、日等地，其研究的主要目的是一方面改造污水处理厂，使其达到深度处理的要求；另一方面，用于生活污水的处理，使其达到清洁回用的目的。m b r 现在已被应用到实际生产中去，特别是在膜设备技术较先进的国家地区，如k u b o t a 公司应用m b r 工艺在英国用于生活污水的处理量己超过1 0 0 0 0m 3 d 。z e o n o 公司应用众z e o n o g e m 浸没式m b r 技术处理楼宇污水、小区污水、商业污水等各个领域，最高处理能力达到5 6 7 8m 3 d 以上，其中改造美国科罗拉多州的城市污水处理厂，将其处理能力扩大3 0 0 0m 3 d 就是成功的应用实例之一。到2 0 0 0 年该公司已建立处理能力高达1 2 7 0 0m 3 d 规模的废水处理工程网【1 7 】。目前在北美，m b r 处理生活污水的应用主要是流量在l 叽2 0 0m 3 d 的小型处理装置，已有8 0 余座此类设施正在运行。m b r 作为一种强化的生物处理工艺，在工业废水的处理中也受到重视。工业污水方面，主要包括制药废水、化工废水、食品污水等高浓度、难降解有机废水的处理。目前好氧m b r 工艺已经成功应用于下列行业的工业污水处理：包括医药、纺织、化妆品、食品、造纸与纸浆、饮料、炼油工业与化工厂，在欧洲垃圾6第一章绪论填埋场渗滤液的好氧型m b r 处理厂正在兴建中。s t e p h e n s o nt 等【1 8 1 归纳了膜生物反应器在不同类型废水中的应用比例，见表1 - 3 。表l 一3m b r 在不同类型废水处理中的应用比例t a b l el - 3t h ep r o p o r t i o no fm b ri nd i f f e r e n tt y p e so fw a s t e w a t e r废水类型百分比( )工业废水大楼废水生活废水城市废水垃圾填埋场渗滤液2 72 42 71 39近两年m b r 在国内已进入了实用化阶段。从目前的趋势看，中水回用将是m b r 设备在我国推广应用的主要方向。1 3 课题研究内容膜生物反应器是膜技术和生物反应器技术相结合的产物，与传统活性污泥法相比，具有污泥浓度高、出水水质好、污泥产量低、结构紧凑等优点。膜生物反应器因具有众多的优点和良好的发展前景，国内外众多专家学者对其展开了大规模的研究，但是m b r 依然存在的一些问题严重限制了其进一步的应用。该课题以实验为基础研究影响膜生物反应器( m b r ) 净水能力的主要参数，并对这些参数进行分析、优化，把错综复杂的实验简化，并且通过测量系统的输入输出数据，并以此为基础运用统计分析方法，按照事先确定的准则在某一类模型中选出一个数据拟合最好的数学模型，抽象出合理的数学结构，最后我们通过实验结果对其进行检验，最终得出合理、准确地数学模型，并对该模型进行了验证。在进行多次实验的基础上，进行过程分析。过程分析是对任何具有明确界限系统的详细考察，以求了解其过程特性，它是与一定的目标相联系的。其主要步骤如下：7天津工业大学学位论文图卜4 数学仿真过程分析f i g1 4m a t h e m a t i c a la n a l y s i so ft h es i m u l a t i o n图1 4 显示了主要的步骤及其相互关系。“水处理过程 和“分析水处理结果 之间用双箭头虚线表明了二者的相互依赖关系。单箭头表示单向关系，即分析的目的应是模型检验和模型结构分析的依据之一。带点划线的双箭头表示返回。本课题从动量、能量、质量传递等基本方程入手，考虑建立描述气、液、固三相流场的含生物降解、膜传递及膜污染过程的m b r 模型，在对流体力学及m b r 过程深入了解的基础上，运用m a t l a b 基于非网格的计算方式对数学模型进行验证分析，得出能指导实验的准确数学模型。1 4 课题研究目的及意义在目前阶段，膜生物反应器的模型研究还只处于起步阶段，研究不够深入。目前绝大部分的是基于经验模型而产生的模型，而在实际中，不同来源的废水，其组成和浓度千变万化，处理、回用的要求也各不相同，生物反应器中发生的过程也不尽相同，现有的经验模型不能很好的反映膜生物反应器在处理不同废水时共同的本质。本研究的目的就在于使用数学方法得到一个可以用来描述膜生物反应器的处理过程的模型，具有较强的通用性。本研究的出发点是将普通活性污泥法污水处理过程和膜组件的选择性过滤过程相结合，由此得到了膜生物反应器的系统仿真模型，确定了该模型的动力学参数和运行参数，并对该模型进行验证。本研究得出的模型是一个具有普遍意义的模拟模型，可用于对各种不同的膜生物反应器工艺污水处理过程中c o d 去除率与m l s s 关系模型的模拟和预8第一章绪论测。对于每个不同的膜生物反应器而言，只要根据其具体的水质、水量和膜通量等条件确定本模型的各个参数，就可以较好的模拟其出水水质、污染物去处率和微生物的生长状况等，因此可以用来对膜生物反应器的优化设计和运行进行指导，对于膜生物反应器的使用和推广有着现实意义。9天津工业大学学位论义1 0( 1 ) 溶解性有机物的去除。生物处理单元在废水中主要的用途是去除可溶性有机物。m b r 有机微生物以可溶性有机物为食物来源，将一小部分碳转化为新细胞质，而将其余的碳转化为二氧化碳，二氧化碳以气体形式排出，细胞物质通过固液的分离去除，使出水中不再含有污染物。由于有机污染物中的大部分碳被氧化成二氧化碳，因此可溶性有机物的生物法去除过程也常被称为碳氧化过程。( 2 ) 不溶性有机物的稳定性。废水含有大量的胶体性有机物，不容易用沉降法去除。在实际应用去除可溶性有机物生化工艺进行处理的过程中，许多胶体性有机物被微生物捕获利用，并最终转化为稳定的不再受微生物活动影响的产物，这种稳定产物的形成过程称为稳定化。稳定化过程可以在去除溶解性有机物的生化处理中同时进行，但大多数稳定化过程是在专门设计的处理系统中进行的。不溶性有机物由废水本身含有的以及去除溶解性有机物时由微生物生长形成的两部分组成。因为此类固态物质能够通过沉降从废水中分离去除，所以在用生化处理进行稳定化之前通常用沉淀法进行浓缩。好氧和厌氧都可以完成稳定化作用，但厌氧方法的能量效率更高。稳定化后的最终产物包括二氧化碳、无机性固体和不溶性有机残留物。有机残留物不再受微生物作用的影响。此外，厌氧方法还可以产生甲烷等气体。( 3 ) 溶解性无机物的转化。自2 0 世纪6 0 年代发现富营养化作用以来，人们就开始关注水中无机营养物的去除。富营养化的两个主要元素是氮和磷。生活废水中的磷以无机态存在，如正磷酸盐、聚磷酸盐和有机磷。聚磷酸盐和有机磷通过微生物作用转化为正磷酸盐，而正磷酸盐通过专f - j 培养的具有独特生长性状的细菌所吸收而被去除。这种特异细菌能够将大量的正磷酸盐以颗粒形式储存于细胞内。氮在生活废水中以氮和有机氮的形式存在，当有机物被生物降解时，有天津工业大学学位论文机氮被转化为氨。氨的转化需要两种类型的细菌，首先是硝化细菌，将氨氧化为硝酸盐，此过程称为硝化作用，然后是反硝化细菌，将硝酸盐转化为氮气，称为反硝化作用。氮循环的过程如图2 1 所示。2 2 膜传质过程图2 1 氮循环过程示意图f i g2 1s c h e m a t i cd i a g r a mo fn i t r o g e nc y c l e由于膜与渗透组分之间的物理性质或化学性质的不同，膜可以使某一特定组分更容易通过。为实现通过膜的传递过程，必须对原料中各组分施加某种推动力。在许多情况下通过膜的渗透速率正比于推动力，即通量与推动力之间的关系可以用线性方程式表示。通量j 与推动力之间的关系可写成【2 1 】：j ：一彳d x ( 2 一1 )d x、7其中：，为膜通量5么为系数；_ 6 1 a 为推动力，x ( 温度、浓度、压力) 沿垂直于膜的坐标方向的d x梯度。方程( 2 1 ) 不仅可用于描述传质过程，也可以用于表征热通量、体积通量、动量通量及电通量。推动力可以是压力梯度、浓度梯度、电位梯度或温度梯度。对于通过膜的传递的一个纯组分，可以采用线性关系进行描述。然而，如两组分或多组分同时渗透，通常不能用线性关系描述，因为各组分传递的通量及推动力会发生耦合现象，这种耦合现象可以用非平衡热力学描述。除了推动力，膜本身也是决定通量和选择性的基本因素。实际上，膜的性质( 材料及结构) 决定了其可能适用的类型：从分离小颗粒到分离不同大小和形状的分子。1 2第二章膜生物反应器机理分析2 3 膜的浓差极化现象分析浓差极化是指在膜与溶液界面区域形成的浓度区域层或者液膜层中浓度累积的趋势，如图2 2 所示。在膜分离过程中，由于推动力的作用，迫使溶液中的所有组分都趋向于透过膜，其中一些组分基本上可以畅通无阻的全部通过，但是某些组分由于膜的截留作用，使其绝大部分无法通过。于是在膜表面及靠近膜表面区域中，被截留物质的浓度越来越高，形成了从膜表面到主体溶液之间的浓度梯度。当被截留物质由于压力差向膜表面的流动速度，与由于浓度梯度的作用向主体溶液扩散速度达到平衡时，在膜表面附近就形成了一个稳定的浓度极化边界层，这种现象叫浓差极化。显然浓差极化现象只有在膜生物反应器运行过程中才会发生，并且可以通过改变料液的流动条件以及其它物理条件来消除，是可逆的。膜图2 - 2 浓差极化过程示意图f i 9 2 2t h ep r o c e s so fc o n c e n t r a t i o np 0 1 a r i z a t i o n浓差极化的危害如下【2 2 】：1 ) 浓差极化使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从而减小传质驱动力，主要发生在r o 、n f 过程；2 ) 当膜表面溶质浓度达到它们的饱和浓度时，便会在膜表面肜成沉积层或凝胶层，增加透过阻力，主要发生在r o 、n f 和u f 浓缩过程；3 ) 膜表面沉积层或凝胶层的形成会改变膜的分离特性；4 ) 当有机溶质在膜表面达到一定浓度有可能对膜发生溶胀或溶解恶化膜的性能：1 3一，胶层磁天津t 业大学学位论文5 ) 严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行恶化。2 4 膜污染机理研究膜污染就是指被处理料液中的某些组分吸附、沉积到膜面上，或进入膜孔中，甚至将膜孔堵死，使膜的渗透阻力大大增加。这种吸附和沉积是膜与液料组分之间以及吸附在膜面上的组分与料液中其他组分之间相互作用的结果【2 3 1 。这种作用有物理化学作用，也可能有生物作用。作用的程度与组分的浓度、电荷性以及溶液的p h 值等有关。浓差极化会加剧膜污染的程度，因为它使膜表面附近的污染物浓度增加，膜材料的亲水性强弱及膜的结构对膜污染作用也有很大的影响。2 4 1 膜污染的形成膜污染是指由于被过滤料液中的微粒、胶体粒子或溶质分子与膜存在物理化学作用而引起的各种粒子在膜表面或膜孔内吸附或沉积，造成膜孔堵塞或变小并使膜的透过流量与分离特性产生不可逆变化的现象，膜污染导致的最直接的后果就是水通量下降，所以水通量大小是膜污染程度的重要特征。所有压力推动的膜过程，膜t 艺的一大问题是膜在运行一段时间以后会因为膜污染而导致膜通量的不断降低，如何减缓膜污染进程从而维持膜通量是应用膜工艺时所面临的一大挑战。广义的膜污染不仅包括由于不可逆的吸附、堵塞引起的污染，而且包括由于可逆的浓差极化导致的凝皎层的形成。在污水处理过程中，膜污染往往特别严重【2 引。膜生物污染过程一般可分为两个阶段：第一阶段是微生物( 包括各种细菌和微生物) 通过向膜面的传递( 可以通过扩散、重力沉降、主体对流) 而能动地积累在膜面上形成生物膜( b i o f i l m ) 。当生物膜积累到一定程度引起膜通量的明显下降时便是第二阶段一生物污染( b i o f o u l i n g ) 。几乎所有的天然和合成高分子材料都易于被细菌吸附并在上面生长繁殖，即使是表面自由能很低的僧水性材料也会被大量的细菌所吸附，用于污水处理的合成高分子膜当然也毫不例外。膜污染机理的研究主要从理论和实验两方面来讨论膜通量下降的原因。罗敏、王占生等【2 4 】根据国外文献，总结了膜污染机理的分析鉴定方法，见表2 1 ，产生的膜污染的几种途径和造成的影响见表2 2 ：1 4第一二章膜生物反心器机理分析表2 1 膜污染的分析方法蒸馏水膜组件，j影响因素膜运行萃取液进水水】至膜污染物分析膜清t 己录分析质分析行1 表现s e me d xf t - i r洗实验膜无机污染o矿0染生物污染oo有机污染aooo膜退化o0 3ooa注：1 在膜厂家提供的标准条件下运行；2 s e m ：扫描电镜；e d x ：f 毙量色散x 射线光谱仪；3 f t - i r ：傅里叶转换红外光谱仪；其它分析方法有光学显微镜、x 射线荧光、原子吸收等；4 有机污染物需经过洗脱液( 如己烷) 洗脱；5 符号意义：o 重要依据；参考依据；6 污染的膜在分析前应该原样保存，并保持润湿。表2 2 膜污染的几种途径t a b l e 2 - 2t h ew a y sf o rf o u l i n gm e m b r a n e污染途径膜过程名称通量影响截留率或脱盐率影响表面吸附r o ，n f u f ，m fflr r oo r n flr u f o r m ft孔内吸附u f ，m ffirt大分子或颗粒堵孔u f ，m ffirt率冰层u f ，m fflrf凝胶层r o ，n f ，u f m fflrt结垢r o ，n fflr r o 。r n fj1 5天津工业大学学位论文2 4 2 膜污染的类型及污染物质膜污染主要分为膜表面覆盖污染和膜孔内阻塞污染两种形式。膜表面污染层大致呈双层结构，上层为较大颗粒的松散层，紧贴于膜表面的是小颗粒的细腻层，一般情况下，松散层并不足以对膜性能产生较大的影响，在水剪切力的作用下可以被冲洗掉，而附于膜表面上的细腻层则对膜性能正常发挥产生了较大的影响。因为该污染层的存在，有大量的膜孔被覆盖，而且该层内的微粒及其他杂质之间长时间的相互作用极易凝胶成滤饼，增加了透水阻力。膜孔堵塞是指细微粒子塞入膜孔内，或者膜孔内壁因吸附蛋白质等杂质形成沉淀而使膜孔变小或者完全堵塞，这种现象的产生，一般是不可逆过程。膜表面污染层是由原水中悬浮物堆积于膜面( 滤饼) 、由溶解性有机物浓缩后粘附于膜表面( 凝胶层) 、由溶解性无机物生成的水垢积附于膜面( 水垢层) ，以及由胶体物质或微生物等吸附于膜面( 吸附层) 所构成。在膜过程中，污染引起的膜通量下降与浓差极化引起的通量下降是混合在一起的，很难将其区分，但通常认为，浓差极化产生的膜通量下降作用是可逆的，即降低操作压力或降低料液浓度可在一定程度上减轻膜通量的下降。例如在超滤过程中常用释放压力的方法使膜通量得到部分恢复。膜污染产生的通量下降大多认为是不可逆的，用一般简单的清洗方法也难以使其恢复。膜污染的类型主要有三种：无机污染、有机污染、微生物污染。膜的无机污染主要是指碳酸钙与钙、钡、镁等硫酸盐及硅酸等结垢物质的污染。其中碳酸钙和硫酸钙最常见，在膜反应器中保持水的紊流状态对防止膜的污染是重要的。碳酸钙垢主要是由化学沉降作用引起的，二氧化硅胶体颗粒主要是由胶体富集作用决定的。膜的有机污染主要是指细胞外聚合物( e p s ) 、溶解性有机物及细微胶体对形成凝胶层，导致通量下降有重要影响。膜的特性，如表面电荷、憎水性、粗糙度，对膜的有机吸附污染及阻塞有重大影响。国外学者研究了细胞外聚合物( e p s ) 的变化、溶解性有机物质的积累、上清液对膜分离的影响，发现细胞外聚合物、溶解性有机物及细微胶体对形成凝胶层，导致通量下降有重要影响。无机膜生物反应器处理啤酒废水时出现的膜污染现象，也主要是由于微生物代谢产生的多糖类粘性物质和一些胶体在膜内表面形成一层凝胶层，增加了过滤阻力。微生物污染主要是由微生物及其代谢产物组成的粘泥造成的污染。膜表面容易吸附腐殖质、聚糖脂、微生物进行新陈代谢活动的产物等大分子物质，具备了微牛物生存的条件，极易形成一层生物膜，因此造成膜的不可逆阻塞性，使水通量下降。1 62 ) 活性污泥的性质影响m b r 中的膜污染物质的来源是活性污泥混合液，而混合液的性质包括污泥浓度、污泥颗粒大小、表面电荷、混合液所含胶体粒子及溶解性有机物等。因此，污泥混合液对膜的污染极为复杂。从生物动力学的角度出发，人们总是希望污泥龄能够足够长，以满足那些世代时间较长菌种的要求同时减少剩余污泥产量。提高污泥浓度，从而缩小反应器的设计容积。而且膜的完全分离也使得反应器在较长的污泥龄下的运行成为可能。g l a e r a 等刚对在不同污泥龄下的污泥性状进行了长达4 年的研究，得出表观黏度7 7 。与污泥浓度之间的关系：r l = 2 8 9 3 9 p ( m l s s ) ( d v 咖) 叫+ ( o 2 3 3 p ( m l s s ) 十1 ) ( 2 - 2 )式中：7 7 。污泥表观黏度，n m 2 ；咖咖污泥剪切速率，s l ；m l s s 单位容积混合液内含活性污泥固体物质的总量( m g l ) ；同时指出对于己知确定的污泥龄，m l s s 在很大程度上影响了污泥的表观黏度，并得出了使污泥黏度最小的污泥龄为4 0d ，也因此对m b r 反应器的运行l7天津t 业人学学位论文提供了积极的参考意义。3 ) m b r 运行条件膜生物反应器的操作条件主要包括：进水性质、污泥龄、污泥负荷、曝气量、反应器结构、操作压力、温度、抽吸时间等。学者们通常通过正交试验，来考察m b r 的操作运行条件对膜污染速率的影响。桂萍等【2 8 】考察了曝气量、膜的抽吸时间和停抽时间对膜过滤性能的影响，结果表明，3 种因素对膜抽吸压力上升速率的影响程度，其大小排序为：抽吸时间 曝气量 停抽时间。肖荣恩等通过五因素四水平正交实验，考察了污泥浓度( m l s s