大型微污染原水预处理生物膜反应器的模型研究

摘要

微污染原水生物接触氧化池是对微污染原水进行预处理时常用的生物反应器,是一种介于活性污泥法和生物膜法之间的生物膜法工艺,由于填料及附着的生物膜均淹没于水中,又被称为淹没式生物滤池。多年来,对微污染原水生物预处理的研究主要集中在工艺效果方面,对于系统的机理和模拟研究很少.在已有的微污染原水预处理反应器模型研究中,主要依据是生物膜的传质理论,以固定的填料比表面积和固定的生物膜厚度为基本假设,忽略了宏观水流混合特性和多基质限制的影响,加上生物膜传质过程固有的复杂性,所以至今还没一个比较全面的、可以用于指导工程运行和设计优化的实用模型。
　　 本研究针对微污染原水预处理生物膜反应器模型的关键问题,打破常规的生物膜反应器建模思路的局限,尝试从系统理论的角度,运用活性污泥模型(ASM)的建模原理和方法,将微生物反应动力学理论、反应器的流动模型、生物膜的传质机理以及溶解氧的移动理论有机结合起来,以目前国内最大的东深供水原水生物预处理工程作为主要研究对象,建立了微污染原水生物膜反应器模型,并利用工程的运行数据进行模拟和灵敏度分析。
　　 针对生物反应动力学问题,本研究认为基质的反应过程是异养菌和自养菌共同作用的结果,物质平衡贯穿于整个生物系统的生长、衰减和生物量的流失过程；采用Monod方程作为生物反应基本方程；硝化反应分两步独立进行,即氨的氧化和亚硝酸氮的氧化过程,反应过程为多基质限制过程,DO作为两个反应过程的限制基质,能有效解释DO对于硝化反应的关键性影响。
　　 针对反应器流动模型问题,本研究利用了对象工程其中一组生物池进行了示踪试验和短流试验,研究结果表明生物池可等效表达为21组串联CSTR反应器。
　　 针对填料表面生物膜厚度问题,本研究对生物池沿程进行微生物培养观测和生物量测定,并运用活性污泥法原理,以活性生物量等效表达生物膜厚度在生物池内的沿程分布规律。研究结果表明生物膜厚度与限制基质浓度呈线性关系。亚硝化菌生物膜厚度(XAOB)受DO和NH3-N的限制条件分别为XAOB=5.5So1/2和XAOB=8.2SNH1/2,当SNH≥0.425o时,生物膜厚度受DO限制:硝化菌生物膜厚度(XNOB)主要受NO-2-N限制,限制条件为XNOB=32SNo1/2。
　　 针对生物池曝气强度(Gs)的设定问题,本研究利用中试数据进行曝气充氧性能和生物池处理效果对比分析,结果表明局部增强生物池前段曝气充氧性能有利于提高整个生物池的处理效能,为系统的节能设计优化提供理论依据。
　　 本研究运用系统简化的理论提出了微污染原水生物膜反应器的简化模型,简化模型包括10个动力学参数和11个原水组分变量,10个动力学参数为vNH、vNO、KNHNH、KNONO、KNHO、KNOO、SNH,min、XA-O、XA-NH和XN-NO；11个组分变量,即QW、QG、GS、t、T、So、pH、SNo、SNO3和CODMn。对东深供水原水生物预处理工程进出水的DO、NH3-N、NO2-N和NO3-N进行了模拟,获得较佳的拟合效果,模拟值相关性系数(R2)分别可达到0.634、0.806、0.658和0.657。
　　 本研究同时还进行了模型参数的灵敏度分析,初步确定了模型的关键参数有7个:即为vNH、XA-NH、XA-O、KNHNH、VNO、XN-NO和KNONO,其中的参数VNH、XA-NH和XA-O对系统模拟值影响程度最大。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 微污染原水

1.2 微污染原水主要污染物及危害

1.2.1 主要污染物

1.2.2 氨氮的危害

1.3 微污染原水处理技术的发展

1.3.1 深度处理技术

1.3.2 预处理技术

1.4 生物接触氧化预处理技术

1.4.1 工艺原理

1.4.2 应用现状

1.4.3 研究现状

1.5 污水生物处理数学模型的发展

1.5.1 经验模型

1.5.2 机理模型

1.6 生物膜模型的研究进展

1.7 硝化反应动力学模型研究进展

1.7.1 化学计量学研究

1.7.2 动力学参数的研究

1.8 本研究概述

1.8.1 研究背景

1.8.2 研究目的和意义

1.8.3 研究内容

1.8.4 技术路线

参考文献

第2章 研究对象工程、实验设备与材料

2.1 本研究对象工程

2.1.1 工艺流程

2.1.2 主要工艺参数

2.1.3 工艺设施

2.2 中试装置

2.2.1 流程及材料

2.2.2 设备布置

2.3 主要项目分析方法

2.3.1 人工分析方法

2.3.2 在线水质自动分析系统

2.4 小结

参数文献

第3章 反应器的模型机理研究

3.1 前言

3.2 生物反应模型

3.2.1 微生物反应方程

3.2.2 动力学与化学计量参数关系

3.2.3 模型参数

3.2.4 模型参数的影响因素

3.3 生物膜模型

3.3.1 生物膜内的基质传递机理

3.3.2 生物膜厚度与基质浓度关系推导

3.3.3 液膜厚度

3.4 流动模型

3.4.1 想反应器

3.4.2 非理想反应器

3.4.3 实际反应器水力学模拟

3.5 DO传质动力学模型

3.5.1 传质理论

3.5.2 氧的传质动力学

3.5.3 氧转移的影响因素

3.6 反应器动力学模型的建立

3.6.1 亚硝化反应动力学模型约束方程

3.6.2 硝化反应动力学模型约束方程

3.6.3 DO约束

3.6.4 温度

3.7 小结

参考文献

第4章 生物膜反应器的宏观水流混合特性研究

4.1 前言

4.2 研究方法

4.2.1 对象工程及反应器介绍

4.2.2 水流混合分析模型的推导

4.2.3 示踪剂实验

4.3 研究结果

4.3.1 原水示踪剂浓度的修正计算

4.3.2 填料吸附的修正计算

4.3.3 反应器示踪剂浓度的计算

4.3.4 反应器串联级数拟合

4.3.5 底层水体短流试验

4.4 小结

参考文献

第5章 反应器的生物量分布规律研究

5.1 前言

5.2 生物量推定模型的建立

5.2.1 基础理论

5.2.2 动力学参数

5.2.3 生物量推定模型推导

5.3 材料和方法

5.3.1 研究对象

5.3.2 试验方法

5.3.3 研究内容

5.4 试验结果及分析

5.4.1 填料结泥量及生物膜观测

5.4.2 培养观测

5.4.3 生物量推定试验分析

5.4.4 XAOB、XNOB的限制基质分析

5.5 小结

参考文献

第6章 溶解氧传质动力学及曝气方式研究

6.1 研究目的

6.2 理论依据

6.2.1 传质动力学理论

6.2.2 自养菌的好氧生长

6.2.3 数学模型的推导

6.3 试验装置与方法

6.3.1 试验装置

6.3.2 试验内容

6.3.3 分析方法

6.4 数据分析

6.4.1 氧总转移系数(KLa)的测定

6.4.2 曝气方式对比分析

6.4.3 曝气强度分布对处理效果的影响分析

6.5 小结

参考文献

第7章 反应器模拟及参数灵敏度分析

7.1 前言

7.2 模型的简化

7.3 模型参数

7.4 系统模拟

7.4.1 模拟依据

7.4.2 研究方法

7.4.3 模拟结果分析

7.5 灵敏度分析

7.5.1 灵敏度分析目的

7.5.2 灵敏度分析的原理

7.5.3 灵敏度分析的方法

7.5.4 灵敏度分析的基准值确定

7.5.5 灵敏度分析结果

7.6 小结

参考文献

第8章 结论及建议

8.1 结论

8.2 创新点

8.3 建议

攻读博士学位期间(待)发表文章

全文缩略词(Abbreviations)

全文主要参数(Main parameters)

致谢