基于元胞自动机的好氧颗粒污泥三维多种群数学模型研究

摘要

好氧颗粒污泥是好氧条件下微生物通过自固定作用形成的微生物聚合体，因其在污水处理领域具有很好的应用前景而被广泛研究。但好氧污泥的颗粒化过程仍是影响其工程实际应用的关键因素。本文基于元胞自动机建立了好氧颗粒污泥三维多种群数学模型，研究好氧颗粒污泥的生长过程及不同因素对其的影响。
　　本文研究了好氧颗粒污泥的内源呼吸过程，结果表明内源呼吸过程中细胞会氧化自身及其胞内贮存物从而释放出能量和物质。分别采用活性污泥1号模型(Activated Sludge Model No.1，ASM1)和活性污泥3号模型(Activated SludgeModel No.3，ASM3)拟合实验数据，结果显示ASM3在模拟内源呼吸过程上效果更好，利用ASM3拟合的异养菌内源呼吸速率为0.15 d-1，胞内贮存物的呼吸速率为1.55 d-1。另外，好氧颗粒污泥内源呼吸过程中耗氧呼吸速率(Oxygen Uptake Rate，OUR)曲线分为明显的两个阶段。颗粒污泥中胞内贮存物所占比例很低，但对OUR的贡献较大。
　　在好氧颗粒污泥内源呼吸过程数学模拟的基础上，选择基于ASM3建立双形态多种群抑制动力学模型，研究毒性物质对好氧颗粒污泥和絮体污泥的抑制作用。模型中考虑了物质扩散、贮存、生长和内源呼吸过程。颗粒污泥的OUR实验验证了模型的有效性，模拟结果表明，与絮体污泥相比好氧颗粒污泥对毒性作用呈现较高的承受力。毒性物质对颗粒污泥的特殊抑制现象可能是由于颗粒污泥的密实结构提供了保护作用，限制了毒性物质的扩散。所以，粒径较大的颗粒污泥在处理有毒有害废水上有较好的潜力。
　　在已建的双形态多种群数学模型的基础上，运用元胞自动机的理论，建立好氧颗粒污泥三维多种群数学模型。研究不同条件下好氧颗粒污泥的生长过程及其内部微生物的空间分布。模拟结果显示，较高剪切力下形成的颗粒污泥粒径较小，但颗粒内部自养菌含量较高。而较高溶解氧浓度下形成的颗粒污泥粒径较大，并且颗粒内部自养菌含量较高。另外，毒性物质会抑制颗粒污泥粒径的增长，并且在颗粒污泥内部形成自养菌、毒性物质降解菌主要位于颗粒污泥外层，而普通异养菌主要存在于颗粒污泥内部的空间分布。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 好氧颗粒污泥研究现状

1．1．1 好氧污泥颗粒化的进程

1．1．2 好氧颗粒污泥形成的影响因素

1．1．3 好氧颗粒污泥技术在污水处理中的应用

1．2 好氧颗粒污泥数学模型研究现状

1．2．1 活性污泥数学模型

1．2．2 好氧颗粒污泥数学模型的研究进展

1．3 元胞自动机简介及应用

1．3．1 元胞自动机的简介

1．3．2 元胞自动机的应用

1．4 研究的目的、意义及内容

1．4．1 研究的目的与意义

1．4．2 研究的内容

第二章 好氧颗粒污泥内源呼吸实验研究与数学模拟

2．1 引言

2．2 材料与方法

2．2．1 好氧颗粒污泥的培养

2．2．2 内源呼吸实验

2．2．3 分析测试方法

2．3 内源呼吸数学模型的建立

2．3．1 ASM1和ASM3中衰减过程的比较

2．3．2 模型的组分和过程

2．3．3 模型的参数

2．4 结果与讨论

2．4．1 内源呼吸实验结果

2．4．2 模型对OUR、CODx和PHB的模拟结果

2．4．3 OUR和CODx的组成分析

2．5 本章小结

第三章 基于ASM3的双形态多种群抑制动力学模型

3．1 引言

3．2 材料与方法

3．3 模型的建立

3．3．1 模型的基本概念

3．3．2 组分的扩散作用

3．3．3 抑制动力学模型

3．4 结果与讨论

3．4．1 模型的校准与验证

3．4．2 颗粒内部氧和毒性物质的扩散

3．4．3 颗粒内部微生物的比生长速率

3．4．4 颗粒内部微生物的分布

3．4 本章小结

第四章 好氧颗粒污泥三维数学模型的建立及生长过程模拟

4．1 引言

4．2 模型的建立

4．2．1 好氧颗粒污泥生物反应子模型

4．2．2 好氧颗粒污泥三维子模型

4．2．3 好氧颗粒污泥剪切子模型

4．2．4 模型求解

4．3 结果与讨论

4．3．1 好氧颗粒污泥生长过程模拟

4．3．2 剪切力对好氧颗粒污泥影响的模拟

4．3．3 溶解氧对好氧颗粒污泥影响的模拟

4．3．4 降解毒性物质的好氧颗粒污泥生长过程模拟

4．4 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 总结

5．2 不足与展望

参考文献

攻读硕士学位期间的学术活动及成果情况