膜曝气部分亚硝化-厌氧氨氧化耦合生物膜脱氮的数学模拟

摘要

厌氧氨氧化因不需要COD，需要O2量少和污泥产量低，是可持续的生物脱氮技术。要实现厌氧氨氧化，首先要将50％的氨氧化为亚硝酸，然后这部分亚硝酸再与剩余的氨进行厌氧氨氧化反应。目前，在活性污泥工艺中实现厌氧氨氧化的主要控制性因素：溶解氧的控制、微生物的高效截留、两种氨氧化菌的协调控制等问题未能得到有效解决。膜曝气生物膜反应器实现了氧气和基质的逆向扩散，微生物的高效截留，提高了氧气和基质的扩散通量，而且溶解氧更容易控制。本文回顾了活性污泥数学模型的发展历程，在ASM1的基础上建立了部分亚硝化-厌氧氨氧化耦合工艺数学模型，选取了参数，用算例进行了模拟，并对生物膜的层化结构及总氮去除率进行了模拟和分析。 研究结果表明，建立的模型能够较好的模拟膜曝气部分亚硝化-厌氧氨氧化耦合生物膜脱氮的过程，所建立的模型是正确和有效的。生物膜出现了明显的分层结构，亚硝酸菌主要生长在好氧区即靠近曝气膜一侧，厌氧氨氧化菌主要生长在厌氧区即靠近液相主体的一侧；在好氧区亚硝酸菌与硝酸菌能够共存，并且随着生物膜不断增厚，硝酸菌逐渐消亡。氧气-氨氮通量比（JO2/JNH4）对生物膜层化结构有显著的影响。当JO2/JNH4小于0．25时，生物膜不能出现明显的分层结构；随着JO2/JNH4的不断增大，生物膜出现分层的时间迅速缩短，当JO2/JNH4为1．5时，出现分层的时间最短为154天。当JO2/JNH4>1．5时，随着JO2/JNH4的逐步增大，生物膜出现分层的时间开始逐步增加。随着JO2/JNH4的不断增大，出现分层时的好氧区的厚度和生物膜的总厚度不断增加，但是厌氧区厚度的增长会受到限制。较高的JO2/JNH4在膜曝气生物膜出现分层时，能形成较厚的好氧区和生物膜。膜曝气生物膜反应器最佳的启动JO2/JNH4比为1．5左右，此时出现分层和启动的时间最短，这一结果略小于理论计算值。同时可以得到，膜曝气生物膜的启动并不是氧气越充足越好，过高的氧气压力和含量难以在较短的时间内形成分层结构。在JO2/JNH4一定的条件下，随着生物膜的不断增长，总氮去除率并不是随着生物膜的不断增厚而不断提高，当生物膜超过一定厚度（约为2000微米）之后，总氮去除率开始不断下降，这可能是因为传质效率的降低所致。膜曝气部分亚硝化-厌氧氨氧化耦合生物膜实现自养脱氮的最佳生物膜厚度约在1500-2000微米之间。

目录

文摘

英文文摘

声明

致谢

1 引言

1.1 研究背景

1.2 生物脱氮原理及技术

1.2.1 传统生物脱氮技术

1.2.2 新型生物脱氮技术

1.2.3 小结

1.3 部分亚硝化-厌氧氨氧化技术国内外研究概况

1.3.1 国外研究概况

1.3.2 国内研究概况

1.4 膜曝气生物膜反应器在废水脱氮中的应用概述

1.4.1 膜曝气生物膜反应器简介

1.4.2 膜曝气生物膜反应器工作原理

1.4.3 影响膜曝气生物膜反应器脱氮的因素

1.5 课题研究的目的及内容

2 活性污泥数学模型简介

2.1 活性污泥数学模型的发展

2.2 国外研究和应用现状

2.3 国内研究和应用现状

2.4 模型应用中存在的问题

3 基于ASM1的生物膜数学模型的建立

3.1 模型平台的选择

3.2 ASM1模型介绍

3.2.1. ASM1的组分分类及说明

3.2.2. ASM1的过程动力学与化学计量矩阵

3.2.3. ASM1的动力学速率方程

3.3 本研究模型的建立

3.3.1 模型的建立

3.3.2 模型的过程动力学与化学计量矩阵

3.3.3 模型所选用的参数

3.3.4 模型的动力学速率方程

3.4 AQUASIM软件介绍

4 应用模型的模拟与分析

4.1 模型的假设

4.1.1 模型的一般假设

4.1.2 本研究模型的假设

4.2 实验室实际运行结果的模拟与分析

4.2.1 实验室算例简介

4.2.2 算例模拟结果与分析

4.3 生物膜层化结构的模拟与分析

4.4 不同JO2/JNH4条件下层化结构的模拟与分析

4.4.1 JO2/JNH4与层化形成时间关系的模拟与分析

4.4.2 JO2/JNH4与好氧区厚度关系的模拟与分析

4.4.3 JO2/JNH4与厌氧区厚度关系模拟与分析

4.4.4 JO2/JNH4与生物膜总厚度关系模拟与分析

4.5 生物膜厚度与总氮去除率关系的模拟与分析

5 结论与建议

5.1 结论

5.2 建议

参考文献

作者简历