膜生物反应器在污水处理中的非线性动力学研究

论文摘要

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已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EPS和可溶性微生物产物SMP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ASM1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EPS和SMP生成机理中,根据质量守恒原理提出了一个新的解释EPS和SMP生成机理的数学模型,此模型结构简单,仅有底物、活性污泥、EPS和SMP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SMP形成的生物反应过程。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 前言
• 第一章 绪论
• 1.1 选题背景及意义
• 1.2 研究现状
• 1.2.1 膜生物反应器的研究现状
• 1.2.2 膜生物反应器动力学模型的研究现状
• 1.3 论文的研究内容与创新
• 1.3.1 活性污泥稳定性的非线性分析
• 1.3.2 SMP与EPS生成机理数学模型的建立及仿真
• 1.4 论文的研究目的
• 第二章 膜生物反应器与膜污染
• 2.1 膜生物反应器
• 2.1.1 膜生物反应器的历史
• 2.1.2 膜生物反应器的分类
• 2.1.3 膜生物反应器的优势
• 2.1.4 膜生物反应器的局限性
• 2.2 膜生物反应器的膜污染
• 2.2.1 膜污染的影响因素
• 2.2.2 膜污染形成过程
• 2.3 料液内各组分对膜污染的影响
• 2.3.1 污泥浓度
• 2.3.2 胞外聚合物EPS
• 2.3.3 可溶性微生物产物SMP
• 2.3.4 其他影响组分
• 第三章 料液组分浓度的测定
• 3.1 实验装置
• 3.2 实验运行条件
• 3.3 实验用水
• 3.4 主要分析项目与测定方法
• 3.4.1 污泥浓度的测定
• 3.4.2 总有机碳TOC的测定
• 3.4.3 胞外聚合物EPS浓度的测定
• 3.4.4 可溶性微生物产物SMP浓度的测定
• 3.5 实验数据
• 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
• 4.1.2 ASM型活性污泥模型
• 4.1.3 ASM1 型活性污泥模型
• 4.1.4 Monod方程
• 4.2 简化模型的建立
• 4.2.1 与模型有关的假设与限定
• 4.2.2 模型的建立
• 4.2.3 变量及参数说明
• 4.2.4 模型的物理意义
• 4.3 模型的数值模拟
• 4.3.1 模型的简化
• 4.3.2 参数的选取
• 4.3.3 数值模拟
• 4.4 模型的理论分析
• 4.4.1 模型的有界性验证
• 4.4.2 模型的稳态分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 SMP和EPS数学模型的建立及仿真
• 5.1 SMP和EPS形成机理
• 5.1.1 SMP与EPS的统一理论
• 5.1.2 基于“统一理论”的SMP与EPS生长模型
• 5.1.3 原有模型的局限
• 5.2 改进模型的建立
• 5.2.1 前提假设
• 5.2.2 改进模型的建立及参数说明
• 5.2.3 模型的物理意义
• 5.3 数值模拟
• 5.3.1 参数的选择
• 5.3.2 数值模拟
• 5.4 本章小结
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文工作总结
• 6.1.1 污泥简化模型
• 6.1.2 EPS与SMP生成机理模型
• 6.1.3 建议
• 6.2 膜生物反应器数学模型的展望
• 6.2.1 国内应用
• 6.2.2 生物多样性
• 6.2.3 利用数学模型对膜污染问题进行有效控制
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 致谢