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一体式膜生物反应器系统优化及脱氮性能研究

作　者: 李辰
导　师: 何文杰；黄廷林
学　校: 西安建筑科技大学
专　业: 市政工程
关键词: 一体式膜生物反应器 城市污水 BP神经网络 遗传算法 悬浮填料 同步硝化反硝化 S-P模型 ASM1模型 DO分布模型
分类号: X703
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要


随着污水处理排放标准的不断提高,现有常规处理工艺将面临越来越多的难题,如出水水质不达标、占地面积大、污泥产量高、基建投资费用及运行成本高等问题。在上述背景下,迫切需要开发适合社会发展的污废水处理新技术。因此,近年来各种新型、改良型的高效污废水处理技术应运而生,其中膜生物反应器(MBR)工艺在污废水处理中的应用格外引人关注。本文采用一体式膜生物反应器中试系统对城市污水处理进行了试验研究,并对该系统进行了优化,同时针对中试系统脱氮效果差的弊端,结合“节能”的理念,采用气升循环一体式膜生物反应器小试试验装置,对其脱氮过程进行了研究。主要研究结论和成果如下：(1)中试系统运行稳定后,对COD、NH3-N、TN和TP的平均去除率分别为86.3%、95.0%、25.0%和26.4%,对SS和浊度有着非常良好的去除效果,出水几乎检测不出SS,出水浊度始终保持在2NTU以下。系统对COD的去除主要靠活性污泥微生物的分解代谢,膜组件自身对有机物的去除效能在初始运行时,表现出对有机物的高效物理截留作用；在污泥状态良好时,膜组件兼具生物降解和过滤筛分的双重功能,提高了其自身对有机物的去除及系统的抗负荷冲击能力。从系统的稳定运行来看,间歇操作避免了膜面泥饼层的增厚和堵塞物质的积累,有效延长了膜清洗的周期,但其只能去除膜面的可逆污染,当不可逆污染累积到一定程度时,采用在线化学清洗能够有效缓解系统的膜污染,且化洗药液对反应器内微生物的活性影响不大。(2)以中试系统为基础,利用BP神经网络建立了MBR出水水质预测模型,模型以出水COD和出水NH3-N为预测指标,选取进水COD、进水NH3-N、HRT、SRT、MLSS、气水比和水温为主要影响因素。通过对该模型的训练和检验得到,出水COD和NH3-N的试验值与预测值的相关系数R分别为0.8902和0.9915,均方标准差RMSE分别为0.2117和0.0512,表明该BP神经网络模型对出水水质有较好的预测精度。(3)在中试系统的优化过程中,利用BP神经网络建立了操作参数和膜污染的函数关系模型,模型检验合格后,采用遗传算法对所建BP神经网络模型进行寻优。经过395次迭代后,目标函数值恒定,得到最优膜污染速率(K)为0.44942kPa／d,相应操作参数经过反归一化处理后为膜通量(Jv)12.5L／m2.h、污泥浓度(MLSS)4112.5mg／L、气水比(Q)30：1、抽吸时间(T)8.3min、停抽时间(t)1.0min。优化值与试验值的对比表明,膜通量是影响系统膜污染的最主要因素,维持较低的膜运行通量,有助于缓解系统的膜污染。(4)试验研究表明,小试系统在连续曝气条件下,反应器降流区内的DO沿垂直方向存在梯度,并在底部形成一定范围的宏观缺氧区域,系统实现了较明显的同步硝化反硝化(SND)生物脱氮过程。进一步研究发现,系统SND过程的发生主要是由于反应器内宏观缺氧环境的存在,而微观缺氧环境导致的SND脱氮对系统TN去除的贡献并不大。(5)分析了不同C／N比、曝气强度和HRT对小试系统脱氮效果的影响。研究表明,过大或过小的C／N比、曝气强度和HRT都会对系统的脱氮效果产生影响,当C／N比为10、曝气强度为50m3／m2.h、HRT控制在8～10h时,系统实现了较为理想的脱氮效果,对TN的去除率分别为66.8%、52.6%和61.8%～67.5%。系统在投加悬浮填料后,对COD、NH3-N和TN的去除率分别由原来的87.8%、93.2%和45.5%提高为89.9%、94.1%和57.4%,而系统的膜污染速率由原来的0.25kPa／d降为0.13kPa／d,有效保障了系统的脱氮稳定性和长期运行稳定性。(6)为了优化小试系统的脱氮效果,在S-P水质模型和ASM1模型的基础上,构建了系统DO分布模型。模型检验结果表明,在不同的曝气强度下,模拟值和实测值都取得了较好的一致性,利用该模型可以较为精确的模拟出不同反应器结构及不同操作条件下的DO分布情况。通过对反应器的水力学特性分析表明,减小升流区面积、增大降流区和底部连接通道面积有助于提高系统的混合液上升流速。

全文目录


摘要  5-7
ABSTRACT  7-14
1 绪论  14-36
  1.1 研究背景  14-16
    1.1.1 严重的水污染  14
    1.1.2 污水处理工艺的发展趋势  14-16
  1.2 膜生物反应器技术  16-19
    1.2.1 膜生物反应器简介  16
    1.2.2 膜生物反应器的构型  16-18
    1.2.3 膜生物反应器的特点  18-19
  1.3 国内外的研究进展  19-29
    1.3.1 污染物去除效果  21-23
    1.3.2 操作条件优化  23-24
    1.3.3 膜污染的防治  24-27
    1.3.4 模型研究  27-29
  1.4 国内外的应用现状  29-33
    1.4.1 国外的应用现状  29-32
    1.4.2 国内的应用现状  32-33
  1.5 研究与应用前景  33-35
    1.5.1 研究重点  33-34
    1.5.2 应用领域  34-35
  1.6 研究目的与研究内容  35-36
    1.6.1 研究目的  35
    1.6.2 研究内容  35-36
2 膜生物反应器系统构建及除污特性研究  36-48
  2.1 引言  36
  2.2 试验装置与试验方法  36-38
    2.2.1 试验装置  36-37
    2.2.2 试验水质  37
    2.2.3 试验方法及运行条件  37-38
    2.2.4 测定项目及分析方法  38
  2.3 污染物去除效果  38-44
    2.3.1 有机物的去除  38-40
    2.3.2 氮的去除  40-42
    2.3.3 磷的去除  42-43
    2.3.4 悬浮物及浊度的去除  43-44
  2.4 系统的长期运行稳定性  44-47
    2.4.1 间歇操作下跨膜压差的变化  44-45
    2.4.2 长期运行跨膜压差的变化  45-46
    2.4.3 在线药洗对微生物活性的影响  46-47
  2.5 本章小结  47-48
3 膜生物反应器中试系统的性能优化  48-68
  3.1 引言  48-49
  3.2 出水水质BP神经网络预测模型  49-56
    3.2.1 人工神经网络简介及BP算法  49-52
    3.2.2 模型参数及网络拓扑结构  52-53
    3.2.3 神经网络结构及参数设定  53-54
    3.2.4 结果与分析  54-56
  3.3 遗传算法对系统操作参数的优化  56-66
    3.3.1 操作条件优化的基本思想  56-57
    3.3.2 遗传算法概述  57-59
    3.3.3 神经网络建模  59-62
    3.3.4 遗传算法优化模型的求解步骤  62-63
    3.3.5 遗传算法寻优结果及分析  63-66
  3.4 本章小结  66-68
4 膜生物反应器脱氮性能的试验研究  68-93
  4.1 引言  68
  4.2 生物脱氮理论与技术  68-75
    4.2.1 传统生物脱氮机理  68-70
    4.2.2 生物脱氮其它理论  70-73
    4.2.3 基于传统脱氮机理的MBR脱氮工艺  73-74
    4.2.4 其它形式的MBR脱氮工艺  74-75
  4.3 试验设计  75-77
    4.3.1 试验装置  75-76
    4.3.2 试验水质  76-77
    4.3.3 分析项目  77
  4.4 系统去除有机物和氮的效果  77-79
    4.4.1 运行条件  77
    4.4.2 有机物的去除效果  77-78
    4.4.3 氮的去除效果  78-79
  4.5 脱氮机理分析  79-82
    4.5.1 系统微观环境分析  79-80
    4.5.2 系统宏观环境分析  80-81
    4.5.3 脱氮流程分析  81-82
  4.6 同步硝化反硝化影响因素分析  82-86
    4.6.1 C/N对SND的影响  82-84
    4.6.2 曝气强度对SND的影响  84-85
    4.6.3 HRT对SND的影响  85-86
  4.7 系统运行稳定性分析  86-91
    4.7.1 系统的运行稳定性  86-88
    4.7.2 投加悬浮填料对系统性能的影响  88-91
  4.8 本章小结  91-93
5 膜生物反应器水力学特性及溶解氧分布的模拟  93-109
  5.1 引言  93
  5.2 S-P水质模型  93-95
    5.2.1 模型简介  93-94
    5.2.2 一维稳态S-P模型  94-95
  5.3 活性污泥ASM1模型  95-99
    5.3.1 水质组分  95-96
    5.3.2 生物反应过程  96-97
    5.3.3 计量系数  97
    5.3.4 生物反应速率  97-99
  5.4 DO分布模型的确定  99-105
    5.4.1 模型的建立  99-100
    5.4.2 循环流速的确定  100-103
    5.4.3 参数的确定  103-105
  5.5 DO的模拟及验证  105-107
    5.5.1 DO分布模型的求解步骤  105
    5.5.2 求解结果及验证  105-107
  5.6 本章小结  107-109
6 结论及建议  109-113
  6.1 主要结论  109-111
  6.2 主要创新点  111
  6.3 建议  111-113
致谢  113-114
参考文献  114-126
附录:攻读博士期间主要科研成果  126

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废水的处理与利用
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