膜生物反应器处理中药废水中试研究及其数学建模
迄今为止，膜生物反应器(MBR)的研究与开发已有36年的历史，商业应用也有十几年。但是，MBR的研究并没有完成，MBR技术仍不稳定，操作运行条件仍在变化，膜组件类型仍不明确，膜污染问题仍未解决，MBR运行成本、能耗、污泥产量的试验结果仍然存在矛盾，这使得MBR的估价很难进行。另外，MBR废水处理动力学与数学模型研究做得远远不够。围绕着中药废水处理与回用和数学建模这两个问题，以浸没式膜生物反应器(SMBR)工艺取代哈尔滨中药二厂中药废水处理工艺中的交叉流好氧反应池和二沉池，采用数学、化学、生物学等研究方法及手段，同时配套自动化控制系统，首次全面系统地进行了高浓度中药废水两相厌氧消化系统出水处理与回用的中试研究，并在此基础上建立了相关的数学模型。
进行了SMBR处理高浓度中药废水两相厌氧消化系统出水的中试研究。考察了SMBR工艺系统的运行效果，结果表明，用SMBR工艺处理高浓度中药废水两相厌氧消化系统出水在技术上是可行的，能够长期稳定运行。在中试研究中，为了达到不同的出水水质标准，应控制不同的操作条件。膜生物反应器出水欲达到中水回用标准，进水COD浓度应小于3000mg/L，且HRT=5.0h；膜生物反应器出水欲达到排放标准，进水COD浓度应小于6000mg/L，HRT=5.0h，或进水COD浓度小于3000mg/L，HRT=3.2h。考察了高负荷下SMBR中污泥特性，发现以VSS/SS、污泥比耗氧速率、脱氢酶活性和比基质降解速率表示的SMBR的污泥活性随着运行时间的延长逐渐降低；活性污泥体积比耗氧速率活性随着污泥浓度的增加而增加。考察了SMBR中膜通量的衰减情况，确定了最佳的化学清洗周期和频率。SMBR中膜组件的清洗方法主要采用先以物理清洗措施，而后用次氯酸钠先碱洗后再用乙醇洗的方法对膜进行化学清洗，在不同的操作压力下膜通量的恢复程度不同，在真空值为0.02MPa时的膜通量恢复最大，3次化学清洗恢复程度分别为94.7％、82.7％和70％，膜的清洗周期为150天。
通过数学手段，首次建立了膜通量与温度、操作压力、MLSS的通用模型。同时利用SPSS统计分析软件对SMBR系统出水COD及容积负荷、MLSS之间的关系进行了统计分析，结果表明，出水COD和容积负荷之间存在正相关性；出水COD与污泥浓度之间也存在着一定的相关性，这从数学角度验证了运行参数对SMBR出水水质的影响，与试验结果基本一致。为了优化运行参数和预测SMBR出水水质，引入了BP神经网络的理论与方法，建立了SMBR系统出水水质预测与控制的仿真模型，做出了四因子BP神经网络仿真图谱。对图谱进行分析表明，模型模拟结果与实验结果基本一致，这说明基于BP神经网络建立SMBR模拟模型是可行的，这为工艺运行的在线控制提供了途径。
考察了SMBR中的物料平衡关系，并在物料衡算方程的基础上建立了微生物增殖动力学模型和有机物降解动力学模型。物料平衡研究结果表明，SMBR中COD的去除主要是通过微生物的新陈代谢作用获得的，随着HRT的降低，进水COD转化为污泥COD排除系统外的百分数逐渐降低，而进水COD通过其他途径排出系统外的百分数随着HRT的缩短先增加后降低。在物料衡算方程基础上所建立的微生物增殖动力学模型和有机物降解动力学模型能够预测SMBR工作的方式和性能。根据这两个模型，一方面能够预测SMBR中污泥浓度及其增长趋势，另一方面，通过调节运行参数θ，θc和Ci就可以很简单的控制和管理SMBR系统的运行，而不必考虑具体运行工作条件。
在活性污泥1号模型(ASM1)基础上，对活性污泥1号模型进行了修正和改进，建立了SMBR处理中药废水两相厌氧消化系统出水过程中结合碳氧化、同时硝化反硝化的机理模型，并应用MATLAB数学软件在计算机上开发了基于ASM1的SMBR工艺软件，最后通过试验对模型进行验证。利用模型对DO进行评价，结果表明SMBR中最佳溶解氧浓度为1.2～3.0mg/L。本研究所建立的模型能够对SMBR系统性能影响因素进行评价，也能够模拟SMBR的运行，自编程序模拟结果与试验结果能够很好的吻合。
膜生物反应器;中药废水;废水处理;活性污泥
哈尔滨工业大学
博士
环境工程
任南琪
2005
中文
X703
198
2006-07-10（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）