膜生物反应器的建模模拟

引言膜生物反应器相对于传统活性污泥法具有操作压力低、出水水质好、产生污泥少等优点而有着良好的应用前景。膜生物反应器一般由污泥处理单元和膜过程单元两部分构成，根据两单元的位置可以选择顺序建模或并行建模。1污泥模型1.1理论起源活性污泥法处理废水实际是利用废水中的微生物生长代谢除去废水中的污染物。该过程动力学理论起源于Monod方程：μ=μ（S）⑴μ=μmaxCS/（KS+CS）⑵Monod方程用来描述较简单的微生物培养体系[1]。但在废水处理中，Monod方程不能描述实际微生物生长的复杂过程。有价值和容易利用的底物成分短时间内被耗尽，微生物需要利用剩余底物成分，造成生长速率减缓。在多底物情况下，可能出现底物依次利用和交叉利用等不同情况，这时通常利用一般化的monod公式：式中：aij为化学计量系数，当i＝j时，aij＝1。[2]1.2数学模型膜生物反应器中污泥部分可主要参考活性污泥过程模型。目前得到国际认可的活性污泥过程模型主要是IAWQ（国际水质协会）的ASM系列[3]，它们主要根据Dold等提出的微生物死亡－再生理论来模拟微生物的衰减过程。微生物衰减过程中，微生物转化为溶解颗粒产物和惰性生物残留物，该过程中无COD损失。图1死亡-再生理论示意图ASM系列自1987年推出以来，经过不断发展目前已有ASM1，ASM2，ASM2d，ASM3等若干种模型。模型均以矩阵方式进行描述，分别包含不同的子过程、组分、动力学参数和化学计量学系数。随着污水处理技术的发展，ASM1由于不能适合包括含除磷作用的系统而使其使用受到限制。而生物除磷过于复杂，使ASM2虽加入了除磷过程但模拟效果不佳，ASM3中也不包括除磷过程。ASM3是对ASM1的修正，较前者更强调微生物的作用，但其准确性有待于进一步验证。实际应用中多选用ASM1模型。1.3模型应用由于污水中组分的复杂、多样化，ASM模型中含有大量参数，直接套用模型应用于实际工程并不可行，需要根据实际情况将模型简化，对模型参数进行校正。董姗燕等[4]对ASM2d模型中的各参数灵敏度进行了分析，认为需要结合工程对灵敏度较大的参数进行校核，灵敏度很低的参数无需校核。膜生物反应器的建模模拟王和锋1，孙婷2，王聪3，孙敏1，杨凡1（1.国家海洋局珠海海洋环境监测中心站，广东珠海519015；2.国家海洋局珠海海洋管理处，广东珠海519015；3.国家海洋标准计量中心，天津300112）摘要：膜生物反应器相对于传统污水处理方法对污水有较好的处理效果，有着良好的应用前景。文中介绍了膜生物反应器建模的发展和现状，分别就污泥模型、膜污染模型和整合膜生物反应器模型进行了论述，介绍了模型的应用和今后的发展方向。关键词：膜生物反应器；模型；建模中图分类号：X55文献标识码：B文章编号：1003-2029（2010）01-0105-05第29卷第1期2010年3月海洋技术OCEANTECHNOLOGYVol.29，No.1Mar，2010收稿日期：2009-06-17作者简介：王和锋（1980~），男，山东青岛人，工程师，在职硕士研究生。E-mail:asxaswang@163.com⑶海洋技术第29卷2膜污染的模型与其它膜过程类似，膜污染是限制膜生物反应器在实际工程应用的重要原因。膜生物反应器中，包括污泥在内的各种悬浮颗粒、胶体粒子和溶解性大分子有机物均能在膜面和膜孔进行吸附沉积，堵塞膜孔，造成膜通量下降。膜污染和多种因素有关，其中有机污染和生物污染尤为严重。2.1经校正后的Darcy方程[5]⑷其中：R=Rm+mα+Rp⑸Rc（t,z）=mα⑹渗透压由泵压、水压和膜组件形成压力三部分组成。2.2膜通量的变化在恒定渗透压下，初始膜通量主要和Rm有关，其余两项Rp和Rc（t，z）由于值很小可以忽略不计。随着膜过程进行，Rp和Rc（t，z）会快速增长，影响比重变大，膜通量随不同阻力升高而变化[7]，如下式：⑻⑼⑽式中：J0为初始膜通量；Km，Kp，Kc分别表示和膜阻力、膜孔堵塞阻力和泥饼阻力相关系数[8]。其中：式中：τW为膜孔两相污泥和空气的剪切力；ηF表示溶液粘度；dc为膜孔直径[9]。膜通量计算公式：式中：km为错流效果系数；VP为渗透液体积；XTSS为总悬浮物；A为膜面积。以上假设所有的颗粒均被吸附到膜表面。在膜生物反应器中，曝气错流产生的剪切力会减少吸附的颗粒。Km受错流强度影响，值为从0到1，Km＝1时即死端过滤，所有的颗粒被膜截留。由于总溶解有机物和总悬浮物相比甚微，在膜污染过程中将其忽略。阻力系数则受悬浮物物理性质的影响，如附在悬浮物上的溶解有机物会产生影响。当错流操作时泥饼层或者污染层保持在膜表面的黏滞力与水动力学边界层的剪切力达到平衡，阻力即可视为恒定。根据试验测量可以得到阻力和稳态水通量。另外有报道利用B