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膜生物反应器模型及其对模拟废水的处理 ＊ 杨 俊 江西省环境保护科学研究院, 南昌 330029 李 浩 江西省九江市环境科学研究所, 江西 332000 陈健波 奚旦立 东华大学环境科学与工程学院, 上海 200051 冀世锋 上海市环境保护科学研究院, 上海 200233 摘要 建立了基于 ASM3 模型的膜生物反应器数学模型, 该模型由生物处理部分和膜过滤处理部分构成。 使用 MATLAB SIMULINK 仿真工具, 实现膜生物反应器数学模型的计算机仿真。 模型验证的结果表明, 根据实际的水力、水 质条件适当的选取模型中的参数值后, 该模型可以较为准确地对膜生物反应器污水处理过程进行模拟和预测。 膜生 物反应器模型对于分析膜生物反应器内部的机理、过程以及膜生物反应器的设计和运行有一定的指导作用。 关键词 膜生物反应器 模型 仿真 灵敏度分析 膜通量 ＊上海市科委资助项目 05DZ12003 0 引言 膜生物反应器 MBR 是膜分离技术与活性污泥 相结合的新型高效生物处理技术。用膜组件代替传 统的二沉池 ,可以进行高效的固液分离 , 解决了传统 工艺出水水质不稳定、污泥易膨胀等不足 ,具有许多 其它生物处理工艺无法比拟的明显优势 [ 1] 。 国际水协会 IWA 发布的活性污泥模型 ASM1、 ASM2、 ASM2D、 ASM3 已成为模拟活性污泥法的通用 平台 ,但在膜生物反应器模型的模拟方面显得相对滞 后。本研究通过将普通活性污泥法污水处理过程和 膜组件的选择性过滤过程相结合, 得到了膜生物反应 器的数学模型, 并对模型的正确性进行了验证 。 1 膜生物反应器模型的建立 1. 1 MBR模拟工艺流程 模拟工艺如图 1,对于该工艺流程可以将它看作 由两个互相关联的子系统 CSTR反应池和膜组件 组成 。 图 1 MBR 过程模拟的工艺流程 CSTR工艺过程系统的物流状况 进水 Q1的13种 组分用向量 Z1表示, 它与回流污泥 Qa中的13 种组分 Za混合后 ,进入 CSTR 反应池系统的缺氧池 ,经反应 后,生成组分 Z2,以流量 Q2进入好氧池, 进行好氧反 应。浸没在好氧池中的膜组件在压力作用下 ,通过过 滤作用泥水分离。透过液以组分 Ze、 流量 Qe排出,好 氧池回流污泥以组分 Za、 流量 Qa回流,剩余的部分以 组分 Zw、流量 Qw排出 。由于采用 ASM3 模型统一的 组分描述方式,从而可以方便地建立起 CSTR 缺氧 好 氧池和膜组件过滤过程的物流联结关系。 1. 2 用ASM3模拟膜生物反应器生物反应过程 ASM3 所涉及的主要反应过程和 ASM1 相同, 以 处理生活污水为主的活性污泥系统中的氧消耗、 产污 泥、 硝化和反硝化作用等。ASM3 被设计成许多不同 的模型核心 ,同时又考虑到监测的问题以致采用了一 些比较容易监测的组分因子作为模型输入参数,增强 了模型的可用性。因而本模型采用 ASM3 作为描述 活性污泥生化反应过程的模型核心 。 ASM3 不包括生物除磷过程 , 共含有 13 种组分 12 个过程。物质平衡方程可由连续方程写成 ∑ i vj , ilk , i0 i 1 ～ 12 1 式中 vj, i 组分 j 在第i 反应过程中的化学计量 系数; lk ,i 为组分 j 对指标k COD、 N、电荷 、 总悬 浮物 的转换系数。 组分 j 的表观转化速率表示为化学计量系数vj ,i 和组分j 的过程速率 ρi; 乘积之和 rj∑ i vj , iρi 2 21 环 境 工 程 2007年 6 月第25 卷第3 期 式中 ρ i 反应过程速率 g m 3d 。 1. 3 简化膜过滤模型 MBR工艺中 ,膜组件是一个重要组成部分 ,它的 选择性能直接影响着整个工艺流程的运行情况。本 模型所关心的是膜组件对物质分离的程度,于是在模 型中引进膜组件的特性参数 σx和 σs, 它们分别表示 膜组件对颗粒性组分和溶解性组分的选择性过滤程 度。用式 3 和式 4 定义 σX mX,P VPXR 3 σS mS,P VPSR 4 式中 σX 膜对颗粒性组分的过滤程度 ; mX,P 透过膜的颗粒性组分的质量 ; XR 膜生物反应器中颗粒性组分的浓度; VP 透过液体积; σS 膜对溶解性组分的过滤程度 ; mS,P 透过膜的溶解性组分的质量 ; SR 膜生物反应器中溶解性组分的浓度 。 根据有关文献和实验确定模型中参数取值范 围 [ 2] 。为简化模型 ,规定 20 ℃ 时溶解性组分取值 1, 而颗粒性组分取值 0. 8。膜组件过滤特性参数是模 型最终实现的关键参数, 它的确定对于模型模拟的准 确度有着重要意义 。由于污水的浓度 、性质、温度、 pH 值以及膜性能等因素对模型参数都有影响, 所以 需要根据具体情况来确定参数值。在应用模型时可 分别更改 13个组分的过滤性能参数以便更加准确地 模拟MBR工艺过程 。 1. 4 膜通量数学模型 膜通量的减少与膜污染有着直接的联系。为解 释膜污染的原因 ,最大限度地关联膜过滤操作过程有 关参数 ,本模型以达西方程为核心, 建立通量数学模 型。该模型关联了污泥浓度、跨膜压力 、粘度等几个 与操作过程有关的参数, 还引进了与膜材料有关的阻 力系数,减少了限制条件, 提高了预测的正确性。达 西方程可表示为 J ΔpTM μpRT ΔpT M μp RMRCRIF 5 式中 J 膜通量 L m 2s ; ΔpTM 膜两侧的压力差 Pa; μp 透过滤液粘度 与温度有关 Pas; RM 清洁膜固有的阻力 m -1 ; RC 沉积阻力 m -1 ; RIF 膜污染阻力 m -1 。 为了动态模拟膜污染对混合液通量的影响,必须 对式 5 的数学模型进行进一步的分解和简化 。 RC沉积阻力主要由膜面的滤饼层引起的, 其值 可以用以下的方程表示 [ 3] RCkccbe J t kp 6 式中 kc 滤饼层模型系数 m 2 kg ; Cb 生物反应器中悬浮固体浓度 g m 3 ; J 膜通量 L m 2s ; kp 质量传递系数 m 3 m2 s 。 RF主要是膜内部阻力。可以用下式表示 [ 4] RFSF1 -e - KF∫ t 0J t dt 7 系数 KF与悬浮固体中能引起膜孔堵塞和吸附 的物质,如 EPS 密切相关。而系数 SF则是膜常数 。 至此, 对于一个动态膜过滤过程 , 其通量的数学 模型可以表示为 J t ΔPTM RMkCCbe J t kp SF1 -e - KF∫ t 0J t dt μ P 8 显而易见, 在 3 个污染因素中 ,只有沉积阻力是 以指数形式出现的 ,因此它对膜通量的影响最大, 即 通量对 kc的灵敏度最大 。同时 , 由于膜清洗过程不 可能完全去除吸附和堵塞在膜孔中的物质,因此对于 清洗后的膜通量可以下式表示 J t ΔPT M RMkCCbe J t kp SF1 -e - kF 1-φ F∫ t 0 J t dt μP 9 式中 φ F 清洗系数 。 2 模拟程序开发 本模型主要是通过MATLAB 语言中的SIMULINK 工具箱构建仿真模型的。 仿真模型主要包括进水配分模块 、 混合模块、反 应模块 、 膜过滤模块 、膜通量模块以及出水组合模块 等。反应模块、膜过滤模块和膜通量模块处理相应的 反应 、 过滤计算 ,进水配分模块主要是将进水各组分 按一定规则分配为 13 种组分, 而出水组合模块则正 好相反,它将 13 种组分组合为几种常见熟悉的监测 因子如 CODCr,BOD5,MLSS 等, 作为工艺分析的基础。 22 环 境 工 程 2007年 6 月第25 卷第3 期 混合模块主要处理几股水流的混合 。 3 膜生物反应器验证实验 验证实验的核心为生物反应池和中空纤维膜组 件。反应器由缺氧和好氧池组成 , 有机玻璃制造, 尺 寸均 为 320 mm 150 mm 700 mm , 正 常液 面高 600 mm ,有效容积为27 L 。缺氧池设搅拌器, 防止污 泥沉积。好氧池下设微孔曝气器进行连续曝气,这样 除了能为反应器中的污泥供氧外, 还可以以水气两相 呈错流形式冲击中空纤维膜束 ,使得活性污泥混合液 维持一定的循环流动速度, 形成对膜表面的冲刷, 以 减轻活性污泥在膜表面的沉积。实验中采用的膜组 件为自制外压式 PVDF PVC PMMA 共混中空纤维膜 组件, 孔径0. 30 μ m 。培养污泥取自江苏省吴江市联 合污水处理厂曝气池中的活性污泥。为尽可能使实 验废水水质保持稳定 ,实验用水采用人工配制模拟生 活废水。 4 模拟结果与讨论 4. 1 灵敏度分析 采用灵敏度分析法进行模型参数校核。基于灵 敏度分析, 调整有较大影响的参数值, 减小模拟值与 实测值之间的误差 。试验中的参数主要包括动力学 参数和化学参数。输出变量采用与研究最为紧密的 出水 CODCr和 MLSS。通过对每个参数单独变化时的 模拟结果进行对比,且只考虑参数改变对出水CODCr和 MLSS 的影响,得出以下结论 ① 影响CODCr去除的关键 因子是贮存速率常数 kSTO,其模型推荐值 10 ℃ 为 2. 5; 20 ℃ 为 5. 0。建议将值改为 7. 0 时与实测结果模拟较 好。 ② 影响出水MLSS 的关键因子是异养菌最大比生 长速率 μ ,其模型推荐值 10 ℃为1; 20 ℃为2。 最终发 现取2 时模拟结果与实测结果更加接近。 4. 2 水力停留时间与处理效果 由图 2和图3 可以看出 ,MBR系统对一般废水的 处理效率较高, 水力停留时间为9 h和15 h的情况下, 两系统对 CODCr去除率都相差不大 。说明在实验选 择的水力停留时间范围内 ,水力停留时间对 CODCr的 去除效果的影响并不明显。不同 HRT 情况下的实际 系统出水 CODCr值和对应的模拟值之间存在一致的 趋势。HRT 为15 h时,MBR系统出水 CODCr实际值与 模拟值的平均绝对误差为 13. 7。HRT 为9 h时, MBR系统出水 CODCr实际值与模拟值的平均绝对误 差为 15. 4。由此可见, 模拟结果总体上能反映出 水水质的变化趋势, 较好的描述了出水结果。但是简 化膜分离数学模型的膜特性系数在一定时间范围内 是固定的, 因此进水水质变化和最终的分离效果之间 的关系没有动态数学模型来的紧密 ,还需通过实验不 断修正膜分离系数, 从而减少实际值与模拟值之间的 误差 。 图 2 HRT 9 h,SRT20 d 条件下MBR 系统进水、膜出水 CODCr实际值和模拟值的变化 图 3 HRT15 h,SRT20 d 条件下MBR 系统进水、膜出水 CODCr实际值和模拟值的变化 4. 3 膜通量模型验证 为验证膜通量模型的正确性,进行了仿真模型的 实验验证。主要测量参数为 25 ℃ 时总阻力、膜通量。 实验结果见图 4。 图 4 共混膜的过滤性能的实验和模拟 实 验 结 果 表 明 膜 通 量 最 大 绝 对 误 差 为 328. 08 L m 2h ,最大相对误差为 71。膜通量平 均绝对误差为7. 57 L m 2h , 平均相对误差为 1。 总阻力最大绝对误差为110. 83 L m 2 h ,最大相对误 差为 240, 总阻力平均绝对误差为0. 71 L m 2h , 平均相对误差为 12。由此可见, 虽然在实验开始 阶段膜通量和总阻力的实验值与它们的模拟值之间 23 环 境 工 程 2007年 6 月第25 卷第3 期 的绝对误差较大 , 但是从总的实验过程中可以看出, 仿真模型还是很好地模拟了膜过滤过程 。 5 结论 建立了基于 ASM3 模型的膜生物反应器数学模 型,仿真系统由生物处理部分和膜过滤物理处理部分 构成 。通过13 个组分和流量将 3个不同机理的模型 联通起来 。通过仿真模型的验证实验, 实验平均误差 说明仿真模型很好的模拟了膜过滤过程 。 MBR系统对一般废水的处理效率较高 , 水力停 留时间为9 h和15 h的情况下, 两系统对 CODCr去除率 都相差不大。说明在实验选择的水力停留时间范围 内,水力停留时间对 CODCr的去除效果的影响并不明 显。计算机仿真结果表明 ,模拟结果能较好的反映出 水水质的变化趋势。 参考文献 [ 1] S. Adham, et al. Feasibility of the membrane bioreactors for water reclamation. Wat . Sci . Tech. ,2001, 43 10 203 -209. [ 2] Gumher gehlert, Jobst hapke . Rigorous approach to modeling of a continuous aerobic membrane bioreactor. Eng . life. Sci. , 3 2003 7. [ 3] S. Geissler, T . Wintgens, T . Melin, K . Vossenkaul, C. Kullmann. Modelling approaches for filtration processes with novel submerged capillary modules in membrane bioreactors for wastewater treatment. Desalination, 2005, 178 125 -134. [ 4] T. Wintgens, J. Rosen,T . Melin, C. Brepols,K . Drensla, N . Engelhardt. Modelling of a membrane bioreactor system for mumicipal wastewater treatment. J Membrane Sci . ,2003, 216 55 -65. 通讯联系人 李 浩 332000 江西省九江市浔阳东路 133 号 环境 科学研究所 2006- 08-02 收稿 离散型住宅小区污水深度处理与中水 回用系统的优化设计 ＊ 杨 群 章北平 杨高华 王 翠 华中科技大学环境科学与工程学院, 湖北武汉 430074 摘要 以武汉市东西湖区园艺花城小区 三期 污水深度处理和中水回用系统建设为例, 介绍具有较强实用性的生活 污水生化 物化 生态组合处理工艺。 该项工艺及其配套设备特别适用于含氮量偏高情况下的离散型住宅小区生活污 水深度处理与回用, 具有处理效果稳定、能耗低、占地省、易与周边环境协调等诸多优势。 关键词 离散型住宅小区 污水深度处理 中水回用 A -A -O 型膜生物反应器 ＊武汉市“十五”科技攻关专项计划项目 20046004069-05 0 引言 近年来 ,已有研究结果表明, 在住宅小区人口数 达一定规模时, 对离散型小区生活污水予以集中处理 和回用比将污水远距离排入市政管网, 经城市污水处 理厂处理后再予回用更为经济 [ 1] 。 在进行离散型住宅小区生活污水处理与回用工 艺选择和处理装置设计时 ,必须针对小区用水排水的 具体情况 ,结合特定的水质水量条件寻找最优工艺和 最佳设计方案, 为此 , 以武汉市东西湖区园艺花城小 区 三期 污水处理和中水回用系统为例 ,介绍一种在 含氮量偏高情况下处理小区生活污水, 使小区实现污 水零排放的实用工艺技术 。 1 小区生活污水的水质及污水处理与回用系统规模 1. 1 小区生活污水的水质特征 目前东西湖区排水管网系统和城区污水处理厂 尚处于建设和完善之中 。园艺花城小区地处东西湖 区中心 。小区建设分 3 期完成。在三期工程建设的 同时, 以生活污水为来源 ,在园艺花城小区内部进行 生活污水深度处理与中水回用系统的配套建设。 表 1 园艺花城小区二期住宅化粪池出水水质情况mg L SS BOD5CODCrNH3-N TNTP 约 80160～ 270280～ 42042～ 5968～ 1022. 3 表1 为含有冲厕污水的生活污水水质检测结果, 24 环 境 工 程 2007年 6 月第25 卷第3 期 TREATMENT OF POLLUTED RIVER WATER BY CONSTRUCTED WETLAND WITH PACKING MEDIUM OF POTSHERD WASTEZhangJian Li Yan He Miao et al7 Abstract A constructed wetland system was made by selecting potsherd waste as packing medium, reed and calamus as plants to treat polluted river water. With the hydraulic loading of 15 cm d, pollutants removal perance of the system was studied in the condition of high influent concentration CODCrand ammonia nitrogen concentration were 40 ～ 70 mg L and 10 ～ 35 mg L, respectivelyand low influent concentration CODCrand ammonia nitrogen concentration were 15～ 30 mg L and 0. 3～ 3 mg L, respectively . The results showed that in the condition of high influent concentration, CODCrand ammonia nitrogen removal rateswere 10. 0 and 42. 4, respectively, and in the condition of low influent concentration, CODCrand ammonia nitrogen removal rates were 38. 5 and 63. 0, respectively. Potsherd waste is a kind of economical and effective packing medium for constructedwetland. Keywords constructed wetland, polluted river water, potsherdwaste and medium STUDY ON THE THERMOPHILIC 55 ℃ ANAEROBIC TREATMENTOFSALINE DYE WASTEWATERGao Huan ZhouYuexi Hu Xiang et al9 Abstract The characteristics of anaerobic granules degrading saline dye wastewater were investigated in a laboratory -scale upflow anaerobic sludge blanket UASBreactor at 551 ℃. Experimental results demonstrated when ambientflocculent digester sludge was used as seed, HR T hydraulic retention time was12 h, salinity was 50 000 mg L, influentCODCr chemical oxygen demand was 900～ 1 000 mg L, and reactive red2 RR2dye concentration was 100 mg L. The quasi -steady state of the UASB reactor was achieved after 78 running days. The CODCrand RR2 removal rateswere above 44 and 85 respectively. The diameter of the thermophilic salt -tolerant anaerobic granular sludge was from 1. 0～ 2. 0 mm, bacilli, cocci and filamentous bacteria were found. Keywords saline dye wastewater, thermophilic, anaerobic, UASB reactor, RR2 and granular sludge TREATMENTOFOILYWASTEWATER BYMAGNETICFLOCCULATION SEPARATION PROCESSWang Liping He Youqing Fan Hongbo et al 12 Abstract The oily wastewater was treated by magnetic flocculation separation process. The proper dosages of magnetic particle, flocculant and coagulant aidswere determined, and the effects of adding sequence andmixing condition onthe treatment were studied. Meanwhile, the contrast testbetween magnetic flocculation process and common flocculation process was carried out. It was shown that when the content of oil in the wastewater is 100～ 200 mg L the optimum technological parameters are that the dosages of magnetic particle, PFC and PAM are 280 mg L, 25 mg L and 0. 5 mg L respectively, the magnetic particle and PFC should be put into wastewater simultaneously before PAM and the suitable stirring speed should be 250 r min. Keywords oily wastewater, magnetic particle and magnetic flocculation REMOVAL OF ENDOCRINE DISRUPTING CHEMICALS IN CHEM -BIOFLOCCULATION CBF TREATMENT PROCESSLiu Yi Xia Siqing Chen Ling et al 15 Abstract Endocrine disrupting chemicals EDCsexisted in chem-bioflocculation CBFtreatment process of Anting Sewage Treatment Plant, Shanghai were analyzed by liquid-liquid extraction process -GC MS. Eight EDCs were detected in the influent. The removal perance of EDCs in CBF reactor was also investigated and the results showed that all EDCs could partly be removed by CBF treatment process. Each channel showed different removal perances in CBF reactor. All types of EDCswere removed obviously during the first channel, while some of them were desorbed during the second channel. Phenols were partly removed during the third channel. Keywords CBF treatment process, EDCs, alkylphenol and PAEs THE RESEARCH ON THE DISTRIBUTION UNIITY OFTHE PERIPHERAL FEED SETTLING TANKLuo Benfu Zhang Xuebing Zhang Mingjie et al 18 Abstract The article focused on the calculationof equalwater depth and equal service through board through the hydraulics analyses that is the distributing water ways of the peripheral feed setting tank, and analyzed the characteristics of these two distribution ways. Combinaton of the examples and through the practicability of distribution way, it is concluded that variational distance of hole in the distribution trough can realize uni distribution. The distributio uniity and stabilization of the distribution trough with variational distance hole is relatively good, through the analyses of energy differential equation. Keywords clarifier, peripheral feed, distribution trough, equidistant hole for distributing water and variational distance of hole for distributing water BIOREACTOR MODEL AND ITS SIMULATION OF SYNTHETIC WASTEWATER TREATMENT Yang Jun Li Hao Chen Jianbo et al 21 Abstract The mathematic model of MBR was developed based on ASM3 model, which consisted of bioreactor and membrane filtratration unit. Furthermore, the model was implemented using Matlab Simulink programming package and a flow-sheet simulation interface was developed. The result of the model verification shows that this modelis able to simulate the process in a membrane bioreactorwell and to predict the treatment results in the bioreactor and in the effluentwith a satisfying precision. Therefore, this model can analyze the internal microbiological process in the membrane bioreactor, and guide the design and running of membrane bioreactors. Keywords membrane bioreactor, model, simulation, sensitivity analysis and membrane flux OPTIMAL DESIGN FOR THESYSTEMOF ADVANCED TREATMENTOFDOMESTIC 2 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 25,No. 3, Jun. , 2007