基于 ASM-CFD耦合模型的  MBR流场、传质及膜污染控制的模拟与优化研究

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题名	基于 ASM-CFD耦合模型的 MBR流场、传质及膜污染控制的模拟与优化研究
作者	杨敏
答辩日期	2017-05
文献子类	博士
授予单位	中国科学院大学
授予地点	北京
导师	樊耀波 ; 魏源送
关键词	膜生物反应器计算流体力学 Membrane Bioreactor 膜污染 Computational Fluid Dynamics 活性污泥模型 Membrane fouling 耦合 Activated Sludge Model Coupling
其他题名	Simulation and Optimization for Flow Field, Mass Transfer and Membrane Fouling Control of Membrane Bioreactor (MBR) Based on ASM-CFD Coupling Model
学位专业	环境工程
英文摘要	膜生物反应器（Membrane bioreactor, MBR）及其组合工艺出水水质优良，占地面积小、污泥产量低、操作简单灵活，广泛应用于污水处理与再生利用。但膜污染及运行能耗高仍然是 MBR应用面临的两大难题。MBR的出水水质、膜污染与运行能耗受水力条件和生化反应状况的共同影响，但 MBR水力学特征与生化反应动力学过程的耦合研究仍然匮乏。本文通过耦合计算流体力学（computational fluid dynamics, CFD）与活性污泥模型（activated sludge model, ASM），开展不同规模 MBR及其组合工艺流场、传质和膜污染的模拟与优化研究，探讨污水脱氮除磷、污泥减量和膜污染的影响因素和作用机理。以小试规模气升式外循环-膜生物反应器（airlift external circulation-membrane bioreactor, AEC-MBR）分散污水处理装置为对象，开发了包含氧传质子模型、简化生物动力学子模型和污泥流变学子模型的耦合 ASM-CFD模型，并结合气液分散高度和曝气强度，模拟和优化了 AEC-MBR的氧传递和消耗、脱氮效率和膜冲刷。结果表明，当优化的气液分散高度为 300 mm、表观气流速率为 25 m3 h-1m -2，可实现膜冲刷和脱氮协同优化，曝气量最高可降低约 50%，总氮去除率达 90%以上。小试 MBR装置（100 L d-1）膜组件结构和操作条件的模拟与优化研究结果表明：曝气混合高度 hm、曝气管布置密度显著影响膜面剪切力和分布均匀性，而膜组件整体高度对膜面剪切力影响较小，三者的优化值分别为 300 mm、40 mm 和 100 mm，膜面平均剪切力较优化前提高 85%以上。污泥浓度、气泡直径和曝气对 MBR膜可逆污染的模拟和优化结果表明：影响膜面剪切力、膜面颗粒物反向迁移速度的因素分别依次是污泥浓度＞气泡直径＞曝气强度、污泥浓度＞曝气强度＞气泡直径。当膜面颗粒反向迁移速率权重大于膜面剪切力时，曝气量 2.0 m3 h-1、MLSS8820 mg L-1、气泡直径 4.88 mm，膜面剪切力和膜面颗粒反向迁移速率较中心点均明显改善，分别提高了 12.4%和 51.1%。为考察小试规模 MBR优化结果在工程规模 MBR的适用性，开展了工程规模（500m3 d-1）MBR的结构和操作参数优化。模拟结果表明，不同规模MBR结构参数敏感性存在差异，工程规模 MBR对水平结构参数（膜间距、曝气管间距）更敏感；小试 MBR对竖直结构参数（曝气混合高度、膜组件安装高度、安全液位高度）更敏感。优化的工程规模 MBR的膜间距、气水比、气水混合高度分别为 25 mm~30 mm、20：1、100 mm。采用流态、生化动力学模型以及微生物群落结构分析等多种方法考察小试 A2/O-MBR脱氮除磷、污泥减量和能量消耗的内在联系。流态分析结果表明，两相模拟和三相模拟的 RTD曲线几乎完全重合，说明简化为两相流合理；Peclet数（Per）随回流比增大而减小，内回流比分别为250%和350%时Per为0.98和0.75，显著低于不存在回流时的 3.13。qPCR分析表明各单元微生物群落组成相同，但相对丰度有所不同。 SRT显著影响污泥微生物群落结构的丰度和多样性， SRT=25d时，厚壁菌门是优势菌门，SRT=50d时，变形菌门成为优势菌。以工程规模（15万m3/d2）A /O-MBR污水处理厂为研究对象，历史数据分析和现场调研的结果表明，采用曝气和推流搅拌的好氧池混合效果最好；曝气的膜池混合效果次之，仅有搅拌的厌氧池和缺氧池混合效果最差。同一单元水质分布较均匀，相对标准差不超过 50%（总磷除外），各单元上、下层 COD、氨氮、硝酸盐、总氮和总磷的线性相关系数分别达 95.29%、98.79%、95.14%、97.14%和 81.03%；好氧池沿程氨氮和总氮浓度变化较小，说明曝气或池容富余，且单独设立膜曝气池也不尽合理；尽管改用脉冲曝气后能量减低 42.39%，但沿程曝气量和回流比仍具优化空间。RDA分析结果表明，可通过降低膜池和生化池的曝气量、减少回流量、减少污泥停留时间和水力停留时间等多种方法降低运行能耗。
内容类型	学位论文
源URL	[http://ir.rcees.ac.cn/handle/311016/38729]
专题	生态环境研究中心_水污染控制实验室
作者单位	中国科学院生态环境研究中心
推荐引用方式 GB/T 7714	杨敏. 基于 ASM-CFD耦合模型的 MBR流场、传质及膜污染控制的模拟与优化研究[D]. 北京. 中国科学院大学. 2017.