1、长 江 大 学 城 市 建 设 学 院毕业设计（论文）外文翻译英文题目：Modelling of a membrane bioreactorsystem for municipal wastewatertreatment 中文题目：市政污水生物膜处理系统的模型化 学科专业：给水排水 指导教师： 辅导教师： 班 级：给排水 1042 班 学生姓名： 2008 年 4 月 21 日市政污水生物膜处理系统的模型化T. Wintgens a, J. Rosen a, T. Melin a, C. Brepols b, K. Drensla b, N. Engelhardt b著，肖雄译摘要：在这篇文章
2、中，我们提出了一个模型来描述淹没式毛细纤维模块的过滤性能，这些纤维模块在污水处理生物膜反应器中。仿真模拟及校准软件能操控市政污水处理设备Rdingen的数据，该模型在上述软件中能发挥作用，该模型由爱尔福特河流协会操控并具备保持生物量的活性污泥处理和微过滤单元。我们提出了过滤阻力的数学表达式，并把该式与活性污泥模型（ASM）结合起来共同描述生物处理过程。该模型成功模拟生物膜长时期的渗透能力的下降并以标准形式成功模拟最终污水质量。关键词：生物膜反应器，污水处理，腐烂模型，微滤，模拟1 引言生物膜反应系统越来越多地应用于市政污水处理中，它的淹没式膜单元的特征是低过膜压差（TMP）及在进料边大量采用空
3、气脉动。由于活性污泥单元和保持生物量的膜滤的共同作用，使得出水水质好且设备布局紧凑。尽管投资成本比具备二级净化设施的传统污水处理设备要低，但由于生物膜更换花费大且充气耗能多，因此操作费比传统处理设备的操作费高 1。在膜表面和空隙内部的腐烂现象降低了通量的长期稳定性。渗透回冲和化学清理是尽量减小这些影响的标准程序，并且可稳定膜系统的总体渗透性，但是会导致净滤效率下降且清除剂可能会损坏生物膜。现在我们无法预言在某种情况下膜渗透性的改善情况，我们也无法预言清理的效果。这些不确定性给设备布置、设计及操作造成相当大的困难。我们利用许多工业处理及传统污水处理模型来描述模拟处理过程并获得以模拟研究结果为基础
4、的方法，所以到目前为止生物膜反应系统的综合模型还不存在。综合模型将生物处理和过滤之间的相互依赖性结合起来并以数学形式来描述淹没式膜单元中的“通量决定一切”的现象。在淹没式中空纤维设备中，产生“通量决定一切”现象的一个主要机理是进料边空气脉动 2。沿纤维流动的缓流产生的剪切力与膜表面的质量转换系数有关 3。随着废物在膜上积累，质量转换系数控制浓度极化，浓度极化出现在所有分离设施中的膜前。在膜反应器中，微滤和超滤用来保持系统中的生物量。活性污泥的宏观分子和颗粒在膜上积累导致处理动力大量损失，因为随之形成“蛋糕层”和胶体。除膜表面的这些现象以外，还有空隙堵塞，它也是生物膜渗透性长期性下降的主要原因
5、4。上述现象决定膜反应器的过滤效果，在这篇文章中我们将用数学形式来描述这些现象并提出一个综合模型。这种模型描述了市政污水处理中完整规模膜反应器中膜渗透性的改善。我们将把通过生物参数和通量进行测试得出的模拟结果与操作数据进行比较。2 模型描述描述生活污泥处理的部分用来解释生物处理效果，它和描述过滤单元的渗透性的因子一起组成了综合膜反应器模型。在综合模拟环境中这两个因子一起共同解释了相互依赖性，主要是系统中生物量的膜自主积累，这对微生物的新陈代谢状态和过滤阻力都有影响。2.1活性污泥模型活性污泥模型3（ASM3）通常作为描述生物处理的基础。与活性污泥模型1（ASM1）相似，ASM3是描述和模拟市政
6、污水处理好氧和厌氧阶段的工具 5。我们使用内源呼吸这一概念并引入存储物质作为主要的组成部分。 “内源呼吸”与“存储物质”首次在ASM2中使用并且它们对于低有机负荷条件下的细胞的新陈代谢尤其重要。为了使剩余污泥减量化，在用于市政污水处理的膜反应器中经常可以遇到低有机负荷的情况。由废水生物处理系统的微生物产生的细胞外聚合物（EPS）对活性污泥悬浮物的膜过滤所能达到的变化率起关键作用，且EPS不 包括在生物转换过程的描述中。它们的生长和繁殖与新陈代谢状态有很大关系，而新陈代谢与生物处理系统的有机负荷率有关 6。在ASM3中，污水中碳、氮化合物的分解涉及到12个微生物转化过程，这些过程中包含13个溶解
7、性的特殊成分。ASM3经历的生物化学过程如图1.所示。自养型生物用无机无作主要能源，异养型生物利用简单碳源生长繁殖并进行内源呼吸。ASM3所描述的反应代表一个复合的普通差额方程体系，当给定一系列反应器中的初始浓度时，这些方程数学上可解。因此，针对单个组件，我们可完成以时间为依据的浓度方案的计算。2.2膜反映器中过滤过程的模型化在市政污水处理的膜反应器结构中，微滤和超滤是用来保持系统中的生物量的，这导致反应器中产生相当高的悬浮物浓度。由于对系统可靠性和经济可行性十分重要，过滤效果即膜的渗透性和膜长时间的变化成为我们关注的焦点，对起决定作用的现象的理解和等价描述被是进行下一步处理的前提。在超滤和微
8、滤中遭遇高通量时使用多孔膜对进料边的浓度极化有强烈影响。被阻留的物质在膜表面形成了“蛋糕层” ，这是过滤阻力产生的原因。过滤阻力是影响活性污泥悬浮物膜滤总体效果的关键因素。被膜阻留的物质造成膜表面和空隙内部大小的改变和胶质腐败。这被定义为滤料和膜材料之间限制处理效果的相互作用（如图2.）。图片表明额外的细胞存储物的出现极大的增大了滤料悬浮物腐败的可能 7-10。浓度极化的形成以及因此而造成的“蛋糕层”对总的过滤阻力的影响受到沿膜流型的积极影响。加强膜上质量转换的措施之一就是在进料边空气脉动，这导致多相流的产生，多相流使得对膜的剪切力增强 3。2.3毛细管中空纤维模块的半经验模型化由于它们对特定
9、能源消耗低以及其经济优势，低压处理广泛应用于活性污泥的膜滤过程中。在这些处理中，淹没式膜模块的渗透停止，淹没式膜模块利用渗透力的抽吸负压来增加驱动力。在这种构造中，我们常使用在外部过滤模式中有特定膜表面的中空纤维模块。中空纤维有一个很小的孔，孔径为0.1微米左右。中空纤维垂直淹没在水中并暴露于一些相对稀松的气泡中，为了减少“蛋糕”形成和阻塞，在模块下安装曝气设施来制造气泡。我们能相当精确地描述管状模块中的流型，与之相反，淹没式毛细管中空纤维模块具有相当复杂的流型特征。在纤维与纤维之间以及纤维周围的刚刚能够描述的交叉空间中，两相空气和活性污泥悬浮物构成了这个复杂的流型。2.4总过滤阻力取决于时间
10、的特性的模型化方法介于由空气构成的中空纤维毛细管和悬浮物之间的两相流是一种以水为主体的污泥 12。就实验而言，由一对中空纤维膜传导，他们引进了一系列等量，这些等量包含质量平衡数据和经验数据，并且在理想情况下（流体污泥的气溶量为0）和已知临界条件下（空气流体率，几何形状）可以得到这些等量数据。先前的模式化方法解释了受污泥流诱导质量传播加强所产生的影响，污泥流以计算流体力学为基础。溶气污泥的高度紊动薄弱区产生了剪切力峰值 13。与之对照，在这里引入的方法解释了平均水力剪切力对质量传播和因而产生的浓度极化产生影响的原因，然而在膜与膜之间无固定渠道的淹没式中空纤维系统中对几何限制进行精确描述是不可能的
11、。由于活性污泥的薄膜过滤中遇到的宏观大分子和粒子的分散水平较低，因此将积累在膜表面的物种通过背部运输到主流仅仅只是由剪力诱发的。正式来讲，该模型以系列模型中的阻力为基础，设定区域特定渗透量F为驱动力 pTM和阻力和的比率，这些阻力包括清水膜的水力阻力RM，蛋糕层阻力RC 以及缠绕阻力R F总阻力和还要乘以依赖于温度的运动黏度p ：F = p)(T沿着纤维的压力剃度变化由模块淹没深H（m）、渗吸泵的吮吸压力P（Pa）及如下3个压力元构成（图3）。 pTM= phydro+ ppump- pax蛋糕层阻力RC有赖于在膜表面形成组件的那个蛋糕层，这里 cM代表与之相应的膜表面的浓度：RC= kC*c
12、N膜表面浓度c M取决于膜浓度外廓并且以另外一个关系式表达出来，正好解释了浓度极化效应：F=kp*ln( )cB这个表达式表示出了主体浓度cb和形成组件的蛋糕层的膜表面浓度之间的差异。这个差异取决于当地的质量传递系数kP和渗透变化量：kP= Fd这里 代表由活性污泥和膜表面的空气构成的两相媒介所产生的剪切应力，F是活性污泥的黏性，dC是一个特殊的直径，它取决于系统中的粒径级配度，还取决于膜所拦截的粒子规格中较小的规格。为了估计当地质量，剪切率=1/40 14特殊直径dc=1 15。m缠绕阻力RF取决于在过滤过程中产生的总渗透量，如，在两种化学清除剂之间：RF= SF(1 )tFKe0(kC和
13、kF分别是总膜阻力的短期和长期特性系数。模型参数kF尤其取决于进料悬浮物中潜在孔隙阻塞和膜粘合组件的浓度。EPS的总量在这里或许有一个环状效应，但由于缺乏适当的数据，这种环状效应不能被量化。另一个参数SF 是一个膜常量，与吸附过程类似， SF代表膜材料特殊表面区域的一个因子，膜材料最终会被缠绕腐败产物覆盖。因此，SF也是可预期缠绕阻力的最大增量的一个指标。根据膜材料的一些属性如孔隙大小分布、水力性质，我们也可设定孔隙度。在最终形式中，渗透变化量的一个内含表达式如下表示：F（t）= ptKkptFdFeSCbeKRMTM)(1( 0/)( 3 来自于拥有全套设施的生物膜污水处理厂的操作数据这家污
14、水处理厂Rdingen是由德国西部的艾尔福特河流协会操管的，是第一家拥有全套设施的市政污水处理厂，它于1998年投产运行 16。该厂拥有一个3mm筛查单元和污水预处理砂室。这两个反应器能执行轮换进行的反硝化和硝化过程（图4）。另外一个5mm鼓状物筛查单元去除掉过程当中的丝状物，否则丝状物可能导致膜过滤单元阻塞。系统中的生物量由淹没式Zee-Weed微滤单元，维持其名义孔隙大小为0.1 。有两个过滤单元来处理高峰水力荷载。m通过标准检测程序来检测膜的渗透性从而来监测2个膜滤单元。在检测中膜单元有40s的过滤间歇时间和恒定的定额通量271/m h ，且过膜压力比率通量是既定系2列操作规范下（如温度
15、，总悬浮固体）膜滤单元当前渗透性的一个指标。系统渗透性长时期的下降在几个月内可以观察到。通过烈性化学清除剂的作用渗透性的下降是部分可逆的，但是在使用烈性化学清除剂后接下来的几个月又会以同样的方式重新出现系统渗透性下降的特征（图5）。根据对操作数据的分析，2个主要的化学清除过程之间的时间间隔即定义为渗透周期。渗透性以ASYMPTOIC曲线下降，下降量接近于一个几乎稳定的最小量，渗透性下降是膜表面和孔隙内部缠腐现象产生的原因之一。相应水温的增加可以解释渗透性的周期性增加，这改变了进料和渗透黏性。我们用系统渗透性数据、相应温度和过滤单元中的总悬浮固体以及一个过滤周期中的总渗透量与关于一般系统建设的广
16、泛性来对第二章中提供的模型进行校准。4 模型模拟结果该模型包括生物和过滤部分，通过一个Matlab/Simulink程序组运作，并且流床模拟表面已经研发出来（图6）。执行模拟研究在特殊过滤间歇（2000年11月27日2001年11月25日）测量出特定的渗透测量数据。采用一组模型参数且考虑特殊操作条件（如温度和总悬浮固体）。模拟结果与操作数据做了比较（见图7）。模型能够重新模拟出渗透性下降的大致趋势与不同操作条件下的变动。平均误差约为11%。考虑到平均测量误差和未计算的不同操作条件下的变动，在复合技术系统内以及处理不同种进料混合器中进行的在误差允许范围内的模拟过程是可以接受的。表1 模拟实验中使
17、用到的参数参数 数值RM (1/m) 5.00 10kC ( /kg) 4.82 2mSF (1/m) 1.78 12kF (1/m) 8.30 0表1中给出的数据均是由最小二乘法画出最适曲线得到的。这些参数的有效性在第二次模拟试验中得到证实，第二次试验的数据来自于第一次试验中的参数。在模拟过程中，由于缠腐阻力 RF的影响，考虑该单元中的膜模块的一个外部化学清除剂。正如图8所示，渗透性演化在模拟当中得到很好的体现，但困难仍然存在导致在过滤间歇早期又产生大的背离。第二次过滤单元的总体模拟平均差是15.7%并主要由一些峰值差异决定，这可能是由一些在模型中不能被考虑的主要操作问题引起的。一生物量浓度
18、和污水指数表示的一般系统特性，如化学需氧量，氨态氮，硝态氮，亚硝态氮，在稳态状况下已由膜和活性污泥模型合成系统模拟出来。该模拟基于平均进料特性并使用带有COD分级标准ASM3参数来控制模型 5。表2对操作数据和模拟结果进行了对比。表2 生物参数：测量.VS.模拟参数 测量（平均） 模拟COD (mg/l) 23.0 23.4NH4N (mg/l) 0.173 0.2NOxN (mg/l) 6.2 6.6微生物增长过程与内源代谢相比较，一个有趣的方面是COD变化的模拟，这两个过程都存在于ASM3中。由于生物反应器中异养生物的增长和内源呼吸，COD的消耗率接近与1，这表明正如我们期望的有高生物量的
19、生物系统一样，该系统内存在强大的内源代谢。然而拥有全套设施的水厂进行操作时没有进行基本分类并去除了剩余污泥，这个比率在污泥负荷更低的工厂中可能更接近于1。5 结论以上研究表明生物膜反应器的简单模型化概念能被成功应用来描述拥有膜滤单元的大规模市政污水处理厂的系统特性。尤其，该模型表明淹没式中空纤维膜能被应用于重新生产膜渗透性的独特下降。鉴于系统中各生物身份，到目前为止仅仅只有稳态系统特性被模拟了，其良好的结果表明生物膜反应器中的内源呼吸极其重要。更多注意力应该集中于活性污泥系统的临时特性以及短时间内渗透性的演化。特别是渗透性对反冲循环参数和清除间歇的依赖性将在进一步的模拟和模型化活动中作为一个课题来调查。在很长一段时间，我们将设想过程控制与模拟之间的紧密联系来获取最好的过程设计和操作方法。鸣谢该研究还在进行，得到了北Rhine-Westfalia (MUNLV)环境事务部的支持。本文作者感谢德国研究协会的赞助。
