長(zhǎng)江大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文文）外文翻譯譯英文題目：Moodelliingoffameembrannebiooreacttorsystemformmuniciipalwwastewwatertreatmeent中文題目：市政政污水生物膜膜處理系統(tǒng)的的模型化學(xué)科專業(yè)：給水水排水指導(dǎo)教師：輔導(dǎo)教師：班級(jí)：給排水11042班學(xué)生姓名：2008年4月21日市政污水生物膜膜處理系統(tǒng)的的模型化T.Winttgensa,?,J.Rosenna,T.Melinna,C.Brepoolsb,K.Drensslab,N.Engellhardttb著，肖雄譯譯[摘要]：在這這篇文章中，我我們提出了一一個(gè)模型來(lái)描描述淹沒(méi)式毛毛細(xì)纖維模塊塊的過(guò)濾性能能，這些纖維維模塊在污水水處理生物膜膜反應(yīng)器中。仿仿真模擬及校校準(zhǔn)軟件能操操控市政污水水處理設(shè)備RR?dingeen的數(shù)據(jù)，該該模型在上述述軟件中能發(fā)發(fā)揮作用，該該模型由愛爾爾福特河流協(xié)協(xié)會(huì)操控并具具備保持生物物量的活性污污泥處理和微微過(guò)濾單元。我我們提出了過(guò)過(guò)濾阻力的數(shù)數(shù)學(xué)表達(dá)式，并并把該式與活活性污泥模型型（ASM）結(jié)合合起來(lái)共同描描述生物處理理過(guò)程。該模模型成功模擬擬生物膜長(zhǎng)時(shí)時(shí)期的滲透能能力的下降并并以標(biāo)準(zhǔn)形式式成功模擬最最終污水質(zhì)量量。[關(guān)鍵詞]：生生物膜反應(yīng)器器，污水處理理，腐爛模型型，微濾，模模擬引言生物膜反應(yīng)系統(tǒng)統(tǒng)越來(lái)越多地地應(yīng)用于市政政污水處理中中，它的淹沒(méi)沒(méi)式膜單元的的特征是低過(guò)過(guò)膜壓差（TTMP）及在在進(jìn)料邊大量量采用空氣脈脈動(dòng)。由于活活性污泥單元元和保持生物物量的膜濾的的共同作用，使使得出水水質(zhì)質(zhì)好且設(shè)備布布局緊湊。盡盡管投資成本本比具備二級(jí)級(jí)凈化設(shè)施的的傳統(tǒng)污水處處理設(shè)備要低低，但由于生生物膜更換花花費(fèi)大且充氣氣耗能多，因因此操作費(fèi)比比傳統(tǒng)處理設(shè)設(shè)備的操作費(fèi)費(fèi)高[1]。在膜表面和空隙隙內(nèi)部的腐爛爛現(xiàn)象降低了了通量的長(zhǎng)期期穩(wěn)定性。滲滲透回沖和化化學(xué)清理是盡盡量減小這些些影響的標(biāo)準(zhǔn)準(zhǔn)程序，并且且可穩(wěn)定膜系系統(tǒng)的總體滲滲透性，但是是會(huì)導(dǎo)致凈濾濾效率下降且且清除劑可能能會(huì)損壞生物物膜。現(xiàn)在我我們無(wú)法預(yù)言言在某種情況況下膜滲透性性的改善情況況，我們也無(wú)無(wú)法預(yù)言清理理的效果。這這些不確定性性給設(shè)備布置置、設(shè)計(jì)及操操作造成相當(dāng)當(dāng)大的困難。我們利用許多工工業(yè)處理及傳傳統(tǒng)污水處理理模型來(lái)描述述模擬處理過(guò)過(guò)程并獲得以以模擬研究結(jié)結(jié)果為基礎(chǔ)的的方法，所以以到目前為止止生物膜反應(yīng)應(yīng)系統(tǒng)的綜合合模型還不存存在。綜合模模型將生物處處理和過(guò)濾之之間的相互依依賴性結(jié)合起起來(lái)并以數(shù)學(xué)學(xué)形式來(lái)描述述淹沒(méi)式膜單單元中的“通量決定一一切”的現(xiàn)象。在淹沒(méi)式中空纖纖維設(shè)備中，產(chǎn)產(chǎn)生“通量決定一一切”現(xiàn)象的一個(gè)個(gè)主要機(jī)理是是進(jìn)料邊空氣氣脈動(dòng)[2]]。沿纖維流流動(dòng)的緩流產(chǎn)產(chǎn)生的剪切力力與膜表面的的質(zhì)量轉(zhuǎn)換系系數(shù)有關(guān)[33]。隨著廢廢物在膜上積積累，質(zhì)量轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)換系數(shù)控制制濃度極化，濃濃度極化出現(xiàn)現(xiàn)在所有分離離設(shè)施中的膜膜前。在膜反反應(yīng)器中，微微濾和超濾用用來(lái)保持系統(tǒng)統(tǒng)中的生物量量?；钚晕勰嗄嗟暮暧^分子子和顆粒在膜膜上積累導(dǎo)致致處理動(dòng)力大大量損失，因因?yàn)殡S之形成成“蛋糕層”和膠體。除除膜表面的這這些現(xiàn)象以外外，還有空隙隙堵塞，它也也是生物膜滲滲透性長(zhǎng)期性性下降的主要要原因[4]]。上述現(xiàn)象決定膜膜反應(yīng)器的過(guò)過(guò)濾效果，在在這篇文章中中我們將用數(shù)數(shù)學(xué)形式來(lái)描描述這些現(xiàn)象象并提出一個(gè)個(gè)綜合模型。這這種模型描述述了市政污水水處理中完整整規(guī)模膜反應(yīng)應(yīng)器中膜滲透透性的改善。我我們將把通過(guò)過(guò)生物參數(shù)和和通量進(jìn)行測(cè)測(cè)試得出的模模擬結(jié)果與操操作數(shù)據(jù)進(jìn)行行比較。2模型描述描述生活污泥處處理的部分用用來(lái)解釋生物物處理效果，它它和描述過(guò)濾濾單元的滲透透性的因子一一起組成了綜綜合膜反應(yīng)器器模型。在綜綜合模擬環(huán)境境中這兩個(gè)因因子一起共同同解釋了相互互依賴性，主主要是系統(tǒng)中中生物量的膜膜自主積累，這這對(duì)微生物的的新陳代謝狀狀態(tài)和過(guò)濾阻阻力都有影響響。2.1活性污泥泥模型活性污泥模型33（ASM3）通通常作為描述述生物處理的的基礎(chǔ)。與活活性污泥模型型1（ASM1）相相似，ASMM3是描述和和模擬市政污污水處理好氧氧和厭氧階段段的工具[55]。我們使用內(nèi)源呼呼吸這一概念念并引入存儲(chǔ)儲(chǔ)物質(zhì)作為主主要的組成部部分?！皟?nèi)源呼吸”與“存儲(chǔ)物質(zhì)”首次在ASMM2中使用并并且它們對(duì)于于低有機(jī)負(fù)荷荷條件下的細(xì)細(xì)胞的新陳代代謝尤其重要要。為了使剩剩余污泥減量量化，在用于于市政污水處處理的膜反應(yīng)應(yīng)器中經(jīng)?？煽梢杂龅降陀杏袡C(jī)負(fù)荷的情情況。由廢水水生物處理系系統(tǒng)的微生物物產(chǎn)生的細(xì)胞胞外聚合物（EPS）對(duì)活性污泥懸浮物的膜過(guò)濾所能達(dá)到的變化率起關(guān)鍵作用，且EPS不包括在生物轉(zhuǎn)換過(guò)程的描述中。它們的生長(zhǎng)和繁殖與新陳代謝狀態(tài)有很大關(guān)系，而新陳代謝與生物處理系統(tǒng)的有機(jī)負(fù)荷率有關(guān)[6]。在ASM3中，污污水中碳、氮氮化合物的分分解涉及到112個(gè)微生物物轉(zhuǎn)化過(guò)程，這這些過(guò)程中包包含13個(gè)溶解性性的特殊成分分。ASM33經(jīng)歷的生物物化學(xué)過(guò)程如如圖1.所示。自自養(yǎng)型生物用用無(wú)機(jī)無(wú)作主主要能源，異異養(yǎng)型生物利利用簡(jiǎn)單碳源源生長(zhǎng)繁殖并并進(jìn)行內(nèi)源呼呼吸。ASM3所描述述的反應(yīng)代表表一個(gè)復(fù)合的的普通差額方方程體系，當(dāng)當(dāng)給定一系列列反應(yīng)器中的的初始濃度時(shí)時(shí)，這些方程程數(shù)學(xué)上可解解。因此，針針對(duì)單個(gè)組件件，我們可完完成以時(shí)間為為依據(jù)的濃度度方案的計(jì)算算。2.2膜反映器器中過(guò)濾過(guò)程程的模型化在市政污水處理理的膜反應(yīng)器器結(jié)構(gòu)中，微微濾和超濾是是用來(lái)保持系系統(tǒng)中的生物物量的，這導(dǎo)導(dǎo)致反應(yīng)器中中產(chǎn)生相當(dāng)高高的懸浮物濃濃度。由于對(duì)對(duì)系統(tǒng)可靠性性和經(jīng)濟(jì)可行行性十分重要要，過(guò)濾效果果即膜的滲透透性和膜長(zhǎng)時(shí)時(shí)間的變化成成為我們關(guān)注注的焦點(diǎn)，對(duì)對(duì)起決定作用用的現(xiàn)象的理理解和等價(jià)描描述被是進(jìn)行行下一步處理理的前提。在超濾和微濾中中遭遇高通量量時(shí)使用多孔孔膜對(duì)進(jìn)料邊邊的濃度極化化有強(qiáng)烈影響響。被阻留的的物質(zhì)在膜表表面形成了“蛋糕層”，這是過(guò)濾濾阻力產(chǎn)生的的原因。過(guò)濾濾阻力是影響響活性污泥懸懸浮物膜濾總總體效果的關(guān)關(guān)鍵因素。被被膜阻留的物物質(zhì)造成膜表表面和空隙內(nèi)內(nèi)部大小的改改變和膠質(zhì)腐腐敗。這被定定義為濾料和和膜材料之間間限制處理效效果的相互作作用（如圖22.）。圖片片表明額外的的細(xì)胞存儲(chǔ)物物的出現(xiàn)極大大的增大了濾濾料懸浮物腐腐敗的可能[[7-10]]。濃度極化的形成成以及因此而而造成的“蛋糕層”對(duì)總的過(guò)濾濾阻力的影響響受到沿膜流流型的積極影影響。加強(qiáng)膜膜上質(zhì)量轉(zhuǎn)換換的措施之一一就是在進(jìn)料料邊空氣脈動(dòng)動(dòng)，這導(dǎo)致多多相流的產(chǎn)生生，多相流使使得對(duì)膜的剪剪切力增強(qiáng)[[3]。2.3毛細(xì)管中中空纖維模塊塊的半經(jīng)驗(yàn)?zāi)ＤＰ突捎谒鼈儗?duì)特定定能源消耗低低以及其經(jīng)濟(jì)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，低壓壓處理廣泛應(yīng)應(yīng)用于活性污污泥的膜濾過(guò)過(guò)程中。在這這些處理中，淹淹沒(méi)式膜模塊塊的滲透停止止，淹沒(méi)式膜膜模塊利用滲滲透力的抽吸吸負(fù)壓來(lái)增加加驅(qū)動(dòng)力。在在這種構(gòu)造中中，我們常使使用在外部過(guò)過(guò)濾模式中有有特定膜表面面的中空纖維維模塊。中空纖維有一個(gè)個(gè)很小的孔，孔孔徑為0.11微米左右。中中空纖維垂直直淹沒(méi)在水中中并暴露于一一些相對(duì)稀松松的氣泡中，為為了減少“蛋糕”形成和阻塞塞，在模塊下下安裝曝氣設(shè)設(shè)施來(lái)制造氣氣泡。我們能相當(dāng)精確確地描述管狀狀模塊中的流流型，與之相相反，淹沒(méi)式式毛細(xì)管中空空纖維模塊具具有相當(dāng)復(fù)雜雜的流型特征征。在纖維與與纖維之間以以及纖維周圍圍的剛剛能夠夠描述的交叉叉空間中，兩兩相空氣和活活性污泥懸浮浮物構(gòu)成了這這個(gè)復(fù)雜的流流型。2.4總過(guò)濾阻阻力取決于時(shí)時(shí)間的特性的的模型化方法法介于由空氣構(gòu)成成的中空纖維維毛細(xì)管和懸懸浮物之間的的兩相流是一一種以水為主主體的污泥[[12]。就就實(shí)驗(yàn)而言，由由一對(duì)中空纖纖維膜傳導(dǎo)，他他們引進(jìn)了一一系列等量，這這些等量包含含質(zhì)量平衡數(shù)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)數(shù)數(shù)據(jù)，并且在在理想情況下下（流體污泥泥的氣溶量為為0）和已知臨臨界條件下（空空氣流體率，幾幾何形狀）可可以得到這些些等量數(shù)據(jù)。先先前的模式化化方法解釋了了受污泥流誘誘導(dǎo)質(zhì)量傳播播加強(qiáng)所產(chǎn)生生的影響，污污泥流以計(jì)算算流體力學(xué)為為基礎(chǔ)。溶氣氣污泥的高度度紊動(dòng)薄弱區(qū)區(qū)產(chǎn)生了剪切切力峰值[113]。與之對(duì)照，在這這里引入的方方法解釋了平平均水力剪切切力對(duì)質(zhì)量傳傳播和因而產(chǎn)產(chǎn)生的濃度極極化產(chǎn)生影響響的原因，然然而在膜與膜膜之間無(wú)固定定渠道的淹沒(méi)沒(méi)式中空纖維維系統(tǒng)中對(duì)幾幾何限制進(jìn)行行精確描述是是不可能的。由由于活性污泥泥的薄膜過(guò)濾濾中遇到的宏宏觀大分子和和粒子的分散散水平較低，因因此將積累在在膜表面的物物種通過(guò)背部部運(yùn)輸?shù)街髁髁鲀H僅只是由由剪力誘發(fā)的的。正式來(lái)講，該模模型以系列模模型中的阻力力為基礎(chǔ)，設(shè)設(shè)定區(qū)域特定定滲透量F為驅(qū)動(dòng)力△pTM和阻力和和的比率，這這些阻力包括括清水膜的水水力阻力RM，蛋糕層阻阻力RC以及纏繞阻阻力RF總阻力和還還要乘以依賴賴于溫度的運(yùn)運(yùn)動(dòng)黏度ηp：F=沿著纖維的壓力力剃度變化由由模塊淹沒(méi)深深H（m）、滲吸泵泵的吮吸壓力力P（Pa）及如下下3個(gè)壓力元構(gòu)構(gòu)成（圖3）。pTM=phhydro++ppumpp-△pax蛋糕層阻力RCC有賴于在膜膜表面形成組組件的那個(gè)蛋蛋糕層，這里里cM代表與之相相應(yīng)的膜表面面的濃度：RRC=kC*cNN膜表面濃度cMM取決于膜濃濃度外廓并且且以另外一個(gè)個(gè)關(guān)系式表達(dá)達(dá)出來(lái)，正好好解釋了濃度度極化效應(yīng)：：F=kp*lnn()這個(gè)表達(dá)式表示示出了主體濃濃度cb和形成組件件的蛋糕層的的膜表面濃度度之間的差異異。這個(gè)差異異取決于當(dāng)?shù)氐氐馁|(zhì)量傳遞遞系數(shù)kP和滲透變化化量：kP=這里代表由活性性污泥和膜表表面的空氣構(gòu)構(gòu)成的兩相媒媒介所產(chǎn)生的的剪切應(yīng)力，ηF是活性污泥的黏性，dC是一個(gè)特殊的直徑，它取決于系統(tǒng)中的粒徑級(jí)配度，還取決于膜所攔截的粒子規(guī)格中較小的規(guī)格。為了估計(jì)當(dāng)?shù)刭|(zhì)量，剪切率γ=1/40[14]特殊直徑dc=1[15]。纏繞阻力RF取取決于在過(guò)濾濾過(guò)程中產(chǎn)生生的總滲透量量，如，在兩兩種化學(xué)清除除劑之間：RF=SF((1—)kC和kF分分別是總膜阻阻力的短期和和長(zhǎng)期特性系系數(shù)。模型參數(shù)kF尤尤其取決于進(jìn)進(jìn)料懸浮物中中潛在孔隙阻阻塞和膜粘合合組件的濃度度。EPS的總量量在這里或許許有一個(gè)環(huán)狀狀效應(yīng)，但由由于缺乏適當(dāng)當(dāng)?shù)臄?shù)據(jù)，這這種環(huán)狀效應(yīng)應(yīng)不能被量化化。另一個(gè)參數(shù)SFF是一個(gè)膜常常量，與吸附附過(guò)程類似，SF代表膜材料特殊表面區(qū)域的一個(gè)因子，膜材料最終會(huì)被纏繞腐敗產(chǎn)物覆蓋。因此，SF也是可預(yù)期纏繞阻力的最大增量的一個(gè)指標(biāo)。根據(jù)膜材料的一些屬性如孔隙大小分布、水力性質(zhì)，我們也可設(shè)定孔隙度。在最終形式中，滲滲透變化量的的一個(gè)內(nèi)含表表達(dá)式如下表表示：F（t）=3來(lái)自于擁有有全套設(shè)施的的生物膜污水水處理廠的操操作數(shù)據(jù)這家污水處理廠廠R?dinngen是由由德國(guó)西部的的艾爾福特河河流協(xié)會(huì)操管管的，是第一一家擁有全套套設(shè)施的市政政污水處理廠廠，它于19998年投產(chǎn)產(chǎn)運(yùn)行[166]。該廠擁?yè)碛幸粋€(gè)3mmm篩查單元元和污水預(yù)處處理砂室。這這兩個(gè)反應(yīng)器器能執(zhí)行輪換換進(jìn)行的反硝硝化和硝化過(guò)過(guò)程（圖4）。另外一一個(gè)5mm鼓狀物物篩查單元去去除掉過(guò)程當(dāng)當(dāng)中的絲狀物物，否則絲狀狀物可能導(dǎo)致致膜過(guò)濾單元元阻塞。系統(tǒng)統(tǒng)中的生物量量由淹沒(méi)式ZZee-Weeed?微濾濾單元，維持持其名義孔隙隙大小為0..1。有兩個(gè)個(gè)過(guò)濾單元來(lái)來(lái)處理高峰水水力荷載。通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)程程序來(lái)檢測(cè)膜膜的滲透性從從而來(lái)監(jiān)測(cè)22個(gè)膜濾單元元。在檢測(cè)中中膜單元有440s的過(guò)濾濾間歇時(shí)間和和恒定的定額額通量2711/mh，且過(guò)膜壓壓力比率通量量是既定系列列操作規(guī)范下下（如溫度，總總懸浮固體）膜膜濾單元當(dāng)前前滲透性的一一個(gè)指標(biāo)。系統(tǒng)滲透性長(zhǎng)時(shí)時(shí)期的下降在在幾個(gè)月內(nèi)可可以觀察到。通通過(guò)烈性化學(xué)學(xué)清除劑的作作用滲透性的的下降是部分分可逆的，但但是在使用烈烈性化學(xué)清除除劑后接下來(lái)來(lái)的幾個(gè)月又又會(huì)以同樣的的方式重新出出現(xiàn)系統(tǒng)滲透透性下降的特特征（圖5）。根據(jù)對(duì)操作數(shù)據(jù)據(jù)的分析，22個(gè)主要的化化學(xué)清除過(guò)程程之間的時(shí)間間間隔即定義義為滲透周期期。滲透性以以ASYMPPTOIC曲曲線下降，下下降量接近于于一個(gè)幾乎穩(wěn)穩(wěn)定的最小量量，滲透性下下降是膜表面面和孔隙內(nèi)部部纏腐現(xiàn)象產(chǎn)產(chǎn)生的原因之之一。相應(yīng)水水溫的增加可可以解釋滲透透性的周期性性增加，這改改變了進(jìn)料和和滲透黏性。我們用系統(tǒng)滲透透性數(shù)據(jù)、相相應(yīng)溫度和過(guò)過(guò)濾單元中的的總懸浮固體體以及一個(gè)過(guò)過(guò)濾周期中的的總滲透量與與關(guān)于一般系系統(tǒng)建設(shè)的廣廣泛性來(lái)對(duì)第第二章中提供供的模型進(jìn)行行校準(zhǔn)。4模型模擬結(jié)結(jié)果該模型包括生物物和過(guò)濾部分分，通過(guò)一個(gè)個(gè)Matlaab/Simmulinkk?程序組運(yùn)作作，并且流床床模擬表面已已經(jīng)研發(fā)出來(lái)來(lái)（圖6）。執(zhí)行模擬研究在在特殊過(guò)濾間間歇（20000年11月27日——2001年11月25日）測(cè)量量出特定的滲滲透測(cè)量數(shù)據(jù)據(jù)。采用一組組模型參數(shù)且且考慮特殊操操作條件（如如溫度和總懸懸浮固體）。模模擬結(jié)果與操操作數(shù)據(jù)做了了比較（見圖圖7）。模型能能夠重新模擬擬出滲透性下下降的大致趨趨勢(shì)與不同操操作條件下的的變動(dòng)。平均均誤差約為111%?？紤]慮到平均測(cè)量量誤差和未計(jì)計(jì)算的不同操操作條件下的的變動(dòng)，在復(fù)復(fù)合技術(shù)系統(tǒng)統(tǒng)內(nèi)以及處理理不同種進(jìn)料料混合器中進(jìn)進(jìn)行的在誤差差允許范圍內(nèi)內(nèi)的模擬過(guò)程程是可以接受受的。表1模擬實(shí)驗(yàn)中中使用到的參參數(shù)參數(shù)數(shù)值RM(1/mm)55.00××kC(/kgg)4.882×SF(1/mm)1.78×kF(1/mm)8.30×表1中給出的數(shù)數(shù)據(jù)均是由最最小二乘法畫畫出最適曲線線得到的。這些參數(shù)的有效效性在第二次次模擬試驗(yàn)中中得到證實(shí)，第第二次試驗(yàn)的的數(shù)據(jù)來(lái)自于于第一次試驗(yàn)驗(yàn)中的參數(shù)。在在模擬過(guò)程中中，由于纏腐腐阻力RF的影響，考慮慮該單元中的的膜模塊的一一個(gè)外部化學(xué)學(xué)清除劑。正正如圖8所示，滲透透性演化在模模擬當(dāng)中得到到很好的體現(xiàn)現(xiàn)，但困難仍仍然存在導(dǎo)致致在過(guò)濾間歇歇早期又產(chǎn)生生大的背離。第第二次過(guò)濾單單元的總體模模擬平均差是是15.7%%并主要由一一些峰值差異異決定，這可可能是由一些些在模型中不不能被考慮的的主要操作問(wèn)問(wèn)題引起的。一生物量濃度和和污水指數(shù)表表示的一般系系統(tǒng)特性，如如化學(xué)需氧量量，氨態(tài)氮，硝硝態(tài)氮，亞硝硝態(tài)氮，在穩(wěn)穩(wěn)態(tài)狀況下已已由膜和活性性污泥模型合合成系統(tǒng)模擬擬出來(lái)。該模擬基于平均均進(jìn)料特性并并使用帶有CCOD分級(jí)標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)ASM33參數(shù)來(lái)控制制模型[5]]。表2對(duì)操作數(shù)據(jù)和和模擬結(jié)果進(jìn)進(jìn)行了對(duì)