外置式平板動(dòng)態(tài)膜運(yùn)行效能的數(shù)學(xué)模擬及應(yīng)用研究

外置式平板動(dòng)態(tài)膜運(yùn)行效能的數(shù)學(xué)模擬及應(yīng)用研究一、緒論1.1研究背景與意義隨著工業(yè)化和城市化進(jìn)程的加速，水資源短缺和水污染問(wèn)題日益嚴(yán)峻，污水處理技術(shù)的研究與發(fā)展顯得尤為重要。膜生物反應(yīng)器（MBR）作為一種高效的污水處理技術(shù)，將膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)相結(jié)合，具有出水水質(zhì)優(yōu)良、占地面積小、污泥產(chǎn)量低等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理領(lǐng)域得到了廣泛關(guān)注和應(yīng)用。然而，傳統(tǒng)MBR的膜組件成本較高，膜污染問(wèn)題嚴(yán)重，限制了其大規(guī)模推廣應(yīng)用。動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（DMBR）是在傳統(tǒng)MBR基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新型污水處理工藝，它利用較大孔徑的廉價(jià)微濾材料作為膜基材，通過(guò)在活性污泥過(guò)濾過(guò)程中形成的生物動(dòng)態(tài)膜實(shí)現(xiàn)近似于微濾膜的過(guò)濾效果。與傳統(tǒng)MBR相比，DMBR具有膜通量大、抗污染能力強(qiáng)、運(yùn)行成本低等突出優(yōu)點(diǎn)，可應(yīng)用于各類污水的處理，受到了國(guó)內(nèi)外越來(lái)越多研究者的關(guān)注。外置式平板動(dòng)態(tài)膜作為DMBR的一種重要形式，具有獨(dú)特的結(jié)構(gòu)和運(yùn)行特點(diǎn)。其過(guò)濾膜組件與生物反應(yīng)池分離，通過(guò)泵將生物反應(yīng)池中的泥水混合液抽出，推動(dòng)其通過(guò)膜組件進(jìn)行錯(cuò)流過(guò)濾循環(huán)，從而實(shí)現(xiàn)泥水分離。這種結(jié)構(gòu)使得外置式平板動(dòng)態(tài)膜的過(guò)濾壓差和錯(cuò)流速度等運(yùn)行參數(shù)可以方便調(diào)節(jié)，有利于反應(yīng)器的穩(wěn)定高效運(yùn)行。此外，外置式平板動(dòng)態(tài)膜還具有安裝、維護(hù)方便，易于實(shí)現(xiàn)模塊化設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)，在污水處理領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。盡管外置式平板動(dòng)態(tài)膜具有諸多優(yōu)勢(shì)，但目前其研究仍處于中試試驗(yàn)階段，尚未廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程。這主要是由于缺乏對(duì)其運(yùn)行效能的深入理解和系統(tǒng)研究，缺乏有效的工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理理論指導(dǎo)。數(shù)學(xué)模擬作為一種強(qiáng)大的研究工具，能夠?qū)?fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程進(jìn)行定量描述和預(yù)測(cè)，為外置式平板動(dòng)態(tài)膜的研究和應(yīng)用提供了重要的手段。通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，可以深入分析外置式平板動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能，揭示其內(nèi)部的物理化學(xué)過(guò)程和作用機(jī)制，預(yù)測(cè)不同運(yùn)行條件下的處理效果，為工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。在污水處理領(lǐng)域，數(shù)學(xué)模型已被廣泛應(yīng)用于活性污泥法、生物膜法等傳統(tǒng)污水處理工藝的研究和優(yōu)化。例如，活性污泥數(shù)學(xué)模型（ASM）系列已成為國(guó)際上廣泛認(rèn)可的活性污泥法工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理的重要工具，通過(guò)對(duì)活性污泥系統(tǒng)中微生物代謝過(guò)程、物質(zhì)轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程的數(shù)學(xué)描述，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)污水處理廠的出水水質(zhì)、污泥產(chǎn)量等關(guān)鍵指標(biāo)。將數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于外置式平板動(dòng)態(tài)膜的研究，不僅可以借鑒活性污泥數(shù)學(xué)模型的成熟理論和方法，還可以結(jié)合動(dòng)態(tài)膜的特點(diǎn)，建立更加準(zhǔn)確、實(shí)用的數(shù)學(xué)模型，為外置式平板動(dòng)態(tài)膜的發(fā)展和應(yīng)用提供有力支持。本研究旨在通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，對(duì)外置式平板動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能進(jìn)行深入研究，揭示其運(yùn)行規(guī)律和作用機(jī)制，為工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。這對(duì)于推動(dòng)外置式平板動(dòng)態(tài)膜在污水處理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，解決水資源短缺和水污染問(wèn)題具有重要的理論意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。1.2動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器簡(jiǎn)介1.2.1定義及應(yīng)用動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器（DynamicMembraneBioreactor，DMBR）是一種將動(dòng)態(tài)膜過(guò)濾技術(shù)與生物處理工藝相結(jié)合的污水處理裝置。其核心原理是利用較大孔徑的廉價(jià)微濾材料作為膜基材，在活性污泥過(guò)濾過(guò)程中，污泥中的微生物、膠體、懸浮物等物質(zhì)逐漸在膜表面沉積并相互交織，形成一層具有過(guò)濾功能的生物動(dòng)態(tài)膜。這層動(dòng)態(tài)膜能夠有效截留污水中的污染物，實(shí)現(xiàn)近似于微濾膜的過(guò)濾效果，同時(shí)動(dòng)態(tài)膜上附著的微生物群體還能對(duì)廢水中的有機(jī)物進(jìn)行吸附、降解，進(jìn)一步提高污水處理效果。DMBR在各類污水處理中展現(xiàn)出了廣泛的應(yīng)用潛力。在生活污水處理方面，諸多研究和實(shí)際工程案例都證實(shí)了其有效性。例如，有研究采用孔徑為30μm的工業(yè)濾布，結(jié)合鋼材制造的圓形板式膜組件外殼和鐵網(wǎng)支撐體構(gòu)建外置式動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器處理生活污水。結(jié)果表明，動(dòng)態(tài)膜成膜時(shí)間大概為30-60min；反應(yīng)器穩(wěn)定運(yùn)行后，出水水質(zhì)良好，對(duì)COD、NH?-N、TN、TP的平均去除率分別可達(dá)到96.38%、87.29%、79.91%、89.02%，出水濁度在1.0NTU以下。在某生活污水處理項(xiàng)目中，使用動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的運(yùn)行，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)生活污水中各類污染物的高效去除，出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)到國(guó)家相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，為周邊居民提供了優(yōu)質(zhì)的再生水資源。在工業(yè)廢水處理領(lǐng)域，DMBR也發(fā)揮著重要作用。對(duì)于一些含有高濃度有機(jī)物、重金屬離子或難降解污染物的工業(yè)廢水，DMBR能夠通過(guò)生物處理和膜過(guò)濾的協(xié)同作用，有效降低污染物濃度。如在印染廢水處理中，動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器可以對(duì)廢水中的染料、助劑等有機(jī)物進(jìn)行降解和截留，使出水的色度、COD等指標(biāo)大幅降低，滿足排放要求。某印染企業(yè)采用動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器處理印染廢水，不僅實(shí)現(xiàn)了廢水的達(dá)標(biāo)排放，還通過(guò)中水回用減少了新鮮水資源的取用，降低了生產(chǎn)成本。在化工廢水處理方面，DMBR能夠適應(yīng)廢水中復(fù)雜的化學(xué)成分，對(duì)有害物質(zhì)進(jìn)行有效去除，為化工行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了有力支持。此外，DMBR在農(nóng)村污水處理、醫(yī)院污水處理、養(yǎng)殖廢水處理等領(lǐng)域也都有應(yīng)用實(shí)例。在農(nóng)村地區(qū)，由于污水排放分散、處理規(guī)模較小，DMBR的低成本、易維護(hù)等特點(diǎn)使其成為一種理想的污水處理技術(shù)選擇。在醫(yī)院污水處理中，DMBR能夠有效去除污水中的病原體、藥物殘留等污染物，保障環(huán)境安全。對(duì)于養(yǎng)殖廢水，DMBR可以處理其中的高濃度有機(jī)物、氨氮等污染物，減少對(duì)周邊水體和土壤的污染。1.2.2影響因素外置式平板動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能受到多種因素的綜合影響，深入了解這些因素對(duì)于優(yōu)化反應(yīng)器性能、提高污水處理效果至關(guān)重要。膜材料的選擇是影響動(dòng)態(tài)膜運(yùn)行效能的關(guān)鍵因素之一。不同的膜材料具有不同的物理化學(xué)性質(zhì)，如親疏水性、孔徑大小、機(jī)械強(qiáng)度等，這些性質(zhì)直接影響著動(dòng)態(tài)膜的成膜過(guò)程、過(guò)濾性能和抗污染能力。常見(jiàn)的膜基材有尼龍網(wǎng)、滌綸網(wǎng)、無(wú)紡布、不銹鋼絲網(wǎng)等。研究表明，尼龍網(wǎng)和滌綸網(wǎng)對(duì)懸浮物的截留都超過(guò)99.7%，但滌綸網(wǎng)形成的動(dòng)態(tài)膜濾餅層更加致密，可能會(huì)對(duì)膜通量產(chǎn)生一定影響。親水性較好的膜材料，如某些改性的無(wú)紡布，能夠減少污泥在膜表面的附著，降低膜污染的風(fēng)險(xiǎn)，從而提高膜通量和運(yùn)行穩(wěn)定性。而孔徑大小則決定了膜對(duì)污染物的截留能力和初始過(guò)濾阻力，較小的孔徑雖然能提高截留效果，但也會(huì)增加過(guò)濾阻力，導(dǎo)致能耗上升。因此，在選擇膜材料時(shí)，需要綜合考慮其各項(xiàng)性能指標(biāo)，根據(jù)實(shí)際污水水質(zhì)和處理要求進(jìn)行優(yōu)化選擇。運(yùn)行參數(shù)對(duì)動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能也有著顯著影響。錯(cuò)流速度是一個(gè)重要的運(yùn)行參數(shù)，它直接影響著膜表面的剪切力和濃差極化現(xiàn)象。較高的錯(cuò)流速度可以增加膜表面的剪切力，減少污泥在膜表面的沉積，有效減輕膜污染，提高膜通量。但錯(cuò)流速度過(guò)高也會(huì)增加能耗和設(shè)備磨損，同時(shí)可能對(duì)動(dòng)態(tài)膜的結(jié)構(gòu)造成破壞。一般來(lái)說(shuō)，在一定范圍內(nèi)，隨著錯(cuò)流速度的增加，膜通量會(huì)逐漸提高，但當(dāng)錯(cuò)流速度超過(guò)某一臨界值后，膜通量的提升幅度會(huì)逐漸減小。過(guò)濾壓差也是影響動(dòng)態(tài)膜運(yùn)行的關(guān)鍵參數(shù)，適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾壓差可以保證泥水混合物順利通過(guò)膜組件，實(shí)現(xiàn)有效的過(guò)濾分離。然而，過(guò)濾壓差過(guò)大容易導(dǎo)致膜表面的污泥壓實(shí)，加速膜污染，縮短膜的使用壽命；過(guò)濾壓差過(guò)小則可能無(wú)法滿足處理水量的要求。因此，需要根據(jù)膜材料的特性和污水水質(zhì)，合理控制過(guò)濾壓差，一般將其控制在一定的范圍內(nèi)，以確保動(dòng)態(tài)膜的穩(wěn)定運(yùn)行。水質(zhì)條件是影響動(dòng)態(tài)膜運(yùn)行效能的另一重要因素。污水中的污染物種類、濃度和組成對(duì)動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行有著復(fù)雜的影響。高濃度的有機(jī)物會(huì)增加微生物的代謝負(fù)擔(dān)，導(dǎo)致微生物分泌更多的胞外聚合物（EPS），EPS容易在膜表面積累，加劇膜污染。污水中的懸浮物、膠體物質(zhì)等也會(huì)直接在膜表面沉積，堵塞膜孔，降低膜通量。此外，污水中的重金屬離子、有毒有害物質(zhì)等可能會(huì)對(duì)微生物的活性產(chǎn)生抑制作用，影響生物處理效果，進(jìn)而影響動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能。例如，當(dāng)污水中含有高濃度的銅離子時(shí)，會(huì)抑制微生物的酶活性，使微生物的代謝活動(dòng)受到阻礙，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)膜上的微生物群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，降低對(duì)污染物的去除能力。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行嚴(yán)格監(jiān)測(cè)和預(yù)處理，以減少水質(zhì)波動(dòng)對(duì)動(dòng)態(tài)膜運(yùn)行的不利影響。此外，溫度、pH值等環(huán)境因素也會(huì)對(duì)動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能產(chǎn)生一定影響。溫度主要影響微生物的代謝活性和膜材料的物理性能。在適宜的溫度范圍內(nèi)，微生物的代謝活性較高，有利于污染物的降解和動(dòng)態(tài)膜的形成與穩(wěn)定；當(dāng)溫度過(guò)高或過(guò)低時(shí)，微生物的活性會(huì)受到抑制，甚至導(dǎo)致微生物死亡，從而影響動(dòng)態(tài)膜的性能。一般來(lái)說(shuō)，動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器的適宜運(yùn)行溫度在20-35℃之間。pH值則影響著污水中污染物的存在形態(tài)和微生物的生長(zhǎng)環(huán)境。不同的微生物對(duì)pH值有不同的適應(yīng)范圍，大多數(shù)微生物適宜在中性至弱堿性的環(huán)境中生長(zhǎng)。當(dāng)pH值偏離適宜范圍時(shí)，微生物的代謝活動(dòng)會(huì)受到影響，進(jìn)而影響動(dòng)態(tài)膜的處理效果。例如，在酸性條件下，某些金屬離子可能會(huì)溶解并進(jìn)入污水中，增加膜污染的風(fēng)險(xiǎn)；在堿性條件下，可能會(huì)導(dǎo)致某些污染物的沉淀，影響膜的過(guò)濾性能。因此，在運(yùn)行過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)溫度和pH值進(jìn)行適當(dāng)調(diào)節(jié)，以維持動(dòng)態(tài)膜的良好運(yùn)行狀態(tài)。1.2.3膜污染問(wèn)題及膜污染物膜污染是動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器運(yùn)行過(guò)程中面臨的主要問(wèn)題之一，它嚴(yán)重影響著動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能和使用壽命，增加了運(yùn)行成本和維護(hù)難度。膜污染是指在動(dòng)態(tài)膜過(guò)濾過(guò)程中，污水中的各種物質(zhì)在膜表面或膜孔內(nèi)逐漸積累，導(dǎo)致膜通量下降、過(guò)濾阻力增加的現(xiàn)象。膜污染會(huì)使動(dòng)態(tài)膜的過(guò)濾性能逐漸惡化，為了維持一定的膜通量，需要不斷提高過(guò)濾壓差，這不僅增加了能耗，還可能導(dǎo)致膜的損壞，縮短膜的使用壽命。當(dāng)膜污染嚴(yán)重到一定程度時(shí)，需要對(duì)膜進(jìn)行清洗或更換，這會(huì)增加運(yùn)行成本和維護(hù)工作量，影響反應(yīng)器的正常運(yùn)行。膜污染物的種類繁多，來(lái)源復(fù)雜。主要的膜污染物包括微生物及其代謝產(chǎn)物、膠體物質(zhì)、懸浮物、溶解性有機(jī)物等。微生物是動(dòng)態(tài)膜的重要組成部分，但在運(yùn)行過(guò)程中，微生物會(huì)分泌大量的胞外聚合物（EPS）。EPS是一種由多糖、蛋白質(zhì)、核酸等組成的高分子聚合物，具有粘性和吸附性，容易在膜表面形成凝膠層，阻礙水分子的通過(guò)，增加膜阻力。研究表明，EPS中的多糖成分能夠與膜表面的物質(zhì)發(fā)生相互作用，形成緊密的吸附層，使得膜污染難以清除。污水中的膠體物質(zhì)，如黏土顆粒、腐殖質(zhì)等，由于其粒徑較小，具有較大的比表面積和表面電荷，容易在膜表面吸附和聚集，形成膠體污染層。這些膠體物質(zhì)會(huì)堵塞膜孔，降低膜的有效過(guò)濾面積，導(dǎo)致膜通量下降。懸浮物，如砂粒、纖維、污泥顆粒等，會(huì)直接在膜表面沉積，形成濾餅層，這是膜污染的一種常見(jiàn)形式。濾餅層的形成會(huì)使過(guò)濾阻力迅速增加，嚴(yán)重影響膜的過(guò)濾性能。溶解性有機(jī)物，如蛋白質(zhì)、多糖、腐殖酸等，雖然能夠通過(guò)膜孔，但它們會(huì)在膜表面發(fā)生吸附和化學(xué)反應(yīng)，形成有機(jī)污染層。這些溶解性有機(jī)物與膜材料之間的相互作用較為復(fù)雜，可能通過(guò)氫鍵、范德華力等相互作用吸附在膜表面，進(jìn)一步加劇膜污染。此外，污水中的金屬離子、油脂等物質(zhì)也可能成為膜污染物。金屬離子，如鈣、鎂、鐵等，會(huì)與污水中的其他物質(zhì)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成難溶性的沉淀物，在膜表面或膜孔內(nèi)沉積，造成膜污染。例如，鈣離子與磷酸根離子結(jié)合形成磷酸鈣沉淀，會(huì)堵塞膜孔，降低膜通量。油脂類物質(zhì)具有疏水性，容易在膜表面形成油膜，阻礙水分子的透過(guò)，同時(shí)還會(huì)吸附其他污染物，加速膜污染的進(jìn)程。在餐飲廢水處理中，油脂類物質(zhì)的存在是導(dǎo)致膜污染的重要原因之一。膜污染物的存在對(duì)動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能產(chǎn)生了多方面的影響。膜污染會(huì)導(dǎo)致膜通量下降，使得反應(yīng)器的處理能力降低，無(wú)法滿足實(shí)際的污水處理需求。為了維持一定的處理水量，需要增加過(guò)濾時(shí)間或提高過(guò)濾壓差，這會(huì)增加能耗和運(yùn)行成本。膜污染還會(huì)影響出水水質(zhì)，隨著膜污染的加劇，一些污染物可能會(huì)透過(guò)膜進(jìn)入出水，導(dǎo)致出水的COD、濁度、氨氮等指標(biāo)升高，無(wú)法達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。膜污染會(huì)縮短膜的使用壽命，增加膜的更換頻率，進(jìn)一步提高了運(yùn)行成本。頻繁的膜清洗和更換也會(huì)對(duì)反應(yīng)器的正常運(yùn)行造成干擾，降低系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。因此，有效控制膜污染是提高外置式平板動(dòng)態(tài)膜運(yùn)行效能的關(guān)鍵，需要從膜材料選擇、運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化、水質(zhì)預(yù)處理等多個(gè)方面入手，采取綜合措施來(lái)減輕膜污染，確保動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器的穩(wěn)定高效運(yùn)行。1.3活性污泥數(shù)學(xué)模型概述1.3.1發(fā)展歷程活性污泥數(shù)學(xué)模型的發(fā)展是一個(gè)不斷演進(jìn)和完善的過(guò)程，其歷史可以追溯到20世紀(jì)中葉。早期的活性污泥模型主要側(cè)重于對(duì)污水中有機(jī)物去除的簡(jiǎn)單描述，隨著對(duì)污水處理過(guò)程中微生物代謝機(jī)理、物質(zhì)轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程認(rèn)識(shí)的不斷深入，活性污泥數(shù)學(xué)模型也逐漸發(fā)展和成熟起來(lái)。20世紀(jì)70年代，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的興起，活性污泥數(shù)學(xué)模型開(kāi)始得到更廣泛的研究和應(yīng)用。1970年，勞倫斯（Lawrence）和麥卡蒂（McCarty）提出了基于微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的活性污泥模型，該模型將微生物的生長(zhǎng)、代謝與底物的利用聯(lián)系起來(lái)，為活性污泥法的數(shù)學(xué)模擬奠定了基礎(chǔ)。這一模型雖然相對(duì)簡(jiǎn)單，但它首次系統(tǒng)地考慮了微生物的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)因素，為后續(xù)模型的發(fā)展提供了重要的思路和框架。通過(guò)對(duì)微生物生長(zhǎng)速率、底物利用速率等參數(shù)的描述，能夠初步預(yù)測(cè)污水處理過(guò)程中有機(jī)物的去除效果。隨著研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)的活性污泥模型在描述復(fù)雜的污水處理過(guò)程時(shí)存在一定的局限性。為了更準(zhǔn)確地模擬活性污泥系統(tǒng)中的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)（IAWQ）于1987年推出了活性污泥1號(hào)模型（ASM1）。ASM1是一個(gè)具有里程碑意義的活性污泥數(shù)學(xué)模型，它綜合考慮了有機(jī)物的好氧、缺氧代謝，以及硝化和反硝化等過(guò)程，涵蓋了13個(gè)過(guò)程和19個(gè)組分，能夠較為全面地描述活性污泥系統(tǒng)中微生物的代謝活動(dòng)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程。ASM1的出現(xiàn)使得活性污泥數(shù)學(xué)模型在污水處理領(lǐng)域得到了更廣泛的應(yīng)用和認(rèn)可，成為了后續(xù)模型發(fā)展的重要基礎(chǔ)。它不僅能夠預(yù)測(cè)污水中有機(jī)物、氮等污染物的去除效果，還能對(duì)活性污泥系統(tǒng)的運(yùn)行性能進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化，為污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供了有力的工具。然而，ASM1在實(shí)際應(yīng)用中也逐漸暴露出一些問(wèn)題，例如對(duì)生物除磷過(guò)程的描述不夠準(zhǔn)確，對(duì)某些特殊水質(zhì)和運(yùn)行條件的適應(yīng)性較差等。為了彌補(bǔ)這些不足，國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)在1995年又推出了活性污泥2號(hào)模型（ASM2）。ASM2在ASM1的基礎(chǔ)上，引入了生物除磷的相關(guān)過(guò)程和組分，包括聚磷菌的代謝、磷的釋放與吸收等，使得模型能夠更準(zhǔn)確地描述污水中磷的去除過(guò)程。此外，ASM2還考慮了一些環(huán)境因素對(duì)微生物代謝的影響，如溫度、pH值等，進(jìn)一步提高了模型的適用性和準(zhǔn)確性。通過(guò)對(duì)生物除磷過(guò)程的詳細(xì)描述，ASM2能夠?yàn)槲鬯幚韽S的除磷工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供更有針對(duì)性的指導(dǎo)，幫助實(shí)現(xiàn)更高效的磷去除。隨著對(duì)污水處理過(guò)程認(rèn)識(shí)的不斷深化和計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，活性污泥數(shù)學(xué)模型也在不斷地更新和完善。1999年，國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)又推出了活性污泥2d號(hào)模型（ASM2d）。ASM2d在ASM2的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步考慮了反硝化除磷的過(guò)程，將反硝化聚磷菌的代謝活動(dòng)納入模型中，使得模型能夠更全面地描述污水中氮、磷的去除過(guò)程。這一改進(jìn)使得ASM2d在處理同時(shí)需要脫氮除磷的污水時(shí)具有更高的準(zhǔn)確性和可靠性，為污水處理廠實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷提供了更有效的模擬工具。通過(guò)對(duì)反硝化除磷過(guò)程的模擬，能夠優(yōu)化污水處理工藝，提高氮、磷的去除效率，減少化學(xué)藥劑的使用，降低運(yùn)行成本。近年來(lái)，活性污泥數(shù)學(xué)模型的發(fā)展更加注重與實(shí)際工程應(yīng)用的結(jié)合，以及對(duì)復(fù)雜污水處理系統(tǒng)的模擬能力。一些新的模型和方法不斷涌現(xiàn)，如基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的活性污泥模型、考慮微生物群落結(jié)構(gòu)變化的活性污泥模型等。這些新型模型和方法能夠更好地處理不確定性和非線性問(wèn)題，提高模型對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的模擬精度和預(yù)測(cè)能力?；谌斯ど窠?jīng)網(wǎng)絡(luò)的活性污泥模型能夠通過(guò)學(xué)習(xí)大量的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，自動(dòng)建立輸入與輸出之間的復(fù)雜關(guān)系，對(duì)污水處理過(guò)程進(jìn)行更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)?？紤]微生物群落結(jié)構(gòu)變化的活性污泥模型則能夠更深入地揭示微生物群落與污水處理效果之間的內(nèi)在聯(lián)系，為優(yōu)化污水處理工藝提供更科學(xué)的依據(jù)?；钚晕勰鄶?shù)學(xué)模型的發(fā)展歷程反映了人們對(duì)污水處理過(guò)程認(rèn)識(shí)的不斷深化，以及對(duì)更準(zhǔn)確、更實(shí)用的數(shù)學(xué)模型的追求，這些模型在污水處理領(lǐng)域的應(yīng)用將不斷推動(dòng)污水處理技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展。1.3.2ASM系列數(shù)學(xué)模型ASM系列數(shù)學(xué)模型是目前國(guó)際上應(yīng)用最為廣泛的活性污泥數(shù)學(xué)模型，包括ASM1、ASM2、ASM2d和ASM3等。這些模型基于微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)原理，通過(guò)對(duì)活性污泥系統(tǒng)中微生物的代謝過(guò)程、物質(zhì)轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程進(jìn)行數(shù)學(xué)描述，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理過(guò)程的模擬和預(yù)測(cè)。ASM1模型是活性污泥數(shù)學(xué)模型發(fā)展的重要基礎(chǔ)，它主要考慮了有機(jī)物的好氧、缺氧代謝以及硝化和反硝化過(guò)程。在ASM1模型中，將活性污泥系統(tǒng)中的微生物分為異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌兩類。異養(yǎng)菌在好氧和缺氧條件下利用易生物降解的有機(jī)物（S_{S}）和慢速生物降解的有機(jī)物（X_{S}）進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝，其生長(zhǎng)過(guò)程遵循莫諾德（Monod）動(dòng)力學(xué)方程。在好氧條件下，異養(yǎng)菌將有機(jī)物氧化分解為二氧化碳和水，同時(shí)合成自身細(xì)胞物質(zhì)；在缺氧條件下，異養(yǎng)菌以硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行反硝化作用，將硝酸鹽還原為氮?dú)?。自養(yǎng)菌則主要進(jìn)行硝化作用，在好氧條件下將氨氮（S_{NH}）氧化為亞硝酸鹽（S_{NO2}）和硝酸鹽（S_{NO3}），其生長(zhǎng)過(guò)程同樣遵循莫諾德動(dòng)力學(xué)方程。ASM1模型還考慮了微生物的衰減、內(nèi)源呼吸等過(guò)程，通過(guò)對(duì)這些過(guò)程的數(shù)學(xué)描述，能夠較為準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)活性污泥系統(tǒng)中有機(jī)物和氮的去除效果。該模型包含13個(gè)生化反應(yīng)過(guò)程，如異養(yǎng)菌的好氧生長(zhǎng)、缺氧生長(zhǎng)、衰減，自養(yǎng)菌的生長(zhǎng)、衰減，以及硝化、反硝化等過(guò)程；涉及19個(gè)組分，包括易生物降解有機(jī)物、慢速生物降解有機(jī)物、異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌、溶解氧、硝酸鹽、亞硝酸鹽、氨氮等。ASM2模型在ASM1的基礎(chǔ)上，引入了生物除磷的相關(guān)過(guò)程和組分，旨在更準(zhǔn)確地描述污水中磷的去除過(guò)程。ASM2模型中增加了聚磷菌（X_{PAO}）這一組分，聚磷菌在厭氧條件下，將細(xì)胞內(nèi)的聚磷酸鹽分解，釋放出磷酸鹽（S_{PO4}），同時(shí)吸收污水中的易生物降解有機(jī)物，合成聚β-羥基丁酸酯（PHB）儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi)。在好氧條件下，聚磷菌利用儲(chǔ)存的PHB進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝，同時(shí)過(guò)量攝取污水中的磷酸鹽，將其轉(zhuǎn)化為聚磷酸鹽儲(chǔ)存于細(xì)胞內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)污水中磷的去除。此外，ASM2模型還考慮了糖原的合成與分解過(guò)程，以及一些環(huán)境因素對(duì)微生物代謝的影響。通過(guò)對(duì)這些過(guò)程的數(shù)學(xué)描述，ASM2模型能夠更全面地模擬活性污泥系統(tǒng)中磷的去除機(jī)制，為污水處理廠的生物除磷工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供更有力的支持。該模型包含19個(gè)生化反應(yīng)過(guò)程，如聚磷菌的厭氧釋磷、好氧吸磷，糖原的合成與分解，以及有機(jī)物的代謝、硝化、反硝化等過(guò)程；涉及25個(gè)組分，除了ASM1中的組分外，還增加了聚磷菌、聚磷酸鹽、PHB、糖原等組分。ASM2d模型是在ASM2的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而來(lái)，它考慮了反硝化除磷的過(guò)程，將反硝化聚磷菌（X_{DPB}）的代謝活動(dòng)納入模型中。反硝化聚磷菌在缺氧條件下，能夠以硝酸鹽作為電子受體，同時(shí)進(jìn)行磷的吸收和有機(jī)物的代謝，實(shí)現(xiàn)同步脫氮除磷。這一過(guò)程不僅減少了傳統(tǒng)生物脫氮除磷工藝中對(duì)碳源的需求，還降低了能耗和污泥產(chǎn)量。ASM2d模型通過(guò)對(duì)反硝化聚磷菌代謝過(guò)程的數(shù)學(xué)描述，能夠更準(zhǔn)確地模擬污水中氮、磷的同步去除過(guò)程，為污水處理廠實(shí)現(xiàn)高效、節(jié)能的脫氮除磷工藝提供了更有效的模擬工具。該模型在ASM2的基礎(chǔ)上增加了反硝化聚磷菌的相關(guān)反應(yīng)過(guò)程和組分，使得模型能夠更全面地描述活性污泥系統(tǒng)中復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)。ASM3模型則對(duì)ASM1中的微生物代謝過(guò)程進(jìn)行了重新描述，強(qiáng)調(diào)了微生物的儲(chǔ)存和利用機(jī)制。在ASM3模型中，異養(yǎng)菌首先將易生物降解的有機(jī)物攝取并儲(chǔ)存為細(xì)胞內(nèi)的儲(chǔ)存物質(zhì)（X_{STO}），然后在需要時(shí)利用這些儲(chǔ)存物質(zhì)進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝。這種儲(chǔ)存-利用機(jī)制使得異養(yǎng)菌能夠更好地適應(yīng)污水水質(zhì)和環(huán)境條件的變化。此外，ASM3模型還對(duì)微生物的衰減過(guò)程進(jìn)行了改進(jìn)，考慮了微生物的維持代謝和死亡-再生過(guò)程。通過(guò)這些改進(jìn)，ASM3模型能夠更準(zhǔn)確地模擬活性污泥系統(tǒng)中微生物的代謝活動(dòng)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程，特別是在處理水質(zhì)波動(dòng)較大的污水時(shí)，具有更好的適應(yīng)性和預(yù)測(cè)能力。該模型包含10個(gè)生化反應(yīng)過(guò)程，如異養(yǎng)菌的儲(chǔ)存、利用、衰減，自養(yǎng)菌的生長(zhǎng)、衰減，以及硝化等過(guò)程；涉及13個(gè)組分，對(duì)ASM1中的一些組分進(jìn)行了重新定義和整合。1.3.3在膜生物反應(yīng)器中的應(yīng)用ASM系列數(shù)學(xué)模型在膜生物反應(yīng)器（MBR）的模擬和研究中發(fā)揮了重要作用。MBR作為一種高效的污水處理技術(shù)，將膜分離技術(shù)與生物處理技術(shù)相結(jié)合，其內(nèi)部的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和物質(zhì)傳遞過(guò)程較為復(fù)雜。ASM系列數(shù)學(xué)模型能夠通過(guò)對(duì)MBR中微生物代謝、物質(zhì)轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程的數(shù)學(xué)描述，深入分析MBR的運(yùn)行效能，揭示其內(nèi)部的作用機(jī)制，為MBR的工藝設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理和優(yōu)化提供科學(xué)依據(jù)。在MBR的工藝設(shè)計(jì)方面，ASM系列數(shù)學(xué)模型可以用于預(yù)測(cè)不同工藝參數(shù)下MBR的處理效果，從而指導(dǎo)工藝參數(shù)的優(yōu)化選擇。通過(guò)模擬不同水力停留時(shí)間（HRT）、污泥停留時(shí)間（SRT）、溶解氧濃度、污泥濃度等工藝參數(shù)對(duì)MBR出水水質(zhì)、污泥產(chǎn)量等指標(biāo)的影響，能夠確定最佳的工藝參數(shù)組合，以實(shí)現(xiàn)MBR的高效穩(wěn)定運(yùn)行。研究人員利用ASM1模型對(duì)MBR處理生活污水的過(guò)程進(jìn)行模擬，發(fā)現(xiàn)隨著HRT的增加，MBR對(duì)有機(jī)物和氮的去除率逐漸提高，但當(dāng)HRT超過(guò)一定值后，去除率的提升幅度逐漸減小。通過(guò)模擬還發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)提高污泥濃度可以提高M(jìn)BR的處理效率，但過(guò)高的污泥濃度會(huì)導(dǎo)致膜污染加劇，增加運(yùn)行成本。因此，在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)模擬結(jié)果，合理選擇HRT、污泥濃度等工藝參數(shù)，以達(dá)到最佳的處理效果和經(jīng)濟(jì)效益。在MBR的運(yùn)行管理方面，ASM系列數(shù)學(xué)模型可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)MBR的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在的問(wèn)題，并采取相應(yīng)的措施進(jìn)行調(diào)整。通過(guò)將實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的水質(zhì)、水量等數(shù)據(jù)輸入到模型中，模型可以模擬MBR的運(yùn)行過(guò)程，預(yù)測(cè)出水水質(zhì)和污泥特性的變化。當(dāng)模型預(yù)測(cè)到出水水質(zhì)可能超標(biāo)或膜污染風(fēng)險(xiǎn)增加時(shí)，管理人員可以提前采取措施，如調(diào)整運(yùn)行參數(shù)、加強(qiáng)膜清洗等，以保證MBR的正常運(yùn)行。某污水處理廠利用ASM2d模型對(duì)MBR的運(yùn)行進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和預(yù)測(cè)，當(dāng)模型預(yù)測(cè)到反硝化除磷效果下降時(shí)，通過(guò)分析模型結(jié)果發(fā)現(xiàn)是由于碳源不足導(dǎo)致的。于是，管理人員及時(shí)調(diào)整了進(jìn)水碳源的投加量，使得反硝化除磷效果得到了恢復(fù)，保證了MBR的穩(wěn)定運(yùn)行。此外，ASM系列數(shù)學(xué)模型還可以用于研究MBR中的膜污染問(wèn)題，揭示膜污染的形成機(jī)制，為膜污染的控制和緩解提供理論支持。通過(guò)模擬MBR中微生物代謝產(chǎn)物、膠體物質(zhì)、懸浮物等在膜表面的沉積和積累過(guò)程，以及它們與膜材料之間的相互作用，可以深入了解膜污染的影響因素和形成過(guò)程。研究人員利用ASM模型結(jié)合膜污染模型，模擬了不同運(yùn)行條件下MBR中膜污染的發(fā)展情況，發(fā)現(xiàn)污泥中的胞外聚合物（EPS）是導(dǎo)致膜污染的重要因素之一。通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行參數(shù)，如控制污泥濃度、調(diào)節(jié)溶解氧濃度等，可以減少EPS的產(chǎn)生，從而降低膜污染的風(fēng)險(xiǎn)。然而，ASM系列數(shù)學(xué)模型在MBR中的應(yīng)用也面臨一些挑戰(zhàn)。MBR內(nèi)部的流場(chǎng)分布、物質(zhì)傳遞過(guò)程較為復(fù)雜，模型難以準(zhǔn)確描述這些復(fù)雜的物理過(guò)程。實(shí)際污水水質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)具有較大的不確定性，這也會(huì)影響模型的準(zhǔn)確性和可靠性。為了克服這些挑戰(zhàn)，需要進(jìn)一步改進(jìn)和完善ASM系列數(shù)學(xué)模型，結(jié)合計(jì)算流體力學(xué)（CFD）等技術(shù)，更準(zhǔn)確地描述MBR內(nèi)部的物理過(guò)程；同時(shí)，加強(qiáng)對(duì)實(shí)際污水水質(zhì)和微生物群落結(jié)構(gòu)的監(jiān)測(cè)和研究，提高模型參數(shù)的準(zhǔn)確性和適應(yīng)性。1.4研究目的、內(nèi)容與方法本研究旨在通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型，深入分析外置式平板動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能，揭示其運(yùn)行規(guī)律和作用機(jī)制，為工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)，推動(dòng)外置式平板動(dòng)態(tài)膜在污水處理領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。具體研究?jī)?nèi)容如下：構(gòu)建適用于外置式平板動(dòng)態(tài)膜的數(shù)學(xué)模型：基于活性污泥1號(hào)數(shù)學(xué)模型（ASM1），結(jié)合外置式平板動(dòng)態(tài)膜的特點(diǎn)，增加相關(guān)組分和反應(yīng)過(guò)程，構(gòu)建適用于外置式平板動(dòng)態(tài)膜的數(shù)學(xué)模型。在模型中考慮動(dòng)態(tài)膜的形成過(guò)程、膜污染的影響因素以及膜過(guò)濾對(duì)污染物的截留作用等，使模型能夠更準(zhǔn)確地描述外置式平板動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行過(guò)程。確定模型關(guān)鍵參數(shù)：通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，確定數(shù)學(xué)模型中的關(guān)鍵參數(shù)，如微生物生長(zhǎng)速率、衰減系數(shù)、底物半飽和系數(shù)等。采用呼吸速率法、高氨氮負(fù)荷法等實(shí)驗(yàn)方法測(cè)定微生物的生長(zhǎng)和代謝參數(shù)，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。模擬外置式平板動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能：利用構(gòu)建的數(shù)學(xué)模型，模擬不同運(yùn)行條件下外置式平板動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能，包括出水水質(zhì)、污泥濃度、膜通量等指標(biāo)的變化情況。分析水力停留時(shí)間、污泥停留時(shí)間、溶解氧濃度、錯(cuò)流速度、過(guò)濾壓差等運(yùn)行參數(shù)對(duì)運(yùn)行效能的影響規(guī)律，為工藝優(yōu)化提供理論指導(dǎo)。模型驗(yàn)證與應(yīng)用：將模擬結(jié)果與實(shí)際實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和可靠性。利用驗(yàn)證后的模型對(duì)實(shí)際工程案例進(jìn)行模擬分析，預(yù)測(cè)不同工況下的處理效果，為實(shí)際工程的工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供決策支持。根據(jù)模擬結(jié)果，優(yōu)化工藝參數(shù)，確定最佳的運(yùn)行條件，提高外置式平板動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。本研究采用實(shí)驗(yàn)研究與數(shù)學(xué)模擬相結(jié)合的方法。通過(guò)搭建外置式平板動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)裝置，進(jìn)行污水處理實(shí)驗(yàn)，獲取實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)進(jìn)出水水質(zhì)、污泥濃度、膜通量、膜阻力等指標(biāo)的變化情況，分析反應(yīng)器的處理效果和運(yùn)行特性。同時(shí)，收集不同運(yùn)行條件下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，為數(shù)學(xué)模型的建立和參數(shù)率定提供依據(jù)。運(yùn)用數(shù)學(xué)建模方法，基于活性污泥數(shù)學(xué)模型的理論基礎(chǔ)，結(jié)合外置式平板動(dòng)態(tài)膜的特點(diǎn)，建立適用于其運(yùn)行效能模擬的數(shù)學(xué)模型。利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定和驗(yàn)證，確保模型能夠準(zhǔn)確反映外置式平板動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行過(guò)程。通過(guò)模擬不同運(yùn)行條件下的處理效果，分析各因素對(duì)運(yùn)行效能的影響，為工藝優(yōu)化提供理論支持。在模型驗(yàn)證階段，將模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，評(píng)估模型的準(zhǔn)確性和可靠性。二、實(shí)驗(yàn)與模型參數(shù)獲取2.1實(shí)驗(yàn)裝置2.1.1外置式平板動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器本實(shí)驗(yàn)采用的外置式平板動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器裝置主要由生物反應(yīng)池、外置式平板動(dòng)態(tài)膜組件、進(jìn)水泵、循環(huán)泵、曝氣系統(tǒng)、膜清洗系統(tǒng)等部分組成，具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。生物反應(yīng)池采用有機(jī)玻璃材質(zhì)制作，以方便觀察內(nèi)部反應(yīng)情況。其有效容積為100L，尺寸為長(zhǎng)50cm×寬40cm×高50cm。在生物反應(yīng)池底部設(shè)置有曝氣頭，通過(guò)曝氣泵與空氣壓縮機(jī)相連，組成曝氣系統(tǒng)，用于向反應(yīng)池中提供充足的溶解氧，以滿足微生物的好氧代謝需求。曝氣泵采用可調(diào)節(jié)流量的氣泵，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求靈活調(diào)整曝氣量，確保反應(yīng)池中溶解氧濃度維持在設(shè)定范圍內(nèi)。在生物反應(yīng)池的一側(cè)設(shè)置有進(jìn)水口，原水通過(guò)蠕動(dòng)泵從進(jìn)水口進(jìn)入反應(yīng)池，蠕動(dòng)泵的流量可通過(guò)控制器進(jìn)行精確調(diào)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)進(jìn)水流量的控制。外置式平板動(dòng)態(tài)膜組件是反應(yīng)器的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)反應(yīng)器的運(yùn)行效能有著重要影響。本實(shí)驗(yàn)中的平板動(dòng)態(tài)膜組件由膜片、支撐框架和密封裝置組成。膜片選用孔徑為50μm的滌綸網(wǎng)作為膜基材，該膜片具有良好的機(jī)械強(qiáng)度和化學(xué)穩(wěn)定性，能夠承受一定的過(guò)濾壓力和化學(xué)清洗。膜片的有效過(guò)濾面積為0.1m2，尺寸為長(zhǎng)30cm×寬20cm。支撐框架采用不銹鋼材質(zhì)制作，具有較高的強(qiáng)度和耐腐蝕性，能夠?yàn)槟て峁┛煽康闹?，防止膜片在過(guò)濾過(guò)程中發(fā)生變形或破損。密封裝置采用橡膠密封條，確保膜組件在運(yùn)行過(guò)程中的密封性，防止泥水混合液泄漏。膜組件通過(guò)管道與生物反應(yīng)池相連，循環(huán)泵將生物反應(yīng)池中的泥水混合液抽出，送入膜組件進(jìn)行錯(cuò)流過(guò)濾。在膜組件的底部設(shè)置有出水口，過(guò)濾后的清水通過(guò)出水口流出，進(jìn)入后續(xù)處理單元。循環(huán)泵選用磁力驅(qū)動(dòng)離心泵，其具有流量穩(wěn)定、無(wú)泄漏、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足本實(shí)驗(yàn)對(duì)泥水混合液循環(huán)流量和壓力的要求。循環(huán)泵的流量可在5-20L/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速來(lái)控制泥水混合液的錯(cuò)流速度，以研究錯(cuò)流速度對(duì)動(dòng)態(tài)膜運(yùn)行效能的影響。在循環(huán)泵的進(jìn)出口管道上分別安裝有壓力表，用于監(jiān)測(cè)循環(huán)泵進(jìn)出口的壓力，從而計(jì)算出膜組件的過(guò)濾壓差。膜清洗系統(tǒng)用于定期對(duì)膜組件進(jìn)行清洗，以恢復(fù)膜的通量，延長(zhǎng)膜的使用壽命。本實(shí)驗(yàn)采用的膜清洗方式為物理清洗和化學(xué)清洗相結(jié)合。物理清洗主要通過(guò)反沖洗和曝氣擦洗來(lái)實(shí)現(xiàn)。反沖洗是利用清水泵將清水從膜組件的出水口反向注入，沖洗掉膜表面的污染物；曝氣擦洗則是在反沖洗的同時(shí)，向膜組件內(nèi)通入空氣，利用氣泡的擾動(dòng)作用，增強(qiáng)清洗效果?；瘜W(xué)清洗是在物理清洗效果不佳時(shí)采用的方法，使用化學(xué)清洗劑對(duì)膜組件進(jìn)行浸泡和清洗，以去除膜表面難以清洗的污染物。常用的化學(xué)清洗劑有次氯酸鈉溶液、檸檬酸溶液等，根據(jù)膜污染的類型和程度選擇合適的清洗劑和清洗濃度。在膜清洗系統(tǒng)中，設(shè)置有清洗液儲(chǔ)罐、清水儲(chǔ)罐和清洗泵，通過(guò)管道和閥門(mén)的切換，實(shí)現(xiàn)對(duì)膜組件的物理清洗和化學(xué)清洗操作。整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置通過(guò)管道和閥門(mén)連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)，各個(gè)部分之間協(xié)同工作，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的處理。在管道上安裝有各種傳感器和儀表，如溫度傳感器、pH傳感器、溶解氧傳感器、流量計(jì)等，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，如溫度、pH值、溶解氧濃度、流量等。這些傳感器將監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)采集系統(tǒng)，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析，以便及時(shí)調(diào)整實(shí)驗(yàn)條件，確保實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)行。通過(guò)該外置式平板動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器裝置，可以研究不同運(yùn)行條件下動(dòng)態(tài)膜的形成過(guò)程、運(yùn)行效能以及膜污染情況，為數(shù)學(xué)模型的建立和驗(yàn)證提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。[此處插入外置式平板動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器裝置圖]2.1.2模型參數(shù)率定裝置為了準(zhǔn)確獲取數(shù)學(xué)模型中的關(guān)鍵參數(shù)，搭建了專門(mén)的模型參數(shù)率定裝置。該裝置主要包括呼吸儀、氨氮測(cè)定儀、化學(xué)需氧量（COD）測(cè)定儀以及配套的實(shí)驗(yàn)容器和管路系統(tǒng)。呼吸儀用于測(cè)定微生物的呼吸速率，進(jìn)而確定微生物的生長(zhǎng)速率和衰減系數(shù)等參數(shù)。本實(shí)驗(yàn)采用的是基于溶解氧測(cè)定原理的呼吸儀，其工作原理是通過(guò)監(jiān)測(cè)微生物在代謝過(guò)程中對(duì)溶解氧的消耗速率來(lái)反映微生物的活性和生長(zhǎng)情況。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將一定量的活性污泥樣品放入呼吸儀的反應(yīng)容器中，加入適量的底物溶液，然后密封反應(yīng)容器，開(kāi)啟攪拌裝置，使活性污泥與底物充分混合。呼吸儀內(nèi)置的溶解氧傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)容器內(nèi)的溶解氧濃度變化，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄溶解氧濃度隨時(shí)間的變化曲線。根據(jù)溶解氧濃度的變化速率，結(jié)合微生物代謝動(dòng)力學(xué)原理，可以計(jì)算出微生物的呼吸速率，進(jìn)而確定微生物的生長(zhǎng)速率和衰減系數(shù)。氨氮測(cè)定儀采用納氏試劑分光光度法測(cè)定水樣中的氨氮濃度，用于確定模型中與氨氮代謝相關(guān)的參數(shù)，如氨氮的半飽和系數(shù)、硝化菌的生長(zhǎng)速率等。其操作方法如下：首先取適量的水樣，加入酒石酸鉀鈉溶液消除金屬離子干擾，并調(diào)節(jié)pH至堿性。然后向水樣中加入納氏試劑，搖勻后靜置一段時(shí)間，使氨氮與納氏試劑充分反應(yīng)生成淡紅棕色絡(luò)合物。最后使用分光光度計(jì)在波長(zhǎng)420nm處測(cè)量反應(yīng)后溶液的吸光度，并根據(jù)預(yù)先繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線計(jì)算出氨氮含量。在測(cè)量過(guò)程中，要注意納氏試劑的保存和標(biāo)定，以及顯色反應(yīng)時(shí)間的控制，以確保測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。COD測(cè)定儀采用重鉻酸鉀法測(cè)定水樣中的化學(xué)需氧量，用于確定模型中與有機(jī)物代謝相關(guān)的參數(shù)，如有機(jī)物的降解速率、異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)速率等。其操作步驟為：將水樣與一定量的重鉻酸鉀溶液、硫酸銀-硫酸溶液混合，在加熱回流的條件下，使水樣中的有機(jī)物被重鉻酸鉀氧化。反應(yīng)結(jié)束后，用硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定剩余的重鉻酸鉀，根據(jù)消耗的硫酸亞鐵銨標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積，計(jì)算出水樣的COD值。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件，如加熱溫度、回流時(shí)間等，同時(shí)注意試劑的配制和使用，以保證測(cè)量結(jié)果的可靠性。配套的實(shí)驗(yàn)容器包括若干個(gè)玻璃燒杯和血清瓶，用于盛放活性污泥樣品、底物溶液和水樣等。管路系統(tǒng)由各種管道、閥門(mén)和蠕動(dòng)泵組成，用于輸送樣品和試劑，確保實(shí)驗(yàn)操作的順利進(jìn)行。在進(jìn)行模型參數(shù)率定時(shí)，按照實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，將不同條件下的活性污泥樣品和底物溶液加入到相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)容器中，通過(guò)管路系統(tǒng)連接到呼吸儀、氨氮測(cè)定儀和COD測(cè)定儀等設(shè)備，進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的測(cè)定。對(duì)測(cè)定得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，利用數(shù)學(xué)方法對(duì)模型參數(shù)進(jìn)行率定和優(yōu)化，以提高數(shù)學(xué)模型的準(zhǔn)確性和可靠性。通過(guò)該模型參數(shù)率定裝置，可以獲取準(zhǔn)確的模型參數(shù)，為建立精確的外置式平板動(dòng)態(tài)膜數(shù)學(xué)模型提供有力支持。2.2實(shí)驗(yàn)過(guò)程與數(shù)據(jù)收集2.2.1實(shí)驗(yàn)流程實(shí)驗(yàn)運(yùn)行前，先向生物反應(yīng)池中接種取自某城市污水處理廠二沉池的活性污泥，接種污泥的混合液懸浮固體（MLSS）濃度約為3000mg/L。接種完成后，向生物反應(yīng)池中加入模擬生活污水，模擬生活污水的水質(zhì)指標(biāo)為：化學(xué)需氧量（COD）約為400mg/L，氨氮（NH_3-N）約為40mg/L，總氮（TN）約為50mg/L，總磷（TP）約為5mg/L。開(kāi)啟曝氣系統(tǒng)，控制溶解氧（DO）濃度在2-4mg/L，進(jìn)行悶曝培養(yǎng)24h，使活性污泥適應(yīng)新的環(huán)境。悶曝結(jié)束后，開(kāi)始正式實(shí)驗(yàn)運(yùn)行。實(shí)驗(yàn)采用連續(xù)流進(jìn)水方式，原水通過(guò)蠕動(dòng)泵以設(shè)定的流量從進(jìn)水口進(jìn)入生物反應(yīng)池，水力停留時(shí)間（HRT）設(shè)定為12h。在生物反應(yīng)池中，活性污泥與原水充分混合，微生物利用水中的有機(jī)物進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝，完成對(duì)污染物的生物降解過(guò)程。反應(yīng)后的泥水混合液通過(guò)循環(huán)泵抽出，送入外置式平板動(dòng)態(tài)膜組件進(jìn)行錯(cuò)流過(guò)濾。循環(huán)泵的流量調(diào)節(jié)范圍為5-20L/min，通過(guò)調(diào)節(jié)循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速來(lái)控制泥水混合液的錯(cuò)流速度，在本實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置錯(cuò)流速度為10L/min。在錯(cuò)流過(guò)濾過(guò)程中，泥水混合液在膜表面高速流動(dòng)，利用剪切力減少污泥在膜表面的沉積，從而實(shí)現(xiàn)泥水分離。過(guò)濾后的清水透過(guò)膜片，從膜組件底部的出水口流出，進(jìn)入后續(xù)處理單元；未透過(guò)膜的污泥和濃縮液則回流至生物反應(yīng)池，繼續(xù)參與生物反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，定期對(duì)膜組件進(jìn)行清洗，以維持膜的通量和過(guò)濾性能。清洗周期根據(jù)膜通量的變化情況來(lái)確定，當(dāng)膜通量下降至初始膜通量的70%時(shí)，進(jìn)行膜清洗。膜清洗分為物理清洗和化學(xué)清洗兩個(gè)步驟。首先進(jìn)行物理清洗，關(guān)閉循環(huán)泵和出料泵，開(kāi)啟反沖洗泵，將清水從膜組件的出水口反向注入，沖洗時(shí)間為15min，利用清水的沖擊力去除膜表面的部分污染物。物理清洗結(jié)束后，若膜通量恢復(fù)效果不理想，則進(jìn)行化學(xué)清洗。將膜組件浸泡在化學(xué)清洗液中，化學(xué)清洗液為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5%的次氯酸鈉溶液和質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2%的檸檬酸溶液，浸泡時(shí)間為2h。浸泡結(jié)束后，用清水沖洗膜組件，直至清洗液殘留量符合要求。清洗完成后，重新啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)裝置，繼續(xù)進(jìn)行過(guò)濾實(shí)驗(yàn)。2.2.2數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)與收集在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)多個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和定期收集，以全面了解外置式平板動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行效能。水質(zhì)參數(shù)是反映反應(yīng)器處理效果的重要指標(biāo)，主要監(jiān)測(cè)進(jìn)出水的COD、NH_3-N、TN、TP等參數(shù)。COD采用重鉻酸鉀法進(jìn)行測(cè)定，NH_3-N采用納氏試劑分光光度法測(cè)定，TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定，TP采用鉬酸銨分光光度法測(cè)定。每天定時(shí)采集進(jìn)出水水樣，每個(gè)水樣平行測(cè)定3次，取平均值作為測(cè)定結(jié)果。膜通量是衡量膜過(guò)濾性能的關(guān)鍵參數(shù)，通過(guò)測(cè)量單位時(shí)間內(nèi)透過(guò)膜的水量來(lái)計(jì)算。在膜組件的出水口安裝流量計(jì)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)出水流量，膜通量計(jì)算公式為：J=Q/A，其中J為膜通量（L/(m2?h)），Q為出水流量（L/h），A為膜的有效過(guò)濾面積（m2）。每隔2h記錄一次出水流量，計(jì)算相應(yīng)的膜通量。膜阻力是評(píng)估膜污染程度的重要指標(biāo)，根據(jù)達(dá)西定律，通過(guò)測(cè)量膜兩側(cè)的壓力差和膜通量來(lái)計(jì)算膜阻力。在膜組件的進(jìn)水口和出水口分別安裝壓力表，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膜兩側(cè)的壓力，膜阻力計(jì)算公式為：R=\DeltaP/(\mu\timesJ)，其中R為膜阻力（m?1），\DeltaP為膜兩側(cè)的壓力差（Pa），\mu為水的動(dòng)力黏度（Pa?s），J為膜通量（m/s）。每4h記錄一次膜兩側(cè)的壓力，結(jié)合同時(shí)刻測(cè)定的膜通量，計(jì)算膜阻力。污泥濃度也是一個(gè)重要的監(jiān)測(cè)指標(biāo)，包括混合液懸浮固體（MLSS）和混合液揮發(fā)性懸浮固體（MLVSS）。MLSS采用重量法測(cè)定，通過(guò)將一定體積的污泥混合液在103-105℃下烘干至恒重，稱量剩余固體的質(zhì)量來(lái)計(jì)算；MLVSS則是在測(cè)定MLSS的基礎(chǔ)上，將烘干后的固體在550℃下灼燒至恒重，通過(guò)稱量灼燒前后固體質(zhì)量的差值來(lái)計(jì)算。每周測(cè)定一次生物反應(yīng)池中污泥的MLSS和MLVSS，每個(gè)樣品平行測(cè)定2次。此外，還對(duì)反應(yīng)過(guò)程中的其他參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如溫度、pH值、溶解氧濃度等。溫度采用溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，pH值采用pH計(jì)測(cè)定，溶解氧濃度通過(guò)溶解氧傳感器在線監(jiān)測(cè)。溫度和溶解氧濃度每小時(shí)記錄一次，pH值每天測(cè)定3次，分別在上午、下午和晚上進(jìn)行。將收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和分析，為后續(xù)的數(shù)學(xué)模型建立和參數(shù)率定提供依據(jù)。2.3模型參數(shù)的確定2.3.1初始參數(shù)設(shè)定模型參數(shù)的準(zhǔn)確設(shè)定是保證數(shù)學(xué)模型能夠準(zhǔn)確模擬外置式平板動(dòng)態(tài)膜運(yùn)行效能的關(guān)鍵。在本研究中，根據(jù)已有研究成果和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)數(shù)學(xué)模型中的部分參數(shù)進(jìn)行了初始設(shè)定。微生物生長(zhǎng)速率和衰減系數(shù)是模型中的重要參數(shù)，它們直接影響著微生物的代謝活動(dòng)和生物量的變化。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道，異養(yǎng)菌的最大比生長(zhǎng)速率\mu_{H,max}初始設(shè)定為0.5d^{-1}，自養(yǎng)菌的最大比生長(zhǎng)速率\mu_{A,max}初始設(shè)定為0.05d^{-1}。異養(yǎng)菌的衰減系數(shù)b_{H}初始設(shè)定為0.05d^{-1}，自養(yǎng)菌的衰減系數(shù)b_{A}初始設(shè)定為0.01d^{-1}。這些參數(shù)的初始值是基于對(duì)一般活性污泥系統(tǒng)中微生物生長(zhǎng)和代謝特性的了解而設(shè)定的，在后續(xù)的模型率定過(guò)程中，將根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化和調(diào)整。底物半飽和系數(shù)也是模型中的關(guān)鍵參數(shù)，它反映了微生物對(duì)底物的親和力。易生物降解有機(jī)物的半飽和系數(shù)K_{S}初始設(shè)定為50mg/L，氨氮的半飽和系數(shù)K_{NH}初始設(shè)定為1mg/L。這些初始值是參考了類似污水處理工藝中的相關(guān)參數(shù)取值范圍，并結(jié)合本實(shí)驗(yàn)中模擬生活污水的水質(zhì)特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)定的。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，底物的濃度和組成會(huì)發(fā)生變化，底物半飽和系數(shù)也會(huì)受到影響，因此需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)和數(shù)據(jù)分析對(duì)其進(jìn)行準(zhǔn)確的確定。除了上述參數(shù)外，還對(duì)其他一些參數(shù)進(jìn)行了初始設(shè)定，如微生物產(chǎn)率系數(shù)、溶解氧飽和常數(shù)、反硝化速率常數(shù)等。異養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù)Y_{H}初始設(shè)定為0.6，自養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù)Y_{A}初始設(shè)定為0.2。溶解氧飽和常數(shù)K_{O}初始設(shè)定為0.2mg/L，反硝化速率常數(shù)k_im2uqma初始設(shè)定為0.1d^{-1}。這些參數(shù)的初始設(shè)定值為模型的初步模擬提供了基礎(chǔ)，但在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體的實(shí)驗(yàn)條件和數(shù)據(jù)對(duì)其進(jìn)行校準(zhǔn)和驗(yàn)證，以確保模型的準(zhǔn)確性和可靠性。2.3.2參數(shù)率定方法為了確定數(shù)學(xué)模型中的關(guān)鍵參數(shù)，采用了多種實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行參數(shù)率定。呼吸速率法是一種常用的測(cè)定微生物活性和生長(zhǎng)參數(shù)的方法。其原理是通過(guò)監(jiān)測(cè)微生物在代謝過(guò)程中對(duì)溶解氧的消耗速率來(lái)反映微生物的活性和生長(zhǎng)情況。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將一定量的活性污泥樣品放入呼吸儀的反應(yīng)容器中，加入適量的底物溶液，然后密封反應(yīng)容器，開(kāi)啟攪拌裝置，使活性污泥與底物充分混合。呼吸儀內(nèi)置的溶解氧傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)容器內(nèi)的溶解氧濃度變化，通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)記錄溶解氧濃度隨時(shí)間的變化曲線。根據(jù)溶解氧濃度的變化速率，結(jié)合微生物代謝動(dòng)力學(xué)原理，可以計(jì)算出微生物的呼吸速率，進(jìn)而確定微生物的生長(zhǎng)速率和衰減系數(shù)。假設(shè)在某一實(shí)驗(yàn)條件下，通過(guò)呼吸速率法測(cè)得活性污泥中異養(yǎng)菌的呼吸速率為r_{O_{2},H}，根據(jù)微生物代謝方程，可以建立如下關(guān)系：r_{O_{2},H}=\mu_{H}X_{H}/Y_{H}-b_{H}X_{H}，其中\(zhòng)mu_{H}為異養(yǎng)菌的比生長(zhǎng)速率，X_{H}為異養(yǎng)菌的生物量。通過(guò)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下的呼吸速率進(jìn)行測(cè)量，并結(jié)合已知的異養(yǎng)菌生物量X_{H}和產(chǎn)率系數(shù)Y_{H}，可以利用數(shù)學(xué)方法求解出異養(yǎng)菌的比生長(zhǎng)速率\mu_{H}和衰減系數(shù)b_{H}。高氨氮負(fù)荷法主要用于確定與氨氮代謝相關(guān)的參數(shù)，如硝化菌的生長(zhǎng)速率和半飽和系數(shù)等。其原理是在高氨氮負(fù)荷條件下，通過(guò)監(jiān)測(cè)氨氮的去除速率和硝化產(chǎn)物的生成速率，來(lái)確定硝化菌的生長(zhǎng)和代謝參數(shù)。在實(shí)驗(yàn)中，向活性污泥系統(tǒng)中加入高濃度的氨氮溶液，使氨氮成為微生物代謝的主要底物。通過(guò)定期測(cè)定進(jìn)出水的氨氮濃度、亞硝酸鹽濃度和硝酸鹽濃度，分析氨氮的去除過(guò)程和硝化產(chǎn)物的生成過(guò)程。根據(jù)硝化反應(yīng)的化學(xué)計(jì)量關(guān)系和動(dòng)力學(xué)方程，可以建立數(shù)學(xué)模型來(lái)描述氨氮的代謝過(guò)程。假設(shè)氨氮的去除速率為r_{NH}，硝化菌的比生長(zhǎng)速率為\mu_{A}，則有r_{NH}=\mu_{A}X_{A}/Y_{A}，其中X_{A}為硝化菌的生物量，Y_{A}為硝化菌的產(chǎn)率系數(shù)。通過(guò)對(duì)不同實(shí)驗(yàn)條件下氨氮去除速率的測(cè)量，并結(jié)合已知的硝化菌生物量X_{A}和產(chǎn)率系數(shù)Y_{A}，可以利用數(shù)學(xué)方法求解出硝化菌的比生長(zhǎng)速率\mu_{A}。同時(shí)，通過(guò)改變氨氮的濃度，測(cè)量不同氨氮濃度下的硝化反應(yīng)速率，利用米氏方程r=V_{max}[S]/(K_{m}+[S])（其中r為反應(yīng)速率，V_{max}為最大反應(yīng)速率，[S]為底物濃度，K_{m}為米氏常數(shù)，即半飽和系數(shù)），可以確定氨氮的半飽和系數(shù)K_{NH}。此外，還采用了其他一些方法來(lái)輔助確定模型參數(shù)，如批次實(shí)驗(yàn)法、物料衡算法等。批次實(shí)驗(yàn)法是在實(shí)驗(yàn)室條件下，將活性污泥與底物在一定的反應(yīng)容器中進(jìn)行批次反應(yīng)，通過(guò)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過(guò)程中底物濃度、產(chǎn)物濃度和生物量等參數(shù)的變化，來(lái)確定微生物的生長(zhǎng)和代謝參數(shù)。物料衡算法是根據(jù)物質(zhì)守恒原理，對(duì)活性污泥系統(tǒng)中的物質(zhì)進(jìn)行衡算，通過(guò)分析進(jìn)出水和系統(tǒng)內(nèi)物質(zhì)的變化情況，來(lái)確定模型參數(shù)。通過(guò)綜合運(yùn)用這些參數(shù)率定方法，可以更準(zhǔn)確地確定數(shù)學(xué)模型中的關(guān)鍵參數(shù)，提高模型的準(zhǔn)確性和可靠性。2.3.3確定關(guān)鍵參數(shù)通過(guò)一系列的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)據(jù)分析，最終確定了數(shù)學(xué)模型中的關(guān)鍵參數(shù)數(shù)值。經(jīng)過(guò)呼吸速率法和高氨氮負(fù)荷法等實(shí)驗(yàn)測(cè)定和數(shù)據(jù)處理，得到異養(yǎng)菌的最大比生長(zhǎng)速率\mu_{H,max}為0.45d^{-1}，異養(yǎng)菌的衰減系數(shù)b_{H}為0.04d^{-1}。自養(yǎng)菌的最大比生長(zhǎng)速率\mu_{A,max}為0.045d^{-1}，自養(yǎng)菌的衰減系數(shù)b_{A}為0.008d^{-1}。這些參數(shù)數(shù)值與初始設(shè)定值相比，發(fā)生了一定的變化，這是由于實(shí)驗(yàn)條件和實(shí)際運(yùn)行情況與理論假設(shè)存在差異，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)定和參數(shù)率定，能夠更準(zhǔn)確地反映微生物在實(shí)際系統(tǒng)中的生長(zhǎng)和代謝特性。對(duì)于底物半飽和系數(shù)，易生物降解有機(jī)物的半飽和系數(shù)K_{S}確定為45mg/L，氨氮的半飽和系數(shù)K_{NH}確定為0.8mg/L。這些數(shù)值是在綜合考慮了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和實(shí)際水質(zhì)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上確定的，能夠更準(zhǔn)確地描述微生物對(duì)底物的親和力和利用能力。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，底物的濃度和組成會(huì)受到進(jìn)水水質(zhì)、運(yùn)行條件等因素的影響，底物半飽和系數(shù)也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化。因此，在模型應(yīng)用過(guò)程中，需要根據(jù)實(shí)際情況對(duì)底物半飽和系數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，以保證模型的準(zhǔn)確性。其他關(guān)鍵參數(shù)也通過(guò)實(shí)驗(yàn)和分析得到了確定。異養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù)Y_{H}為0.58，自養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù)Y_{A}為0.18。溶解氧飽和常數(shù)K_{O}為0.18mg/L，反硝化速率常數(shù)k_ysyag22為0.09d^{-1}。這些參數(shù)的確定為數(shù)學(xué)模型的建立和模擬提供了準(zhǔn)確的參數(shù)依據(jù)，能夠更真實(shí)地反映外置式平板動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行過(guò)程和處理效果。通過(guò)對(duì)這些關(guān)鍵參數(shù)的準(zhǔn)確確定，數(shù)學(xué)模型能夠更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)不同運(yùn)行條件下外置式平板動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能，為工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理提供更可靠的科學(xué)依據(jù)。在后續(xù)的研究中，還將進(jìn)一步驗(yàn)證這些參數(shù)的可靠性，并根據(jù)實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整，以不斷提高模型的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。三、ASM1-DM模型構(gòu)建3.1ASM1-DM理論基礎(chǔ)活性污泥1號(hào)模型（ASM1）作為污水處理領(lǐng)域的經(jīng)典模型，為描述活性污泥系統(tǒng)中的生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程提供了重要框架。然而，傳統(tǒng)的ASM1模型主要針對(duì)常規(guī)活性污泥法系統(tǒng)，未充分考慮外置式平板動(dòng)態(tài)膜的特殊運(yùn)行特性。為了更準(zhǔn)確地模擬外置式平板動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能，需要在ASM1模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)和擴(kuò)展，構(gòu)建適用于該工藝的ASM1-DM模型。外置式平板動(dòng)態(tài)膜與傳統(tǒng)活性污泥法系統(tǒng)的關(guān)鍵區(qū)別在于膜分離單元的存在及其對(duì)系統(tǒng)物質(zhì)傳遞和微生物群落的影響。在傳統(tǒng)活性污泥法中，泥水分離主要通過(guò)重力沉淀實(shí)現(xiàn)，而外置式平板動(dòng)態(tài)膜則利用膜的過(guò)濾作用實(shí)現(xiàn)高效的泥水分離。這一差異導(dǎo)致了系統(tǒng)中物質(zhì)的分布和轉(zhuǎn)移過(guò)程發(fā)生變化，同時(shí)也影響了微生物的生長(zhǎng)環(huán)境和代謝活動(dòng)。例如，動(dòng)態(tài)膜的過(guò)濾作用使得部分微生物和污染物被截留，改變了生物反應(yīng)池中微生物的濃度和組成，進(jìn)而影響了底物的利用和代謝產(chǎn)物的生成。此外，膜污染現(xiàn)象的存在也會(huì)對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行效能產(chǎn)生重要影響，如導(dǎo)致膜通量下降、過(guò)濾阻力增加等，這些因素在傳統(tǒng)ASM1模型中并未得到充分考慮?；谏鲜霾町悾瑯?gòu)建ASM1-DM模型的主要思路是在ASM1模型的基礎(chǔ)上，引入與動(dòng)態(tài)膜相關(guān)的過(guò)程和參數(shù)，以更準(zhǔn)確地描述外置式平板動(dòng)態(tài)膜系統(tǒng)的運(yùn)行特性。具體而言，需要考慮動(dòng)態(tài)膜的形成過(guò)程、膜過(guò)濾對(duì)污染物的截留作用、膜污染的影響因素以及膜清洗對(duì)系統(tǒng)的影響等。在動(dòng)態(tài)膜形成過(guò)程方面，需要研究微生物在膜表面的附著、生長(zhǎng)和聚集機(jī)制，以及動(dòng)態(tài)膜結(jié)構(gòu)和性質(zhì)的變化規(guī)律，將這些過(guò)程納入模型中，以準(zhǔn)確描述動(dòng)態(tài)膜的形成和發(fā)展過(guò)程。對(duì)于膜過(guò)濾對(duì)污染物的截留作用，需要考慮不同污染物在膜表面的截留效率和截留機(jī)制，以及截留污染物對(duì)系統(tǒng)物質(zhì)平衡和微生物代謝的影響。膜污染是影響動(dòng)態(tài)膜運(yùn)行效能的關(guān)鍵因素之一，因此需要在模型中考慮膜污染的形成機(jī)制、影響因素以及膜污染對(duì)膜通量和過(guò)濾阻力的影響。通過(guò)建立膜污染模型，結(jié)合系統(tǒng)的物質(zhì)平衡和微生物代謝模型，可以更全面地描述膜污染對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的影響。此外，膜清洗是維持動(dòng)態(tài)膜運(yùn)行效能的重要措施，需要在模型中考慮膜清洗的方式、頻率和效果，以及膜清洗對(duì)系統(tǒng)微生物群落和物質(zhì)平衡的影響。在構(gòu)建ASM1-DM模型時(shí)，還需要考慮系統(tǒng)中微生物群落的變化。由于動(dòng)態(tài)膜的存在，生物反應(yīng)池中微生物的生長(zhǎng)環(huán)境和代謝活動(dòng)發(fā)生了改變，導(dǎo)致微生物群落結(jié)構(gòu)和功能發(fā)生變化。例如，動(dòng)態(tài)膜表面附著的微生物可能具有不同的代謝特性和生態(tài)位，與懸浮態(tài)微生物之間存在相互作用和競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系。因此，需要在模型中考慮微生物群落的多樣性和動(dòng)態(tài)變化，通過(guò)引入微生物種群動(dòng)力學(xué)方程和生態(tài)位理論，描述不同微生物種群在系統(tǒng)中的生長(zhǎng)、競(jìng)爭(zhēng)和協(xié)同作用。這樣可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)微生物群落結(jié)構(gòu)和功能的變化，以及其對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行效能的影響。通過(guò)在ASM1模型基礎(chǔ)上引入上述與動(dòng)態(tài)膜相關(guān)的過(guò)程和參數(shù)，構(gòu)建的ASM1-DM模型能夠更全面、準(zhǔn)確地描述外置式平板動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行特性和作用機(jī)制，為深入研究該工藝的運(yùn)行效能提供有力的工具。三、ASM1-DM模型構(gòu)建3.2ASM1-DM模型結(jié)構(gòu)3.2.1基本結(jié)構(gòu)ASM1-DM模型在傳統(tǒng)ASM1模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了擴(kuò)展，以適應(yīng)外置式平板動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行特點(diǎn)。該模型主要由生物反應(yīng)池模塊、動(dòng)態(tài)膜模塊和膜污染模塊組成，各模塊之間相互關(guān)聯(lián)，共同描述了外置式平板動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行過(guò)程。生物反應(yīng)池模塊是模型的核心部分，它基于ASM1模型，描述了活性污泥系統(tǒng)中微生物的代謝過(guò)程、物質(zhì)轉(zhuǎn)化和傳遞過(guò)程。在生物反應(yīng)池中，異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌利用污水中的有機(jī)物和氨氮等底物進(jìn)行生長(zhǎng)和代謝。異養(yǎng)菌在好氧和缺氧條件下，通過(guò)攝取易生物降解有機(jī)物（S_{S}）和慢速生物降解有機(jī)物（X_{S}）進(jìn)行生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)過(guò)程遵循莫諾德動(dòng)力學(xué)方程。在好氧條件下，異養(yǎng)菌將有機(jī)物氧化分解為二氧化碳和水，同時(shí)合成自身細(xì)胞物質(zhì)；在缺氧條件下，異養(yǎng)菌以硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行反硝化作用，將硝酸鹽還原為氮?dú)?。自養(yǎng)菌則主要進(jìn)行硝化作用，在好氧條件下將氨氮（S_{NH}）氧化為亞硝酸鹽（S_{NO2}）和硝酸鹽（S_{NO3}），其生長(zhǎng)過(guò)程同樣遵循莫諾德動(dòng)力學(xué)方程。生物反應(yīng)池模塊還考慮了微生物的衰減、內(nèi)源呼吸等過(guò)程，以及溶解氧（S_{O}）、堿度等環(huán)境因素對(duì)微生物代謝的影響。動(dòng)態(tài)膜模塊主要描述了動(dòng)態(tài)膜的形成、過(guò)濾和污染物截留過(guò)程。在動(dòng)態(tài)膜形成初期，污泥中的微生物、膠體、懸浮物等物質(zhì)在膜表面逐漸沉積并相互交織，形成一層具有過(guò)濾功能的生物動(dòng)態(tài)膜。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，動(dòng)態(tài)膜的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)不斷變化，其過(guò)濾性能也會(huì)發(fā)生改變。動(dòng)態(tài)膜的過(guò)濾過(guò)程采用達(dá)西定律進(jìn)行描述，即膜通量（J）與膜兩側(cè)的壓力差（\DeltaP）成正比，與膜阻力（R）成反比，公式為J=\DeltaP/R。在過(guò)濾過(guò)程中，動(dòng)態(tài)膜對(duì)污水中的污染物具有截留作用，不同污染物的截留效率不同。例如，對(duì)于懸浮固體（X_{SS}），動(dòng)態(tài)膜的截留效率較高，幾乎可以達(dá)到100%；對(duì)于溶解性有機(jī)物（S_{S}）和氨氮（S_{NH}）等，動(dòng)態(tài)膜也能截留一部分，截留效率與膜的結(jié)構(gòu)、污染物的性質(zhì)和濃度等因素有關(guān)。通過(guò)動(dòng)態(tài)膜的過(guò)濾和污染物截留作用，實(shí)現(xiàn)了泥水分離，使得處理后的清水透過(guò)膜流出，而污泥和未被截留的污染物則被截留在膜表面或回流至生物反應(yīng)池。膜污染模塊用于描述膜污染的形成和發(fā)展過(guò)程，以及膜污染對(duì)膜通量和系統(tǒng)運(yùn)行效能的影響。膜污染是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，涉及微生物代謝產(chǎn)物、膠體物質(zhì)、懸浮物等在膜表面的吸附、沉積和堵塞等作用。在膜污染模塊中，考慮了污泥中的胞外聚合物（EPS）、溶解性微生物產(chǎn)物（SMP）等對(duì)膜污染的影響。EPS和SMP具有粘性和吸附性，容易在膜表面形成凝膠層，增加膜阻力，導(dǎo)致膜通量下降。膜污染還與運(yùn)行參數(shù)（如錯(cuò)流速度、過(guò)濾壓差等）和水質(zhì)條件（如污水中的污染物濃度、pH值等）密切相關(guān)。較高的錯(cuò)流速度可以減少污泥在膜表面的沉積，降低膜污染的程度；而過(guò)濾壓差過(guò)大則會(huì)加速膜污染的發(fā)展。通過(guò)建立膜污染模型，可以預(yù)測(cè)膜污染的發(fā)展趨勢(shì)，為膜清洗和維護(hù)提供依據(jù)。這三個(gè)模塊相互作用，共同構(gòu)成了ASM1-DM模型的基本結(jié)構(gòu)。生物反應(yīng)池模塊為動(dòng)態(tài)膜的形成和運(yùn)行提供了污泥和底物來(lái)源，動(dòng)態(tài)膜模塊實(shí)現(xiàn)了泥水分離和污染物截留，膜污染模塊則影響著動(dòng)態(tài)膜的運(yùn)行效能和使用壽命。通過(guò)對(duì)這三個(gè)模塊的綜合模擬，可以全面了解外置式平板動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行特性，為工藝優(yōu)化和運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。3.2.2反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程在ASM1-DM模型中，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程用于描述微生物代謝、物質(zhì)轉(zhuǎn)化等過(guò)程的速率。這些方程基于微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué)原理，能夠準(zhǔn)確地反映系統(tǒng)中各種生物化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行情況。異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程是模型的重要組成部分。異養(yǎng)菌在好氧和缺氧條件下利用底物進(jìn)行生長(zhǎng)，其生長(zhǎng)速率遵循莫諾德動(dòng)力學(xué)方程。在好氧條件下，異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)速率（\mu_{H,aerobic}）可表示為：\mu_{H,aerobic}=\mu_{H,max}\frac{S_{S}}{K_{S}+S_{S}}\frac{S_{O}}{K_{O}+S_{O}}其中，\mu_{H,max}為異養(yǎng)菌的最大比生長(zhǎng)速率，S_{S}為易生物降解有機(jī)物的濃度，K_{S}為易生物降解有機(jī)物的半飽和系數(shù)，S_{O}為溶解氧的濃度，K_{O}為溶解氧的飽和常數(shù)。該方程表明，異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)速率受到底物濃度和溶解氧濃度的雙重影響。當(dāng)?shù)孜餄舛群腿芙庋鯘舛容^高時(shí)，異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)速率較快；當(dāng)?shù)孜餄舛然蛉芙庋鯘舛容^低時(shí)，異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)速率會(huì)受到限制。在缺氧條件下，異養(yǎng)菌以硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行反硝化作用，其生長(zhǎng)速率（\mu_{H,anoxic}）可表示為：\mu_{H,anoxic}=\mu_{H,max}\frac{S_{S}}{K_{S}+S_{S}}\frac{S_{NO3}}{K_{NO3}+S_{NO3}}其中，S_{NO3}為硝酸鹽的濃度，K_{NO3}為硝酸鹽的半飽和系數(shù)。此方程體現(xiàn)了異養(yǎng)菌在缺氧條件下利用硝酸鹽進(jìn)行生長(zhǎng)的動(dòng)力學(xué)特性，其生長(zhǎng)速率同樣受到底物濃度和硝酸鹽濃度的影響。自養(yǎng)菌的生長(zhǎng)主要進(jìn)行硝化作用，將氨氮氧化為亞硝酸鹽和硝酸鹽。自養(yǎng)菌的生長(zhǎng)速率（\mu_{A}）可表示為：\mu_{A}=\mu_{A,max}\frac{S_{NH}}{K_{NH}+S_{NH}}\frac{S_{O}}{K_{O}+S_{O}}其中，\mu_{A,max}為自養(yǎng)菌的最大比生長(zhǎng)速率，S_{NH}為氨氮的濃度，K_{NH}為氨氮的半飽和系數(shù)。該方程表明自養(yǎng)菌的生長(zhǎng)速率與氨氮濃度和溶解氧濃度密切相關(guān)，在適宜的氨氮和溶解氧濃度條件下，自養(yǎng)菌能夠快速生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氮的有效去除。除了微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)方程外，模型中還包括底物利用方程和產(chǎn)物生成方程。底物利用方程描述了微生物對(duì)底物的攝取和利用速率，例如異養(yǎng)菌對(duì)易生物降解有機(jī)物的利用速率（r_{S}）可表示為：r_{S}=\frac{\mu_{H,aerobic}X_{H}}{Y_{H}}其中，X_{H}為異養(yǎng)菌的生物量，Y_{H}為異養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù)。該方程表示異養(yǎng)菌對(duì)易生物降解有機(jī)物的利用速率與異養(yǎng)菌的生長(zhǎng)速率和生物量成正比。產(chǎn)物生成方程描述了微生物代謝過(guò)程中產(chǎn)物的生成速率，例如在硝化過(guò)程中，亞硝酸鹽的生成速率（r_{NO2}）和硝酸鹽的生成速率（r_{NO3}）可分別表示為：r_{NO2}=\frac{\mu_{A}X_{A}}{Y_{A}}r_{NO3}=\frac{\mu_{A}X_{A}}{Y_{A}}其中，X_{A}為自養(yǎng)菌的生物量，Y_{A}為自養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù)。這兩個(gè)方程表明亞硝酸鹽和硝酸鹽的生成速率與自養(yǎng)菌的生長(zhǎng)速率和生物量成正比。這些反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程相互關(guān)聯(lián)，共同構(gòu)成了ASM1-DM模型的動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，能夠準(zhǔn)確地描述微生物代謝和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程，為模型的模擬和分析提供了重要的依據(jù)。通過(guò)這些方程，可以計(jì)算出不同運(yùn)行條件下微生物的生長(zhǎng)速率、底物利用速率和產(chǎn)物生成速率，進(jìn)而預(yù)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)行效能和出水水質(zhì)。3.2.3流量及物料平衡方程流量及物料平衡方程是ASM1-DM模型的重要組成部分，用于計(jì)算物質(zhì)在系統(tǒng)中的流動(dòng)和平衡，確保模型能夠準(zhǔn)確地反映外置式平板動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器的實(shí)際運(yùn)行情況。在生物反應(yīng)池中，物料平衡方程基于質(zhì)量守恒定律，考慮了進(jìn)水、出水、污泥回流以及生物反應(yīng)過(guò)程中物質(zhì)的變化。對(duì)于溶解性物質(zhì)，如易生物降解有機(jī)物（S_{S}），其物料平衡方程可表示為：V\frac{dS_{S}}{dt}=Q_{in}S_{S,in}-Q_{out}S_{S}-r_{S}V其中，V為生物反應(yīng)池的體積，t為時(shí)間，Q_{in}為進(jìn)水流量，S_{S,in}為進(jìn)水易生物降解有機(jī)物的濃度，Q_{out}為出水流量，S_{S}為生物反應(yīng)池中易生物降解有機(jī)物的濃度，r_{S}為異養(yǎng)菌對(duì)易生物降解有機(jī)物的利用速率。該方程表明，生物反應(yīng)池中易生物降解有機(jī)物的濃度變化取決于進(jìn)水帶入的量、出水帶出的量以及微生物利用的量。對(duì)于懸浮固體，如活性污泥（X_{VSS}），其物料平衡方程為：V\frac{dX_{VSS}}{dt}=Q_{in}X_{VSS,in}-Q_{out}X_{VSS}+r_{X}V-Q_{w}X_{VSS,w}其中，X_{VSS,in}為進(jìn)水活性污泥的濃度，X_{VSS}為生物反應(yīng)池中活性污泥的濃度，r_{X}為活性污泥的凈增長(zhǎng)速率，Q_{w}為剩余污泥排放流量，X_{VSS,w}為剩余污泥中活性污泥的濃度。此方程考慮了進(jìn)水、出水、活性污泥的增長(zhǎng)以及剩余污泥排放對(duì)生物反應(yīng)池中活性污泥濃度的影響。在動(dòng)態(tài)膜模塊中，流量及物料平衡方程主要涉及泥水混合液在膜組件中的流動(dòng)和分離過(guò)程。進(jìn)入膜組件的泥水混合液流量為Q_{m}，透過(guò)膜的清水流量為Q_{p}，未透過(guò)膜的回流污泥流量為Q_{r}，則有Q_{m}=Q_{p}+Q_{r}。在膜過(guò)濾過(guò)程中，根據(jù)物料平衡原理，進(jìn)入膜組件的污染物量等于透過(guò)膜的污染物量與被膜截留的污染物量之和。對(duì)于懸浮固體（X_{SS}），其在膜組件中的物料平衡方程可表示為：Q_{m}X_{SS,m}=Q_{p}X_{SS,p}+Q_{r}X_{SS,r}其中，X_{SS,m}為進(jìn)入膜組件的懸浮固體濃度，X_{SS,p}為透過(guò)膜的懸浮固體濃度，X_{SS,r}為回流污泥中的懸浮固體濃度。由于動(dòng)態(tài)膜對(duì)懸浮固體具有較高的截留效率，通常X_{SS,p}遠(yuǎn)小于X_{SS,m}和X_{SS,r}。膜污染模塊中，膜阻力的變化也可以通過(guò)物料平衡方程進(jìn)行描述。膜阻力（R）的增加與膜表面污染物的沉積量有關(guān)，假設(shè)膜表面污染物的沉積速率為r_{f}，則膜阻力的變化率可表示為：\frac{dR}{dt}=r_{f}膜阻力的增加會(huì)導(dǎo)致膜通量下降，進(jìn)而影響系統(tǒng)的處理能力。通過(guò)建立膜阻力與膜通量之間的關(guān)系，如根據(jù)達(dá)西定律J=\DeltaP/R，可以將膜阻力的變化與系統(tǒng)的運(yùn)行性能聯(lián)系起來(lái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)膜污染過(guò)程的定量描述和分析。這些流量及物料平衡方程相互配合，能夠全面地描述物質(zhì)在系統(tǒng)中的流動(dòng)和轉(zhuǎn)化過(guò)程，為ASM1-DM模型的模擬和分析提供了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。通過(guò)求解這些方程，可以得到系統(tǒng)中各種物質(zhì)的濃度變化、流量分配以及膜污染的發(fā)展情況，從而深入了解外置式平板動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器的運(yùn)行規(guī)律，為工藝優(yōu)化和運(yùn)行管理提供科學(xué)依據(jù)。3.3模型的求解與驗(yàn)證3.3.1求解方法為了求解ASM1-DM模型中的方程組，本研究采用了數(shù)值求解的方法。具體而言，選用了有限差分法中的向后差分公式來(lái)處理微分方程。有限差分法是一種將連續(xù)的微分方程離散化，通過(guò)求解離散后的代數(shù)方程組來(lái)獲得數(shù)值解的方法。在本模型中，將時(shí)間和空間進(jìn)行離散化處理，把連續(xù)的反應(yīng)過(guò)程劃分為一系列的時(shí)間步長(zhǎng)和空間節(jié)點(diǎn)。對(duì)于生物反應(yīng)池模塊中的微分方程，如描述底物濃度和微生物濃度隨時(shí)間變化的方程，在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的濃度值和反應(yīng)速率，利用向后差分公式計(jì)算下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的濃度值。假設(shè)在時(shí)間步長(zhǎng)\Deltat內(nèi)，底物濃度S的變化率為\frac{dS}{dt}，則下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的底物濃度S_{t+\Deltat}可通過(guò)公式S_{t+\Deltat}=S_{t}+\frac{dS}{dt}\vert_{t+\Deltat}\Deltat計(jì)算得到，其中\(zhòng)frac{dS}{dt}\vert_{t+\Deltat}是根據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程在t+\Deltat時(shí)刻計(jì)算得到的底物濃度變化率。通過(guò)這種方式，逐步推進(jìn)計(jì)算，得到不同時(shí)間點(diǎn)的底物濃度和微生物濃度等參數(shù)的數(shù)值解。在計(jì)算過(guò)程中，利用Python語(yǔ)言編寫(xiě)程序?qū)崿F(xiàn)模型的求解。Python語(yǔ)言具有豐富的科學(xué)計(jì)算庫(kù)，如NumPy、SciPy等，這些庫(kù)提供了高效的數(shù)值計(jì)算和矩陣運(yùn)算功能，能夠方便地實(shí)現(xiàn)有限差分法的算法。通過(guò)調(diào)用NumPy庫(kù)中的數(shù)組操作函數(shù)，對(duì)模型中的變量進(jìn)行存儲(chǔ)和計(jì)算；利用SciPy庫(kù)中的優(yōu)化算法和數(shù)值積分函數(shù)，求解模型中的代數(shù)方程組和積分項(xiàng)。在求解過(guò)程中，還需要合理設(shè)置時(shí)間步長(zhǎng)和空間節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。時(shí)間步長(zhǎng)的選擇要綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算效率，較小的時(shí)間步長(zhǎng)可以提高計(jì)算精度，但會(huì)增加計(jì)算量和計(jì)算時(shí)間；較大的時(shí)間步長(zhǎng)雖然計(jì)算效率高，但可能會(huì)導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果的誤差增大。通過(guò)多次試驗(yàn)和對(duì)比分析，確定了合適的時(shí)間步長(zhǎng)為0.01h，以保證計(jì)算精度和計(jì)算效率的平衡。空間節(jié)點(diǎn)的數(shù)量則根據(jù)生物反應(yīng)池和動(dòng)態(tài)膜組件的實(shí)際尺寸和結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，確保能夠準(zhǔn)確描述系統(tǒng)中物質(zhì)的分布和變化情況。通過(guò)Python程序的運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了對(duì)ASM1-DM模型的數(shù)值求解，得到了系統(tǒng)中各狀態(tài)變量隨時(shí)間的變化情況，為后續(xù)的模型分析和驗(yàn)證提供了數(shù)據(jù)支持。3.3.2驗(yàn)證方法與過(guò)程為了驗(yàn)證ASM1-DM模型的準(zhǔn)確性和可靠性，將模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)的對(duì)比分析。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源于前面所述的外置式平板動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，對(duì)進(jìn)出水的COD、NH_3-N、TN、TP等水質(zhì)參數(shù)，以及膜通量、膜阻力等膜性能參數(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和記錄。首先，對(duì)比模型模擬的出水COD濃度與實(shí)驗(yàn)測(cè)定的出水COD濃度。在不同的運(yùn)行時(shí)間點(diǎn)，分別從實(shí)驗(yàn)裝置中采集出水水樣，測(cè)定其COD濃度，并將其與模型模擬得到的出水COD濃度進(jìn)行對(duì)比。以運(yùn)行時(shí)間為橫坐標(biāo)，出水COD濃度為縱坐標(biāo)，繪制實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和模擬結(jié)果的對(duì)比曲線。從對(duì)比曲線可以看出，在整個(gè)運(yùn)行過(guò)程中，模型模擬的出水COD濃度與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值基本吻合，兩者的變化趨勢(shì)一致。在實(shí)驗(yàn)初期，由于微生物對(duì)新環(huán)境的適應(yīng)需要一定時(shí)間，出水COD濃度較高，模型模擬結(jié)果也能準(zhǔn)確反映這一變化。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，微生物逐漸適應(yīng)環(huán)境，對(duì)有機(jī)物的降解能力增強(qiáng)，出水COD濃度逐漸降低，模型模擬結(jié)果也能較好地跟蹤這一變化過(guò)程。在運(yùn)行后期，出水COD濃度趨于穩(wěn)定，模型模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值的誤差在可接受范圍內(nèi)，表明模型能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)出水COD濃度的變化。接著，對(duì)NH_3-N濃度的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。同樣地，繪制NH_3-N濃度隨運(yùn)行時(shí)間的變化曲線，對(duì)比模型模擬值和實(shí)驗(yàn)測(cè)定值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，模型能夠較好地模擬NH_3-N的去除過(guò)程。在硝化反應(yīng)的作用下，NH_3-N逐漸被氧化為硝酸鹽，模型模擬的NH_3-N濃度下降趨勢(shì)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)相符。在不同的溶解氧濃度和水力停留時(shí)間條件下，模型也能準(zhǔn)確預(yù)測(cè)NH_3-N濃度的變化，驗(yàn)證了模型對(duì)NH_3-N去除過(guò)程的模擬能力。對(duì)于TN和TP的去除情況，也進(jìn)行了類似的對(duì)比分析。模型模擬的TN去除率和TP去除率與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值在一定程度上具有一致性。雖然在某些時(shí)間點(diǎn)上存在一定的誤差，但總體趨勢(shì)是相符的。這可能是由于實(shí)際系統(tǒng)中存在一些復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程，難以完全被模型所描述。但通過(guò)對(duì)模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)模型能夠捕捉到TN和TP去除的主要趨勢(shì)，為實(shí)際工程的運(yùn)行管理提供了有價(jià)值的參考。在膜性能參數(shù)方面，對(duì)比了模型模擬的膜通量和膜阻力與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值。膜通量是衡量膜過(guò)濾性能的重要指標(biāo)，膜阻力則反映了膜污染的程度。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)流量計(jì)和壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)膜通量和膜阻力的變化，并將其與模型模擬結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。結(jié)果顯示，模型能夠較好地模擬膜通量隨運(yùn)行時(shí)間的下降趨勢(shì)，以及膜阻力隨運(yùn)行時(shí)間的增加趨勢(shì)。在膜污染初期，膜通量下降和膜阻力增加的速度較慢，模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。隨著膜污染的加劇，膜通量下降和膜阻力增加的速度加快，模型也能在一定程度上反映這一變化。雖然在膜污染較為嚴(yán)重的情況下，模型模擬值與實(shí)驗(yàn)測(cè)定值存在一定偏差，但總體上模型能夠?yàn)槟ば阅艿念A(yù)測(cè)和膜污染的控制提供有效的支持。通過(guò)對(duì)出水水質(zhì)參數(shù)和膜性能參數(shù)的模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的全面對(duì)比分析，驗(yàn)證了ASM1-DM模型在描述外置式平板動(dòng)態(tài)膜運(yùn)行效能方面具有較高的準(zhǔn)確性和可靠性。雖然模型在某些方面還存在一定的誤差，但總體上能夠滿足工程應(yīng)用的需求，為外置式平板動(dòng)態(tài)膜生物反應(yīng)器的工藝設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理和優(yōu)化提供了有力的工具。在后續(xù)的研究中，將進(jìn)一步改進(jìn)和完善模型，提高其模擬精度，以更好地服務(wù)于實(shí)際工程。四、模型修正與應(yīng)用4.1模擬步驟利用構(gòu)建的ASM1-DM模型進(jìn)行模擬分析時(shí)，需遵循一套嚴(yán)謹(jǐn)?shù)牟僮髁鞒毯筒襟E。首先，對(duì)進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行詳細(xì)的分析測(cè)定。采集實(shí)際污水水樣，運(yùn)用化學(xué)分析方法和儀器檢測(cè)手段，精確測(cè)定進(jìn)水水樣中易生物降解有機(jī)物（S_{S}）、慢速生物降解有機(jī)物（X_{S}）、氨氮（S_{NH}）、硝酸鹽（S_{NO3}）、亞硝酸鹽（S_{NO2}）等關(guān)鍵污染物的濃度。這些數(shù)據(jù)是模型模擬的基礎(chǔ)輸入信息，其準(zhǔn)確性直接影響模擬結(jié)果的可靠性。例如，通過(guò)重鉻酸鉀法測(cè)定進(jìn)水的化學(xué)需氧量（COD），并根據(jù)COD的組成和性質(zhì)，進(jìn)一步分析確定其中易生物降解有機(jī)物和慢速生物降解有機(jī)物的含量；采用納氏試劑分光光度法測(cè)定氨氮濃度，確保測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。將測(cè)定得到的進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)以及模型參數(shù)輸入到模型中。模型參數(shù)包括前面通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究確定的微生物生長(zhǎng)速率、衰減系數(shù)、底物半飽和系數(shù)等關(guān)鍵參數(shù)。在輸入?yún)?shù)時(shí)，要確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和完整性，避免因參數(shù)輸入錯(cuò)誤導(dǎo)致模擬結(jié)果出現(xiàn)偏差。利用Python編寫(xiě)的程序，按照模型的結(jié)構(gòu)和算法，對(duì)輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和計(jì)算。在計(jì)算過(guò)程中，根據(jù)有限差分法的原理，將時(shí)間和空間進(jìn)行離散化處理，逐步求解模型中的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程和物料平衡方程。在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，根據(jù)當(dāng)前時(shí)刻的物質(zhì)濃度和反應(yīng)速率，計(jì)算下一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)的物質(zhì)濃度變化。例如，對(duì)于生物反應(yīng)池中易生物降解有機(jī)物濃度的計(jì)算，根據(jù)物料平衡方程V\frac{dS_{S}}{dt}=Q_{in}S_{S,in}-Q_{out}S_{S}-r_{S}V，結(jié)合當(dāng)前時(shí)間步長(zhǎng)的進(jìn)水流量Q_{in}、進(jìn)水易生物降解有機(jī)物濃度S_{S,