下水道污水水質(zhì)轉(zhuǎn)化機(jī)理研究與數(shù)值模擬.pdf

1、隨著我國(guó)城市污水產(chǎn)生量的迅速增長(zhǎng)和污水處理能力相對(duì)滯后的矛盾的日益彰顯，加上沿海城市對(duì)海水的大規(guī)模直接利用將導(dǎo)致下水道腐蝕和管網(wǎng)維護(hù)成本不斷增高，研究利用下水道處理城市污水和控制下水道硫化氫的核心技術(shù)，即下水道污水的水質(zhì)轉(zhuǎn)化十分必要。通過(guò)對(duì)下水道水質(zhì)轉(zhuǎn)化研究的應(yīng)用，既可以對(duì)城市污水進(jìn)行初步處理以減輕城市污水處理廠的負(fù)擔(dān)、節(jié)約污水處理成本，又可以控制下水道硫化氫以延長(zhǎng)市政管網(wǎng)的使用壽命、保護(hù)管網(wǎng)維護(hù)人員的生命安全，一舉數(shù)得。然而，下水道中

2、的水質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程非常復(fù)雜，僅僅依靠實(shí)驗(yàn)手段不足以全面透徹地了解整個(gè)過(guò)程，數(shù)學(xué)模型的介入已成趨勢(shì)。但是，現(xiàn)有的下水道水質(zhì)轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型過(guò)于簡(jiǎn)單，因?yàn)樗鼈兗群雎粤松锬ぴ谙滤浪|(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程中所起的關(guān)鍵作用，也不考慮因?yàn)楹Ｋ脤?dǎo)致污水的鹽度和硫酸鹽濃度大幅提高對(duì)水質(zhì)轉(zhuǎn)化過(guò)程的影響，不可能準(zhǔn)確地模擬上述下水道研究的核心技術(shù)。 為此，本論文分別從污水相和生物膜相中的污染物轉(zhuǎn)化研究入手，通過(guò)大量的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究確定污水水體和生物膜中的水質(zhì)

3、轉(zhuǎn)化機(jī)理，據(jù)此分別開(kāi)發(fā)適用于高鹽度生活污水的下水道污水相水質(zhì)轉(zhuǎn)化模型和生物膜模型。通過(guò)在實(shí)體下水道和實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展的實(shí)驗(yàn)確定大量參數(shù)的取值之后，對(duì)這兩個(gè)模型進(jìn)行分別驗(yàn)證，然后在此基礎(chǔ)上將這兩個(gè)模型耦合連接成完整的下水道水質(zhì)轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)在實(shí)體高鹽度和高硫酸鹽濃度的下水道中進(jìn)行的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)和取樣分析實(shí)驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。最后，為檢驗(yàn)新模型性能，本論文還應(yīng)用此模型對(duì)硫化氫控制和利用下水道處理城市污水技術(shù)的兩個(gè)案例進(jìn)行了數(shù)值模擬研究，分別是

4、：一、硝酸鹽投放對(duì)香港東涌壓力式排污干管中的硫化氫控制效果評(píng)估；二、尿液分離處理技術(shù)對(duì)下水道水質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響研究。 論文的主要研究成果歸納如下： (1)建立了新的一維動(dòng)態(tài)下水道污水相水質(zhì)轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型。該模型整合了水力模式、遷移與分散模式、復(fù)氧模式和微生物反應(yīng)模式，并首次考慮了鹽度對(duì)污水水質(zhì)轉(zhuǎn)化的影響。其中，考慮鹽度影響的微生物反應(yīng)模型是在理論和實(shí)驗(yàn)分析的基礎(chǔ)上建立的。經(jīng)驗(yàn)證，該微生物反應(yīng)模型可以較為準(zhǔn)確地模擬高鹽度生活污水

5、中的微生物反應(yīng)對(duì)水質(zhì)的影響。 (2)提出了結(jié)合批量實(shí)驗(yàn)和模型率定，采用遺傳算法來(lái)確定復(fù)雜的微生物反應(yīng)模型中大量微生物反應(yīng)動(dòng)力與化學(xué)計(jì)量參數(shù)的新方法。運(yùn)用本方法，可以較為方便、快捷地確定大量微生物反應(yīng)表征參數(shù)，有助于下水道水質(zhì)轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型的推廣應(yīng)用。 (3)開(kāi)發(fā)了第一個(gè)動(dòng)態(tài)、可模擬生物膜厚度和密度動(dòng)態(tài)變化、可反映微生物競(jìng)爭(zhēng)的下水道多菌種生物膜模型。該生物膜模型全面考慮了粘附、剝落、擴(kuò)散和生物膜中的各種生物化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

6、 (4)首次實(shí)現(xiàn)從生物膜厚度、密度、DO、NH<,4>-N、NO<,x>-N和H<,2>S在生物膜內(nèi)部的濃度剖面和SRB分布剖面等多方面對(duì)生物膜模型進(jìn)行全面、直接的驗(yàn)證。驗(yàn)證結(jié)果表明模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果較為吻合。 (5)耦合污水相水質(zhì)轉(zhuǎn)化模型和生物膜模型，建立了新的、更全面的二維動(dòng)態(tài)下水道水質(zhì)轉(zhuǎn)化數(shù)學(xué)模型，并通過(guò)實(shí)際下水道中的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)和取樣分析實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型。驗(yàn)證結(jié)果表明，該模型能較好地反映下水道污水的水質(zhì)轉(zhuǎn)化。