下水道污水水質轉化機理研究與數(shù)值模擬.pdf

1、隨著我國城市污水產(chǎn)生量的迅速增長和污水處理能力相對滯后的矛盾的日益彰顯，加上沿海城市對海水的大規(guī)模直接利用將導致下水道腐蝕和管網(wǎng)維護成本不斷增高，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，即下水道污水的水質轉化十分必要。通過對下水道水質轉化研究的應用，既可以對城市污水進行初步處理以減輕城市污水處理廠的負擔、節(jié)約污水處理成本，又可以控制下水道硫化氫以延長市政管網(wǎng)的使用壽命、保護管網(wǎng)維護人員的生命安全，一舉數(shù)得。然而，下水道中

2、的水質轉化過程非常復雜，僅僅依靠實驗手段不足以全面透徹地了解整個過程，數(shù)學模型的介入已成趨勢。但是，現(xiàn)有的下水道水質轉化數(shù)學模型過于簡單，因為它們既忽略了生物膜在下水道水質轉化過程中所起的關鍵作用，也不考慮因為海水利用導致污水的鹽度和硫酸鹽濃度大幅提高對水質轉化過程的影響，不可能準確地模擬上述下水道研究的核心技術。 為此，本論文分別從污水相和生物膜相中的污染物轉化研究入手，通過大量的理論分析和實驗研究確定污水水體和生物膜中的水質

3、轉化機理，據(jù)此分別開發(fā)適用于高鹽度生活污水的下水道污水相水質轉化模型和生物膜模型。通過在實體下水道和實驗室開展的實驗確定大量參數(shù)的取值之后，對這兩個模型進行分別驗證，然后在此基礎上將這兩個模型耦合連接成完整的下水道水質轉化數(shù)學模型，并通過在實體高鹽度和高硫酸鹽濃度的下水道中進行的現(xiàn)場監(jiān)測和取樣分析實驗得到的數(shù)據(jù)進行驗證。最后，為檢驗新模型性能，本論文還應用此模型對硫化氫控制和利用下水道處理城市污水技術的兩個案例進行了數(shù)值模擬研究，分別是

4、：一、硝酸鹽投放對香港東涌壓力式排污干管中的硫化氫控制效果評估；二、尿液分離處理技術對下水道水質轉化的影響研究。 論文的主要研究成果歸納如下： (1)建立了新的一維動態(tài)下水道污水相水質轉化數(shù)學模型。該模型整合了水力模式、遷移與分散模式、復氧模式和微生物反應模式，并首次考慮了鹽度對污水水質轉化的影響。其中，考慮鹽度影響的微生物反應模型是在理論和實驗分析的基礎上建立的。經(jīng)驗證，該微生物反應模型可以較為準確地模擬高鹽度生活污水

5、中的微生物反應對水質的影響。 (2)提出了結合批量實驗和模型率定，采用遺傳算法來確定復雜的微生物反應模型中大量微生物反應動力與化學計量參數(shù)的新方法。運用本方法，可以較為方便、快捷地確定大量微生物反應表征參數(shù)，有助于下水道水質轉化數(shù)學模型的推廣應用。 (3)開發(fā)了第一個動態(tài)、可模擬生物膜厚度和密度動態(tài)變化、可反映微生物競爭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、擴散和生物膜中的各種生物化學反應過程。

6、 (4)首次實現(xiàn)從生物膜厚度、密度、DO、NH<,4>-N、NO<,x>-N和H<,2>S在生物膜內部的濃度剖面和SRB分布剖面等多方面對生物膜模型進行全面、直接的驗證。驗證結果表明模擬結果與實測結果較為吻合。 (5)耦合污水相水質轉化模型和生物膜模型，建立了新的、更全面的二維動態(tài)下水道水質轉化數(shù)學模型，并通過實際下水道中的現(xiàn)場監(jiān)測實驗和取樣分析實驗驗證了該模型。驗證結果表明，該模型能較好地反映下水道污水的水質轉化。