复合膜生物反应器的流动效应和传质机理

本项目的研究从厌氧氨氧化工艺入手，设计了厌氧氨氧化和部分硝化一体化的复合生物膜反应器，以这种复合膜生物反应器为依托，分析生物膜的三维多孔立体结构，研究废水脱氮生物反应器内复合生物膜体系的流动效应、传质机理和生物降解特性。重点引入渗流力学的概念和动力弥散传质理论，结合基质渗流穿膜传递过程和修正的双营养底物的Monod生物动力学模型的耦合模型，进行深入的理论分析，建立新的复合生物膜传递过程模型，并进行数值求解。同时，结合实验室规模反应器的实验数据，从理论和实验两个方面对反应器的性能参数进行全面评价，以便更好地理解复合生物膜反应器内部发生的真实情况，为厌氧氨氧化废水脱氮处理工艺提供理论依据和设计指导。本项目的研究对于其它工艺过程中涉及生物膜及其依附生长的多孔介质内部的渗流行为、传质机理、生物增长和生物反应耦合问题的研究，也具有重要的理论意义和应用价值。

复合生物膜反应器是废水同时脱除碳、氮处理工艺过程中的核心设备，研究物质在复合生物膜内的渗流、输运、传质、生物反应过程及其过程参数间的耦合特性是废水复合处理工艺的基础问题，对复合生物膜反应器、生物修复技术和生物屏障阻断技术等均具有重要的理论价值。本项目从厌氧氨氧化工艺入手，设计了厌氧氨氧化和部分硝化一体化的复合生物膜反应器，以这种复合膜生物反应器为依托，分析生物膜的三维多孔立体结构，研究了废水脱氮生物反应器内复合生物膜体系的流动效应、传质机理和生物降解特性。引入渗流力学的概念和动力弥散传质理论，结合基质渗流穿膜传递过程和修正的双营养底物的Monod生物动力学模型的耦合模型，进行了深入的理论分析，建立了复合生物膜传递过程模型，并进行数值求解。同时，结合实验室规模反应器的实验数据，从理论和实验两个方面对反应器的性能参数进行了全面评价，分析了复合生物膜反应器内部发生的真实情况，为厌氧氨氧化废水脱氮处理工艺提供理论依据和设计指导。.建立了多套氧氨氧化复合生物膜反应器并成功启动，考察反应器的脱碳和脱氮性能。经过长时间运行，亚硝氮和总氮的去除量达到较大值，反应器具有抗冲击负荷的能力和稳定性。建立了包含扩散-对流和反应三个过程的生物膜传质模型，考察了生物膜内溶氧传质情况和微生物生长过程的规律，并研究了相关环境因素对以上两个过程的影响，获得了基于该模型的最佳模型参数，实验数据与模型计算结果吻合很好。.在生物膜传质方程中耦合了N-S方程和Brinkman渗流方程，研究了液相主体的水力条件对作为多孔介质的生物膜内渗流速度场的影响，以及液相主体的水力条件对各向异性的生物膜内传质的影响和生物膜内扩散对流传质情况，同时考察了生物膜厚度对流动边界层厚度和液相到生物膜内传质阻力的影响。