探析下水道污水水质转化机理研究与数值模拟

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1、中山大学博士学位论文下水道污水水质转化机理研究与数值模拟姓名：江峰申请学位级别：博士专业：环境工程指导教师：李适宇20070610中山大学博士学位论文下水道污水水质转化机理研究与数值模拟专业：环境工程博士学位申请人：江峰指导老师：李适宇(教授)摘要随着我国城市污水产生量的迅速增长和污水处理能力相对滞后的矛盾的日益彰显，加上沿海城市对海水的大规模直接利用将导致下水道腐蚀和管网维护成本不断增高，研究利用下水道处理城市污水和控制下水道硫化氢的核心技术，即下水道污水的水质转化十分必要．通过对下水道水质转化研究的应用，既

2、可以对城市污水进行初步处理以减轻城市污水处理厂的负担、节约污水处理成本，又可以控制下水道硫化氢以延长市政管网的使用寿命、保护管网维护人员的生命安全，一举数得。然而，下水道中的水质转化过程非常复杂，仅仅依靠实验手段不足以全面透彻地了解整个过程，数学模型的介入已成趋势。但是，现有的下水道水质转化数学模型过于简单，因为它们既忽略了生物膜在下水道水质转化过程中所起的关键作用，也不考虑因为海水帚j用导致污水的盐度和硫酸盐浓度大幅提高对水质转化过程的影响，不可能准确地模拟上述下水道研究的核心技术。为此，本论文分别从污水相和

3、生物膜相中的污染物转化研究入手，通过大量的理论分析和实验研究确定污水水体和生物膜中的水质转化机理，据此分别开发适用于高盐度生活污水的下水道污水相水质转化模型和生物膜模型。通过在实体下水道和实验室开展的实验确定大量参数的取值之后，对这两个模型进行分别验证，然后在此基础上将这两个模型耦合连接成完整的下水道水质转化数学模型，并通过在实体高盐度和高硫酸盐浓度的下水道中进行的现场监测和取样分析实验得到的数据进行验证。最后，为检验新模型性能，本论文还应用此模型对硫化氢控制和利用下水道处理城市污水技术的两个案例进行了数值模拟

4、研究，分别是：一、硝酸盐投放对香港东涌压力式排污干管中的硫化氢控制效果评估；二、尿液分离处理技术对下水道水质转化的影响研究。论文的主要研究成果归纳如下：摘要(1)建立了新的一维动态下水道污水相水质转化数学模型。该模型整合了水力模式、迁移与分散模式、复氧模式和微生物反应模式，并首次考虑了盐度对污水水质转化的影响。其中，考虑盐度影响的微生物反应模型是在理论和实验分析的基础上建立的。经验证，该微生物反应模型可以较为准确地模拟高盐度生活污水中的微生物反应对水质的影响。(2)提出了结合批量实验和模型率定，采用遗传算法来确

5、定复杂的微生物反应模型中大量微生物反应动力与化学计量参数的新方法。运用本方法，可以较为方便、快捷地确定大量微生物反应表征参数，有助于下水道水质转化数学模型的推广应用。(3)开发了第一个动态、可模拟生物膜厚度和密度动态变化、可反映微生物竞争的下水道多菌种生物膜模型。该生物膜模型全面考虑了粘附、剥落、扩散和生物膜中的各种生物化学反应过程。(4)首次实现从生物膜厚度、密度、DO、NH4．N、NOx-N和H2s在生物膜内部的浓度剖面和SRB分布剖面等多方面对生物膜模型进行全面、直接的验证。验证结果表明模拟结果与实测结果

6、较为吻合。(5)耦合污水相水质转化模型和生物膜模型，建立了新的、更全面的二维动态下水道水质转化数学模型，并通过实际下水道中的现场监测实验和取样分析实验验证了该模型。验证结果表明，该模型能较好地反映下水道污水的水质转化。(6)应用模型研究尿液分离处理技术的实施对下水道水质转化的影响的结果显示，尿液经分离硝化处理后再排放至下水道，可显著提高下水道污水的脱氮率和c0D去除率，并且可以减轻下水道中的硫化氢危害。(7)两项案例研究的结果表明，本研究建立的下水道水质转化模型是下水道污水水质转化的科学研究和工程应用的得力工具

7、。关键词：下水道，生物膜，水质模型，高盐度污水，尿液分离处理Ⅱ中山大学博士学位论文MechanismsandMathematicalModelingofSewageQualityTransformationinSewersDepartment：EnvironmentalEngineeringPh．DCandidate：JIANGFe昭Supervisor：ProLLiShiyuAbstractManystudieshaverevealedthatsewagequalitytransformationin翻钾咐d

8、oOCCUrinboththesewageandbiofilmphases．Someresearchersfurtherindicatedthatsewerbiofilmplaysamoreimportantrolethansuspendedbiomassinthetransformationprocesses．Sewerbiofilmisnotonlycapableofbiodegr