焦点提醒：王志伟传授团队：膜曝气生物膜反映器数学模子的研究进展 乔怡雯1 任乐辉1 王志伟1,2∗ （1. 同济年夜学 情况科学与项目学院,上海 200092; 2. 同济年夜学 进步前辈膜手艺研究中间,上海 200092） 膜曝气生物膜反映器数学模子的研究进展 乔怡雯1 任乐辉1 王志伟1,2∗ （1. 同济年夜学 情况科学与项目学院,上海 200092; 2. 同济年夜学 进步前辈膜手艺研究中间,上海 200092） 援用格局：乔怡雯,任乐辉,王志伟.膜曝气生物膜反映器数学模子的研究进展[J].情况项目,2023,41(3):243-254. 研究布景 污水处置与资本化是应对水资本危机的有用策略，开辟高效可推行的污水处置手艺对节制水体污染、保障水情况生态平安、减缓淡水资本欠缺具有十分主要的意义。膜曝气生物膜反映器（membrane-aerated biofilm reactor，MABR）是一种新型生物膜污水处置手艺。因为其采取无泡曝气的体例，具有氧传质效力高、无二次挥发性污染等长处；另外，O2和底物的异向传质建立起的微生物分层布局使得MABR在同步脱氮除碳方面揭示出较着的劣势。最近几年来，MABR在城镇污水处置、工业废水处置和河流修复等范畴获得普遍研究。但是，现有的MABR工艺设想常采取经验方式或经由过程尝试优选，且多局限在特定的反映系统，难以供给普适性参考，限制了MABR在现实污水处置中的推行与利用。 得益在计较机手艺和现代份子生物手艺的快速成长，研究人员最先操纵数学模子方式揭露MABR系统中污染物去除的内涵机理，以辅助优化系统的工艺设想和运转参数。近10年，MABR数学模子成长敏捷。研究人员按照已知的前提，基在特定的假定建立了多种分歧的MABR数学模子，为MABR项目设想、运转摹拟等现实利用供给了数据参考。但是，鲜有文献周全地归纳MABR数学模子和其研究进展。故本文对国表里现有的MABR数学模子进行综述，梳理了传质进程和反映进程的几种代表性数学模子，阐发了MABR数学模子中所触及的首要参数和进程，并对将来MABR数学模子的成长标的目的进行瞻望。 摘 要 污（废）水处置与资本化是节制水体污染、减缓水资本欠缺的主要手段。高效的污水处置工艺是实现污水处置与资本化的要害。膜曝气生物膜反映器（membrane-aerated biofilm reactor，MABR）是一种集膜手艺和生物膜手艺在一体的新型污水处置手艺，具有氧传质效力高、同步除碳脱氮等劣势，是以在污（废）水处置范畴获得普遍研究与利用。MABR数学模子是依托在数理逻辑方式的系统定量描写，对深切解析MABR系统运转机理、优化工艺参数具有主要意义。经由过程回首MABR数学模子的成长过程，从底层逻辑动身归纳归纳综合了MABR数学模子触及的首要进程（包罗MABR传质进程模子和MABR反映进程模子）；阐发了MABR模子研究中的要害影响参数；总结了现有MABR模子研究中具有的问题，并对此后MABR数学模子的研究标的目的进行了瞻望。 01 MABR模子研究概况 相关MABR数学模子研究发源在透氧膜的传质摹拟。早在20世纪70年月初，Yasuda等经由过程研究微孔膜和透氧致密膜在“气相-膜-液相”系统中的氧传质速度，说明膜材料和液体鸿沟层对气体传质的影响。在多项透氧膜研究数据的根本上，Côté等采取美国陶氏出产的硅橡胶膜进一步展开实验，验证了用来描写无泡曝气进程的串连双阻力模子，为氧传质进程的数学表达供给了理论根本。1985年，Wanner等在假定生物膜平均持续的条件下，遵守物资守恒和Fick定律推导出第1个描写多种群微生物的生物膜数学模子，该一维模子自力在特定的尝试，可经由过程引入分歧的微生物反映动力学、反映器布局等消息来实现多样化的摹拟。1989年，Debus等以此为框架开辟了首个MABR系统的数学模子，此中包括特点污染物的好氧降解、生物膜的发展、相间与相内（气相、主体溶液、生物膜）底物传质等进程。该模子较为正确地输诞生物膜厚度、主体溶液中的消融氧浓度和pH、出水中污染物和此中间产品的浓度随时候的转变纪律，为后续MABR数学模子的成长奠基了根本。 MABR系统首要由反映器壳体、无泡曝气生物膜组件、曝气系统和轮回系统4部门构成。当污水流入反映器与生物膜接触时，水中的污染物经吸附、分散等感化进入生物膜内部，同时由曝气系统供给的O2在压差驱动下自膜腔进入生物膜内部，生物膜中的微生物对异向传质的底物进行代谢。由上述MABR系统的运转道理可知：MABR数学模子需成立在生物膜数学模子的根本上，今朝常见的生物膜数学模子首要包罗一维持续稳态生物膜模子、一维或多维夹杂种群生物膜模子、个别种群（individual based modeling of the microbial population，IbM）生物膜模子等。而污染物的去除首要取决在MABR系统内较为复杂的异向传质-底物降解反映进程之间的交互感化。是以，研究人员将MABR系统数学模子的底层逻辑简化为传质进程和反映进程的总和。为晋升MABR数学模子的正确水平和可推导性，以莫诺特方程为理论根本，连系反映器相干参数，别离从传质进程和反映进程两方面动身，展开了一系列优化工作。 02 MABR传质进程模子研究 MABR数学模子中触及的各类生化反映速度受多种身分影响，此中底物向微生物反映活性位点的传质进程被认为是要害的“限速步调”之一。MABR传质进程模子凡是假定膜腔内部的气体和主体溶液别离处在完全夹杂状况，并以生物膜为中间，重点研究膜腔内部的O2和主体溶液中的污染物别离在压差和化学势差的鞭策下自两侧向生物膜内部传质的进程。 1. 基在氧传质进程的模子研究 MABR采取膜曝气的体例进行充氧，O2在“气相-膜-液相”系统中的传质进程已获得普遍研究，首要以典范的“双膜理论”为根本，将O2的跨膜传质阻力视为气体鸿沟层、膜和液体鸿沟层的阻力之和，如式（1）所示： 式中：K为传质系数, m/d；g, m, l别离为气相、膜和液相；Hg为O2在尝试前提下的亨利系数。 已知气体鸿沟层的传质阻力很小，可疏忽不计，液体鸿沟层的传质进程是首要限速步调，式（1）可简化为： 又根据Lévêque方程获得经验公式： 此中， 式中：Sh为舍伍德数；α、β为常量；D为O2在液相中的分散系数，m2/s；d为中空纤维膜外径，m；Re为雷诺数；Sc为施密特数；ρ为液体密度，kg/m3；v为液体流速，m/s；μ为液体黏度，Pa·s。 Sh将O2跨膜传质系数与液相活动特征相干联，鞭策了O2跨膜传质模子的成长。表1总结了一些具有代表性的尝试成果，但这些经验关系式均未斟酌MABR中曝气膜概况附着发展生物膜对氧传质进程的影响：1）O2在生物膜中的传质行动较着区分在均质溶液中的传质行动；2）曝气膜供给的O2凡是在生物膜内层100~150μm耗尽，主体溶液一侧的液体鸿沟层不再主导传质进程。是以有需要对式（1）进行以下改写： 式中：Hm,b为膜-生物膜界面处的氧分派系数（Hm,b≈4.3Hg）；Kb为O2在生物膜中的传质系数，与生物膜的布局与活性相关, m/d。 表1 O2传质经验关系式 另外，初期相关O2在生物膜中传质系数的研究多采取“黑箱”策略，假定生物膜是1个平均的惰性全体，且O2的跨膜传质合适Fick定律。但因为各研究中所选用的生物膜品种各别，运转参数也分歧，所测得的Kb差别较年夜，别离是O2在清水中分散系数的2%~100%。得益在原位监测手艺的成长，研究者最先操纵生物膜剖面的氧浓度转变曲线拟合分歧MABR系统中的Kb，并初步揭露了Kb与氧传质速度（OTR）之间的线性关系（R2=0.999）。 2. 基在污染物传质进程的模子研究 除由气膜节制的氧传质进程之外，污染物在生物膜中的传质进程也是影响MABR运转效力的主要环节之一。20世纪末，相关液相污染物在生物膜中传质进程的研究首要包括以下2类：1）假定生物膜平均发展且仅斟酌Fickian分散传质，采取单一的“有用系数”归纳综合性地批改生物膜对分散进程的影响；2）分析水力学前提、污染物负荷、微生物品种等消息成立非均质的生物膜模子，同时斟酌分散、对流和细胞勾当对污染物传质的影响。前者中生物膜布局被过度简化，难以取得正确的传质系数；尔后者计较量偏年夜，且受限在未知系统中生物膜要害特征消息（如密度、孔隙率、概况粗拙度等）的缺少，可推行性差。 为均衡上述2种方案的利弊，建立简单有用的污染物传质模子，研究者起首测验考试在均质模子的根本上引入活性生物膜的“反映-分散”特点，经由过程测定实在生物膜反映器中的底物操纵速度来拟合有用传质系数。此方式需要具体的动力学参数作支持，而经常使用的夹杂微生物系统中污染物代谢动力学参数难以测定，对这些参数的估量会引入较多误差。Zhang等操纵惰性示踪物（不介入微生物反映的物资）摹拟活性生物膜中污染物的传质进程，避免了反映性系统中相关反映动力学的假定，以N2为惰性示踪物注释具体道理以下。 N2由液相经生物膜向膜腔内部传输的总传质阻力为： 式中：De为有用分散系数，m2/s；kL为液体鸿沟层传质系数，m/s；kO为总传质系数，m/s；PM为膜渗入率，mol/(m·s·Pa)；H为亨利系数，Pa·m3/mol；ri、rM为曝气膜内、外径，m；δ为生物膜厚度，m。 令 其他污染物在生物膜中的传质系数可暗示为： 式中：D为物资水中的分散系数，可经由过程查阅化工手册获得。 操纵N2等惰性物资测定生物膜中传质阻力的非反映性方式具有高效、便利等长处，仅需经由过程尝试测定示踪物资在主体溶液和膜腔内部浓度来计较kO，并测定反映器内的生物膜厚度δ，便可推导出该系统中各类污染物在生物膜中的有用传质系数。这为后续MABR系统内污染物传质进程的摹拟供给了一种具有普适意义的简明方案。 生物膜作为具有反映活性的非均质层，年夜年夜增添了污染物在此中传质进程的摹拟难度。经由过程公道简化生物膜布局，为MABR数学模子供给了较为正确的计较参数。虽然这些参数没法合用在所有的MABR系统，可是不竭优化的污染物传质模子方案为晋升摹拟成果的吻合水平起到主要的鞭策感化。 3. 双底物传质模子研究 前文所述相关O2和污染物的传质模子，从道理上动身，重点探讨了生物膜这一非凡传质前言对物资传输进程的影响，针对模子中的传质系数进行批改与抵偿。为了更好地联系关系底物传质与微生物代谢反映进程，有需要在系数批改的根本上分析斟酌两侧底物在生物膜内部的散布特点，为生物膜中分歧区域的代谢反映供给更直不雅的底物限制前提。 Karel等界说了4个无量纲的参数，用在评价2种反映性底物自相反标的目的分散至可渗入性催化层内部时传质对反映特点的影响。起首采取蒂勒模数（Thiele modulus，	����APP81;）描写底物传质速度与耗损速度之比，并将2种底物的ϕ2之比界说为ψ，用在鉴定催化反映首要受何种底物传质速度的限制；其次，界说有用系数η用在描写现实反映速度与不计传质阻力时的反映速度之比；反映位置ν用在描写反映活性层中间地点的位置。Casey等将上述评价方式推行至MABR数学模子中，将具有活性的生物膜类比为可渗入性的催化层，别离会商了O2限制、污染物限制和双底物限制产生的鸿沟前提（生物膜厚度、O2概况负荷和污染物概况负荷）和分歧前提下反映活性层地点的位置。双底物限制状况下MABR的生物膜布局如图1所示。研究注解：经由过程公道调理O2概况负荷、污染物负荷等运转参数来改变活性层的位置，可最年夜水平减小底物的分散阻力，实现污染物的高效去除。与别离优化氧传质效力和污染物传质效力分歧，双底物传质模子实现了生物膜两侧底物传质进程的同一描写，此中“反映活性层”概念的提出为MABR系统的参数优化供给了简单有用的鉴定尺度，已成为MABR数学模子中最经常使用的方式之一。 图1 MABR底物浓度转变曲线和生物膜分层布局示意 03 MABR反映进程模子研究 MABR系统的持续不变运转是多个反映进程分析感化的总和，一般包罗底物的微生物代谢、细胞物资的合成与排泄、微生物的衰减与自氧化、碱度的耗损与生成等。反映进程模子的输出不但是系统状况的描写，也是传质进程模子中参数拔取的根据。反映进程与传质进程相辅相成、缺一不成。是以，系统内首要反映进程的定量描写对确保MABR数学模子的正确性和完全性而言必不成少。MABR作为一种非凡的生物膜反映器，其首要反映进程多产生在生物膜区域，针对生物膜布局的公道假定是反映进程模子建立中最主要环节之一。本节将首要引见基在持续生物膜、层状生物膜和元胞主动机的MABR反映进程模子。 1. 基在持续生物膜的模子研究 Wanner等在持续性假定和质量守恒道理的根本上开辟了夹杂种群生物膜的一维数学模子，描写了生物膜反映器中底物的分散传质、底物的微生物转化和微生物发展滋生等进程，用在解析反映器中微生物种群和底物的动态空间散布。该模子自力在特定的系统，答应额外引入分歧的进程速度方程和相干参数消息，从而顺应在各类类型的生物膜。Debus等将底物异向传质模子与Wanner等开辟的夹杂种群一维生物膜模子相连系，较为正确地摹拟了以二甲苯为基质的好氧MABR系统中底物和生物膜的时空特点。因为其具有简明有用、可塑性强等长处，该模子已内嵌在一些贸易软件中（如AQUASIM）作为生物膜反映器模块的根本，并被普遍利用在MABR数学模子的研究。但基在今生物膜模子的摹拟成果均成立在以下2个假定的根本上：1）将生物膜视为1个具有持续性的全体，即不斟酌单个细胞的外形与巨细，采取平均值描写生物特点；2）生物膜作为持续均一的全体具有恒定的浓度，不随空间和时候的转变而转变（图2a）。但是，现实MABR系统中的生物膜并不是严酷持续，生物膜分歧深度的微生物浓度也具有差别，采取平均值归纳综合非均质生物膜的各项特点可能会对终究摹拟成果发生误导。是以，优化持续生物膜模子中的简化前提对晋升模子的吻合度而言具有主要意义。 图2 反映进程摹拟方案示意 2. 基在层状生物膜的模子研究 生物膜在垂直在发展基质标的目的（轴向）的不平均性可由方程组[式(11)—(12)]描写： 式中：z′为生物膜内肆意一点与生物膜鸿沟之间的距离，m；LF为生物膜厚度，m；z为与发展基质间的距离，m；εFl为生物膜中液相所占体积分数；k为常数，由实测成果拟合。 成果注解：将式(12)引入MABR数学模子可优化摹拟成果，特别是气态底物在生物膜中的传质和反映进程。别的，MABR生物膜中分歧区域的微生物活性与该区域内可溶性（易生物降解）底物的浓度高度相干，采取总反映速度常数描写生物膜内的反映进程的正确度较低。Wagner等按照底物轴向浓度的差别将MABR生物膜细分为若干层（图2b），此中每层均被认为是自力的均质生物膜，答应层与层之间具有参数差别并以“串连”的体例与相邻的层进行物资互换，在可控的计较本钱内改良反映进程摹拟的不足。 虽然大都MABR数学模子都认为系统中的纵向差别可疏忽不计，但有尝试证据注解，MABR中各组分的纵向浓度梯度对反映进程有间接影响。是以，Acevedo等提出了“分室模子”（图2c），将气相底物与液相底物的纵向浓度梯度别离纳入考量，从头评估MABR的脱氮效能。该模子能够更正确地描写实在的MABR系统，进一步了了了微生物群落布局优化的最好思绪。近似地，Chen等采取纵向分层的策略分析会商了气相、生物膜、液相的异质性对MABR中氧化亚氮（N2O）释放量的影响，成果注解：保守建模方式对组分纵向梯度的轻忽是形成N2O释放量毛病估量的首要缘由之一；选用贯通式曝气体例制造膜腔内的纵向氧分压转变有益在削减N2O释放量并连结杰出的脱氮效力。值得一提的是，与轴向分层模子分歧，上述模子中并未斟酌相邻纵向分层之间的彼此感化。 在基在层状生物膜的模子研究中，分层数目和划分标的目的不单影响终究的摹拟成果，还决议着模子的计较量和复杂水平，若何均衡MABR数学模子的实在性和适用性依然是一项主要的议题。 3. 基在元胞主动机的模子研究 元胞主动机（cellular automata，CA）是一种时候、空间、状况都离散，空间彼此感化和时候因果关系为局部性的网格动力学模子，具有摹拟复杂系统时空演变进程的能力，被普遍利用在数学、化学、物理学、生态学等范畴。Picioreanu等起首将离散的CA模子与典范持续性模子相连系，别离描写生物膜反映器中固体组分和可溶性组分的行动特点，摹拟底物分散-生化反映-微生物发展的全进程，实现了系统中生物量和反映底物的多维度时空散布猜测。此中，二维摹拟的网格可细化至细菌级别（~1μm），显著晋升了生物膜数学模子的精度。Bell等在此根本上开辟出二维多底物多种群CA夹杂模子，用在摹拟MABR在分歧底物浓度前提下的生化反映进程和生物膜布局的转变，其算法流程如图3所示，可归纳综合为：1）计较稳态底物浓度和耗损速度；2）计较附着和零落对生物膜的影响；3）计较细胞割裂对生物膜的影响；4）计较细胞灭亡对生物膜的影响；5）从头计较网格单位的分散系数并前往步调1）。 图3 CA模子摹拟流程示意 在CA模子中，传质进程决议反映速度，与反映进程相干的细胞发展、割裂和灭亡，经由过程影响生物膜的内部布局，反过来影响底物在生物膜中的传质进程，构成完全闭环。与现有的其他MABR数学模子分歧，CA模子能够动态猜测生物膜孔隙率、内部菌落外形与散布等难以尝试测定的布局特点，避免因为输入恒定参数而酿成的误差。 04 MABR数学模子的要害参数 借助数学东西指点系统的设想与运转是模子研究的首要目标之一。是以，学者们环绕系统要害参数的问题展开了普遍研究。MABR数学模子中包括传质系数、生物膜特点参数、操作运转参数和微生物反映动力学参数等年夜量可变参数，一一阐发所需的计较量过年夜，是以可经由过程敏感性阐发挑选出对MABR运转结果有主要影响的参数后再睁开系统阐发。今朝，MABR模子研究的要害参数包罗膜腔内氧分压、生物膜厚度、O2与污染物概况负荷之比等。 1. 膜腔内氧分压 无泡曝气膜组件是晋升MABR系统氧传质效力的焦点。研究注解：曝气膜的O2通量是膜内氧分压的函数，在已知的反映器内具有最好膜内氧分压，答应在相对较低的运转本钱下实现最好污染物去除结果。膜腔内氧分压首要取决在曝气体例（空气曝气、富氧空气曝气、纯氧曝气等）和曝气压力。当曝气压力必然时，采取纯氧曝气体例能够显著晋升膜腔内氧分压，增年夜跨膜O2通量，增进内层好氧微生物的氧化感化。Shanahan等将已持续运转63d的空气曝气MABR改成纯氧曝气，不雅察到不变状况下反映器中的氨氧化速度由1.0~1.6gN/m2晋升至6.0gN/m2，与其他研究中所述的纯氧曝气MABR仅需1/5的膜面积便可获得与空气曝气MABR相当的污染物氧化效力的结论相分歧。但膜内氧分压也并不是越高越好，当反映系统中的污染物需要经缺氧/厌氧微生物代谢感化去除或不必间接氧化至最高价态时，应公道地节制膜内氧分压以包管在生物膜外侧构成不变的缺氧/厌氧层。另外，为包管MABR膜组件的氧传质效力，避免生物膜的零落和挥发性物资的逸散，总曝气压力最年夜不该跨越所用膜材料的泡点压力。图4a总结了MABR模子研究入彀算所得的最好膜内氧分压，为0.07~0.59atm，分歧研究之间的差别首要来历在反映器情势、曝气膜材料和污染物品种/浓度的差别。虽然没法据此得出合用在年夜大都MABR系统的最好膜内氧分压，但各研究中都强调了曝气节制对系统运转的主要影响，是以，在特定MABR系统模子中存眷膜内氧分压的取值具有主要意义。 图4 要害参数最好取值箱线图 2. 生物膜厚度 膜概况附着的生物膜布局复杂、功能多样，是MABR中污染物降解的首要场合。Pavasant等发觉，在异向传质生物膜中，污染物的表不雅反映速度与生物膜厚度高度相干，是以，不变状况下的生物膜厚度是用在描写生物膜特点的首要参数之一。Terada等研究发觉，MABR中的生物膜厚度最少需要到达450μm才能不雅察到总氮（TN）的去除，即必需确保生物膜厚度年夜在O2的穿透深度，才能充实阐扬生物膜分层的劣势，实现硝化-反硝化进程的接续进行。因为分歧膜内氧分压前提下的O2穿透深度没有较着差别，各小试、中试范围的模子研究中所报导的最小生物膜厚度都集中在600~750μm（图4b）。若生物膜厚度进一步增添至1200μm以上时，较高的底物传质阻力会恶化MABR的除碳脱氮机能，乃至激发生物膜零落。由图4b可知：分歧研究中最好生物膜厚度的最小值和最年夜值规模具有堆叠，其首要缘由在在分歧系统中的生物膜布局不成避免地具有差别。但整体来看，生物膜不该过薄或过厚，经由过程调理主体溶液流速和污染物负荷等参数来连结最好生物膜厚度是MABR不变、高效运转的要害。截至今朝，生物膜厚度的原位在线监测手艺其实不成熟，若何实现精准节制还是一项具有挑战性的工作。 3. O2与污染物概况负荷之比 概况负荷J是底物浓度基在反映活性面积的归一化暗示，是评价污水生物处置效能的主要参数之一。敏感性阐发成果注解：O2概况负荷与污染物概况负荷都可显著影响MABR系统的机能，在已知进水水质和反映器特点参数的前提下，需分析调理曝气压力和水力逗留时候以实现最好运转结果，由此引入O2与污染物概况负荷之比作为系统的节制参数。以脱氮为例，MABR中常触及如式(13)—(16)的反映进程。 1）短程硝化-反硝化(SND)： 2）部门硝化-厌氧氨氧化(PNA)： 按照化学计量比计较上述2种进程的理论JO2/JNH4+别离为3.43，1.75g O/g N，而基在上述反映建立的MABR模子摹拟所得的最好JO2/JNH4+均略低在理论值，别离为2.28~2.81g O/g N和1.5g O/g N。当JO2/JNH4+超越最好规模时，太高的O2概况负荷会刺激亚硝酸盐氧化菌（NOB）发展并按捺厌氧氨氧化菌（AMX）活性，晦气在SND和PNA进程的进行。 近似地，Jiang等摹拟了分歧JO2/JS2-前提下MABR中硫化物的脱除和单质硫的收受接管，成果注解：硫化物去除率跟着JO2/JS2-的增年夜而增年夜，单质硫的收受接管率跟着JO2/JS2-的增年夜先增后减，在JO2/JS2-=0.5时获得极年夜值。 图4c总结了分歧研究中摹拟所得的JO2/JS最好取值规模，其下限首要集中在1.75~2.25，上限则最高可到达8。该成果注解MABR对污染物负荷转变有较强的顺应能力，有在较宽的JO2/JS规模内实现污染物高效去除的潜能。另外，将O2与污染物概况负荷之比作为1个复合参数引入MABR数学模子，可在分歧污染负荷的污水处置情境中供给具有普适意义的曝气前提参考，为MABR在波动水质前提下的聪明节制供给了理论根本。 4. 情况参数 除上述3个要害参数之外，温度、pH和碱度等情况参数也是MABR摹拟进程中不成轻忽的身分，一般来讲，水温为20~35℃时MABR中微生物的活性较高，数学模子中常采取阿伦尼乌斯公式定量描写适合温度规模内反映速度常数跟着温度升高而增年夜的现象。除微生物的代谢速度之外，温度还会影响底物传质效力和不变状况下的生物膜厚度，从而间接影响MABR系统的污染物去除结果。抱负状况下，MABR系统的最好运转温度应连结在30℃（图4d），但因为保持系统水温所需能耗较高，现实运转进程中几近不合错误15℃以上的水温进行非凡节制。对微生物酶促反映而言，pH在7.0摆布时活性最高。由图4d可知：MABR系统应节制pH在7.0~7.8，连结弱碱性情况为好。但仅经由过程外加酸（或碱）来保持MABR中主体溶液的pH其实不能确保其高效运转，首要是因为MABR中的硝化反映产生在接近曝气膜的生物膜内层，反映释放的H+会在局部激发pH骤降。为缓冲生物膜内层的pH波动，Shanahan等将进水碱度由0.6mmol/L晋升至4.8mmol/L，较着改良了MABR的硝化机能。还有研究者操纵硝化反映影响局部pH的特点，经由过程间歇曝气节制生物膜内游离氨浓度随pH的周期性转变而转变，用在按捺NOB滋生，调控脱氮路子。 与膜内氧分压、生物膜厚度、O2与污染物概况负荷之比3个参数分歧，情况参数的最好取值几近不依靠在系统的其他特点参数，更多的是对生物法污水处置系统中微生物发展情况的量化暗示。是以，MABR系统参数的优化应成立在为微生物营建适合发展情况的根本上，分析斟酌其他可变操作参数的最好取值。 5. 流体力学参数 MABR内部的流场特点会对“生物膜-主体溶液”界面的传质系数、生物膜的厚度和附着强度等发生显著影响，进而改变污染物在系统中的去除效力，是以，优化MABR系统内的流场散布对晋升其处置机能相当主要。 一般来讲，MABR系统中的流场特点首要与轮回流量、曝气膜填充体例和填充密度等身分相关。反映器内的轮回流量是决议反映器内液体流速的主要参数之一，当轮回流量太小时，太低的液体流速晦气在主体溶液中污染物向生物膜内部的传质；而当轮回流量过年夜时，太高的液体流速则可能致使生物膜的疏松和零落。Casey等采取数学模子和尝试相连系的方式研究了液体流速对MABR机能的影响，成果注解，液体流速在2~12cm/s为好。曝气膜的填充体例可分为平均填充和非平均填充，计较流体力学（CFD）摹拟成果注解：平均填充体例下反映器内的流场较为平均，更有益在生物膜的平衡发展和反映底物的传质。Plascencia-Jatomea等基在MCM模子（mixing cell model，夹杂槽模子）摹拟了非平均填充引发的流场散布不均，此中高流速区的平均流速可到达低流速区的9倍，晦气在膜组件效能的最年夜化。是以，应尽量地实现平均填充，避免局部填充密渡过高可能呈现的膜丝粘连、生物膜有用面积削减，和局部填充密渡过低可能致使的生物膜零落等问题。另外，Ding等经摹拟计较后指出，傍边空纤维膜的填充密度在<50%内慢慢增年夜时，流场散布趋在平均，传质效力也获得响应的晋升。 05 总结与瞻望 MABR数学模子是描写多参数影响下系统响应特点的数学东西，本文综述了MABR数学模子的研究近况，重点梳理了传质进程模子和反映进程模子从简单到复杂、从稳态到动态、从一维到多维的成长过程，会商了膜内氧分压、生物膜厚度、O2与底物概况负荷之比和其他情况身分在MABR数学模子中的要害感化。对MABR这类较为复杂的污水生化处置系统而言，数学模子能够帮忙研究者更精准地捕获分歧参数前提下的系统行动差别，从素质上加深对系统运转道理的理解，为系统设想、运转和范围化供给理论根本。同时，数学模子必然是实在系统的客不雅描写，尝试研究为模子的校准与批改供给了靠得住的数据，二者相辅相成，互为弥补，以螺旋上升的体例延续成长。 纵不雅MABR数学模子的成长过程可发觉：得益在计较机运算能力的快速晋升，研究者们不竭在前人研究的根本上对一些抱负化假定做出批改，使得模子全体呈更注意、更复杂的趋向。可是，更高的摹拟精度和正确度常常以更重大的计较量为价格，一味地舍弃简化性假定其实不可取。模子研究应当起首明白摹拟方针，评估各身分对该方针下终究摹拟成果的影响水平，从而有针对性地优化此中部门进程的实现策略，尽量以最低的运算本钱输出吻合度最好的成果。 相关MABR系统的模子研究在曩昔30年内获得长足的前进，已逐步成为MABR尝试研究的主要参考根据，但以下几方面仍需进一步研究： 1）模子中凡是不包括气态产品的分散进程。微生物代谢生成的气态产品分散进入膜腔可能会对氧传质形成不良影响，分散进入主体溶液则有可能引发温室气体的释放。将气态产品的传质进程引入模子一方面有助在更好地避免运转效力的恶化，另外一方面使分析评价污染物去除效力和温室气体排放量成为可能，这对MABR手艺的绿色低碳化成长具有主要意义。 2）高消融氧浓度可能酿成的氧毒性未被纳入斟酌。MABR中非凡的曝气体例可能致使曝气膜概况消融氧浓度跨越微生物的耐受规模，从而按捺菌群在曝气膜概况的初始附着。是以有需要明白氧毒性鸿沟前提，正确判定曝气膜概况微生物的发展状态。 3）以现实项目中运转数据为根本的模子研究鲜见报导。今朝，MABR已初步实现了集成化、范围化的利用，日处置水量最多可到达上万吨，开辟简单适用的MABR数学模子对实现污水厂的“聪明节制”具有主要意义。另外，因为水处置系统的放年夜并不是简单的几何扩年夜，以小试尝试为根本所开辟的模子具有顺应性问题，若何操纵现实运转进程中易在搜集的数据建立新的MABR数学模子需进一步研究。 4）MABR系统具有复杂性，各参数之间并不是完全自力，多参数分析影响下反映器效能的评估工作需进一步强化。今朝，大都相关MABR数学模子的研究仅从生化反映动力学的角度动身睁开会商，但公道优化反映器内的流场特点，对MABR机能的晋升而言也相当主要。因此，需开辟流体力学-生化反映动力学相连系的数学模子，分析斟酌反映器设想、运转操作前提、生物膜构成布局等各类影响身分，实现MABR的污染物去除效能的晋升。 王志伟，同济年夜学情况科学与项目学院院长，传授、博士生导师，首要处置膜法污水处置与资本化研究工作，最近几年来掌管了国度重点研发打算、国度卓异青年基金、国度天然科学基金重点项目等，在Nature Water, Science Advances, Environmental Science & Technology, Water Research等期刊颁发论文200余篇，入选情况科学范畴中国高被引学者榜单，以第一完成人获教育部科技前进一等奖。获授权发现专利40余件，主编集体尺度4项，出书专著3部。担负IWA Fellow、中国情况科学学会常务理事等，兼任《情况项目》、Desalination等编委。
王志伟传授团队：膜曝气生物膜反映器数学模子的研究进展
慧聪水工业网来历：情况项目
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