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《》项目总结分析报告
《×××××》项目总结报告
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《动态生物膜通量提升关键技术研究》项目总结报告
一、项目概况
项目名称：
动态生物膜通量提升关键技术研究
立项时间：
2013年6月
项目编号：
BY2013073-09
项目负责人：
傅大放
合作企业：
江苏百纳环境工程有限公司
经费情况：
项目经费来源预算经费单位：
万元
合计
2013年
2014年
2015年
备注
合计
200
80
70
50
1.省拨款
30
30
0
0
2.部门、地方配套
0
0
0
0
3.承担单位自筹
170
50
70
50
4.其他来源
0
0
0
0
主要研究内容：
1.利用CFD技术，模拟动态生物膜形成、运行、反洗时的流场分布并考察对其过滤性能的影响，量化错流流速等操作参数；
2.通过正交试验优化参数，结合CFD流场模拟和传统过滤模型，建立有效的错流过滤模型，进而控制污泥絮体沉积，提高过滤通量，延长过滤周期；
3.测试不同流场下膜污染情况，揭示流场条件与动态膜污染的关系；
4.进行动态生物膜耦合生化工艺研究，提供全流程设计参数。
二、项目实施情况
主要工作：
项目研究工作主要体现在以下六个方面：
（1）自适应动态膜组件的设计及初步运行
根据自生动态膜特殊的过滤过程，设计了一种具有自适应性的特殊构型膜管。
经比较，该自适应膜组件出水水质优、成膜时间短、稳定运行时间长、反洗效果佳，在各方面均优于常规的动态膜组件。
（2）动态生物膜过滤过程的计算流体力学模拟与解析
利用Fluent软件对内置式动态膜生物反应器和外置式动态膜组件进行了CFD三维模拟，分别用测速仪、PIV仪对模拟结果进行了验证，并分析比较了内置/外置膜组件的流场分布，发现外置式膜组件内流场分布均匀，流线规整且较为简单，无扰流、漩涡，有利于动态生物膜过滤过程的稳定运行。
（3）外置式管式动态膜系统的高通量稳定运行
根据CFD模拟结果对动态膜组件及配套装置进行了优化，并进行了为期一年的中试实验，以考察动态膜组件在120L/m2h通量运行时的特性。
在中试实验基础上，总结了适用于自适应性微管式膜组件的使用方法。
（4）膜污染发展过程解析
利用多种测定方法分析了不同时刻动态膜污染层的结构参数及EPS含量，并结合膜阻力变化情况进行相关性分析。
结果表明，动态膜的阻力与滤饼层厚度明显相关，而紧固态EPS中的多糖与膜阻力相关性明显。
（5）动态膜生物反应器内微生物群落多样性分析
采用Miseq高通量测序技术对自生动态膜生物反应器内粒径为42~50μm的样品A和150~200μm的样品B进行了测序，并对其微生物多样性和菌属组成进行了分析，发现动态膜生物反应器中有较高的生物多样性。
不同粒径的活性污泥具有相同的优势菌门。
（6）动态膜生物反应器耦合稻壳碳源强化脱氮
利用预处理后的稻壳与悬浮球填料组合形成组合式生物碳强化脱氮填料。
分析投加填料后系统对各项污染物指标的去除率变化，发现投加填料后，系统的TN去除效果增加了4%，而其余指标去除率变化不大。
该项目申请发明专利1项，实用新型专利6项，其中已授权发明专利1项。
该项目发布学术论文4篇，其中SCI检索2篇，中文核心期刊2篇。
科技专著1部。
校企联合研发团队由项目负责人组织，定时沟通交流，充分发挥双方各自优势，严格按照项目计划时间表开展工作，认真落实各阶段工作，做到专人负责，定期检查，扎实有效的完成了本项目各阶段的计划目标。
培养博士研究生1名，硕士研究生2名。
项目经费按照预售执行，做到专款专用。
三、项目技术情况
研究方案和技术路线：
本项目采用理论研究、仿真与实验相结合、由浅入深、循序渐进的技术路线，如下图所示。
基于以上的总体研究思路，本项目拟采取的具体技术方案如下：
（1）动态生物膜过滤过程的计算流体力学模拟
设计并制作基本的反应器。
采用计算机商用软件进行计算流体力学模拟。
主要步骤有：
建立简化模型、利用GAMBIT软件对模型进行网格化并确定边界条件、导入FLUENT软件进行计算，得到初步模型。
采用PIV系统对反应器内的流态进行量化测速，并对CFD模拟结果进行不断校正。
根据校正后的CFD模型得到全场流态，反馈反应器的设计并加以改进。
（2）关键参数组合优化及通量预测模型建立
设计正交试验，初步分析污泥颗粒分布、污泥浓度、错流流速、出水压差等关键参数对动态生物膜过滤性能的影响；
结合CFD流场模拟、传统过滤模型及最优参数组合，建立错流过滤模型。
通过模型量化各种操作参数对工艺系统的影响，进而制定最佳操作参数。
（3）流场对微生物种群分布、EPS分泌的影响及膜污染控制研究
主要方法如示意图所示。
应用PCR-DGGE、克隆测序等技术对生化区污泥及膜区污泥微生物种群分布进行测定；
跟踪测定生化反应区、膜过滤区微生物胞外聚合物（EPS）的分泌量、种类；
结合膜基材料表面化学性质，定量分析对膜污染的影响，
揭示不同流场、微生物种群、EPS分泌同膜污染的关系，得出膜污染控制的物理、生物方法。
（4）动态生物膜耦合生化工艺强化脱氮研究
理论分析动态生物膜耦合生化工艺强化脱氮的可行性及方法；
进行强化脱氮小试试验；
在小试基础上，进行中试研究。
其中，膜组件采用优化设计的新型组件，操作参数、膜污染控制方法等同时进行中试验证。
解决的关键技术：
（1）CFD模拟初始条件和边界条件的确定；
（2）多相流模型的准确选择；
（3）CFD模型的试验验证与修正。
（4）正交试验分析污泥颗粒分布、污泥浓度、错流流速、出水压差等关键参数对动态生物膜过滤性能的影响；
（5）建立动态生物膜的错流过滤模型；
（6）通过模型选取最佳操作参数。
（7）不同流场微生物种群的测定及统计；
（8）不同流场对微生物EPS分泌的影响；
（9）微生物种群、EPS分泌同膜污染的关系。
（10）强化膜区微生物脱氮的特性；
（11）研究耦合运行条件的筛选、联动方式的优化；
取得的突破性进展及创新点：
（1）独特的膜元件结构及全过程CFD模拟
根据动态生物膜工艺的特殊过程，构建了独特的超高通量“可变弹性阶梯管式动态膜元件”，并用计算流体力学技术对动态生物膜的形成、运行和反洗进行全过程模拟。
（2）结合CFD流场模拟、传统过滤模型及最优参数组合，建立错流过滤模型
结合CFD流场模拟、传统过滤模型及最优参数组合，建立错流过滤模型，通过研究污泥絮体沉积情况，精确的描述过滤过程中膜通量下降的基本机理，并且通过该模型研究各种操作参数对工艺系统的影响，进而制定最佳操作参数。
同时可获得生活污水水质的动态生物膜过滤通量预测模型。
（3）揭示流场对微生物种群、EPS分泌的影响及与膜污染的关系
考察不同流场对微生物种群的影响，为进一步优化系统性能提供理论依据；实时跟踪测定生化反应区、膜过滤区微生物胞外聚合物（EPS）的分泌量、种类的区别，结合膜基材料表面化学性质，定量分析对膜污染的影响。
进而揭示不同流场、微生物种群、EPS分泌同膜污染的关系，为进一步延长膜运行周期提供理论基础。
四、合同任务指标完成情况
完成以下研究内容：
（1）高通量动态膜组件的设计及初步运行。
（2）流体力学CFD错流模型建立与解析。
（3）高通量稳定运行中试实验。
（4）膜污染过程解析（包括污染层结构及EPS）。
（5）微生物种群解析及耦合强化脱氮全流程实验。
完成以下指标：
（1）在原产品基础上进行优化，形成超高通量、耐污染新产品1项，实现120L/m2h的运行通量，单周期运行时间大于8小时。
（2）在中试装置基础上，完成产品样机及配套装置1套。
研究报告1份。
申请专利7件。
发表学术论文4篇，其中SCI检索2篇，中文核心期刊2篇。
五、项目绩效分析
自适应动态膜组件属于污水处理工艺中的关键设备，其可替代常规的二沉池，具有占地面积小、运行控制简单、出水稳定达标等优点。
相较于MBR，其运行成本降低达80%以上，具备绝对的技术优势，十分有利于大规模推广应用。
预计到2020年，自适应动态膜组件有望实现国内动态膜市场占主导地位，并具有显著的经济效率和社会效益。
六、存在问题、有关建议及下一步研究设想
动态生物膜的形成和发展是一个较为复杂的过程。
各操作条件与动态膜的关键性能（如膜通量、膜阻力等）之间的关系并不明确，且缺乏理论支撑。
因此，下一步研究将针对动态生物膜滤饼层的结构特征和发展过程，建立其形成过程的动态模型。
并在此基础之上，研究“膜通量-影响因素-操作参数”的控制策略，为动态生物膜工艺的推广应用提供技术支撑。
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