本课题以上海浦东某生物制药污水处理设施的实际膜生物反应器(MBR)为研究对象,将修正活性污泥1号模型(ASM1)-计算流体力学(CFD)的耦合模型应用于模拟MBR的运行情况,以此得到添加了生化反应模型的MBR流场情况。工程实际运行的MBR进水及运行条件作为模型参数,出水数据用于模型验证。修正ASM1-CFD耦合模型能针对MBR中污泥的特性,更准确的对MBR中的COD、氨氮等水质指标进行模拟、更好地表现膜污染的情况。研究内容如下:(1)ASM1模型与CFD模型耦合MBR模拟:ASM1模型应用于模拟中,在MBR中的模拟增加了生物反应的过程,使反应器的模拟运行情况与实际工程更加相近。因为添加了生物反应过程,提供了出水除了水力学的指标以外,生物学指标更能比较模型与实际运行的工况的相符程度。模拟时的ASM模型参数参考实际和部分经验值,进水速度和底部曝气强度与实际工程相一致。(2)修正ASM1模型,添加SMP对生物反应的影响,利用耦合ASM1-SMP模型分析MBR内COD、总氮和氨氮在池内的降解情况。(3)利用修正ASM1模型模拟不同MLSS,曝气强度下对出水水质的影响。探究进口浓度对出水水质的影响,确定进水COD、总氮浓度导致出水水质超标的阈值。(4)利用修正ASM1-CFD模拟MBR运行条件,探究膜污染情况。在保证曝气强度不变的前提下,模拟分析8mm和10mm平板膜膜间距表面污染程度,寻求有效控制膜污染的膜间距;在保证膜组件位置不变的情况下,实验100-180m~3/L五个曝气强度下的膜表面污染情况,探求合适控制膜污染的曝气强度;探究对不同污泥浓度下,膜表面污染累积程度,为后期条件优化提供数据。通过MBR网格划分、修正ASM1-CFD模型的耦合、计算及结果输出,得出如下结论:(1)将ASM1模型应用于MBR的CFD模拟,对MBR出水水质模拟结果与实际工程运行结果相比较得到:实际MBR运行过程中,COD出水水质较好,去除率为89%,出水的浓度远低于排放标准,整体运行状态稳定良好、可作为本课题建模研究的基础对象。CFD模拟的出水COD结果和实测值误差整体在11%左右,略高于文献中的10%,COD的值整体偏低,需要对模型进行校正。总氮出水水质较好,去除率为78%,出水的浓度远低于标准。CFD模拟的总氮与实测值的吻合度好,平均差距在1mg/L左右,在可接受范围内。MBR流场分析得出,由于曝气面设置于膜组件下方,而非整个反应器底部,靠近膜组件附近区域流场流动状况好,流速高,气液混合效果好。靠近进水口上方液面区域与池底两侧预区域混合液流动状况较差,属于反应池内“死区”。(2)将可溶性微生物产物(SMP)参数添加入ASM1模型,得到修正ASM1模型,模拟结果发现出水COD与实际出水更加吻合,对出水预测的准确度较好,误差在5%左右。模型模拟得到的总氮含量相比ASM1模型无明显偏差变化。对MBR池内各指标分析,反应池内部好氧区对COD和氨氮的去除效率较高。添加SMP组分进入反应器内部的模拟对COD的模拟更加准确,对总氮的影响较小。进水COD的浓度阈值为650mg/L左右时,出水浓度出现超过排放标准50mg/L。进水总氮的浓度阈值为40mg/L左右时,出水浓度高于了排放标准10mg/L。随着MLSS的升高,出水COD、总氮和氨氮的浓度都有所降低。曝气强度的升高,对COD和氨氮的降解有促进作用,曝气强度为160 m~3/L时,得到COD的最佳降解效果。气强度为140m~3/L时,对降解氨氮效果提升最为明显。(3)对不同膜间距和曝气强度进行模拟,结果表明,膜间距由8mm扩大到10mm,增加了膜片间的流体空间,减低了膜组件底部两侧的膜污染情况。整个膜组件的污染程度也得到降低。对100-180m~3/L五个曝气强度进行模拟,模拟结果验证了曝气强度的强弱对膜污染的影响,随着曝气强度的增强,膜污染情况得到改善。然而180m~3/L的曝气强度导致污泥破碎成小颗粒,并释放EPS到混合液中,导致膜污染更加严重。因此在该工程MBR中10mm的膜间距,160m~3/L的曝气强度是有效控制膜污染的方法。对不同污泥浓度下膜表面污染情况分析,污泥浓度高低对膜片污染有直接影响,MLSS浓度越高,膜表面污染状况越严重。综上所述,在MBR中,将SMP参数添加入ASM1模型进行修正,修正ASM1与CFD耦合,对MBR运行情况的模拟,验证发现模拟结果更接近去实际。利用修正ASM1-CFD可预测出水水质、反应器中流场分布、反应器运行条件,如曝气强度等,膜污染情况等,为工程运行提供可靠的预测方式,也为控制膜污染提供了模拟参考。