ISBN: (纸本)9787112294350

关键词： BioWin   污水处理厂   A2O工艺   工艺模拟   运行优化  

摘要： 水环境与人类的生存息息相关,随着区域经济的不断发展,污水收集管网日趋完善,污水水量增长越来越快,污水厂处理水量和出水指标不断提高,优化运行效率、稳定性及降低成本已成为污水厂改造的首要目标。如果仅仅根据经验调试既存在风险,又耗费时间,而采用污水处理数学模型能够更加高效地模拟运行过程、解决现状问题,有效防范未来风险。由此展开研究以解决污水处理厂提标改造和节能降耗问题。 本文详细调查了重庆市38个区县乡镇污水处理厂的运行现状,选取四座典型乡镇污水处理厂深入分析,针对出水达标率和设计进水水质范围评估,发现A镇污水处理厂存在明显问题,分析其进水水质和运行状况,提出改造方案改建污水厂,并利用BioWin6.2软件建立该污水厂改造后的活性污泥动力学模型,采用合理的方法测定污水处理厂进水水质,调整进水质组分和进行敏感性分析,校准、模拟该模型,然后通过稳态及动态模拟验证准确性,并针对运行优化关键点,采用模型进行情景分析,确定最佳运行条件和优化策略,主要结论如下: （1）重庆市乡镇污水处理厂运用最广泛的工艺是AO和A2O,两者占比分别为37.68%和37.44%。对其中四座典型乡镇污水处理厂深入分析,针对出水达标率和设计进水水质范围评估,发现A镇污水处理厂的NH3-N、TN、TP出水浓度未能达到规定的环保标准,并且进水超出了该厂设计时预定的水质范围,亟需进行技术改造和优化操作,提高处理效果。深入分析原A镇污水处理厂的进水水质和运行情况,发现进水碳源不足和水质波动性大,严重影响出水中NH3-N、TN、TP的稳定性,此外,原污水处理厂设计的不足进一步削弱了脱氮除磷效果。具体而言,NH3-N、TN、TP平均去除率分别为70.3%、66.0%、49.5%,达标率分别只有41.7%、41.7%、25.0%,这表明该系统对NH3-N、TN、TP的去除效果不佳,脱氮和除磷能力较弱。 （2）使用BioWin6.2建立A镇污水处理厂的模型,查阅相关文献并进行部分短期的组分测试,设定进水污水的各组分参数,通过敏感性分析,发现影响出水COD和TN的最大参数都是化学计量参数中的普通异养菌产率系数（好氧）;对NH3-N有影响的参数比较多;对TP影响最大的参数为化学计量参数中的普通异养菌产率系数（缺氧）。进行稳态模拟,调整模型关键参数使模拟与实测值的误差小于10%;然后进行动态模拟,发现变化趋势和实测值的变化趋势基本一致,NH3-N、COD、TN的模拟值与实测值的差距在20%以内,TP的模拟值与实测值的差距略高于20%,整体的差距符合模拟标准,具有足够的参考性。 （3）利用BioWin模型,对当前污水处理厂的运行状况进行模拟与评估。结果表明,在进水量持续增长的情况下,保证出水中TP稳定达标是优先关注的重点。考虑到深度处理阶段除磷药剂的使用,能够有效降低TP含量,因此可忽略TP超标风险。当进水COD浓度过高,污水厂出水COD无法稳定达标,建议增设粉末活性炭应急投加系统,保障COD稳定达标。在冬季温度较低时,脱氮效果下降较为明显,建议制定低水温预案,可适当增加污泥龄、污泥浓度以及保温加热措施等,保证污水厂处理效果不受季节温度影响。进行情景化分析,确定最佳运行工况和优化改造方案,主要包括调整好氧池DO浓度为1.0mg/L,硝化液内回流比调整至200%,将污泥外回流比设置为70%,增设粉末活性炭投加装置,将PAC药剂的日投加量从44kg减少到35kg,设置自动加药装置,根据实时监测的污水水质和流量变化自动调整药剂的投加量,确保处理效果的最优化。 本研究通过数字化模拟手段,构建了一套针对污水处理厂工艺运行优化的研究方案,可为乡镇污水处理厂的科学智能运行优化提供理论基础与实践方法,推动大数据时代背景下数学建模与污水处理技术的深度融合。

关键词： 污水处理   生物质碳   磷改性   钴纳米粒子   过硫酸盐   四环素   降解性能  

摘要： 四环素类抗生素(TCs)是全球使用量第二大抗生素，是人类用于治疗和动物疾病控制的主要药物之一，也是农业饲料中的主要抗生素添加剂。大约 40-90%的TCs在保留其生物活性的同时被排泄到水体环境中，从而引起公共卫生问题。传统的生物处理方法并不能完全去除对这些难生物降解的抗生素。基于过硫酸盐的高级氧化技术可以原位去除抗生素，并且不会对水质造成污染，受到了广泛的关注。而能够快速激活 PMS 的催化剂成为了近年来的研究热点。生物质废弃物作为一种低成本、可再生的资源，将其回收再利用，用于激活 PMS，可以减轻环境负担，促进全球环境的可持续性。但是由于生物质的组成复杂，制备的生物质碳含有很多的杂质和混乱的结构，不利于电子的定向流动，使其催化性能不突出。因此本工作旨在通过对生物质进行改性，增强生物质碳表面的活性位点，提高生物质碳的催化性能，从而提高生物质的使用价值。具体包括以下内容：　　1. 钴纳米粒子负载磷改性生物质碳活化过硫酸盐降解盐酸四环素　　通过磷酸对生物质进行改性，再以化学还原法在其表面还原钴离子，制备了负载钴纳米粒子的磷改性生物质碳催化剂，用于活化 PMS 以降解水中的四环素。Co NPs-PBC 所表现出的优异性能归功于磷改性的高吸附能力和负载钴对 PMS 的高活化能力，从而实现了协同吸附和降解，使四环素得到快速降解。研究了不同因素(催化剂用量、PMS 用量、温度、pH 值和共存物质)对 Co NPs-PBC/PMS 体系降解TCH的影响;利用福井函数和拉普拉斯键级预测 TCH的易反应位点和键强度，并结合 HPLC-MS 结果推测 TCH 降解的中间产物及其生成路径，并且采用毒性分析软件分析中间产物的毒性。该实验表明在降解污染物的过程中矿化率和中间产物的毒性是必须着重关注的，为之后的降解实验提供了一定的思考。　　2. 磷化钴负载改性生物质碳活化过硫酸盐降解四环素类抗生素　　通过磷酸对生物质进行改性，再以高温煅烧法制备了磷化钴负载的磷改性生物质碳催化剂，用于活化 PMS 以降解水中的四环素。通过优化煅烧温度和掺杂比例，确定了Co-PBC的最佳合成条件。通过实验条件的优化，评估了Co-PBC/PMS体系的最优降解条件;猝灭实验和EPR表征，表明了盐酸四环素的降解归因于PMS活化产生的多种自由基(?OH、SO4??、O2??)和非自由基途径(1O2、电子转移)。计算了四环素类抗生素的垂直电离能和-EHOMO，并结合其降解速率得出了良好的相关性，为其他类抗生素的降解提供了新的见解。而且相比于 Co NPs-PBC/PMS 体系，Co-PBC/PMS 体系表现出更高的矿化率，更好的循环使用性，为生物质碳基催化剂预处理废水提供了新的启示，有望在实际中应用。

关键词： 优化控制   污水处理过程   活性污泥法   麻雀搜索算法   变论域模糊PID器  

摘要： 随着我国经济和城市化迅速发展,城市污水处理厂面临出水水质超标,能源消耗过度等问题,在污水处理过程中实施优化控制迫在眉睫。本论文提出一种基于麻雀搜索算法的污水处理过程优化控制策略,利用多目标麻雀搜索算法对出水水质和运行能耗目标进行动态优化,并设计变论域模糊PID控制器对优化设定值进行跟踪控制,实现出水水质达标的同时降低运行能耗。论文主要工作和创新点如下: (1)深入研究国际基准仿真模型(Benchmark Simulation Model No.1,BSM1)结构、生化反应池和二沉池模型,并根据机理方程建立测试平台,验证所设计优化控制方法的有效性。对城市污水处理技术中运行能耗、出水水质、控制效果指标,以及关键控制变量进行详细分析,并设计污水处理优化控制架构,并通过开环静态仿真验证平台搭建的准确性。 (2)针对多目标麻雀算法存在pareto解集收敛性和多样性不足的问题,提出一种融合多策略的多目标麻雀搜索算法。首先,利用佳点集初始化麻雀种群,使种群分布更加均匀,提升搜索空间,并在发现者位置更新公式中引入最优引导策略和动态惯性权重,平衡算法全局探索和局部开发能力;然后,为提升算法局部逃逸能力,改进警戒者位置更新策略,并对最优位置麻雀个体进行扰动;最后,在外部存档更新过程中引入种群更新方法,加快算法收敛速度,增加种群多样性。通过BSM1仿真实验表明,所提算法的收敛性和多样性得到明显提升,利用PID控制器跟踪控制算法优化后设定值的方案有效降低污水处理过程的运行能耗并提升出水水质。 (3)针对污水处理过程中非线性和时变性导致的溶解氧和硝态氮难以精确控制问题,提出一种麻雀搜索算法优化的变论域模糊PID控制器。首先,利用麻雀搜索算法优化第5单元和第2单元的变论域模糊PID控制器的初始参数值;然后,进行二次寻优,即对量化因子和比例因子进行优化,并设计基于模糊规则的论域自适应调整策略在线整定控制器参数,以提高控制器的跟踪精度;最后,应用BSM1平台进行恒值和动态变值跟踪控制的实验验证。实验结果表明,与常规PID控制器、模糊PID控制器和基于自适应伸缩因子变论域模糊PID控制器相比,所设计控制器的平方误差积分指标、绝对误差积分指标、最大绝对误差指标得到明显降低,运行能耗得到进一步降低。

关键词： 铁锰氧化物   甲烷厌氧氧化   甲烷排放   污水处理   生物学机制  

摘要： 近年来,铁、锰为电子受体的甲烷厌氧氧化（AOM）被证实存在于电化学人工湿地（CW-MFC）中,也是减少CW甲烷排放的重要途径,但是其减排的内在机理、微生物过程和电子转移机制并不清楚。当前抗生素在环境中广泛检出,但抗生素对AOM过程的影响尚不清楚,也未见抗生素对铁、锰CW-MFC系统中产甲烷影响及生物学机制的相关报道。因此本研究构建了活性炭、黄铁矿、锰矿石基质CW-MFC,首先探讨了铁、锰基质对于CW-MFC系统中AOM影响过程和机制。其次,研究了抗生素对于CW-MFC系统中铁、锰-AOM的影响过程和作用机理。最后,由于CW-MFC主要生态功能是污水处理效能,研究了铁、锰基质CW-MFC对于抗生素低C/N废水处理效能和反硝化微生物学机制。研究结果以期为CW-MFC实现甲烷减排和污水协同治理提供理论参考,主要研究结果如下: 首先解析了CW-MFC中通过铁、锰-AOM实现甲烷减排的内在机制。发现铁、锰-AOM让CW-MFC系统甲烷排放量减少了50.86%和52.39%。参与甲烷代谢微生物相对丰度显著升高（Methanothrix soehngenii提高2.24%和0.86%,Methanothrix sp.提高2.01%和1.64%）。在AOM过程中,mcr基因占比是活性炭装置的1.75和1.79倍,影响细胞色素C合成的关键基因cyc1（活性炭系统的1.64和1.12倍）和cox11（活性炭系统的1.90和1.59倍）显著富集,导致电子转移过程被增强。此外,腐殖酸增加也为电子提供穿梭通道,从而显著增强CW-MFC系统的COD、TN、TP去除效率。 其次探究了抗生素对铁、锰CW-MFC废水处理系统中甲烷排放量、微生物代谢途径以及电子传递过程的影响。结果表明:抗生素不但没有抑制AOM过程,反而促进了铁、锰CW-MFC中的AOM过程,导致甲烷排放降低。其中Methanothrix从0.12%～1.57%提高为3.15%～2.97%,Methanoregula从0.38%～0.89%提高为0.75%～4.02%。基于实验结果提出了一条抗生素增强铁、锰CW-MFC系统中AOM的可能代谢路径,首先在铁、锰CW-MFC系统中,低浓度SMZ会促进厌氧甲烷氧化菌和相关合作菌群生长,增强AOM电子转移。然后低浓度SMZ会削弱TCA过程迫使厌氧甲烷菌利用金属氧化还原来获取能量。最后抗生素还可以提高AOM重要菌群代谢,改变AOM相关基因丰度,增强甲烷氧化过程。 最后,在上述研究基础上探究了铁、锰CW-MFC系统对抗生素低C/N废水处理及抗性基因迁移。发现腐植酸依赖呼吸是提高抗生素低C/N废水处理效率的关键机制。铁、锰系统可通过减少亚硝酸盐积累来保证反硝化电子受体数,增强反硝化作用,随着EPS中腐植酸含量的增加,胞内外电子传递效率和微生物代谢增强。配合物IV增加了2.00%和3.06%,加速了硝化过程中的电子传递。H+转运ATP酶的丰度增加了2.86%和2.75%。几乎所有与硫酸盐同化还原相关的酶的基因丰度都增加促进了S、N循环。本研究结果为CW处理抗生素低C/N废水协同治理提供理论依据。

关键词： 污水处理   消毒工艺   抗生素抗性基因   降解效率  

摘要： 污水资源化在处理水污染的同时也提供了大量的非常规水资源，是解决当前水危机问题的有效手段。近年来抗生素的广泛使用和滥用，导致污水中抗生素抗性基因（ARGs）种类和丰度日益增加，严重危害生态安全和人体健康，提高污水处理效率，去除水中ARGs,保障再生水安全，是污水资源化利用的重要前提。UV/NaClO消毒工艺能够高效灭活水中病原体、破坏ARGs并去除难降解有机物。但研究表明，UV/NaClO会提高消毒副产物（DBPs）生成风险，且ARGs去除效果不稳定。将传统UV/NaClO的光源升级为含VUV光的紫外灯，构建VUV/UV/NaClO工艺，可显著提高抗生素降解效率且有效控制DBPs生成。由于VUV具有更强的激发能力，可以显著提高体系中自由基等氧化活性物质的数量，预期VUV/UV/NaClO在ARGs去除方面也会取得更高的效率，但是目前并无相关报道。　　因此，本文聚焦VUV/UV/NaClO控制ARGs污染的效能与机制，研究了该工艺对普通细菌、耐药菌（ARB）以及实际水厂出水混合菌的灭菌效果、对胞内外ARGs的去除和阻断水平转移的效果，探讨了共存物质（抗生素、DOM）对工艺效能的影响，并在真实再生水中考察了工艺的实际应用效率和能耗，进一步通过扫描电镜（SEM）、流式细胞术（FCM）、活性物种鉴定、淬灭实验、胞内氧化压力变化分析、转录组等多种手段进行了机理分析。　　结果表明，VUV/UV/NaClO可在1 min内即可灭活7-log的普通大肠杆菌、4.1-log的普通金黄色葡萄球菌、4.8-log的β-内酰胺类耐药菌、真实再生水中的全部细菌，5 min内灭活4.4-log的磺胺类耐药菌，30 min可灭活全部7-log的细菌，并彻底防止细菌复活;与UV/NaClO相比，VUV/UV/NaClO对胞内sul1和胞内blaNDM-1的去除速率分别提高了 17％和20％,去除效能受DOM影响更小，能够完全抑制基因水平转移，且在抗生素、耐药菌和ARGs同步去除时对氨苄青霉素的去除速率提高了 12倍，对胞内blaNDM-1的最终去除率提高了 36％,即使在真实再生水中也能保证抗生素、耐药菌和ARGs同步去除时对抗生素的降解率和灭菌率达到100％,对胞内blaNDM-1和胞内sul1的去除率分别达到4.7-log和6.0-log。VUV/UV/NaClO工艺的理论能耗为0.10 kW h/m3，远远低于目前水厂的UV消毒工艺（0.19kWh/m3）,具有良好的应用前景。　　VUV/UV/NaClO工艺有效控制ARGs污染主要通过以下几个途径:（1）VUV/UV/NaClO体系激发产生的大量氧化活性物种如·OH、·ClO、·O2-和1O2,攻击破坏细菌结构，氧化活性物质通过受损细胞膜进入胞内，与UV共同作用导致胞内DNA降解，其中·O2-和 1O2的作用尤其显著;（2）与细胞膜合成和功能有关的基因大量下调，膜功能无法正常维持，细胞通透性增加，胞内DNA释放到胞外，被胞外氧化活性物质氧化和UV光照降解;(3)光照和氧化刺激导致trxA、katE和sodB还原酶基因下调，还原酶活性降低，胞内ROS积累，且编码DNA结合保护蛋白的基因dps下调，加剧了DNA的胞内氧化降解;(4)控制基因水平转移的整合子intI1被氧化和UV降解，编码IS1家族转座酶的基因NMV80_RS21975和与噬菌体感染相关的基因malT下调，导致基因水平转移受到抑制;(5)体系氧化导致细菌结构严重破坏，且参与光再激活的基因phrB下调，细菌无法通过自我修复复活，从而实现彻底灭菌。　　综上，VUV/UV/NaClO工艺能够彻底灭活细菌并去除抗性基因，阻断抗生素抗性传播，控制抗生素抗性污染，且能耗低，实际应用潜力巨大，可为污水资源化利用提供高效、安全的消毒技术。

摘要： The digital twins concept enhances modeling and simulation through the integration of real-time data and feedback. This review elucidates the foundational elements of digital twins, covering their concept,entities, domains, and key technologies. More specifically, we investigate the transformative potential of digital twins for the wastewater treatment engineering sector. Our discussion highlights the application of digital twins to wastewater treatment plants(WWTPs) and sewage networks, hardware(i.e., facilities and pipes, sensors for water quality and activated sludge, hydrodynamics, and power consumption), and software(i.e., knowledge-based and data-driven models, mechanistic models, hybrid twins, control methods, and the Internet of Things). Furthermore, two cases are provided, followed by an assessment of current challenges in and perspectives on the application of digital twins in WWTPs. This review serves as an essential primer for wastewater engineers navigating the digital paradigm shift.