[發明專利]一種膜生物污水處理的生物膜模型構建方法

在審

• 申請號: 201810057167.X
• 申請日: 2018-01-22
• 公開（公告）號: CN108455733A
• 公開（公告）日: 2018-08-28
• 發明（設計）人: 楊艷霞;劉海玉;趙貫甲
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: C02F3/34
• 分類號: C02F3/34;C02F3/00
• 代理公司: 太原晉科知識產權代理事務所(特殊普通合伙) 14110
• 代理人: 任林芳

本發明公開了一種膜生物污水處理的生物膜模型構建方法，該方法的步驟包括：根據生物膜及反應器的物理模型，選擇格子Boltzmann方程；根據選定的格子Boltzmann方程確定生物膜的可變形邊界處理格式，同時獲取在不同的流速情況下生物膜的宏觀參數；其中，所述宏觀參數至少包括生物膜邊界位置、流體密度、形變速度及生物膜邊界隨時間的受力參數；根據獲取的參數，繪制生物膜在不同流速情況下的形態圖，模擬計算不同流速條件下生物膜和流體之間的相互作用，確定生物膜界面的運動情況。通過對膜生物反應器內流場及生物膜邊界形變的數值模擬，研究生物膜運動特性，及生物膜在溶液流體內的形變對流動特性的影響，進而為實際工程應用提供一定的指導和預測。

技術領域

本發明涉及膜生物法污水處理領域，特別是涉及一種膜生物污水處理的生物膜模型構建方法。

背景技術

在現代社會大量的工業企業，如紡織，造紙，紙漿，印刷，鋼鐵，焦炭，石油，農藥，油漆，溶劑，醫藥等產生大量的工業廢水，這些廢水中含有各種對人類和環境有害的有機化學物質。因此，這些工業廢水在排放到環境之前，需要通過物理、化學或生物處理技術來降解或脫毒。膜生物污水處理是一種新型的污水處理手段，它是通過微生物降解污水中的有機物提供自身生長。其中光合細菌在降解有機物的同時還能產生清潔能源氫能，因此，可以達到節能減排的作用，是一種高效，節能且環保的污水處理技術。

膜生物污水處理工藝中，生物膜是關鍵的組成部分。生物膜法是一種最常用的細胞固定技術，它是微生物菌大量繁殖生長，通過胞外聚合物將自身包裹吸附生長于一些固體基質表面(如平板、多孔介質等)，從而在其表面形成一層致密的生物膜，如圖1。不同于懸浮菌，以生物膜形式存在的的細菌微生物對污水中的抗生素等殺菌劑、惡劣環境及宿主免疫防御機制有很強的抗性，生物被膜內的細菌在生理、代謝、對底物的降解或利用和對環境的抵抗能力等方面都具有獨特的性質。因此，生物膜固定技術可以增加反應器內的生物量，提高反應器的運行穩定性和降解性能。

目前，對膜生物法降解有機污水已經有大量的研究報道，主要是基于實驗研究，分析不同外界條件，如PH、有機物成分、光照強度等的影響。生物膜是一種具有微納米尺度孔隙的多孔結構，其對反應器內的流動及傳質過程有很大影響，因此對生物膜特性的研究意義重大。實驗研究受可視化、實驗設備及精度的限制，對微生物膜內的傳質及生物膜特性的研究還較少。本發明將借助于介觀尺度的格子Boltzmann算法，結合可移動邊界處理格式建立一種數值模型，其可以對生物膜運動特性進行研究，進而為實驗研究進行預測和提供理論依據。

發明內容

本發明主為解決現有問題的不足之處而提供一種膜生物污水處理的生物膜模型構建方法。

為解決上述技術問題，本發明采用的一個技術方案是：提供一種膜生物污水處理的生物膜模型構建方法，包括：根據生物膜及反應器的物理模型，選擇格子Boltzmann方程；根據選定的格子Boltzmann方程確定生物膜的可變形邊界處理格式，同時獲取在不同的流速情況下生物膜的宏觀參數；其中，所述宏觀參數至少包括生物膜邊界位置、流體密度、形變速度及生物膜邊界隨時間的受力參數；根據獲取的參數，繪制生物膜在不同流速情況下的形態圖，模擬計算不同流速條件下生物膜和流體之間的相互作用，研究生物膜的運動特性。

其中，在選擇格子Boltzmann方程的步驟中，選擇格子Boltzmann(D2Q9)模型，公式表達為：

f_i(x+e_iδ_t，t+δ_t)-f_i(x，t)＝-τ^-1(f_i(x，t)-f_i^eq(x，t))+F_iδ_t