基于Hopf分叉理论和ASMs模型的多级环流MBR处理β-内酰胺类抗生素及中间体废水的多重稳态性调控机制研究

In view of the complex water quality of β-lactam antibiotics and intermediates, the inherent relationship between the main parameters and the dynamic relationship with the influence of effluent quality is not clear, which greatly hampered the improvement of existing processing technology performance. In order to solve this problem, this paper proposes a new reactor operation control strategy to improve the degradation efficiency of pollutants without changing the existing process and without increasing the investment of the equipment. Based on Hopf system bifurcation theory and ASMs model, the microbial degradation mechanism and influencing factors of β-lactam antibiotics and intermediates under different environmental conditions will be studied. The equilibrium equation of multi-steady state will be established. The conditions of the occurrence of multiple steady states will be determined, and the effect of the process parameters on the efficiency of the reactor will be achieved. Finally, the reactor is brought to the best stable state, and the main technical bottlenecks to limit the efficient operation and popularization of the MBR reactor will be solved. A new scientific research idea and engineering operation strategy will be provided to realize the synergistic effect of pollutant degradation.

鉴于β-内酰胺类抗生素及中间体废水水质复杂、降解过程中受不确定性变量和因素影响、各主要参数间的内在联系及对出水水质影响的动态关系不明晰等诸多问题，大大阻碍了现有处理技术效能提升。本课题旨在针对该问题，提出一种新型的反应器运行调控策略，在不改变现有工艺流程和不增加设备投资的基础上，提高污染物降解效率。该策略基于Hopf系统分岔理论和ASMs模型，探索差异环境条件下多级环流MBR对β-内酰胺类抗生素及中间体的微生物降解机理和影响因素，构建多重稳态物料平衡方程，确定多重稳态性发生的条件，明晰工艺参数对反应器效能影响，最终实现反应器达到最佳稳定态，解决限制MBR反应器高效运行和推广应用的主要技术瓶颈，为实现污染物降解提标增效提供新的科学研究思路和工程运行策略。

鉴于β-内酰胺类抗生素及中间体废水水质复杂、降解过程中受不确定性变量和因素影响、各主要参数间的内在联系及对出水水质影响的动态关系不明晰等诸多问题，大大阻碍了现有处理技术效能提升。本课题旨在针对该问题，提出一种新型的反应器运行调控策略：基于Hopf系统分岔理论和ASMs模型的调控策略(当μA值大于0，取值为0.5时，系统的运行轨迹未出现分支，始终呈闭环的轨迹运行，无论叠加多少次的运算，都会保持这样的趋势循环，只会看到向里或向外的环形运行轨迹。μA值为0.01时，系统运行轨迹是类似椭圆的无限循环，相比较于取值为0.5时的轨迹，更趋近于一个闭环循环，这种闭环的轨迹被称为极限环，也就是系统的相空间的拓扑结构未发生变化，轨迹趋近于极限环运行)。在不改变现有工艺流程和不增加设备投资的基础上，提高污染物降解效率: 四季（夏、秋、冬和春）的平均COD总去除率分别为91.34%，88.91%，78.91% 和89.58%；BOD5的总去除率（夏，秋，冬，春）平均值分别为97.55%、96.79%、92.37%和95.24%。夏季COD达标率最高为93.33%。夏季BOD5的达标率最高，为96.67%。夏季，秋季和冬季的出水总氮达标率分别为83%，83%和84%。总氮与排放标准的差值分别是-34 mg/L，-29 mg/L和-37 mg/L，这也清晰地展示了反应器的稳定性，大部分的出水浓度都小于规范值。不同季节的出水总氮浓度和标准值之间相差的百分比平均为-26%，-20%和-25%。氨氮在三个季节达标率分别是78%，83%和84%，这说明氨氮的达标率在各个季节均处于较高的水平。探索差异环境条件下多级环流MBR对β-内酰胺类抗生素及中间体的微生物降解机理和影响因素，构建多重稳态物料平衡方程，确定多重稳态性发生的条件，明晰工艺参数对反应器效能影响(YA、fP、iXB和iXP对13个组分的灵敏度分析结果都小于1，而YH的灵敏度值大于1，是5个化学计量参数里灵敏度最大的)，最终实现反应器达到最佳稳定态，解决限制MBR反应器高效运行和推广应用的主要技术瓶颈，为实现污染物降解提标增效提供新的科学研究思路和工程运行策略。