极地船舶生活污水智能安全处理技术研究
摘要
二十世纪中叶以来，世界各国对于极地的探索愈发频繁。与此同时，国际海事组
织制定的船舶污水排放标准也在不断提高。为使极地科考船排放的生活污水满足国际
海事组织(IMO)标准，本研究设计改进了一个能在极地环境下保持高效的极地船舶生
活污水工程样机并装配智能控制系统，通过连续流试验对其脱氮除碳性能进行探究。
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极地新型船舶MBR样机有效容积1.862m，设计处理量为35位船员每天所产生的
废水，实际水力停留时间（HRT）为HRT+HRT=7+3h,实际处理量可以达到65人产生
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的污水量。对控制系统进行改进，通过可编程逻辑控制器(PLC）程序对液位子系统、
温控子系统、生物安全防控子系统等进行调控。
利用样机对科技园区真实生活污水进行连续流试验，探究不同HRT梯度和温度梯
度下的运行性能。结果表明，通过连续流试验，样机脱碳除碳性能最佳时水力停留时
间为HRT+HRT=7+3h，最佳运行温度为T22℃，化学需氧量(COD)和总氮(TN)的平
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均出水浓度达到57.8mg/L和7.75mg/L。样机的脱氮效果对温度变化非常敏感，温度过
低会影响样机脱氮除碳效果，当温度下降到15℃这个临界点后，出水开始超标。为了
保持稳定的处理效果，利用PID控制精准调控样机温度，使样机在预设温度下稳定运
行，此外，还发现在低温环境中厌氧膜区，生物膜的脱氮效率会增强，由2%上升到
5%，对极端环境下系统效率起到保障作用。利用扫描电镜对反应器中膜组件表面进行
显微分析，发现选择合适的运行温度和HRT对缓解膜污染，保持高膜通量至关重要。
通过生物群落分析揭示不同运行工况下活性污泥菌群分布情况。出水采用紫外-投药-光
催化联合消毒，并达到IMO排放标准，排气采用光催化-排气滤芯消毒，并达到了国家
室内空气质量标准(GB/T18883-2020)，生物安全防控有效杜绝病毒在密闭空间的传播。
最后利用BP神经网络对样机出水水质进行预测，搭建BP-PID智能调控系统平台
对出水水质的调控进行仿真测试，异常情况下系统可生成智能调控预案，能够通过前
馈优化调控温度、HRT等运行参数调整出水水质，同时能够快速启动相应的控制模块。
对比传统PID调控，其响应迅速、缓冲时间短、调控扰动量小、几乎不存在超调情况，
可以很好的适应复杂的工艺运行系统，对极地新型船舶膜生物反应器(MBR)样机在极
地复杂条件下保持高效处理性能具有重要意义。
关键词：膜生物反应器；脱氮除碳；生物群落分析；自动控制系统；低温运行
极地船舶生活污水智能安全处理技术研究
ABSTRACT
Sincethemiddleofthetwentiethcentury,theworldhasbeenexploringthepolarregions
moreandmorefrequently.Atthesametime,theshipeffluentdischargestandardssetbythe
InternationalMaritimeOrganization(IMO)havebeenincreasing.Inordertomakethedomestic
sewagedischargedfrompolarresearchvesselsmeettheIMOstandards,apolarshipMBR
engineeringprototypethatcanmaintainhighremovalefficiencyinpolarenvironmentis
designedandimproved,andan