廢水生物處理系統數學模型

1、3.廢水生物處理系統數學模型,3.1 概述3.2 活性污泥系統數學模型3.3活性污泥系統模擬軟件的編寫3.4活性污泥系統模擬軟件的應用,,,3.1 概述,3.1.1廢水處理系統簡介3.1.2 活性污泥系統設計和管理3.1.3 活性污泥系統數學模型研究現狀和意義,圖3-1 廢水處理工藝,,3.1.1廢水處理系統簡介,,,圖3-2 A/O法工藝,圖3-3 A/A/O 法工藝,圖3-4 氧化溝工藝,圖3-5 SBR工藝,,,Fw =

2、 0.2 ～ 0.4 kgBOD/(kgMLSS·d)Fr = 0.4 ～ 0.9 kgBOD/( m3池容·d),污泥負荷法：,泥齡法：,Y = 0.4 ～0.8 （20℃，有初沉池）； Kd =0.04 ～0.075 (20℃)；,3.1.2 活性污泥系統設計和管理,數學模型法：,3.1.3 活性污泥系統數學模型研究現狀和意義,現狀及發(fā)展1986年IAWQ（International Associat

3、ion on Water Quality）組織南非、丹麥、美國、瑞士、日本五國專家，經3年研究，推出去除污水中碳和氮的活性污泥1號模型（Activated Sludge Model N0. 1，ASM1）。1995年推出ASM2和ASM2d，增加了生物除磷過程。1999年推出了ASM3。意義優(yōu)化設計 污水廠運行和管理新工藝開發(fā)科研和教學,3.2 活性污泥系統數學模型,3.2.1 ASM13.2.2 ASM2、

4、ASM2d、ASM33.2.3 二沉池模型3.2.4 活性污泥系統綜合模型,3.2.1 ASM1,ASM1采用了Dold等人1980年提出的死亡—再生（Death-regeneration）理論對單級活性污泥系統的碳氧化、硝化和反硝化三種主要生物學過程中的相關速率進行了定量描述。它采用了矩陣結構的表達方式，將污水中的組分依據生物反應特性劃分為13項，并將微生物的增長、衰減及水解等過程從呼吸過程中電子受體的角度劃分為8個過程，對每一個

5、過程的速率描述采用雙重Monod模式。這種矩陣表達方式，使得模型結構簡單，速率表達清晰，化學計量關系準確。目前歐美各國廣泛使用的活性污泥各種設計及模擬軟件均以此模型作為基礎。,圖3-6 微生物反應過程機理,,,工藝過程 ↓,j,i,,,,,,,,,,,,,,,,,,觀察到的轉換速率（ML-3T-1),,,,-1,1,,,,,,,,,,網捕性有機氮的水解,8,,,,,,,,,,,-1,,1,,網捕性有機物的水解,7,,,,,-1,1

6、,,,,,,,,,可溶性有機氮的氨化,6,,,,,,,,fP,-1,,,,,,自養(yǎng)菌的衰減,5,,,,,,,,fP,,-1,,,,,異養(yǎng)菌的衰減,4,,,,,,,,,1,,,,,,自養(yǎng)菌的好氧生長,3,,,,,,-iXB,,,,1,,,,,異養(yǎng)菌的缺氧生長,2,,,,,,-iXB,,,,1,,,,,異養(yǎng)菌的好氧生長,1,工藝過程速率 ρj (ML-3T-1),13SO,12SALK,11XND,10S

7、ND,9SNH,8SNO,7XP,6XB.A,5XB.H,4XS,3XI,2SS,1SI,組分 →,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,化學計量參數：異養(yǎng)菌的產率系數: YH自養(yǎng)菌的產率系數: YA微生物衰減的顆粒態(tài)產物 比例系數: fP N在生物量COD中的比例: iXB衰減的顆粒態(tài)產物中的N/C（COD）: iXP,動力學參數：異養(yǎng)菌的生長與

8、衰減：μH KS KO.H KNO bH自養(yǎng)菌的生長與衰減：μA KNH KO.A bA異養(yǎng)菌缺氧生長的校正因子：ηg氨化作用：ka水解作用：kh KX缺氧水解的校正因子：ηh,堿度 [摩爾單位]（HCO3-）,顆粒態(tài)可生物降解有機氮 [M（N）L-3],溶解態(tài)可生物降解有機氮 [M（N）L-3],氨氮 [M（N）L-3]（NH4+—N+NH3—N）,硝酸鹽與亞硝酸鹽氮 [M（N）L-3]（NO3-—N+N

9、O2-—N）,氧 [M（COD）L-3],微生物衰減的顆粒態(tài)產物[M（COD）L-3],自養(yǎng)菌生物量 [M（COD）L-3],異養(yǎng)菌生物量 [M（COD）L-3],慢速可生物降解基質 [M（COD）L-3],顆粒態(tài)惰性有機物 [M（COD）L-3],快速生物降解基質 [M（COD）L-3],溶解態(tài)惰性有機物 [M（COD）L-3],,表3-1 ASM1模型速率表達式矩陣表,3.2.1 ASM1,3.2.1.1 模型的假設、限制與約束條件

10、3.2.1.2 生物學工藝過程3.2.1.3 過程參數（組分）3.2.1.4 典型參數3.2.1.5 過程速率表達式3.2.1.6組分速率的表達式,3.2.1.1 模型的假設、限制與約束條件,（1）所有生物反應均在恒定溫度下進行。由于大多數反應動力學參數都與溫度有關，其相應的函數關系符合Arrenvunis方程。 （2）pH值恒定并維持在中性狀態(tài)。 （3）速率系數與入流組分和負荷變化無關。 （4）氮、磷和其

11、它無機營養(yǎng)物的水平對微生物的增長和反應沒有影響。 （5）反硝化的校正因數ηg 和ηh對給定污水為恒定值。 （6）硝化速率系數恒定。 （7）異養(yǎng)生物量為均一的并不隨時間發(fā)生種屬上的變化，這一假設與動力學系數恒定的假設在本質是一致的，即基質濃度梯度、反應器構造等對活性污泥沉降性能沒有影響。,,（8）顆粒態(tài)有機物質的生物網捕瞬間完成。 （9）有機物質與有機氮的水解以相同的速率同時發(fā)生。 （10）微生物的衰減與電子受

12、體的形式無關。,3.2.1.2 生物學工藝過程,3.2.1.3 過程參數（組分）,COD：,N：,其它：,SNH 　氨態(tài)氮（NH3-N）；SNO 　硝態(tài)氮（NO2-N+NO3-N）SND 　溶解態(tài)可生物降解有機氮XND 　顆粒態(tài)可生物降解有機氮,SI 溶解態(tài)惰性有機物質SS 快速生物降解有機物XI 顆粒態(tài)惰性有機物XS 顆粒態(tài)慢速生物降解基質,XB，H 異養(yǎng)微生物量 XB，A 自養(yǎng)微生物量

13、XP 由微生物衰減而產生的　　　顆粒態(tài)產物,氧　ＳＯ　　　　堿度?。樱粒蹋?,符號,,名,,稱,,,單,,位,,10,℃值,,20,℃值,,,,,,,,,,,Y,A,,自養(yǎng)菌產率,,g,細胞,COD/gN,氧化,,0.24,,0.24,,,,,,,,,,,Y,H,,異養(yǎng)菌產率,,g,細胞,COD/g,COD,氧化,,0.67,,0.67,,f,p,,生物量中可轉化為顆粒性產物的比例,,無量綱,,0.08,,0.08,,i,XB,,氮占

14、生物量,COD,的比例,,gN/gCOD,,,0.086,,0.086,,i,XP,,顆粒性衰減產物,COD,中氮的比例,,gN/gCOD,,,0.06,,0.06,,,,,,,,,,,,3.2.1.4 典型參數,表3-2 化學計量參數值,,,表3-3 動力學參數,3.2.1.4 過程速率表達式,1.異養(yǎng)菌的好氧生長,SS,SO,SNH,SALK,XB，H,1,-iXB,,,2.異養(yǎng)菌的缺氧生長,SS,SNO,SNH,SALK,XB，

15、H,-iXB,1,,,3.自養(yǎng)菌好氧生長,SNH,SO,SALK,XB，A,SNO,1,,,4.異養(yǎng)菌的衰減5. 自異養(yǎng)菌的衰減,-1,fp,1-fp,iXB-fpiXP,-1,fp,1-fp,iXB-fpiXP,,,6.溶解性有機氮的氨化7.不易生物降解有機物水解,-1,1,1,-1,,8.顆粒性有機氮的水解,-1,1,,3.2.1.6組分速率的表達式,任一生物過程j中的任一組分i的速率γij為該過程的速率表達式ρj

16、與其相應的速率系數νij的乘積，即：一個組分在整個系統中的速率則為相應過程速率之和，即：,,,,,SI：,SS：,,XI：,,XS：,,XB，H：,,XB，A：,,,XP：,S0：,SNO：,SNH：,SND：,,,,,,,XND：,,,SALK：,,3.2.3 二沉池模型（分層沉淀模型）,,,,,,,),,,,,,,,,),,,圖3-7 分層沉淀池各層物料平衡圖,2-8,,Takacs二沉池顆粒沉淀的綜合沉速表達式：式

17、中：vsj—實際沉速，m/d； v0—最大理論沉速，m/d； v0’—最大實際沉速，m/d； —可沉降顆粒濃度，g/m3； rh—干擾沉淀區(qū)顆粒沉淀系數，m3/g； rp—絮凝沉淀區(qū)顆粒沉淀系數，m3/g。,,,,,可沉降顆粒濃度與總顆粒濃度的關系為：

18、 其中：fns—不可沉降顆粒比例； Xj—總顆粒濃度，g/m3。,,,表3-4 Takacs綜合沉降速度表達式參數,3.2.4 活性污泥系統綜合模型,活性污泥處理工藝有許多種形式（如氧化溝、A/O、SBR等），但根據反應器原理任何一個實際反應器內的流態(tài)都可以用N個串聯的理想完全混合反應器來表示，從而使實際反應器內的復雜流態(tài)（短流、渦流等）簡單化，N值可通過示

19、蹤方法（或根據經驗）確定。,,圖3-8 活性污泥系統綜合模型工藝流程,,,圖3-9 n個完全混合型反應器串聯時的階躍輸入響應,圖3-10 n個完全混合型反應器串聯時的脈沖輸入響應,,,,,,,,,0,0.25,0.5,0.75,1,1.25,1.5,1.75,2,2.25,2.5,0,0.25,0.5,0.75,1,1.25,1.5,1.75,2,時間 (t),濃度 （C）,,n=1,,n=2,,n=5,,n=10,,n

20、=25,,n=75,,,τ,τ,,n=∞,圖3—11活性污泥系統綜合模型的構成,固體通量模型,活性污泥系統模型,,固液分離子系統,生物反應子系統,,,子系統連接：模型組分轉換關系 混合液生物反應器 二沉池 回流污泥,動力學模型 ASM1,水力傳遞模型 多級CSTR串 聯模型,

21、,,,,,,,,,,,3.3活性污泥系統模擬軟件的編寫,3.3.1 總體框圖3.3.2 模擬工藝流程3.3.3 物料平衡式3.3.4 數值計算3.3.5 編程3.3.6 模擬軟件的校準,,,,,,,,,,,,,,,,,圖3-12 模擬器總體框圖,3.3.1 總體框圖,,3.3.2 模擬工藝流程,圖3-13 模擬工藝流程,3.3.3 物料平衡式,生物反應器輸入量- 輸出量 + 反應消耗量（或生成）= 反應器內的累積量∴Uni

22、t1∴Unit2—M+N：對于SO ：其它：,,,,,,二沉池： 輸入 - 輸出 = 每一層內的累積∴入流層（m=6）：∴入流層和底層之間（m=2—5）：,,∴底層（m=1）：∴入流層和頂層之間（m=7—9） 以上式中：,,,,,∴頂層（m=10）式中：,,,3.3.4 數值計算,用數值積分法求組分濃度穩(wěn)態(tài)解，數值積分采用Eular 法。,,,3.3.5 編程,編程時為了表達清楚、操

23、作方便，把程序分為五個部分：Modulel 1：定義生物反應器中的各參數及變量，用函數的形式定義過程速率、組分速率和生物反應器的物料平衡式。 Module 2：給活性污泥系統所有變量及參數賦初始值。Module 3：數值積分求組分穩(wěn)態(tài)解。 Module 4：沉淀池的通量表達式和物料平衡式函數 窗體：輸出模擬的計算結果。,全局變量說明,動力學參數 化學計量參數,過程速率函數,反應速率函數,物料平衡微分 方程函數,t（t≥0

24、）時刻進水水質濃度,Zt+1=Zt +(dZ/dt) △tXt+1=Xt+(dx/dt) △t,判斷是否達 到穩(wěn)態(tài),輸出穩(wěn)態(tài)值、時間 及控制參數,Zt=Zt+1 Xt=Xt+1,否,是,,,,,,,,,,,,,,,,,,圖3-14 程序總體框圖,,軟件主界面,,,,,動力學與化學計量參數設定,,,,進水各組分濃度設定,3.3.6 模擬軟件的校

25、準,90%以上的組分濃度值與基準值完全相同，其余幾個組分的最大誤差為0.28%， 小于COST模擬基準規(guī)定的誤差值0.5%。 本研究開發(fā)的模擬器建立的思路和計算方法完全正確，可以用于污水處理廠活性污泥系統的優(yōu)化設計和運行管理,3.4 活性污泥系統模擬軟件的應用,西安市規(guī)劃建設第四污水處理廠，設計規(guī)模：55萬m3。 表3-5 設計進出水水質要求,,圖3-15 A1/O（缺氧+好氧活性污泥

26、法）工藝流程圖,入流組分測定：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,10,20,30,40,50,60,70,80,占總,COD,比例,（%）,,,,,,,,SI,SS,XI,XS,XBH,組分,,,歐洲基準,,第四污水處理廠,圖3-16 第四污水處理廠入流中含碳有機物的測定結果,圖3-17 第四污水處理廠入流中含氮物質的測定結果,入流組分測定：,,,,,

27、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,10,20,30,40,濃度,（mg/l),,,,,,,SNO,SNH,SND,XND,組分,,,歐洲基準,,第四污水處理廠,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,5,10,15,20,25,30,

28、35,40,45,50,14,16,18,20,22,24,26,28,30,曝氣池總體積（萬m,3,),COD,BOD,SS,TN(mg/l),,,,COD,,,BOD,,,SS,,,NH3-N,,,TN,圖3-18 曝氣池體積與出水水質關系,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,16,16.5,17,17.5,18,18.5,19,14,16,18,20

29、,22,24,26,28,30,曝氣池體積（萬m,3,),總需氧量（萬kgO,2,/d）,4,4.5,5,5.5,6,6.5,7,剩余污泥量（萬kg/d),,,,總需氧量,,,剩余污泥量,圖3-19 曝氣池體積與總需氧量和剩余污泥量關系,費用函數,運行費用,基建投資費用,總費用函數,西安市第四污水處理廠設計結果,缺氧池設計水量：55萬m3/d總有效體積：5萬m3/d停留時間：2.17h混合液濃度：3500 ～ 4000mg/

30、l,好氧池設計水量：55萬m3/d總有效體積：15萬m3/d停留時間：6.53h混合液濃度：3500～4000mg/l混合液回流比：200%溶解氧濃度： 1 ～ 3mg/l總泥齡：大于10d污泥負荷：0.14kgBOD5/(kgMLSSd),二沉池停留時間：4.5 h水力負荷：0.87m3/(m2·h)污泥回流比：50 ～100%,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

31、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,500,1000,1500,2000,2500,3000,3500,4000,4500,0,5,10,15,20,25,30,35,40,time(days),MLSS,X,BH,(mg/l),0,20,40,60,80,100,120,140,160

32、,180,X,BA,(mg/l),,,,XBH,,,MLSS,,,XBA,圖3-20 啟動培菌過程,預測與分析,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

33、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,10,20,30,40,50,60,70,80,90,100,110,45,48,51,54,57,60,63,66,69,72,流量（萬m,3,),COD,SS,BOD(mg/l),0.130,0.134,0.138,0.142,0.146,0.150,0.154,0.158,0.162,0.166,0.170,0.174,污泥負荷L,S,（kg/kg·d),,

34、,,COD,,,SS,,,,,,,BOD,,,Ls,圖3-21 流量、污泥負荷與出水水質指標關系,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,20,40,60,80,100,120,140,400,420,440,460,480,500,520,540,進水COD（mg/l),COD,SS(mg/l),,,,COD,,,SS,圖3-22 進水COD與出水CO

35、D、SS之間的關系,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,15,20,25,30,35,40,45,50,30,35,40,45,50,55,60,進水NH,3,-N（mg/l),TN(mg/l),0,0.05,0.1,0.15,0.2,0.25,0.3,0.35,NH,3,-N(mg/l),,,TN,,,NH3-N,圖3-23 進水NH3-N與出水

36、NH3-N、TN之間的關系,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,0,5,10,15,20,25,30,35,0,3,6,9,12,15,18,21,24,27,30,污泥齡θc(d),NH,3,-N，TN（mg/l),,,NH3-N,,,TN,圖3-24 污泥齡與出水NH3-N、TN之間的關系,結 論,快速可生物降解有機物采用間歇實驗法

37、和慢速可生物降解有機物采用測定BOD5 計算法既操作簡單又測定結果比較準確?；钚晕勰嗄M器設計污水處理廠，可以比較準確地模擬出水水質情況、反應器中溶解氧濃度、污泥濃度、剩余污泥濃度等參數?；钚晕勰嗄M器對擬建污水處理廠進行模擬設計，可以比較準確地確定污泥負荷、曝氣池容積和出水水質指標的關系?；钚晕勰嗄M器設計污水處理廠，可以比較準確地計算出需氧量和剩余污泥量等參數， 從而在綜合費用經濟分析下， 可以優(yōu)化設計曝氣池體積和

38、各種影響運行費用的操作控制參數等?；钚晕勰嗄M器可以快速地模擬預測不同運行管理條件下的污水處理過程，如進水水質變化、流量變化、污泥負荷變化、污泥齡變化和污泥回流比變化等引發(fā)的出水水質變化，為城市污水處理廠運行管理提供科學依據。活性污泥模擬器不僅可以優(yōu)化設計城市污水生物處理系統，同時也可以快速地模擬預測不同運行管理條件下的污水處理過程， 為運行管理提供科學依據，隨著具有我國污水水質特性的活性污泥模擬器研究的不斷完善，活性