廢水生物處理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型

1、3.廢水生物處理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型,3.1 概述3.2 活性污泥系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型3.3活性污泥系統(tǒng)模擬軟件的編寫3.4活性污泥系統(tǒng)模擬軟件的應(yīng)用,,,3.1 概述,3.1.1廢水處理系統(tǒng)簡介3.1.2 活性污泥系統(tǒng)設(shè)計和管理3.1.3 活性污泥系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型研究現(xiàn)狀和意義,圖3-1 廢水處理工藝,,3.1.1廢水處理系統(tǒng)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(fù)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(tǒng)設(shè)計和管理,數(shù)學(xué)模型法：,3.1.3 活性污泥系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型研究現(xiàn)狀和意義,現(xiàn)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(jīng)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(shè)計 污水廠運行和管理新工藝開發(fā)科研和教學(xué),3.2 活性污泥系統(tǒng)數(shù)學(xué)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(tǒng)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(tǒng)的碳氧化、硝化和反硝化三種主要生物學(xué)過程中的相關(guān)速率進行了定量描述。它采用了矩陣結(jié)構(gòu)的表達(dá)方式，將污水中的組分依據(jù)生物反應(yīng)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(dá)方式，使得模型結(jié)構(gòu)簡單，速率表達(dá)清晰，化學(xué)計量關(guān)系準(zhǔn)確。目前歐美各國廣泛使用的活性污泥各種設(shè)計及模擬軟件均以此模型作為基礎(chǔ)。,圖3-6 微生物反應(yīng)過程機理,,,工藝過程 ↓,j,i,,,,,,,,,,,,,,,,,,觀察到的轉(zhuǎn)換速率（ML-3T-1),,,,-1,1,,,,,,,,,,網(wǎng)捕性有機氮的水解,8,,,,,,,,,,,-1,,1,,網(wǎng)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(xué)計量參數(shù)：異養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù): YH自養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù): YA微生物衰減的顆粒態(tài)產(chǎn)物 比例系數(shù): fP N在生物量COD中的比例: iXB衰減的顆粒態(tài)產(chǎn)物中的N/C（COD）: iXP,動力學(xué)參數(shù)：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(chǎn)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(zhì) [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(zhì) [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(dá)式矩陣表,3.2.1 ASM1,3.2.1.1 模型的假設(shè)、限制與約束條件

10、3.2.1.2 生物學(xué)工藝過程3.2.1.3 過程參數(shù)（組分）3.2.1.4 典型參數(shù)3.2.1.5 過程速率表達(dá)式3.2.1.6組分速率的表達(dá)式,3.2.1.1 模型的假設(shè)、限制與約束條件,（1）所有生物反應(yīng)均在恒定溫度下進行。由于大多數(shù)反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)都與溫度有關(guān)，其相應(yīng)的函數(shù)關(guān)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(shù)與入流組分和負(fù)荷變化無關(guān)。 （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(yīng)沒有影響。 （5）反硝化的校正因數(shù)ηg 和ηh對給定污水為恒定值。 （6）硝化速率系數(shù)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(shè)與動力學(xué)系數(shù)恒定的假設(shè)在本質(zhì)是一致的，即基質(zhì)濃度梯度、反應(yīng)器構(gòu)造等對活性污泥沉降性能沒有影響。,,（8）顆粒態(tài)有機物質(zhì)的生物網(wǎng)捕瞬間完成。 （9）有機物質(zhì)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(guān)。,3.2.1.2 生物學(xué)工藝過程,3.2.1.3 過程參數(shù)（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(zhì)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(zhì),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(chǎn)生的　　　顆粒態(tài)產(chǎn)物,氧?。樱稀　　　A度?。樱粒蹋?,符號,,名,,稱,,,單,,位,,10,℃值,,20,℃值,,,,,,,,,,,Y,A,,自養(yǎng)菌產(chǎn)率,,g,細(xì)胞,COD/gN,氧化,,0.24,,0.24,,,,,,,,,,,Y,H,,異養(yǎng)菌產(chǎn)率,,g,細(xì)胞,COD/g,COD,氧化,,0.67,,0.67,,f,p,,生物量中可轉(zhuǎn)化為顆粒性產(chǎn)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(chǎn)物,COD,中氮的比例,,gN/gCOD,,,0.06,,0.06,,,,,,,,,,,,3.2.1.4 典型參數(shù),表3-2 化學(xué)計量參數(shù)值,,,表3-3 動力學(xué)參數(shù),3.2.1.4 過程速率表達(dá)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(dá)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(dá)式ρj

16、與其相應(yīng)的速率系數(shù)νij的乘積，即：一個組分在整個系統(tǒng)中的速率則為相應(yīng)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(dá)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(shù)，m3/g； rp—絮凝沉淀區(qū)顆粒沉淀系數(shù)，m3/g。,,,,,可沉降顆粒濃度與總顆粒濃度的關(guān)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(dá)式參數(shù),3.2.4 活性污泥系統(tǒng)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(jù)反應(yīng)器原理任何一個實際反應(yīng)器內(nèi)的流態(tài)都可以用N個串聯(lián)的理想完全混合反應(yīng)器來表示，從而使實際反應(yīng)器內(nèi)的復(fù)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(jù)經(jīng)驗）確定。,,圖3-8 活性污泥系統(tǒng)綜合模型工藝流程,,,圖3-9 n個完全混合型反應(yīng)器串聯(lián)時的階躍輸入響應(yīng),圖3-10 n個完全混合型反應(yīng)器串聯(lián)時的脈沖輸入響應(yīng),,,,,,,,,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(tǒng)綜合模型的構(gòu)成,固體通量模型,活性污泥系統(tǒng)模型,,固液分離子系統(tǒng),生物反應(yīng)子系統(tǒng),,,子系統(tǒng)連接：模型組分轉(zhuǎn)換關(guān)系 混合液生物反應(yīng)器 二沉池 回流污泥,動力學(xué)模型 ASM1,水力傳遞模型 多級CSTR串 聯(lián)模型,

21、,,,,,,,,,,,3.3活性污泥系統(tǒng)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(shù)值計算3.3.5 編程3.3.6 模擬軟件的校準(zhǔn),,,,,,,,,,,,,,,,,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(yīng)器輸入量- 輸出量 + 反應(yīng)消耗量（或生成）= 反應(yīng)器內(nèi)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(nèi)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(shù)值計算,用數(shù)值積分法求組分濃度穩(wěn)態(tài)解，數(shù)值積分采用Eular 法。,,,3.3.5 編程,編程時為了表達(dá)清楚、操

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

24、）時刻進水水質(zhì)濃度,Zt+1=Zt +(dZ/dt) △tXt+1=Xt+(dx/dt) △t,判斷是否達(dá) 到穩(wěn)態(tài),輸出穩(wěn)態(tài)值、時間 及控制參數(shù),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(xué)與化學(xué)計量參數(shù)設(shè)定,,,,進水各組分濃度設(shè)定,3.3.6 模擬軟件的校

25、準(zhǔn),90%以上的組分濃度值與基準(zhǔn)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(zhǔn)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(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計和運行管理,3.4 活性污泥系統(tǒng)模擬軟件的應(yīng)用,西安市規(guī)劃建設(shè)第四污水處理廠，設(shè)計規(guī)模：55萬m3。 表3-5 設(shè)計進出水水質(zhì)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(zhǔn),,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(jié)果,圖3-17 第四污水處理廠入流中含氮物質(zhì)的測定結(jié)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(zhǔn),,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(zhì)關(guān)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(guān)系,費用函數(shù),運行費用,基建投資費用,總費用函數(shù),西安市第四污水處理廠設(shè)計結(jié)果,缺氧池設(shè)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(shè)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(fù)荷：0.14kgBOD5/(kgMLSSd),二沉池停留時間：4.5 h水力負(fù)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(yù)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(fù)荷L,S,（kg/kg·d),,

34、,,COD,,,SS,,,,,,,BOD,,,Ls,圖3-21 流量、污泥負(fù)荷與出水水質(zhì)指標(biāo)關(guān)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(guān)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(guān)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(guān)系,結(jié) 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(jié)果比較準(zhǔn)確?；钚晕勰嗄M器設(shè)計污水處理廠，可以比較準(zhǔn)確地模擬出水水質(zhì)情況、反應(yīng)器中溶解氧濃度、污泥濃度、剩余污泥濃度等參數(shù)。活性污泥模擬器對擬建污水處理廠進行模擬設(shè)計，可以比較準(zhǔn)確地確定污泥負(fù)荷、曝氣池容積和出水水質(zhì)指標(biāo)的關(guān)系。活性污泥模擬器設(shè)計污水處理廠，可以比較準(zhǔn)確地計算出需氧量和剩余污泥量等參數(shù)， 從而在綜合費用經(jīng)濟分析下， 可以優(yōu)化設(shè)計曝氣池體積和

38、各種影響運行費用的操作控制參數(shù)等。活性污泥模擬器可以快速地模擬預(yù)測不同運行管理條件下的污水處理過程，如進水水質(zhì)變化、流量變化、污泥負(fù)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(zhì)變化，為城市污水處理廠運行管理提供科學(xué)依據(jù)?；钚晕勰嗄M器不僅可以優(yōu)化設(shè)計城市污水生物處理系統(tǒng)，同時也可以快速地模擬預(yù)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(xué)依據(jù)，隨著具有我國污水水質(zhì)特性的活性污泥模擬器研究的不斷完善，活性