3[1].废水生物处理系统数学模型

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1、3.废水生物处理系统数学模型,3.1 概述 3.2 活性污泥系统数学模型 3.3活性污泥系统模拟软件的编写 3.4活性污泥系统模拟软件的应用,3.1 概述,3.1.1废水处理系统简介 3.1.2 活性污泥系统设计和管理 3.1.3 活性污泥系统数学模型研究现状和意义,图3-1 废水处理工艺,3.1.1废水处理系统简介,图3-2 A/O法工艺,图3-3 A/A/O 法工艺,图3-4 氧化沟工艺,图3-5 SBR工艺,Fw = 0.2 0.4 kgBOD/(kgMLSSd) Fr = 0.4 0.9 kgBOD/( m3池容d),污泥负荷法：,泥龄法：,Y = 0.4 0.8 （20，有初沉池）；

2、 Kd =0.04 0.075 (20)；,3.1.2 活性污泥系统设计和管理,数学模型法：,3.1.3 活性污泥系统数学模型研究现状和意义,现状及发展 1986年IAWQ（International Association on Water Quality）组织南非、丹麦、美国、瑞士、日本五国专家，经3年研究，推出去除污水中碳和氮的活性污泥1号模型（Activated Sludge Model N0. 1，ASM1）。 1995年推出ASM2和ASM2d，增加了生物除磷过程。 1999年推出了ASM3。 意义 优化设计 污水厂运行和管理 新工艺开发 科研和教学,3.2 活性污泥系统数学模型,

3、3.2.1 ASM1 3.2.2 ASM2、ASM2d、ASM3 3.2.3 二沉池模型 3.2.4 活性污泥系统综合模型,3.2.1 ASM1,ASM1采用了Dold等人1980年提出的死亡再生（Death-regeneration）理论对单级活性污泥系统的碳氧化、硝化和反硝化三种主要生物学过程中的相关速率进行了定量描述。它采用了矩阵结构的表达方式，将污水中的组分依据生物反应特性划分为13项，并将微生物的增长、衰减及水解等过程从呼吸过程中电子受体的角度划分为8个过程，对每一个过程的速率描述采用双重Monod模式。这种矩阵表达方式，使得模型结构简单，速率表达清晰，化学计量关系准确。目前欧美各国

4、广泛使用的活性污泥各种设计及模拟软件均以此模型作为基础。,图3-6 微生物反应过程机理,工艺过程 ,j,i,观察到的转换速率（ML-3T-1),-1,1,网捕性有机氮的水解,8,-1,1,网捕性有机物的水解,7,-1,1,可溶性有机氮的氨化,6,fP,-1,自养菌的衰减,5,fP,-1,异养菌的衰减,4,1,自养菌的好氧生长,3,-iXB,1,异养菌的缺氧生长,2,-iXB,1,异养菌的好氧生长,1,工艺过程速率 j (ML-3T-1),13 SO,12 SALK,11 XND,10 SND,9 SNH,8 SNO,7 XP,6 XB.A,5 XB.H,4 XS,3 XI,2 SS,1 SI,

5、组分 ,化学计量参数： 异养菌的产率系数: YH 自养菌的产率系数: YA 微生物衰减的颗粒态产物 比例系数: fP N在生物量COD中的 比例: iXB 衰减的颗粒态产物中的 N/C（COD）: iXP,动力学参数： 异养菌的生长与衰减： H KS KO.H KNO bH 自养菌的生长与衰减： A KNH KO.A bA 异养菌缺氧生长的校正因子：g 氨化作用：ka 水解作用：kh KX 缺氧水解的校正因子：h,碱度 摩尔单位（HCO3-）,颗粒态可生物降解有机氮 M（N）L-3,溶解态可生物降解有机氮 M（N）L-3,氨氮 M（N）L-3（NH4+N+NH3N）,硝酸盐与亚硝酸盐氮 M（N

6、）L-3（NO3-N+NO2-N）,氧 M（COD）L-3,微生物衰减的颗粒态产物M（COD）L-3,自养菌生物量 M（COD）L-3,异养菌生物量 M（COD）L-3,慢速可生物降解基质 M（COD）L-3,颗粒态惰性有机物 M（COD）L-3,快速生物降解基质 M（COD）L-3,溶解态惰性有机物 M（COD）L-3,表3-1 ASM1模型速率表达式矩阵表,3.2.1 ASM1,3.2.1.1 模型的假设、限制与约束条件 3.2.1.2 生物学工艺过程 3.2.1.3 过程参数（组分） 3.2.1.4 典型参数 3.2.1.5 过程速率表达式 3.2.1.6组分速率的表达式,3.2.1.1

7、 模型的假设、限制与约束条件,（1）所有生物反应均在恒定温度下进行。由于大多数反应动力学参数都与温度有关，其相应的函数关系符合Arrenvunis方程。 （2）pH值恒定并维持在中性状态。 （3）速率系数与入流组分和负荷变化无关。 （4）氮、磷和其它无机营养物的水平对微生物的增长和反应没有影响。 （5）反硝化的校正因数g 和h对给定污水为恒定值。 （6）硝化速率系数恒定。 （7）异养生物量为均一的并不随时间发生种属上的变化，这一假设与动力学系数恒定的假设在本质是一致的，即基质浓度梯度、反应器构造等对活性污泥沉降性能没有影响。,（8）颗粒态有机物质的生物网捕瞬间完成。 （9）有机物质与有机氮的水

8、解以相同的速率同时发生。 （10）微生物的衰减与电子受体的形式无关。,3.2.1.2 生物学工艺过程,3.2.1.3 过程参数（组分）,COD：,N：,其它：,SNH 氨态氮（NH3-N）； SNO 硝态氮（NO2-N+NO3-N） SND 溶解态可生物降解有机氮 XND 颗粒态可生物降解有机氮,SI 溶解态惰性有机物质 SS 快速生物降解有机物 XI 颗粒态惰性有机物 XS 颗粒态慢速生物降解基质,XB，H 异养微生物量 XB，A 自养微生物量 XP 由微生物衰减而产生的 颗粒态产物,氧 碱度 ,符号,名,称,单,位,10,值,20,值,Y,A,自养菌产率,g,细胞,COD/gN,氧化,0.

9、24,0.24,Y,H,异养菌产率,g,细胞,COD/g,COD,氧化,0.67,0.67,f,p,生物量中可转化为颗粒性产物的比例,无量纲,0.08,0.08,i,XB,氮占生物量,COD,的比例,gN/gCOD,0.086,0.086,i,XP,颗粒性衰减产物,COD,中氮的比例,gN/gCOD,0.06,0.06,3.2.1.4 典型参数,表3-2 化学计量参数值,表3-3 动力学参数,3.2.1.4 过程速率表达式,1.异养菌的好氧生长,SS,SO,SNH,SALK,XB，H,1,-iXB,2.异养菌的缺氧生长,SS,SNO,SNH,SALK,XB，H,-iXB,1,3.自养菌好氧生长

10、,SNH,SO,SALK,XB，A,SNO,1,4.异养菌的衰减 5. 自异养菌的衰减,-1,fp,1-fp,iXB-fpiXP,-1,fp,1-fp,iXB-fpiXP,6.溶解性有机氮的氨化 7.不易生物降解有机物水解,-1,1,1,-1,8.颗粒性有机氮的水解,-1,1,3.2.1.6组分速率的表达式,任一生物过程j中的任一组分i的速率ij为该过程的速率表达式j与其相应的速率系数ij的乘积，即： 一个组分在整个系统中的速率则为相应过程速率之和，即：,SI：,SS：,XI：,XS：,XB，H：,XB，A：,XP：,S0：,SNO：,SNH：,SND：,XND：,SALK：,3.2.3 二沉

11、池模型（分层沉淀模型）,),),图3-7 分层沉淀池各层物料平衡图,2-8,Takacs二沉池颗粒沉淀的综合沉速表达式： 式中：vsj实际沉速，m/d； v0最大理论沉速，m/d； v0最大实际沉速，m/d； 可沉降颗粒浓度，g/m3； rh干扰沉淀区颗粒沉淀系数，m3/g； rp絮凝沉淀区颗粒沉淀系数，m3/g。,可沉降颗粒浓度与总颗粒浓度的关系为： 其中：fns不可沉降颗粒比例； Xj总颗粒浓度，g/m3。,表3-4 Takacs综合沉降速度表达式参数,3.2.4 活性污泥系统综合模型,活性污泥处理工艺有许多种形式（如氧化沟、A/O、SBR等），但根据反应器原理任何一个实际反应器内的流态都

12、可以用N个串联的理想完全混合反应器来表示，从而使实际反应器内的复杂流态（短流、涡流等）简单化，N值可通过示踪方法（或根据经验）确定。,图3-8 活性污泥系统综合模型工艺流程,图3-9 n个完全混合型反应器串联时的阶跃输入响应,图3-10 n个完全混合型反应器串联时的脉冲输入响应,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,时间 (t),浓度 （C）,n=1,n=2,n=5,n=10,n=25,n=75,n=,图311活性污泥系统综合模型的构成,固体通量模型,活性污泥系统模型,固液分离子

13、系统,生物反应子系统,子系统连接：模型组分转换关系 混合液 生物反应器 二沉池 回流污泥,动力学模型 ASM1,水力传递模型 多级CSTR串 联模型,3.3活性污泥系统模拟软件的编写,3.3.1 总体框图 3.3.2 模拟工艺流程 3.3.3 物料平衡式 3.3.4 数值计算 3.3.5 编程 3.3.6 模拟软件的校准,图3-12 模拟器总体框图,3.3.1 总体框图,3.3.2 模拟工艺流程,图3-13 模拟工艺流程,3.3.3 物料平衡式,生物反应器 输入量- 输出量 + 反应消耗量（或生成）= 反应器内的累积量 Unit1 Unit2M+N： 对于SO ： 其它：,二沉池： 输入 -

14、输出 = 每一层内的累积 入流层（m=6）： 入流层和底层之间（m=25）：,底层（m=1）： 入流层和顶层之间（m=79） 以上式中：,顶层（m=10） 式中：,3.3.4 数值计算,用数值积分法求组分浓度稳态解，数值积分采用Eular 法。,3.3.5 编程,编程时为了表达清楚、操作方便，把程序分为五个部分： Modulel 1：定义生物反应器中的各参数及变量，用函数的形式定义过程速率、组分速率和生物反应器的物料平衡式。 Module 2：给活性污泥系统所有变量及参数赋初始值。 Module 3：数值积分求组分稳态解。 Module 4：沉淀池的通量表达式和物料平衡式函数 窗体：输出模拟的计算结果。,全局变量说明,动力学参数 化学计量参数,过程速率函数,反应速率函数,物料平衡微分 方程函数,t（t0）时刻进 水水质浓度,Zt+1=Zt +(dZ/dt) t Xt+1=Xt+(dx/dt) t,判断是否达 到稳态,输出稳态值、时间 及控制参数,Zt=Zt+1 Xt=Xt+1,否,是,图3-14 程序总体框图,软件主界面,动力学与化学计量参数设定,进水各组分浓度设定,3.3.6 模拟软件的校准,90%以上的组分浓度值与基准值完全相同，其余几个组分的最大误差为0.28%， 小于COST模拟基准规定的误差值0.5%。 本研究开发的模拟器建立的