《水污染控制工程课件 3[1].废水生物处理系统数学模型》由会员分享，可在线阅读，更多相关《水污染控制工程课件 3[1].废水生物处理系统数学模型（68页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、3.废水生物处理系统数学模型n3.1 概述n3.2 活性污泥系统数学模型n3.3活性污泥系统模拟软件的编写n3.4活性污泥系统模拟软件的应用3.1 概述n3.1.1废水处理系统简介n3.1.2 活性污泥系统设计和管理n3.1.3 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废水处理系统简介格栅沉砂一沉池消毒低效处理稳定塘曝气塘高效处理活性污泥生物滤池生物转盘二沉池消毒三级处理二级处理一级处理预处理溶解性固体反渗透电解蒸馏有机物活性炭吸附悬浮物化学絮凝过滤除磷化学沉淀脱氮硝化-反硝化离子交换折点氯化吹脱OVERLAND污泥处理生物处理浓缩、消化脱水、过滤离心、干化非生物处理
2、浓缩、调理脱水、过滤离心、焚烧进水出水出水出水污泥处置消毒混合液内回流曝气池缺氧好氧二沉池污泥回流厌氧 缺氧好氧污泥回流混合液内回流曝气池二沉池图3-2A/O法工艺图3-3A/A/O法工艺回流污泥剩余污泥进水曝气刷氧化沟二沉池进水反应沉淀排水排泥12345进水图3-4氧化沟工艺图3-5SBR工艺Fw=0.20.4kgBOD/(kgMLSSd)Fr=0.40.9kgBOD/(m3池容d)污泥负荷法：泥龄法：Y=0.40.8（20，有初沉池）；Kd=0.040.075(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n1986年IAWQ
3、（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）。n1995年推出ASM2和ASM2d，增加了生物除磷过程。n1999年推出了ASM3。意义n优化设计 n污水厂运行和管理n新工艺开发n科研和教学3.2 活性污泥系统数学模型n3.2.1 ASM1n3.2.2 ASM2、ASM2d、ASM3n3.2.3 二沉池模型n3.2.4 活性污泥系统综合模型3.2.1 ASM1ASM1采用了Dold等人198
4、0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底物微生物代谢残余物O2CO2+H2OO2CO2+H2O生长衰减C：内源呼吸理论A：维持理论
5、底物存活细胞非存活细胞生长O2CO2+H2O酶反应代谢残余物衰亡O2CO2+H2O？O2CO2+H2O代谢残余物微生物不溶底物不溶贮存物贮存物质水解死亡生长O2CO2+H2OB：死亡再生理论工艺过程ji观察到的转换速率（ML-3T-1)-11网捕性有机氮的水解8-11网捕性有机物的水解7-11可溶性有机氮的氨化6fP-1自养菌的衰减5fP-1异养菌的衰减41自养菌的好氧生长3-iXB1异养菌的缺氧生长2-iXB1异养菌的好氧生长1工艺过程速率j(ML-3T-1)13SO12SALK11XND10SND9SNH8SNO7XP6XB.A5XB.H4XS3XI2SS1SI组分化学计量参数：异养菌的产
6、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:fPN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：HKSKO.HKNObH自养菌的生长与衰减：AKNHKO.AbA异养菌缺氧生长的校正因子：g氨化作用：ka水解作用：khKX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）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（C
7、OD）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3-1ASM1模型速率表达式矩阵表3.2.1 ASM1n3.2.1.1 模型的假设、限制与约束条件n3.2.1.2 生物学工艺过程n3.2.1.3 过程参数（组分）n3.2.1.4 典型参数n3.2.1.5 过程速率表达式n3.2.1.6组分速率的表达式3.2.1.1 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。
8、（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。 异养菌的好氧增长异养菌的缺氧增长自养菌的好氧增长异养菌的衰减自养菌的衰减可溶性有机氮的氨化网捕有机
9、物的水解网捕有机氮的水解微生物增长微生物衰减氨化水解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YA 自养菌产率g细胞COD/gN氧化0.240.24YH 异养菌产率g细胞COD/g COD氧化0.670.67fp 生物量中可转化为颗粒性产物的比
10、例无量纲0.080.08iXB 氮占生物量COD的比例gN/gCOD 0.086 0.086 iXP 颗粒性衰减产物COD中氮的比例gN/gCOD 0.060.063.2.1.4 典型参数表3-2化学计量参数值符号名称单位10值20值H 异养菌最大比增长速率day-13.06.0KS 异养菌半饱和系数 gCOD/m320.020.0KOH 异养菌的氧半饱和系数 gO2/m30.200.20KNO 反硝化菌的硝酸盐半饱和系数gNO3-N/m30.500.50bH 异养菌的衰减系数 day-10.200.62g缺氧条件下的H校正因子无量纲0.80.8h缺氧条件下水解校正因子无量纲 0.40.4Kh
11、 最大比水解速率gCOD/gCODd1.03.0KX 慢速可生物降解基质水解的半饱和系数gCOD/gCOD 0.010.03A自养菌最大比增长速率day-10.30.8KNH 自养菌的氨半饱和系数 gNH3-N/m31.01.0KOA 自养菌的氧半饱和系数 0.40.4bA自养菌衰减系数- m3COD/gd0.040.08go2/m3Ka氨化速率day-10.050.05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SSSOSNHSALKXB，H1-iXB2.异养菌的缺氧生长SSSNOSNHSALKXB，H-iXB13.自养菌好氧生长SNHSOSALKXB，ASNO14.
12、异养菌的衰减5. 自异养菌的衰减-1fp1-fpiXB-fpiXP-1fp1-fpiXB-fpiXP6.溶解性有机氮的氨化7.不易生物降解有机物水解-111-18.颗粒性有机氮的水解-113.2.1.6组分速率的表达式n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：n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 二沉池模型（分层沉淀模型）进水层顶层底层12345678910) )105421CiupAXQJ22 .=CidnAXQ
13、J33 .=CidnAXQJ44 .=CidnAXQJ44 .=CidnAXQJ55 .=CidnAXQJ99 .=JS.1=min(VS.1X1,orVS.2X2)orJS.1=VS.1X1,ifX2XtJS.2=min(VS.2X2,orVS.3X3)orJS.2=VS.2X2,ifX3XtJS.3=min(VS.3X3,orVS.4X4)orJS.3=VS.3X3,ifX4XtJS.4=min(VS.4X4,orVS.5X5)JS.5=min(VS.5X5,orVS.6X6)JS.9=min(VS.9X9,orVS.10X10QrX10-QiX1-+水流运动重力沉降顶层进水层底层()ci
14、nirAXQQ +105421CiupAXQJ22 .=CidnAXQJ33 .=CidnAXQJ44 .=CidnAXQJ44 .=CidnAXQJ55 .=CidnAXQJ99 .=JS.1=min(VS.1X1,orVS.2X2)orJS.1=VS.1X1,ifX2XtJS.2=min(VS.2X2,orVS.3X3)orJS.2=VS.2X2,ifX3XtJS.3=min(VS.3X3,orVS.4X4)orJS.3=VS.3X3,ifX4XtJS.4=min(VS.4X4,orVS.5X5)JS.5=min(VS.5X5,orVS.6X6)JS.9=min(VS.9X9,orVS.1
15、0X10QrX10-QiX1-+水流运动重力沉降顶层进水层底层()cinirAXQQ +图3-7分层沉淀池各层物料平衡图2-8Takacs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名称符号数值单位最大实际沉降速率v0250m/day最大理论沉降速率v0474m/day干扰沉淀的
16、沉降参数 rh0.000576m3/gSS絮凝沉淀的沉降参数 rp0.00286m3/gSS不可沉降固体比例fns0.00228无量纲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Qr,ZrQr,ZrQr,ZrQr,ZrQu,ZuQu,ZuQw,ZwQw,ZwQ0,Z0Unit1UnitNQf,ZfQe,Zem=1m=6m=10Qe,Zem=1m=6m=10沉淀池图3-9n个完全混合型反应器串联时的阶跃输入响应0.20.30.40.50.60.70.80.91.01.100.511.522.5300.1浓度 （C）时间 (t)n=1n=2n=5n=10n=图3-10n个完全混合型反应器串联时的脉冲输入响应00.250.50.7511.251.51.7522.252.500.250.50.7511.251.51.752时间 (t)
