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1、3.废水生物处理系统数学模型废水生物处理系统数学模型n3.1 概述概述n3.2 活性污泥系统数学模型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活性污泥系统模拟软件的应用13.1 概述概述n3.1.1废水处理系统简介废水处理系统简介n3.1.2 活性污泥系统设计和管理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活性污泥系统数学模型研究现状和意义意义2图图3-1废水处理工艺废水处理工艺 3.1.1废水处理系统简介废水处理系统简介格栅沉砂一沉池消毒低效处理低效处理稳定塘曝气塘高效处理高效处理活性污泥生物滤池
2、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溶解性固体固体反渗透电解蒸馏有机物有机物活性炭吸附悬浮物悬浮物化学絮凝过滤除磷除磷化学沉淀脱氮脱氮硝化-反硝化离子交换折点氯化吹脱OVERLAND污污泥泥处处理理生物处理生物处理浓缩、消化脱水、过滤离心、干化非生物处理非生物处理浓缩、调理脱水、过滤离心、焚烧进水出水出水出水污泥处置消毒3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4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进水图图3-4氧化沟工艺氧化沟工艺图图3-5SBR工艺工艺
3、5Fw=0.20.4kgBOD/(kgMLSSd)Fr=0.40.9kgBOD/(m3池容d)污泥负荷法污泥负荷法：泥龄法泥龄法：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活性污泥系统设计和管理数学模型法数学模型法：63.1.3 活性污泥系统数学模型研究现状和意义活性污泥系统数学模型研究现状和意义现状及发展现状及发展n1986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
4、 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73.2 活性污泥系统数学模型活性污泥系统数学模型n3.2.1 ASM1n3.2.2 ASM2、ASM2d、ASM3n3.2.3 二沉池模型二沉池模型n3.2.4 活性污泥系统综合模型活性污泥系统综合模型83.2.1 ASM1ASM1采用了采用了Dold等人等人1980年提出的死亡年提出的死亡再生再生（Death-regeneration）理论对单级活性污泥系统的碳氧化、）理论对单级活性污泥系统的
5、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生物反应特性划分为13项，并将微生物的增长、衰减及水解项，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，对每一个过程的速率描述采用双重个过程的速率描述采用双重Monod模式。这种矩阵表达方式，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。目使得模型结构简单
6、，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。模型作为基础。 9图图3-6 微生物反应过程机理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：内源呼吸理论A：维持理论：维持理论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：死亡再生理论再生理论10工艺过程ji观察到的转换速率（ML-3T-1)-11网捕
7、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
8、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（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表表3-1ASM1模型速率表达式矩阵表模型速
9、率表达式矩阵表113.2.1 ASM1n3.2.1.1 模型的假设、限制与约束条件模型的假设、限制与约束条件n3.2.1.2 生物学工艺过程生物学工艺过程n3.2.1.3 过程参数（组分）过程参数（组分）n3.2.1.4 典型参数典型参数n3.2.1.5 过程速率表达式过程速率表达式n3.2.1.6组分速率的表达式组分速率的表达式123.2.1.1 模型的假设、限制与约束条件模型的假设、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。
10、（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。13（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。 14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物的水解网捕有机氮的水解微生物增长微生物增长微生物衰减微生物衰减氨
11、化氨化水解水解3.2.1.2 生物学工艺过程生物学工艺过程153.2.1.3 过程参数（组分）过程参数（组分）COD：N：其它其它：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16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
12、物的比例无量纲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 典型参数典型参数表表3-2化学计量参数值化学计量参数值17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
13、解校正因子无量纲 0.40.4Kh 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表表3-3动力学参数动力学参数183.2.1.4 过程速率表达式过程速率表达式1.异养菌的好氧生长异养菌的好氧生长SSSOSNHSALKXB，H1-iXB192.异养菌的缺氧生长异养菌的缺氧生
14、长SSSNOSNHSALKXB，H-iXB1203.自养菌好氧生长自养菌好氧生长SNHSOSALKXB，ASNO1214.异养菌的衰减异养菌的衰减5. 自异养菌的衰减自异养菌的衰减-1fp1-fpiXB-fpiXP-1fp1-fpiXB-fpiXP226.溶解性有机氮的氨化溶解性有机氮的氨化7.不易生物降解有机物水解不易生物降解有机物水解-111-1238.颗粒性有机氮的水解颗粒性有机氮的水解-11243.2.1.6组分速率的表达式组分速率的表达式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
15、： 25SI：SS：XI：XS：XB，H：XB，A：26XP：S0：SNO：SNH：SND：27XND：SALK：283.2.3 二沉池模型（分层沉淀模型）二沉池模型（分层沉淀模型）进水层顶层底层1234567891029) )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.
16、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()cinirAXQQ +105421CiupAXQJ22 .=CidnAXQJ33 .=CidnAXQJ44 .=CidnAXQJ44 .=CidnAXQJ55 .=CidnAXQJ99 .=JS.1=min(VS.1X1,orVS.2X2)orJS.1=VS.1X1,ifX2XtJS.2=min(VS.2X2,orVS.3
17、X3)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()cinirAXQQ +图3-7分层沉淀池各层物料平衡图2-830Takacs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
18、/g； rp絮凝沉淀区颗粒沉淀系数，m3/g。31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。32表表3-4 Takacs综合沉降速度表达式参数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333.2.4 活性污泥系统综合模型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、活性污泥处理工艺有许多种形式（如氧化沟、A/O、SBR
19、等），但根据反应器原理任何一个实际反应器内的流等），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，实际反应器内的复杂流态（短流、涡流等）简单化，N值可值可通过示踪方法（或根据经验）确定。通过示踪方法（或根据经验）确定。 34 图图3-8 活性污泥系统综合模型工艺流程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=
20、1m=6m=10沉淀池35图图3-9n个完全混合型反应器串联时的阶跃输入响应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=36图图3-10n个完全混合型反应器串联时的脉冲输入响应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)浓度 （C）n=1n=2n=5n=10n=25n=75n=37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
21、统模型活性污泥系统模型固液分离子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383.3活性污泥系统模拟软件的编写活性污泥系统模拟软件的编写n3.3.1 总体框图n3.3.2 模拟工艺流程n3.3.3 物料平衡式n3.3.4 数值计算n3.3.5 编程n3.3.6 模拟软件的校准39动力学参数化学计量参数反应器参数入 流 组 分控 制 参 数沉淀池参数串联式完全混合反应器控制参数反应速率表达式（ASM1）固体通量表达式沉淀池出流组分输入计算输出输出表格与图象动力学参数化学计量参数反应器参数入 流 组 分控 制 参
22、数沉淀池参数串联式完全混合反应器控制参数反应速率表达式（ASM1）固体通量表达式沉淀池出流组分出流组分输入计算输出输入数值、表格与图象输出表格与图象动力学参数化学计量参数反应器参数入 流 组 分控 制 参 数沉淀池参数串联式完全混合反应器控制参数反应速率表达式（ASM1）固体通量表达式沉淀池出流组分出流组分输入计算输出输出表格与图象动力学参数化学计量参数反应器参数入 流 组 分控 制 参 数沉淀池参数串联式完全混合反应器控制参数反应速率表达式（ASM1）固体通量表达式沉淀池出流组分出流组分输入计算输出输入数值、表格与图象输出表格与图象图3-12模拟器总体框图3.3.1 总体框图总体框图40Q0
23、,Z0Unit1UnitMUnit1UnitNQf,ZfQr,ZrQr,ZrQu,ZuQe,ZeQw,Zwm=1m=6m=10Qr,ZrQr,ZrQu,ZuQe,ZeQw,Zwm=1m=6m=10Qa,Za沉淀池缺氧（M个）好氧（N个）3.3.2 模拟工艺流程模拟工艺流程图图3-13模拟工艺流程模拟工艺流程413.3.3 物料平衡式物料平衡式n生物反应器生物反应器输入量输入量-输出量输出量+反应消耗量（或生成）反应消耗量（或生成）=反应器内的累积量反应器内的累积量Unit1Unit2M+N：对于SO：其它：42n二沉池：输入输入-输出输出=每一层内的累积每一层内的累积入流层（m=6）：入流层和
24、底层之间（m=25）：43底层（m=1）：入流层和顶层之间（m=79） 以上式中：44顶层（m=10）式中：453.3.4 数值计算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。 463.3.5 编程编程编程时为了表达清楚、操作方便，把程序分为五个部分：nModulel 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。 nModule 2：给活性污泥系统所有变量及参数赋初始值。nModule3：数值积分求组分稳态解。nModule4：沉淀池的通量表达式和物料平衡式函数n窗体：输出模拟的计算结果。 47全局变量说明动力学参数化学
25、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)tXt+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+1Xt=Xt+1否是图3-14程序总体框图48 软件主界面 4950动力学与化学计量参数设定动力学与化学计量参数设定 51 进水各组分浓度设定进水各组分浓度设定 523.3.6 模拟软件的校准模拟软件的校准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思路和计算方法完全正确，可以用于污水处理厂活性污泥
26、系统的优化设计和运行管理533.4 活性污泥系统模拟软件的应用活性污泥系统模拟软件的应用西安市规划建设第四污水处理厂，设计规模：55万m3。 表3-5 设计进出水水质要求指标PH水温BODCODNH3-NSS处理前6-910-20200mg/l400mg/l30mg/l250mg/l处理后6-9 /20mg/l60mg/l15mg/l20mg/l54 图3-15 A1/O（缺氧+好氧活性污泥法）工艺流程图55入流组分测定入流组分测定：01020304050607080占总COD比例（%）SISSXIXSXBH组分欧洲基准第四污水处理厂图3-16第四污水处理厂入流中含碳有机物的测定结果56图3-
27、17第四污水处理厂入流中含氮物质的测定结果入流组分测定入流组分测定：010203040浓度（mg/l)SNOSNHSNDXND组分欧洲基准第四污水处理厂5705101520253035404550141618202224262830曝气池总体积（万m3)COD,BOD,SS,TN(mg/l)CODBODSSNH3-NTN图3-18曝气池体积与出水水质关系581616.51717.51818.519141618202224262830曝气池体积（万m3)总需氧量（万kgO2/d）44.555.566.57剩余污泥量（万kg/d)总需氧量剩余污泥量图3-19曝气池体积与总需氧量和剩余污泥量关系59
28、费用函数费用函数运行费用运行费用基建投资费用基建投资费用总费用函数总费用函数60西安市第四污水处理厂设计结果西安市第四污水处理厂设计结果缺氧池缺氧池设计水量：55万m3/d总有效体积：5万m3/d停留时间：2.17h混合液浓度：35004000mg/l好氧池好氧池设计水量：55万m3/d总有效体积：15万m3/d停留时间：6.53h混合液浓度：35004000mg/l混合液回流比：200%溶解氧浓度：13mg/l总泥龄：大于10d污泥负荷：0.14kgBOD5/(kgMLSSd)二沉池二沉池停留时间：4.5h水力负荷：0.87m3/(m2h)污泥回流比：50100%61050010001500
29、2000250030003500400045000510152025303540time(days)MLSS,XBH(mg/l)020406080100120140160180XBA(mg/l)XBHMLSSXBA图3-20启动培菌过程预测与分析预测与分析6201020304050607080901001104548515457 6063666972流量（万m3)COD,SS,BOD(mg/l)0.1300.1340.1380.1420.1460.1500.1540.1580.1620.1660.1700.174污泥负荷LS（kg/kgd)CODSSBODLs图3-21流量、污泥负荷与出水水质
30、指标关系63020406080100120140400420440460480500520540进水COD（mg/l)COD,SS(mg/l)CODSS图3-22进水COD与出水COD、SS之间的关系64152025303540455030354045505560进水NH3-N（mg/l)TN(mg/l)00.050.10.150.20.250.30.35NH3-N(mg/l)TNNH3-N图3-23进水NH3-N与出水NH3-N、TN之间的关系6505101520253035036912151821242730污泥龄c(d)NH3-N，TN（mg/l)NH3-NTN图3-24污泥龄与出水NH
31、3-N、TN之间的关系66结结论论快速可生物降解有机物采用间歇实验法和慢速可生物降解有机物采用测定BOD5计算法既操作简单又测定结果比较准确。活性污泥模拟器设计污水处理厂，可以比较准确地模拟出水水质情况、反应器中溶解氧浓度、污泥浓度、剩余污泥浓度等参数。活性污泥模拟器对拟建污水处理厂进行模拟设计，可以比较准确地确定污泥负荷、曝气池容积和出水水质指标的关系。活性污泥模拟器设计污水处理厂，可以比较准确地计算出需氧量和剩余污泥量等参数，从而在综合费用经济分析下，可以优化设计曝气池体积和各种影响运行费用的操作控制参数等。活性污泥模拟器可以快速地模拟预测不同运行管理条件下的污水处理过程，如进水水质变化、流量变化、污泥负荷变化、污泥龄变化和污泥回流比变化等引发的出水水质变化，为城市污水处理厂运行管理提供科学依据。活性污泥模拟器不仅可以优化设计城市污水生物处理系统，同时也可以快速地模拟预测不同运行管理条件下的污水处理过程，为运行管理提供科学依据，随着具有我国污水水质特性的活性污泥模拟器研究的不断完善，活性污泥模拟器将广泛用于我国的城市污水处理厂的设计和运行管理。6768
