废水生物处理系统数学模型

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3.1 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3-2 A/O法工艺图3-3 A/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进水图图3-4 氧化沟工艺氧化沟工艺

3、图图3-5 SBR工艺工艺rjwjFQSXFQSV)1 ()(0cdaecKXSSYQVFw = 0.2 0.4 kgBOD/(kgMLSSd)Fr = 0.4 0.9 kgBOD/( m3池容d)污泥负荷法污泥负荷法：泥龄法泥龄法： 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：3.1.3 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 Qua

4、lity）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3.2.1 ASM1 ASM1采用了采用了Dold等人等人1980年提出的死

5、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）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依据生物反应特性划分为13项，并将微生物的增长、衰减及项，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，对个过程，对每一个过程的速率描述采用双重每一个过程的速率描述采用双重Mon

6、od模式。这种矩阵表达模式。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。均以此模型作为基础。 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O2 CO2+H2OO2 CO2+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O2 CO2+H2O酶反应代谢残余物衰亡O2 CO2+H2O？O2 CO2+H2O代谢残余物微生物不溶底物不溶贮存物

7、贮存物质水解死亡生长O2 CO2+H2OB：死亡：死亡再生理论再生理论工艺过程 j i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 HY1HY1HY11HHYY86.21AY1AYXBi1XPPXBifiXPPXBifi 14XBi1486. 2141XBHHiY

8、YAXBYi7114141AY57. 41HBNDaXSk.ABAXb.HBHXb.Pf1Pf1jijivr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

9、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 HBSKSSKSHXOHOOSSS.HBgSKSSKKSKSHXNONONOOHOHOSSS.ABSKSSKSAXOAOONHNHNH.HBSKSSKKHSKSKhXkNONONOOHOHOOHOOHB

10、XSXXHBXSX.SNDXX7表表3-1 ASM1模型速率表达式矩阵表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3.2.1.1 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

11、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

12、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3.2.1.3 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 氧碱度符号 名 称 单 位 10值

13、 20值 YA 自养菌产率 g细胞COD/gN氧化 0.24 0.24 YH 异养菌产率 g细胞COD/g COD氧化 0.67 0.67 fp 生物量中可转化为颗粒性产物的比例 无量纲 0.08 0.08 iXB 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 0.06 0.06 3.2.1.4 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符号 名 称 单 位 10值 20值 H 异养菌最大比增长速率 day -1 3.0 6.0 KS 异养菌半饱和系数 gCOD/m3 20.0 20.0 KOH 异养菌的

14、氧半饱和系数 gO2/m3 0.20 0.20 KNO 反硝化菌的硝酸盐半饱和系数 gNO3-N/m3 0.50 0.50 bH 异养菌的衰减系数 day -1 0.20 0.62 g 缺氧条件下的H校正因子 无量纲 0.8 0.8 h 缺氧条件下水解校正因子 无量纲 0.4 0.4 Kh 最大比水解速率 gCOD/gCOD d 1.0 3.0 KX 慢速可生物降解基质水解的半饱和系数 gCOD/gCOD 0.01 0.03 A 自养菌最大比增长速率 day -1 0.3 0.8 KNH 自养菌的氨半饱和系数 gNH3-N/m3 1.0 1.0 KOA 自养菌的氧半饱和系数 0.4 0.4 b

15、A 自养菌衰减系数 - m3COD/gd 0.04 0.08go2/m3Ka 氨化速率day-1 0.05 0.05表表3-3 动力学参数动力学参数3.2.1.4 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OH4 . 5CO3NHOHC6 . 0OH6 . 0NH6 . 0O3OHC223245426126SSSOSNHSALKXB，HHY111Y1H-iXB14iXBH,B0H,OOSSSH1XSKSSKS2.异养菌的缺氧生长异养菌的缺氧生长2223245436126N4 . 1OH4 . 6CO5 . 3NHOHC5 . 0H3 . 2NH5 . 0NO8 . 2OH

16、CSSSNOSNHSALKXB，HHY1-iXB86. 21Y86. 21H14iY86. 214Y1XBHH1H,BgNONONOOH,OH,OSSSH2XSKSSKKSKS3.自养菌好氧生长自养菌好氧生长OH04. 1COH88. 1NO98. 0NOHC02. 0HCO98. 1O86. 1NH2323275324SNHSOSALKXB，ASNO1AXBY1iAXBY7114i1Y57. 4AAY1A,BOA,OONHNHNHA3XSKSSKS4.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NDSPH,BXXXX-1fp1-fpiXB-fpiXPH,BH4XbNDSPA,B

17、XXXX-1fp1-fpiXB-fpiXPA,BA5Xb6.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ALKNHNDSSS-11141H,BNDa6XSKSSSX1-1H,BNONONOOH,OH,OhOH,OOH,BSXH,BSh7XSKSSKKSKSXXKXXK8.颗粒性有机氮的水解颗粒性有机氮的水解NDNDSX-11H,BNONONOOH,OH,OhOH,OOH,BSXH,BNDhSND78XSKSSKKSKSXXKXXK)X/X(3.2.1.6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

18、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： jijijnjjiji101SI：SS：721211HHYYXI：03XS：7344)1 ()1 (ppffXB，H：4215XB，A：536XP：S0：SNO：SNH：SND：547pf31857.41AAHHYYYY329186. 21AHHYYY6321101AXBXBXBYiii8611XND：85412XBPXBXBPXBifiifiSALK：63211314171141486. 2*14114AXBXBHHXBYiiYYi3.2.3 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1

19、2345678910iriXQQ eiiXQXQ1rrrXQXQ10) ) 105421CiupAXQJ22 .CidnAXQJ33 .CidnAXQJ44 .CidnAXQJ44 .CidnAXQJ55 .CidnAXQJ99 .JS.1=min(VS.1X1,orVS.2X2)orJS.1=VS.1X1,if X2XtJS.2=min(VS.2X2,orVS.3X3)orJS.2=VS.2X2,if X3XtJS.3=min(VS.3X3,orVS.4X4)orJS.3=VS.3X3,if X4XtJS.4=min(VS.4X4,orVS.5X5)JS.5=min(VS.5X5,orVS.

20、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,if X2XtJS.2=min(VS.2X2,orVS.3X3)orJS.2=VS.2X2,if X3XtJS.3=min(VS.3X3,orVS.4X4)orJS.3=VS.3X3,if X4XtJS.4=min(VS.4X4,o

21、rVS.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2-8Takacs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。*00jpjhXrXrsjee00sjjX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

22、/m3。jnsjXfX)1 (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3.2.4 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

23、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。 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,Z0Unit 1UnitNQf,ZfQe,Zem=1m=6m=10Qe,Zem=1m=6m=10沉淀池 图图3-9 n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

24、.40.50.60.70.80.91.01.100.511.522.5300.1浓度 （C）时间 (t)n=1n=2n=5n=10n=图图3-10 n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= 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

25、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 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

26、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Q0,Z0Unit 1UnitMUnit 1Unit NQf,ZfQr,ZrQr,ZrQu,ZuQe,ZeQw,Zwm=1m=

27、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3.3.3 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：111100111ZQVrZQZQzQVdtdZrraakokkookkkkkokkkOSQSSVklaVrSQVdtdS,*1,1,1kkkkkkkkZQVrZQVdtdZ111n二沉池：

28、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）：入流层和底层之间（m=25）：mmsmsmdnupmclarffmzJJXvvJAXQdtdX1,1,minmmsmsmsmsmmdnmzJJJJXXvdtdX1,1,1minmin底层（m=1）：入流层和顶层之间（m=79） 以上式中：11 , s 2, s12dnmzJJminXXvdtdXmmclarmclarmmupmzJJXXvdtdX,1,1tjjjsjsjjsclarXifXXvorvXvJ1,1,min顶层（m=10）式中：1010,10910zJXXvdtdXclaruptsssclarXifXXvor

29、XvXvJ91010,99 ,1010,10,min3.3.4 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。 tdtdZtZttZ tdtdXtXttX3.3.5 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。nModule 3：数值积分求组分稳态解。 nModule 4：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。 全局变量说明 动力学参数 化学计量参数过程

30、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+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动力学与化学计量参数设定 进水各组分浓度设定进水各组分浓度设定 3.3.6 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系统

31、的优化设计和运行管理3.4 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/l 图3-15 A1/O（缺氧+好氧活性污泥法）工艺流程图粗格栅提升泵房细格栅曝气沉砂池初沉池污泥浓缩污泥一级消化污泥脱水进厂污水泥饼外运回流污泥出水加氯好氧池二沉池接触池缺氧池混合液回流污泥二级消化沼气利用粗格栅提升泵房细格栅曝气沉砂池初沉池污泥浓缩污泥一级消

32、化污泥脱水进厂污水泥饼外运回流污泥出水加氯好氧池二沉池接触池缺氧池混合液回流污泥二级消化沼气利用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图3-17 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05101520253035404550141618202224262830曝气池总体积（万m3)COD,BOD,SS,TN(mg/l)CODBODSSNH3-NT

33、N 图3-18 曝气池体积与出水水质关系1616.51717.51818.519141618202224262830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1*ZXYRXZOVAZXYRXZZZO*21AVZ 2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 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：3500 4000mg/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： 1 3mg/l总泥龄：大于10d污泥负荷：0.14kgBOD5/(kgMLSSd)二沉池二沉池停留时间：4.5