废水生物处理系统数学模型

关于废水生物处理系统数学模型第一页，共六十八页，2022年，8月28日3.1概述废水处理系统简介

活性污泥系统设计和管理

活性污泥系统数学模型研究现状和意义第二页，共六十八页，2022年，8月28日图3-1废水处理工艺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第三页，共六十八页，2022年，8月28日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法工艺第四页，共六十八页，2022年，8月28日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工艺第五页，共六十八页，2022年，8月28日Fw=0.2～0.4kgBOD/(kgMLSS·d)Fr=0.4～0.9kgBOD/(m3池容·d)污泥负荷法：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数学模型法：第六页，共六十八页，2022年，8月28日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（InternationalAssociationonWaterQuality）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（ActivatedSludgeModelN0.1，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第七页，共六十八页，2022年，8月28日3.2活性污泥系统数学模型3.2.1ASM13.2.2ASM2、ASM2d、ASM33.2.3二沉池模型3.2.4活性污泥系统综合模型第八页，共六十八页，2022年，8月28日3.2.1ASM1ASM1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。

第九页，共六十八页，2022年，8月28日图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—再生理论第十页，共六十八页，2022年，8月28日工艺过程↓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ρj(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: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：μHKSKO.HKNObH自养菌的生长与衰减：μAKNHKO.AbA异养菌缺氧生长的校正因子：ηg氨化作用：ka水解作用：khKX缺氧水解的校正因子：ηh

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+NH3—N）

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3-1ASM1模型速率表达式矩阵表第十一页，共六十八页，2022年，8月28日3.2.1ASM13.2.1.1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过程速率表达式组分速率的表达式第十二页，共六十八页，2022年，8月28日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。（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ηg和ηh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。第十三页，共六十八页，2022年，8月28日（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。

第十四页，共六十八页，2022年，8月28日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衰减氨化水解3.2.1.2生物学工艺过程第十五页，共六十八页，2022年，8月28日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ＳＯ

碱度ＳＡＬＫ第十六页，共六十八页，2022年，8月28日符号

名

称

单

位

10℃值

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/gCOD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

表3-2化学计量参数值第十七页，共六十八页，2022年，8月28日符号

名

称

单

位

10℃值

20℃值

μH

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

ηg

缺氧条件下的μH校正因子

无量纲

0.8

0.8

ηh

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

μA

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

bA

自养菌衰减系数

-

·

m3·COD/g·d0.040.08go2/m3Ka氨化速率day-10.050.05表3-3动力学参数第十八页，共六十八页，2022年，8月28日3.2.1.4过程速率表达式1.异养菌的好氧生长SSSOSNHSALKXB，H1-iXB第十九页，共六十八页，2022年，8月28日2.异养菌的缺氧生长SSSNOSNHSALKXB，H-iXB1第二十页，共六十八页，2022年，8月28日3.自养菌好氧生长SNHSOSALKXB，ASNO1第二十一页，共六十八页，2022年，8月28日4.异养菌的衰减5.自异养菌的衰减-1fp1-fpiXB-fpiXP-1fp1-fpiXB-fpiXP第二十二页，共六十八页，2022年，8月28日6.溶解性有机氮的氨化7.不易生物降解有机物水解-111-1第二十三页，共六十八页，2022年，8月28日8.颗粒性有机氮的水解-11第二十四页，共六十八页，2022年，8月28日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γij为该过程的速率表达式ρj与其相应的速率系数νij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：

第二十五页，共六十八页，2022年，8月28日SI：SS：XI：XS：XB，H：XB，A：第二十六页，共六十八页，2022年，8月28日XP：S0：SNO：SNH：SND：第二十七页，共六十八页，2022年，8月28日XND：SALK：第二十八页，共六十八页，2022年，8月28日3.2.3二沉池模型（分层沉淀模型）进水层顶层底层12345678910第二十九页，共六十八页，2022年，8月28日))105421CiupAXQJ22.=CidnAXQJ33.=CidnAXQJ44.=CidnAXQJ44.=CidnAXQJ55.=CidnAXQJ99.=JS.1=min(VS.1X1,orVS.2X2)orJS.1=VS.1X1,ifX2≤XtJS.2=min(VS.2X2,orVS.3X3)orJS.2=VS.2X2,ifX3≤XtJS.3=min(VS.3X3,orVS.4X4)orJS.3=VS.3X3,ifX4≤XtJS.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,ifX2≤XtJS.2=min(VS.2X2,orVS.3X3)orJS.2=VS.2X2,ifX3≤XtJS.3=min(VS.3X3,orVS.4X4)orJS.3=VS.3X3,ifX4≤XtJS.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2-8第三十页，共六十八页，2022年，8月28日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。第三十一页，共六十八页，2022年，8月28日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。第三十二页，共六十八页，2022年，8月28日表3-4Takacs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v0’250m/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无量纲第三十三页，共六十八页，2022年，8月28日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。

第三十四页，共六十八页，2022年，8月28日

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沉淀池第三十五页，共六十八页，2022年，8月28日

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=∞τττ第三十六页，共六十八页，2022年，8月28日图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)浓度（C）n=1n=2n=5n=10n=25n=75ττn=∞第三十七页，共六十八页，2022年，8月28日

图3—11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串联模型第三十八页，共六十八页，2022年，8月28日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模拟软件的校准第三十九页，共六十八页，2022年，8月28日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总体框图第四十页，共六十八页，2022年，8月28日Q0,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模拟工艺流程图3-13模拟工艺流程第四十一页，共六十八页，2022年，8月28日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∴Unit2—M+N：对于SO：其它：第四十二页，共六十八页，2022年，8月28日二沉池：

输入-输出=每一层内的累积∴入流层（m=6）：∴入流层和底层之间（m=2—5）：第四十三页，共六十八页，2022年，8月28日∴底层（m=1）：∴入流层和顶层之间（m=7—9）以上式中：第四十四页，共六十八页，2022年，8月28日∴顶层（m=10）式中：第四十五页，共六十八页，2022年，8月28日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。

第四十六页，共六十八页，2022年，8月28日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：Modulel1：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。

Module2：给活性污泥系统所有变量及参数赋初始值。Module3：数值积分求组分稳态解。Module4：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。

第四十七页，共六十八页，2022年，8月28日全局变量说明

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（t≥0）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程序总体框图第四十八页，共六十八页，2022年，8月28日

软件主界面

第四十九页，共六十八页，2022年，8月28日第五十页，共六十八页，2022年，8月28日动力学与化学计量参数设定第五十一页，共六十八页，2022年，8月28日

进水各组分浓度设定

第五十二页，共六十八页，2022年，8月28日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的优化设计和运行管理第五十三页，共六十八页，2022年，8月28日3.4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6-910-20℃200mg/l400mg/l30mg/l250mg/l处理后6-9/≤20mg/l≤60mg/l≤15mg/l≤20mg/l第五十四页，共六十八页，2022年，8月28日

图3-15A1/O（缺氧+好氧活性污泥法）工艺流程图第五十五页，共六十八页，2022年，8月28日入流组分测定：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第五十六页，共六十八页，2022年，8月28日图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：010203040浓度（mg/l)SNOSNHSNDXND组分欧洲基准第四污水处理厂第五十七页，共六十八页，2022年，8月28日05101520253035404550141618202224262830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第五十八页，共六十八页，2022年，8月28日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第五十九页，共六十八页，2022年，8月28日费用函数运行费用基建投资费用总费用函数第六十页，共六十八页，2022年，8月28日

西安市第四污水处理厂设计结果缺氧池设计水量：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：3500～4000mg/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)二沉池停留时间：4.5h水力负荷：0.87m3/(m2·h)污泥回流比：50～100%第六十一页，共六十八页，2022年，8月28日0500100015002000250030003500400045000510152025303540time(days)MLSS,XBH(mg/l)020406080100120140160180XBA(mg/l)XBHMLSSXBA

图3-20启动培菌过程