清华施汉昌讲座-废水生物处理的数值模拟研究课件

施汉昌环境模拟与污染控制国家重点联合实验室清华大学环境科学与工程系废水生物处理的数值模拟研究施汉昌废水生物处理的1

主要内容中国水污染的现状废水生物处理的优势废水生物处理的数学模型与工具生物处理反应器模拟的示例主要内容2中国水污染的现状中国水污染的现状3我国经济快速发展带来严重环境问题污染问题在我国经济发达地区多种污染同时并存一、二十年内集中爆发大气、水污染的经济损失占GDP5-7%制约社会、经济的发展

复合污染我国经济快速发展带来严重环境问题复合污染4河流的污染

在411条被监测的河流中:40%达到I—III级标准33%达到IV、V级标准27%低于V级标准100个国控监测断面:36%达到I—III级标准40%达到IV、V级标准24%低于V级标准河流的污染在411条被监测的河流中:5湖泊的污染我国绝大部分水域面临着水体富营养化的问题。太湖:67%劣V类滇池:63%劣V类巢湖：43%劣V类滇池小江小江太湖湖泊的污染我国绝大部分水域面临着水体富营养化的问题。滇池小江6城市污水处理厂的发展城市污水处理厂的发展7城市污水处理的发展：近10年来，我国已经建成了大中型城市污水处理厂1000余座；投入资金数千亿元。城市污水处理的需求：需要达标运行、节能降耗和取得环境效益；污水处理需要更适合我国国情的新技术。城市污水处理的发展：8废水生物处理的优势废水生物处理的优势9废水处理中的微生物生态系统腐生性微生物絮凝性微生物硝化细菌捕食性微生物有害性微生物生态环境废水处理中的微生物生态系统腐生性微生物絮凝性微生物硝化细菌捕10巨大的缓冲系统良好的适应性原水培养长期驯化优胜劣汰形成不同功能的多种群微生物系统形成对水质水量有巨大缓冲能力的处理系统酶的催化反应处理系统的低能耗巨大的缓冲系统良好的适应性原水培养形成对水质水量有巨大缓11广泛的适应性+低能耗使生物处理技术在废水处理中占主导地位

广泛的适应性+低能耗12废水生物处理技术的

问题与改善途径存在的问题进出水与过程的参数不清运行的非稳态问题进一步提高处理效率在线自动检测生物反应器工程现代生物技术生物反应动力学计算流体动力学数学工具废水生物处理技术的

问题与改善途径存在的问题在线自动检测生物13废水生物处理的

数学模型与应用软件废水生物处理的

数学模型与应用软件14废水处理的生物反应动力学

废水生物处理的动力学主要包括：基质降解动力学：基质降解与基质浓度、生物量等因素的关系；微生物增长动力学：微生物增长与基质浓度、生物量、增长常数等因素的关系；相互关系：研究基质降解与生物量增长、基质降解与需氧、营养条件之间的关系。

对废水生物处理动力学模型的研究起始于20世纪50年代。美国、英国和南非等国的科学家对此都有深入的研究。废水处理的生物反应动力学废水生物处理的动力学主要包括15

ASM模型是国际水质协会（IAWQ）于1983年成立课题组开展研究。1987年ASM1模型：碳氧化、硝化、反硝化的三个过程1994年ASM2模型：增加了磷的生物和化学去除过程1998年ASM2D模型

增加了反硝化的聚磷菌

1999年ASM3模型修正了ASM1在某些方面存在的一些问题。目前，活性污泥模型的研究和应用重点在这三个模型上。ASM系列活性污泥法模型ASM模型是国际水质协会（IAWQ）16ASM1(13组分、8过程)ASM1(13组分、8过程)17IAWQ活性污泥法模型的过程动力学和化学计算表IAWQ活性污泥法模型的过程动力学和化学计算表18ASM模型的比较比较项目ASM1ASM2ASM2DASM3模型组分13191913反应过程8192112关键过程碳氧化过程/硝化过程/反硝化过程碳氧化/硝化/反硝化/生物、化学除磷碳氧化/硝化/反硝化/生物、化学除磷碳氧化过程/硝化过程/反硝化过程模型科学性早期的模型结构，对组成分配尚不清晰，采用死亡－再生理论模型化了除磷过程，并开始对细胞内部结构有了一些细致描述增加了对聚磷菌反硝化过程的描述将硝化菌和异养菌的过程清晰区分，并采用内源呼吸理论使用情况经过10多年的大量使用事例，从模拟、设计到控制都较成熟逐渐开始广泛应用，ASM2D出现后的一段时间应用逐渐逐渐取代了ASM2的应用还没有大量的验证和使用基本评价大量成熟和稳定的应用模型非常复杂，但包含了重要的厌氧和除磷过程模型非常复杂，但包含了重要的厌氧和除磷过程模型描述的先进性，在大量成熟应用后，可逐渐取代ASM1。ASM模型的比较比较项目ASM1ASM2ASM2DASM3模19ASM模型的求解：（1）活性污泥法的分类

完全混合式推流式活性污泥法活性污泥法单级完全混合式活性污泥法

AB工艺A/O工艺ASM模型的求解和应用ASM模型的求解：ASM模型的求解和应用20采用多个CSTR反应器串连可以模拟各种活性污泥工艺流程A/A/O活性污泥法CSTRCSTRCSTRCSTRCSTRAAOSS采用多个CSTR反应器串连可以A/A/O活性污泥法CSTRC21缺氧－好氧工艺(AO)：A2OOO二沉池厌氧－缺氧－好氧工艺(A2O)：A1A2OO二沉池氧化沟工艺(交替缺氧、好氧)：A2A2OO二沉池SBR工艺(在一个周期内，时间上的推流、空间上的完全混合):T5沉淀T1T2T3T4缺氧－好氧工艺(AO)：A2OOO二沉池厌氧－缺氧－好氧22WWTP模拟软件软件名称基础模型模拟工艺SIMBA4.0ASM,消化模型,污染负荷模型活性污泥,SBR,氧化沟EFORASM1,ASM2D,3种水力模型活性污泥,污泥回流WESTASM系列,沉淀池模型活性污泥，SBR，生物膜GPS-XASM系列,沉淀池,生物膜等活性污泥，生物膜ODSSASM1,ASM2D，沉淀池模型活性污泥法，模拟系统与专家系统其他软件：SASSPro,AQUASIM,AQUASYSTEM,ARASIM,EWSIMWWTP模拟软件软件名称基础模型模拟工艺SIMBA4.0A23计算流体力学

及其应用软件计算流体力学

及24计算流体力学及其应用软件CFD（ComputationalFluidDynamics）即计算流体动力学，是20世纪60年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。由于计算机、算法以及各种软件的出现使CFD成为非常有用的工程工具。CFD广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木、水力、环境、化工等诸多领域。飞机周围的压力场

汽车外流场的模拟

化学工业中的搅拌器计算流体力学及其应用软件CFD（Computational25随着CFD应用的日益广泛，出现了许多商业软件，如FLUENT,CFX,STAR-CD,ANSYIS等等，其中，FLUENT是最具有竞争性的软件。FLUENT是用于模拟流体复杂结构内的流动、传热等现象的技术，它提供了多样的网格，不同的模型，方便的输入输出，能给出稳态和非稳态的解，处理层流、湍流、单相、多相，有反应和没反应等多种情况。

随着CFD应用的日益广泛，出现了许多商业软件，如FLUENT26FLUENT计算步骤预处理求解后处理建立模型，求解检查结果，修订模型确定模拟目标、建立模拟结构，生成网格FLUENT计算步骤预处理求解后处理建立模型，检查结27生物处理反应器的模拟示例生物流化床反应器的流态模拟研究氧化沟反应器动态运行的模拟研究沉淀池中反硝化污泥上浮的模拟研究生物处理反应器的模拟示例生物流化床反应器的流态模拟研究28生物流化床反应器的流态模拟研究在内循环三相生物流化床的研究基础发展出具有我国自主知识产权的气浮分离生物流化反应器。缺氧－好氧分区运行

轻质高强度生物填料

结合高效固液分离方式的新型复合反应器

反应器大型化的蜂窝断面结构

迷宫式生物载体分离器

1.反应器大型化的蜂窝断面结构;2.以气浮为高效分离单元的好氧生物流化复合反应器；3.缺氧－好氧一体式高效分离生物流化复合反应器；4.新型轻质高强度生物填料；5.迷宫式生物载体分离器；

生物流化床反应器的流态模拟研究在内循环三相生物流化床29清华施汉昌讲座-废水生物处理的数值模拟研究课件30生物流化床的简化结构生物流化床的简化结构31反应器模拟-静压力分布

升、降流区底部升流区和降流区的压差最大，而接近反应器顶部，这种差别逐渐减小。就压力的绝对值而言，升、降流区底部压力的绝对值大于顶部。

＋－横断面纵断面纵断面反应器模拟-静压力分布升、降流区底部升流区和降流区的压差最32反应器模拟-循环液速

在每个降流区和升流区的横断面上，液体流速有所区别。降流区液体流速在断面上比较平均，只有周边流速较小。而升流区由于受曝气头的影响，局部区域流速明显高于四周，并且差别较大，但是流速较高的区域不一定在升流区的中心。反应器模拟-循环液速在每个降流区和升流区的横断面上，液体流33反应器模拟-底隙高度影响气含率随着底隙高度的增加，升流区气含率降低，降流区气含率增加。在底隙高度B为600mm时，液体循环速度最大，B减小和增大时液体循环速度都减小。循环液速流化床底部的流速分布反应器模拟-底隙高度影响气含率随着底隙高度的增加，升流区气含34载体分离器参数对分离效果的影响不同h分离区上部固含率比较不同a/b分离区上部固含率比较载体分离器参数对分离效果的影响不同h分离区上部固含率比较不35COD的去除效果常州丽华污水处理站的运行效果进水COD负荷：5.28kg/m3.dCOD去除率：81%COD的去除效果常州丽华污水处理站的运行效果进水COD负荷36TP的去除效果NH4-N的去除效果氨氮去除率>80%出水浓度<10mg/LTP去除率>60%出水TP浓度<2.5mg/L化学强化除磷：出水TP浓度<0.5mg/LTP的去除效果NH4-N的去除效果氨氮去除率>80%TP去37与“95”生物流化床的比较高20m，最大直径5m高10m,最大直径3.1m以单台日处理废水1000m3为例：新型反应器

水泵扬程：降低50%风机压力：降低40%启动能耗：降低30%基础承压：降低30%容积效率：提高27%材料消耗：降低15%具有除碳和脱氮除磷的多种功能实现了高效和低能耗与“95”生物流化床的比较高20m，最大直径5m38氧化沟反应器动态运行的模拟研究不同条件下氧化沟中的流态分布不同条件下氧化沟中的浓度分布氧化沟中微元的生物反应过程不同条件下氧化沟中适宜的缺氧区和好氧区分布曝气机与水下推流器的合理布置提出氧化沟同步硝化反硝化的优化运行模式氧化沟反应器动态运行的模拟研究不同条件下氧化沟中的流态分布提39进水在沟内要循环多次（10次以上）才流出氧化沟，沟内的一个确氧区就相当于多个缺氧好氧活性污泥池的串联。缺氧区进水在沟内要循环多次（10次以上）才流出氧化沟，沟内的一个确40氧化沟中的流态研究小试模型测试CFD模拟氧化沟流态模型现场测试模型验证流态分布-推流器设置氧化沟中的流态研究小试模型测试CFD模拟氧化沟流态模型现场测41氧化沟生化反应过程的分析+优化运行条件氧化沟单元化分区进水负荷的变化不同负荷下各分区的DO浓度不同负荷下整沟的AO容积氧化沟生化反应过程的分析+优化运行条件氧化沟单元化分区进水负42入水水质动态变化氧化沟动力学模拟分析入水水质动态变化氧化沟动力学模拟分析43水质参数COD（mg/L）TN（mg/L）NH3（mg/L）NO（mg/L）P（mg/L）平均值16.1817.0816.290.20.172o'clock13.4916.171.8813.880.195o'clock10.7711.151.019.750.1310o'clock13.4422.321.220.410.9112o'clock50.7623.5520.930.010.8614o'clock36.8919.8118.020.021.0317o'clock90.8822.8918.330.010.7219o'clock14.8617.0416.150.291.4922o'clock17.9015.2514.560.170.64氧化沟动力学模拟分析水质参数CODTNNH3NOP平均值16.1817.0844不同时刻截面溶解氧平均值随位置变化（工况1）

不同时刻截面溶解氧平均值随位置变化（工况2）氧化沟动力学模拟分析不同时刻截面溶解氧平均值随位置变化（工况1）不同时刻截面溶45氧化沟动力学模拟分析入水动态变化对出水以及氧化沟内溶解氧分布影响显著氧化沟动力学模拟分析入水动态变化对出水以及氧化沟内溶解氧分布46动力学模拟分析不同控制条件下运行效果得出优化运行控制方法入水动态变化出水水质不稳定氮、磷去除效果溶解氧浓度空间和时间变化不合理个别区域流速不能满足运行要求系统运行污泥浓度调节曝气机运行对DO分布的影响单元化分析氧化沟内部环境变化氧化沟优化运行分析动力学模拟分析不同控得出优化运行控制方法入水动态变化出水水质47清华施汉昌讲座-废水生物处理的数值模拟研究课件48清华施汉昌讲座-废水生物处理的数值模拟研究课件49化学强化除磷化学强化除磷50基于进水负荷变化的动态运行模式前馈+反馈的运行控制方法同步硝化反硝化与化学强化除磷的优化运行基于进水负荷变化的动态运行模式前馈+反馈的运行控制方法同步硝51沉淀池中反硝化污泥上浮的模拟研究

反硝化污泥上浮小试试验的研究；反硝化污泥上浮数学模型的建立；反硝化污泥上浮数学模型的应用；沉淀池中反硝化污泥上浮的模拟研究反硝化污泥上浮小试试验的研52研究思路与方法研究思路

CFD模拟二沉池中流态及固相行为和分布反硝化污泥上浮过程重要参数二沉池反硝化过程及影响因素反硝化污泥上浮小试试验生物动力学模拟反硝化污泥上浮数学模型反硝化污泥上浮实例研究反硝化污泥上浮过程影响因素反硝化污泥上浮问题控制策略研究思路与方法研究思路CFD模拟二沉池中流态及固相行为和分53研究思路与方法研究方法——二沉池中流场及固相行为和分布模拟研究采用基于CFD原理的FLUENT软件进行研究；建立适用于FLUENT计算的二沉池概化模型；采用欧拉－拉格朗日方法模拟研究二沉池中固相颗粒的行为；采用欧拉－欧拉方法模拟研究二沉池中固相浓度分布；研究思路与方法研究方法——二沉池中流场及固相行为和分布模拟研54二沉池简化算例

二沉池简化算例55网格划分

网格划分56边界条件

速度入口Velocity_inlet一般出流Outflow一般出流Outflow密度(kg/m3)动力粘度(kg/m*s)速度(m/s)等效直径(m)体积分数液相(水)10000.0010.1————固相(污泥)11001.8×10-51000.0018(2000mg/L)边界条件速度入口Velocity_inlet一般出流Out57反硝化污泥上浮数学模型的建立泥层位置的确定通过FLUENT模拟得到二沉池中的固相分布：泥层位置判断条件一：反硝化污泥上浮数学模型的建立泥层位置的确定通过FLUENT模58反硝化污泥上浮数学模型的建立泥层位置的确定通过FLUENT模拟得到二沉池中的水流流速分布：泥层位置判断条件二：反硝化污泥上浮数学模型的建立泥层位置的确定通过FLUENT模59研究思路与方法研究方法——二沉池中反硝化过程模拟研究采用基于ASM模型的WEST软件进行研究；建立适用于WEST模拟的二沉池概化模型；有机氮氨化硝化反硝化研究思路与方法研究方法——二沉池中反硝化过程模拟研究采用基60反硝化污泥上浮小试试验的研究试验结果

反硝化污泥上浮过程可分为三个阶段：第一阶段：产气阶段第二阶段：带气颗粒上浮阶段第三阶段：泥层上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究试验结果反硝化污泥上浮过61研究思路与方法研究方法——反硝化污泥上浮小试试验试验装置——动态数码摄像系统研究思路与方法研究方法——反硝化污泥上浮小试试验试验装置——62研究思路与方法研究方法——反硝化污泥上浮小试试验试验装置——动态数码摄像系统光源电源光源及样品池图像采集系统图像分析系统研究思路与方法研究方法——反硝化污泥上浮小试试验试验装置——63反硝化污泥上浮小试试验的研究第一阶段——产气阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第一阶段——产气阶段64反硝化污泥上浮小试试验的研究第二阶段——带气颗粒上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第二阶段——带气颗粒上浮阶段65反硝化污泥上浮小试试验的研究第二阶段——带气颗粒上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第二阶段——带气颗粒上浮阶段66反硝化污泥上浮小试试验的研究第三阶段——泥层上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第三阶段——泥层上浮阶段67反硝化污泥上浮小试试验的研究第三阶段——泥层上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第三阶段——泥层上浮阶段68氮气饱和阶段氮气气泡成核阶段氮气气泡生长阶段带气颗粒上浮阶段泥层上浮阶段反硝化污泥上浮数学模型的建立模型结构反硝化污泥上浮数学模型将整个过程分为五个阶段：t0t1t2t3t4tc研究周期起始时刻氮气浓度达到饱和时刻第一个氮气气泡产生时刻第一个带气颗粒上浮时刻泥层发生上浮时刻研究周期结束时刻氮气饱氮气气泡氮气气泡带气颗粒泥层上反硝化污泥上浮数学模型的69反硝化污泥上浮数学模型的建立第一阶段——氮气饱和阶段(t0-t1)

考察泥层中的氮气浓度C，在这一阶段里，经历了如下过程：t0：C处于饱和状态进水的稀释作用t1：C重新达到饱和状态反硝化产生氮气反硝化污泥上浮数学模型的建立第一阶段——氮气饱和阶段(t0-70反硝化污泥上浮数学模型的建立第一阶段——氮气饱和阶段(t0-t1)

将泥层视作连续进出水完全混合式活性污泥反应器，通过WEST模拟得到氮气浓度变化曲线：t1Cs反硝化污泥上浮数学模型的建立第一阶段——氮气饱和阶段(t0-71t1Cs反硝化污泥上浮数学模型的建立第二阶段——氮气气泡成核阶段(t1-t2)

在t1之后，氮气浓度呈类似线形增长，氮气在水中的过饱和度S(t)也不断增加：t1Cs反硝化污泥上浮数学模型的建立第二阶段——氮气气泡成核72反硝化污泥上浮数学模型的建立第二阶段——氮气气泡成核阶段(t1-t2)

过饱和度S(t)不断增长，直到t2时刻，S(t)满足气泡成核条件，泥层中形成了第一个氮气气泡。泥层中的气泡成核属于经典异相成核，需要满足条件：故t2可按下式计算：反硝化污泥上浮数学模型的建立第二阶段——氮气气泡成核阶段(t73反硝化污泥上浮数学模型的建立第三阶段——氮气气泡生长阶段(t2-t3)

在这一阶段里，由于氮气气泡的增长受扩散控制，已经形成的气泡粒径将以恒定的速度G0增长：

式中，kg为描述气泡粒径增长的常数，需由试验确定。气泡的粒径r(t)可表示为：反硝化污泥上浮数学模型的建立第三阶段——氮气气泡生长阶段(t74反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t3-t4)

不断增大的气泡与活性污泥颗粒粘附在一起，使得带气颗粒的密度小于水，从而发生上浮。带气颗粒上浮发生的条件为：反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t75反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t3-t4)

通过小试试验观察到R与气泡直径dg的关系：反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t76反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t3-t4)R随气泡直径dg增大而减小的机理：反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t77反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t3-t4)第一个带气颗粒上浮发生上浮的时间t3为：1.43d0反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t78反硝化污泥上浮数学模型的建立第五阶段——泥层上浮阶段(t4-t5)

由于泥层中气泡数量和体积的不断增加，泥层的密度不断降低，在t4时刻，泥层的密度减至小于水而发生上浮。发生上浮的条件为：

在任一时刻t(t>t2)，已生成的气泡总体积为：反硝化污泥上浮数学模型的建立第五阶段——泥层上浮阶段(t4-79反硝化污泥上浮数学模型的建立反硝化污泥上浮数学模型将反硝化污泥上浮过程分为氮气饱和、氮气气泡成核、氮气气泡生长、带气颗粒上浮和泥层上浮五个阶段；氮气达到饱和的时刻t1，第一个氮气气泡成核的时刻t2，第一个带气颗粒上浮的时刻t3和泥层发生上浮的时刻t4是模型的四个重要时刻。反硝化污泥上浮数学模型的建立反硝化污泥上浮数学模型将反硝化80反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用的步骤WEST模拟资料搜集CFD模拟1小试试验模型计算CFD模拟2反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用的步骤WEST模拟资料搜81反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——研究对象

某城市污水处理厂中心进水周边出水的幅流式二沉池。日进水流量40000m3/d，直径50m，池有效水深4.5m，单池面积1960m2，双边三角堰出水，间歇排泥，回流比为0.4。反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——研究对象82反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟111反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟11183反硝化污泥上浮数学模型的应用1-1处沿池深方向固相浓度1-1处沿池深方向水流轴向流速4.5反硝化污泥上浮数学模型的应用1-1处沿池深方向固相浓度1-184反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟14.5m反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟14.85反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——WEST模拟第一阶段——氮气饱和阶段反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——WEST模拟第一86反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——模型计算250第二阶段——氮气气泡成核阶段反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——模型计算250第87反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——模型计算第三阶段——氮气气泡生长阶段反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——模型计算第三阶段88反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——模型计算第四阶段——带气颗粒上浮阶段1.43反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——模型计算第四阶段89反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——模型计算第五阶段——泥层上浮阶段反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——模型计算第五阶段90反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟2上浮的带气颗粒对出水SS的影响：反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟2上浮91反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟2上浮带气颗粒的去向分布：在t4时刻上浮的带气颗粒对出水SS的贡献：反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟2上浮92反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟2上浮的泥层对出水SS的影响：泥层上浮速度：反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟2上浮93反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟210min20min30min40min反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟21094反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟2上浮的泥层对出水SS的影响：出水SS一级标准反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例——CFD模拟2上浮95反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例重要时刻：

当t1＝25.3min时，氮气浓度重新达到饱和；当t2＝37.6min时，泥层中开始产生氮气气泡；当t3＝65.1min时，开始有带气颗粒从泥层中逸出，发生上浮，并引起出水SS增高；当t4＝70.1min时，整个泥层开始发生上浮，并引起出水SS急剧增高；泥层上浮后不到10min，出水SS即会超过城镇污水处理厂一级排放标准反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例重要时刻：当t1＝96反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例重要参数：氮气生成的速度为6.9×10-4mg/L·s；氮气气泡粒径增长的速度为0.17μm/s；上浮的带气颗粒对出水SS的最大贡献为2.59mg/L；泥层上浮50min后，对出水SS的贡献可达到800mg/L；反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例重要参数：氮气生成97反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例案例应用结论：

在本案例的工艺运行条件和水质参数的条件下，如果不及时进行排泥，将会在上次排泥结束后70min左右发生反硝化污泥上浮问题，出水SS由于上浮污泥的影响，会达到30mg/L，甚至更高，超过了城市污水处理厂的排放标准。反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例案例应用结论：98反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用——反硝化污泥上浮过程的影响因素反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用——反硝化污泥上浮过程的99反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用——控制策略工艺设计之初的策略避免选择后置反硝化工艺；提高二沉池池深；反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用——控制策略工艺设计之初100反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用——控制策略工艺运行中的调控步骤反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用——控制策略工艺运行中的101数值模拟是废水处理反应器研究中的一种有效的新方法、新工具。让我们共同学习，深入研究，研发出中国的新型高效生物反应器，为水污染控制提供有力的技术支持。公欲善其事必先利其器数值模拟是废水处理反应器研究中的一种有效的102谢谢谢谢103施汉昌环境模拟与污染控制国家重点联合实验室清华大学环境科学与工程系废水生物处理的数值模拟研究施汉昌废水生物处理的104

主要内容中国水污染的现状废水生物处理的优势废水生物处理的数学模型与工具生物处理反应器模拟的示例主要内容105中国水污染的现状中国水污染的现状106我国经济快速发展带来严重环境问题污染问题在我国经济发达地区多种污染同时并存一、二十年内集中爆发大气、水污染的经济损失占GDP5-7%制约社会、经济的发展

复合污染我国经济快速发展带来严重环境问题复合污染107河流的污染

在411条被监测的河流中:40%达到I—III级标准33%达到IV、V级标准27%低于V级标准100个国控监测断面:36%达到I—III级标准40%达到IV、V级标准24%低于V级标准河流的污染在411条被监测的河流中:108湖泊的污染我国绝大部分水域面临着水体富营养化的问题。太湖:67%劣V类滇池:63%劣V类巢湖：43%劣V类滇池小江小江太湖湖泊的污染我国绝大部分水域面临着水体富营养化的问题。滇池小江109城市污水处理厂的发展城市污水处理厂的发展110城市污水处理的发展：近10年来，我国已经建成了大中型城市污水处理厂1000余座；投入资金数千亿元。城市污水处理的需求：需要达标运行、节能降耗和取得环境效益；污水处理需要更适合我国国情的新技术。城市污水处理的发展：111废水生物处理的优势废水生物处理的优势112废水处理中的微生物生态系统腐生性微生物絮凝性微生物硝化细菌捕食性微生物有害性微生物生态环境废水处理中的微生物生态系统腐生性微生物絮凝性微生物硝化细菌捕113巨大的缓冲系统良好的适应性原水培养长期驯化优胜劣汰形成不同功能的多种群微生物系统形成对水质水量有巨大缓冲能力的处理系统酶的催化反应处理系统的低能耗巨大的缓冲系统良好的适应性原水培养形成对水质水量有巨大缓114广泛的适应性+低能耗使生物处理技术在废水处理中占主导地位

广泛的适应性+低能耗115废水生物处理技术的

问题与改善途径存在的问题进出水与过程的参数不清运行的非稳态问题进一步提高处理效率在线自动检测生物反应器工程现代生物技术生物反应动力学计算流体动力学数学工具废水生物处理技术的

问题与改善途径存在的问题在线自动检测生物116废水生物处理的

数学模型与应用软件废水生物处理的

数学模型与应用软件117废水处理的生物反应动力学

废水生物处理的动力学主要包括：基质降解动力学：基质降解与基质浓度、生物量等因素的关系；微生物增长动力学：微生物增长与基质浓度、生物量、增长常数等因素的关系；相互关系：研究基质降解与生物量增长、基质降解与需氧、营养条件之间的关系。

对废水生物处理动力学模型的研究起始于20世纪50年代。美国、英国和南非等国的科学家对此都有深入的研究。废水处理的生物反应动力学废水生物处理的动力学主要包括118

ASM模型是国际水质协会（IAWQ）于1983年成立课题组开展研究。1987年ASM1模型：碳氧化、硝化、反硝化的三个过程1994年ASM2模型：增加了磷的生物和化学去除过程1998年ASM2D模型

增加了反硝化的聚磷菌

1999年ASM3模型修正了ASM1在某些方面存在的一些问题。目前，活性污泥模型的研究和应用重点在这三个模型上。ASM系列活性污泥法模型ASM模型是国际水质协会（IAWQ）119ASM1(13组分、8过程)ASM1(13组分、8过程)120IAWQ活性污泥法模型的过程动力学和化学计算表IAWQ活性污泥法模型的过程动力学和化学计算表121ASM模型的比较比较项目ASM1ASM2ASM2DASM3模型组分13191913反应过程8192112关键过程碳氧化过程/硝化过程/反硝化过程碳氧化/硝化/反硝化/生物、化学除磷碳氧化/硝化/反硝化/生物、化学除磷碳氧化过程/硝化过程/反硝化过程模型科学性早期的模型结构，对组成分配尚不清晰，采用死亡－再生理论模型化了除磷过程，并开始对细胞内部结构有了一些细致描述增加了对聚磷菌反硝化过程的描述将硝化菌和异养菌的过程清晰区分，并采用内源呼吸理论使用情况经过10多年的大量使用事例，从模拟、设计到控制都较成熟逐渐开始广泛应用，ASM2D出现后的一段时间应用逐渐逐渐取代了ASM2的应用还没有大量的验证和使用基本评价大量成熟和稳定的应用模型非常复杂，但包含了重要的厌氧和除磷过程模型非常复杂，但包含了重要的厌氧和除磷过程模型描述的先进性，在大量成熟应用后，可逐渐取代ASM1。ASM模型的比较比较项目ASM1ASM2ASM2DASM3模122ASM模型的求解：（1）活性污泥法的分类

完全混合式推流式活性污泥法活性污泥法单级完全混合式活性污泥法

AB工艺A/O工艺ASM模型的求解和应用ASM模型的求解：ASM模型的求解和应用123采用多个CSTR反应器串连可以模拟各种活性污泥工艺流程A/A/O活性污泥法CSTRCSTRCSTRCSTRCSTRAAOSS采用多个CSTR反应器串连可以A/A/O活性污泥法CSTRC124缺氧－好氧工艺(AO)：A2OOO二沉池厌氧－缺氧－好氧工艺(A2O)：A1A2OO二沉池氧化沟工艺(交替缺氧、好氧)：A2A2OO二沉池SBR工艺(在一个周期内，时间上的推流、空间上的完全混合):T5沉淀T1T2T3T4缺氧－好氧工艺(AO)：A2OOO二沉池厌氧－缺氧－好氧125WWTP模拟软件软件名称基础模型模拟工艺SIMBA4.0ASM,消化模型,污染负荷模型活性污泥,SBR,氧化沟EFORASM1,ASM2D,3种水力模型活性污泥,污泥回流WESTASM系列,沉淀池模型活性污泥，SBR，生物膜GPS-XASM系列,沉淀池,生物膜等活性污泥，生物膜ODSSASM1,ASM2D，沉淀池模型活性污泥法，模拟系统与专家系统其他软件：SASSPro,AQUASIM,AQUASYSTEM,ARASIM,EWSIMWWTP模拟软件软件名称基础模型模拟工艺SIMBA4.0A126计算流体力学

及其应用软件计算流体力学

及127计算流体力学及其应用软件CFD（ComputationalFluidDynamics）即计算流体动力学，是20世纪60年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。由于计算机、算法以及各种软件的出现使CFD成为非常有用的工程工具。CFD广泛应用于热能动力、航空航天、机械、土木、水力、环境、化工等诸多领域。飞机周围的压力场

汽车外流场的模拟

化学工业中的搅拌器计算流体力学及其应用软件CFD（Computational128随着CFD应用的日益广泛，出现了许多商业软件，如FLUENT,CFX,STAR-CD,ANSYIS等等，其中，FLUENT是最具有竞争性的软件。FLUENT是用于模拟流体复杂结构内的流动、传热等现象的技术，它提供了多样的网格，不同的模型，方便的输入输出，能给出稳态和非稳态的解，处理层流、湍流、单相、多相，有反应和没反应等多种情况。

随着CFD应用的日益广泛，出现了许多商业软件，如FLUENT129FLUENT计算步骤预处理求解后处理建立模型，求解检查结果，修订模型确定模拟目标、建立模拟结构，生成网格FLUENT计算步骤预处理求解后处理建立模型，检查结130生物处理反应器的模拟示例生物流化床反应器的流态模拟研究氧化沟反应器动态运行的模拟研究沉淀池中反硝化污泥上浮的模拟研究生物处理反应器的模拟示例生物流化床反应器的流态模拟研究131生物流化床反应器的流态模拟研究在内循环三相生物流化床的研究基础发展出具有我国自主知识产权的气浮分离生物流化反应器。缺氧－好氧分区运行

轻质高强度生物填料

结合高效固液分离方式的新型复合反应器

反应器大型化的蜂窝断面结构

迷宫式生物载体分离器

1.反应器大型化的蜂窝断面结构;2.以气浮为高效分离单元的好氧生物流化复合反应器；3.缺氧－好氧一体式高效分离生物流化复合反应器；4.新型轻质高强度生物填料；5.迷宫式生物载体分离器；

生物流化床反应器的流态模拟研究在内循环三相生物流化床132清华施汉昌讲座-废水生物处理的数值模拟研究课件133生物流化床的简化结构生物流化床的简化结构134反应器模拟-静压力分布

升、降流区底部升流区和降流区的压差最大，而接近反应器顶部，这种差别逐渐减小。就压力的绝对值而言，升、降流区底部压力的绝对值大于顶部。

＋－横断面纵断面纵断面反应器模拟-静压力分布升、降流区底部升流区和降流区的压差最135反应器模拟-循环液速

在每个降流区和升流区的横断面上，液体流速有所区别。降流区液体流速在断面上比较平均，只有周边流速较小。而升流区由于受曝气头的影响，局部区域流速明显高于四周，并且差别较大，但是流速较高的区域不一定在升流区的中心。反应器模拟-循环液速在每个降流区和升流区的横断面上，液体流136反应器模拟-底隙高度影响气含率随着底隙高度的增加，升流区气含率降低，降流区气含率增加。在底隙高度B为600mm时，液体循环速度最大，B减小和增大时液体循环速度都减小。循环液速流化床底部的流速分布反应器模拟-底隙高度影响气含率随着底隙高度的增加，升流区气含137载体分离器参数对分离效果的影响不同h分离区上部固含率比较不同a/b分离区上部固含率比较载体分离器参数对分离效果的影响不同h分离区上部固含率比较不138COD的去除效果常州丽华污水处理站的运行效果进水COD负荷：5.28kg/m3.dCOD去除率：81%COD的去除效果常州丽华污水处理站的运行效果进水COD负荷139TP的去除效果NH4-N的去除效果氨氮去除率>80%出水浓度<10mg/LTP去除率>60%出水TP浓度<2.5mg/L化学强化除磷：出水TP浓度<0.5mg/LTP的去除效果NH4-N的去除效果氨氮去除率>80%TP去140与“95”生物流化床的比较高20m，最大直径5m高10m,最大直径3.1m以单台日处理废水1000m3为例：新型反应器

水泵扬程：降低50%风机压力：降低40%启动能耗：降低30%基础承压：降低30%容积效率：提高27%材料消耗：降低15%具有除碳和脱氮除磷的多种功能实现了高效和低能耗与“95”生物流化床的比较高20m，最大直径5m141氧化沟反应器动态运行的模拟研究不同条件下氧化沟中的流态分布不同条件下氧化沟中的浓度分布氧化沟中微元的生物反应过程不同条件下氧化沟中适宜的缺氧区和好氧区分布曝气机与水下推流器的合理布置提出氧化沟同步硝化反硝化的优化运行模式氧化沟反应器动态运行的模拟研究不同条件下氧化沟中的流态分布提142进水在沟内要循环多次（10次以上）才流出氧化沟，沟内的一个确氧区就相当于多个缺氧好氧活性污泥池的串联。缺氧区进水在沟内要循环多次（10次以上）才流出氧化沟，沟内的一个确143氧化沟中的流态研究小试模型测试CFD模拟氧化沟流态模型现场测试模型验证流态分布-推流器设置氧化沟中的流态研究小试模型测试CFD模拟氧化沟流态模型现场测144氧化沟生化反应过程的分析+优化运行条件氧化沟单元化分区进水负荷的变化不同负荷下各分区的DO浓度不同负荷下整沟的AO容积氧化沟生化反应过程的分析+优化运行条件氧化沟单元化分区进水负145入水水质动态变化氧化沟动力学模拟分析入水水质动态变化氧化沟动力学模拟分析146水质参数COD（mg/L）TN（mg/L）NH3（mg/L）NO（mg/L）P（mg/L）平均值16.1817.0816.290.20.172o'clock13.4916.171.8813.880.195o'clock10.7711.151.019.750.1310o'clock13.4422.321.220.410.9112o'clock50.7623.5520.930.010.8614o'clock36.8919.8118.020.021.0317o'clock90.8822.8918.330.010.7219o'clock14.8617.0416.150.291.4922o'clock17.9015.2514.560.170.64氧化沟动力学模拟分析水质参数CODTNNH3NOP平均值16.1817.08147不同时刻截面溶解氧平均值随位置变化（工况1）

不同时刻截面溶解氧平均值随位置变化（工况2）氧化沟动力学模拟分析不同时刻截面溶解氧平均值随位置变化（工况1）不同时刻截面溶148氧化沟动力学模拟分析入水动态变化对出水以及氧化沟内溶解氧分布影响显著氧化沟动力学模拟分析入水动态变化对出水以及氧化沟内溶解氧分布149动力学模拟分析不同控制条件下运行效果得出优化运行控制方法入水动态变化出水水质不稳定氮、磷去除效果溶解氧浓度空间和时间变化不合理个别区域流速不能满足运行要求系统运行污泥浓度调节曝气机运行对DO分布的影响单元化分析氧化沟内部环境变化氧化沟优化运行分析动力学模拟分析不同控得出优化运行控制方法入水动态变化出水水质150清华施汉昌讲座-废水生物处理的数值模拟研究课件151清华施汉昌讲座-废水生物处理的数值模拟研究课件152化学强化除磷化学强化除磷153基于进水负荷变化的动态运行模式前馈+反馈的运行控制方法同步硝化反硝化与化学强化除磷的优化运行基于进水负荷变化的动态运行模式前馈+反馈的运行控制方法同步硝154沉淀池中反硝化污泥上浮的模拟研究

反硝化污泥上浮小试试验的研究；反硝化污泥上浮数学模型的建立；反硝化污泥上浮数学模型的应用；沉淀池中反硝化污泥上浮的模拟研究反硝化污泥上浮小试试验的研155研究思路与方法研究思路

CFD模拟二沉池中流态及固相行为和分布反硝化污泥上浮过程重要参数二沉池反硝化过程及影响因素反硝化污泥上浮小试试验生物动力学模拟反硝化污泥上浮数学模型反硝化污泥上浮实例研究反硝化污泥上浮过程影响因素反硝化污泥上浮问题控制策略研究思路与方法研究思路CFD模拟二沉池中流态及固相行为和分156研究思路与方法研究方法——二沉池中流场及固相行为和分布模拟研究采用基于CFD原理的FLUENT软件进行研究；建立适用于FLUENT计算的二沉池概化模型；采用欧拉－拉格朗日方法模拟研究二沉池中固相颗粒的行为；采用欧拉－欧拉方法模拟研究二沉池中固相浓度分布；研究思路与方法研究方法——二沉池中流场及固相行为和分布模拟研157二沉池简化算例

二沉池简化算例158网格划分

网格划分159边界条件

速度入口Velocity_inlet一般出流Outflow一般出流Outflow密度(kg/m3)动力粘度(kg/m*s)速度(m/s)等效直径(m)体积分数液相(水)10000.0010.1————固相(污泥)11001.8×10-51000.0018(2000mg/L)边界条件速度入口Velocity_inlet一般出流Out160反硝化污泥上浮数学模型的建立泥层位置的确定通过FLUENT模拟得到二沉池中的固相分布：泥层位置判断条件一：反硝化污泥上浮数学模型的建立泥层位置的确定通过FLUENT模161反硝化污泥上浮数学模型的建立泥层位置的确定通过FLUENT模拟得到二沉池中的水流流速分布：泥层位置判断条件二：反硝化污泥上浮数学模型的建立泥层位置的确定通过FLUENT模162研究思路与方法研究方法——二沉池中反硝化过程模拟研究采用基于ASM模型的WEST软件进行研究；建立适用于WEST模拟的二沉池概化模型；有机氮氨化硝化反硝化研究思路与方法研究方法——二沉池中反硝化过程模拟研究采用基163反硝化污泥上浮小试试验的研究试验结果

反硝化污泥上浮过程可分为三个阶段：第一阶段：产气阶段第二阶段：带气颗粒上浮阶段第三阶段：泥层上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究试验结果反硝化污泥上浮过164研究思路与方法研究方法——反硝化污泥上浮小试试验试验装置——动态数码摄像系统研究思路与方法研究方法——反硝化污泥上浮小试试验试验装置——165研究思路与方法研究方法——反硝化污泥上浮小试试验试验装置——动态数码摄像系统光源电源光源及样品池图像采集系统图像分析系统研究思路与方法研究方法——反硝化污泥上浮小试试验试验装置——166反硝化污泥上浮小试试验的研究第一阶段——产气阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第一阶段——产气阶段167反硝化污泥上浮小试试验的研究第二阶段——带气颗粒上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第二阶段——带气颗粒上浮阶段168反硝化污泥上浮小试试验的研究第二阶段——带气颗粒上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第二阶段——带气颗粒上浮阶段169反硝化污泥上浮小试试验的研究第三阶段——泥层上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第三阶段——泥层上浮阶段170反硝化污泥上浮小试试验的研究第三阶段——泥层上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第三阶段——泥层上浮阶段171氮气饱和阶段氮气气泡成核阶段氮气气泡生长阶段带气颗粒上浮阶段泥层上浮阶段反硝化污泥上浮数学模型的建立模型结构反硝化污泥上浮数学模型将整个过程分为五个阶段：t0t1t2t3t4tc研究周期起始时刻氮气浓度达到饱和时刻第一个氮气气泡产生时刻第一个带气颗粒上浮时刻泥层发生上浮时刻研究周期结束时刻氮气饱氮气气泡氮气气泡带气颗粒泥层上反硝化污泥上浮数学模型的172反硝化污泥上浮数学模型的建立第一阶段——氮气饱和阶段(t0-t1)

考察泥层中的氮气浓度C，在这一阶段里，经历了如下过程：t0：C处于饱和状态进水的稀释作用t1：C重新达到饱和状态反硝化产生氮气反硝化污泥上浮数学模型的建立第一阶段——氮气饱和阶段(t0-173反硝化污泥上浮数学模型的建立第一阶段——氮气饱和阶段(t0-t1)

将泥层视作连续进出水完全混合式活性污泥反应器，通过WEST模拟得到氮气浓度变化曲线：t1Cs反硝化污泥上浮数学模型的建立第一阶段——氮气饱和阶段(t0-174t1Cs反硝化污泥上浮数学模型的建立第二阶段——氮气气泡成核阶段(t1-t2)

在t1之后，氮气浓度呈类似线形增长，氮气在水中的过饱和度S(t)也不断增加：t1Cs反硝化污泥上浮数学模型的建立第二阶段——氮气气泡成核175反硝化污泥上浮数学模型的建立第二阶段——氮气气泡成核阶段(t1-t2)

过饱和度S(t)不断增长，直到t2时刻，S(t)满足气泡成核条件，泥层中形成了第一个氮气气泡。泥层中的气泡成核属于经典异相成核，需要满足条件：故t2可按下式计算：反硝化污泥上浮数学模型的建立第二阶段——氮气气泡成核阶段(t176反硝化污泥上浮数学模型的建立第三阶段——氮气气泡生长阶段(t2-t3)

在这一阶段里，由于氮气气泡的增长受扩散控制，已经形成的气泡粒径将以恒定的速度G0增长：

式中，kg为描述气泡粒径增长的常数，需由试验确定。气泡的粒径r(t)可表示为：反硝化污泥上浮数学模型的建立第三阶段——氮气气泡生长阶段(t177反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t3-t4)

不断增大的气泡与活性污泥颗粒粘附在一起，使得带气颗粒的密度小于水，从而发生上浮。带气颗粒上浮发生的条件为：反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t178反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t3-t4)

通过小试试验观察到R与气泡直径dg的关系：反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t179反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t3-t4)R随气泡直径dg增大而减小的机理：反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t180反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t3-t4)第一个带气颗粒上浮发生上浮的时间t3为：1.43d0反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段——带气颗粒上浮阶段(t181反硝化污泥上浮数学模型的建立第五阶段——泥层上浮阶段(t4-t5)

由于泥层中气泡数量和体积的不断增加，泥层的密度不断降低，在t4时刻，泥层的密度减至小于水而发生上浮。发生上浮的条件为：

在任一时刻t(t>t2)，已生成的气泡总体积为：反硝化污泥上浮数学模型的建立第五阶段——泥层上浮阶段(t4-182反硝化污泥上浮数学模型的建立反硝化污泥上浮数学模型将反硝化污泥上浮过程分为氮