清华施汉昌讲座-废水生物处理的数值模拟研究.ppt

,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,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,中国水污染的现状,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 GDP 5-7% 制约社会、经济的发展,复合污染,河流的污染,在411条被监测的河流中: 40 %达到IIII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IIII级标准 40 %达到IV、V级标准 24 %低于V级标准,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,太湖,城市污水处理厂的发展,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。,废水生物处理的优势,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,巨大的缓冲系统 良好的适应性,酶的催化反应 处理系统的低能耗,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,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,废水生物处理的 数学模型与应用软件,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。,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,ASM1(13组分、 8过程),IAWQ活性污泥法模型的过程动力学和化学计算表,ASM模型的比较,ASM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,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,CSTR,CSTR,CSTR,CSTR,CSTR,A,A,O,S,S,缺氧好氧工艺( AO )：,A2,O,O,O,二沉池,厌氧缺氧好氧工艺( A2O )：,A1,A2,O,O,二沉池,氧化沟工艺( 交替缺氧、好氧 )：,A2,A2,O,O,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,T1,T2,T3,T4,WWTP模拟软件,计算流体力学 及其应用软件,计算流体力学及其应用软件,CFD（Computational Fluid Dynamics）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,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。,FLUENT计算步骤,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。,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；,生物流化床的简化结构,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-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-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,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,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： 5.28kg/m3.d COD去除率：81%,TP 的去除效果,NH4-N的去除效果,氨氮去除率80% 出水浓度10mg/L,TP去除率60% 出水TP浓度2.5 mg/L 化学强化除磷： 出水TP浓度0.5 mg/L,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,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,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,氧化沟中的流态研究,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,入水水质动态变化,氧化沟动力学模拟分析,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）,不同时刻截面溶解氧平均值随位置变化（工况2）,氧化沟动力学模拟分析,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,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,化学强化除磷,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,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；,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；,二沉池简化算例,网格划分,边界条件,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模拟得到二沉池中的水流流速分布：,泥层位置判断条件二：,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；,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,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,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,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,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：,t0,t1,t2,t3,t4,tc,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,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-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：,t1,Cs,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：,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(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(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(t3-t4),第一个带气颗粒上浮发生上浮的时间t3为：,1.43,d0,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(tt2)，已生成的气泡总体积为：,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应用,模型应用的步骤,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CFD模拟1,1,1,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,反硝化污泥上浮数学模型的应用,模型应用实例CFD模拟1,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,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2,10min,20min,30min,40min,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