（环境工程专业论文）orbal氧化沟处理石化废水的模拟计算研究.pdf

中山大学硕二t 学位论文o r b a l 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 o r b a l 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 专业：环境工程 硕士生：徐良 指导教师：刘广立副教授 摘要 o r b a l 氧化沟由于管理方便、处理效果稳定而得到了广泛的应用，但在实践 中也出现诸如溶解氧分布不均、沟底部积泥等问题。目前对o r b a l 氧化沟内的流 场特性、沟内污泥沉积状况及改善方式的定量研究在国内外还尚未见报道。本文 选取处理1 0 0 0 0 m 3 d 石化废水的o r b a l 氧化沟为研究对象，在实测其沟内溶解氧浓 度和流速，以及进出水水质和g c - - m s 难降解有机物分析基础之上，建立数学模 型，分别对氧化沟的流场和出水水质进行模拟，探讨改善流场分布、降低运行能 耗并提高处理效果的相关措施。结论如下： ( 1 ) 通过实际测定氧化沟的流速，建立模型对流场分布进行模拟，并将d o 作为影响因素加入到计算过程中。计算结果表明，d o 加入计算因素前，各测点 平均流速模拟计算值与实测值问的平均相对误差为1 6 8 ；d o 加入计算因素后， 各测点平均流速模拟计算值与实测值间的平均相对误差为1 3 ，将d o 加入到 计算因素中，所得计算结果更接近真实情况。 ( 2 ) 分别于氧化沟弯道部分张角1 5 0 、3 0 0 、4 5 0 、6 0 。、7 5 0 、9 0 0 处设置挡 流板，对氧化沟流场进行模拟计算的结果表明，加设置挡流板前，外沟道的沉积 区占总容积的2 6 3 6 ，沉积区主要集中在弯道后部内侧区域。加设挡流板后， 随着流态的改善，沉积区的容积减小。当张角为3 0 0 时，总体沉积区容积最小， 沉积区总体容积减少约1 0 。 ( 3 ) 氧化沟的弯道部分为能量的主要消耗区，能量在进入弯道后迅速消耗， 在弯道弧度为4 5 。处，动能已消耗超过7 0 。由于挡流板的导流作用，流场流 念得到改善，曝气转刷能耗的平均减少率为2 0 1 ，总能耗减少1 1 5 。 1 中山大学硕士学位论文 o r b a i 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 ( 4 ) 利用o d s s 活性污泥模拟软件对氧化沟的处理效果进行模拟，结果表 明，c o d 实测值与模拟计算值误差均值为2 2 1 m g l ，平均相对误差率为5 2 7 ； 氨氮实测值与模拟计算值误差均值为0 2 3 m g l ，平均相对误差率为5 8 8 ；s s 实测值与模拟计算值误差均值为3 6 5 m g l ，平均相对误差率为9 6 3 。使用o d s s 活性污泥模拟软件对氧化沟处理过程进行模拟是可行的，并基本能够满足要求。 ( 5 ) g c m s 对二沉池所取水样分析结果表明，石化废水出水中含有多种难 降解物质，选取其中的代表性难降解有机物模拟计算表明加设挡流板后，难降解 有机物去除率没有因为流场的改变而减小，并未对氧化沟的处理效果产生不良影 响。 关键词：o r b a l 氧化沟；模拟计算；污泥沉积；能耗；处理效果 u 中山人学硕上学位论文 o r b a l 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 a n a l o gc o m p u t a t i o no fo r b a lo x i d a t i o nd i t c ht o t r e a tt h ep e t r o c h e m i c a lw a s t e w a t e r m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：x ul i a n g s u p e r v i s o r ：l i ug u a n g l i a b s t r a c t t h eo r b a lo x i d a t i o nd i t c hh a sb e e nw i d e l yu s e dt ot r e a tt h ew a s t e w a t e rd u et o e a s i l ym a n a g e m e n ta n ds t a b l ee f f l u e n t h o w e v e r , s o m ep r o b l e m sc a m ei n t op r a c t i c e s u c ha su n e v e nd od i s t r i b u t i o na n ds l u d g es e d i m e n ta tt h eb o t t o m a n dt h e r eh a v e b e e ns t i l ln ov i r t u a lr e s e a r c h e so nt h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l o wf i e l d s l u d g ed e p o s i ta n d t h es o l u t i o nw a yu n t i ln o wa sf a ra sw ek n o w i tw a si n v e s t i g a t e dt h a tt h eo r b a l o x i d a t i o nd i t c hw i t ht h ec a p a b i l i t yo f10 0 0 0 m dt r e a t e dt h ep e t r o c h e m i c a lw a s t e w a t e r i nt h i sp a p e r a c c o r d i n gt ot h em e a s u r e dv a l u e so fd oc o n c e n t r a t i o na n dv e l o c i t yi n t h eo x i d a t i o nd i t c h ，t h ei n f l u e n ta n de f f l u e n tq u a l i t i e sa n dd i f f i c u l t l yb i o d e g r a d e d o r g a n i c sa n a l y s i sb yg c - m s t h em a t h e m a t i c sm o d e lw a ss e t u pt os i m u l a t et h ef l o w f i e l da n de f f l u e n tq u a l i t y t h ew a y st oi m p r o v et h ed i s t r i b u t i o no ft h ef l o wf i e l d ， d e c r e a s et h ee n e r g yc o n s u m p t i o na n di n c r e a s et h er e m o v a lw e r ea l s od i s c u s s e di n d e t a i l t h er e s u l t sw e r el i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) b a s e do nt h ep r a c t i c a lr e s u l t s ，t h em o d e lw a ss e t u pt os i m u l a t et h ef i e l dw i t h t h ec o n s i d e r a t i o no fd oe f f e c t t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g e r e l a t i v ee r r o rt ot h em e a s u r e dv a l u ew a s1 6 8 w i t h o u td oe f f e c t c o m p a r e dt o1 3 w i t ht h ed oe f f e c t t h es i m u l a t i o nv a l u ew a sm u c hm o r es a t i s f i e dt ot h er e a l c o n d i t i o nb yc o n s i d e r i n gt h ed oe 髓c t ( 2 ) t h eb l o c k e d f l o wb o a r dw a si n s t a l l e da tt h ef l a r ea n g l eo f15 0 ，3 0 0 ，4 5 0 ，6 0 0 ， 7 5 0 ，9 0 0 ，r e s p e c t i v e l y t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h es l u d g ed e p o s i tv o l u m e w a s2 6 3 6 o ft h et o t a la r e ab e f o r et h eb l o c k e d f l o wb o a r dw a sl o a d e d t h ed e p o s i t a r e aw a sm a i n l yo nt h ei n s i d eo ft h eb e n dp o s t e r i o r t h ef l o ws t a t ei m p r o v e da f t e rt h e i n s t a l l a t i o n ，a n dt h ev o l u m eo fs l u d g ed e p o s i td e c r e a s e d a tt h ef l a r ea n g l eo f3 0 0 ，t h e v o l u m eo fs l u d g ed e p o s i tw a sa tt h el e a s t t h et o t a lv o l u m er e d u c e da b o u t1o 1 1 1 中山大学硕士学位论文o r b a l 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 ( 3 ) t h eb e n dp a r to f o x i d a t i o nd i t c hw a st h em a i na r e ao fe n e r g ye x h a u s t i o n t h e e n e r g yw a sc o n s u m e dq u i c k l ya f t e rf l o w i n gi n t ot h eb e n d a tt h ef l a r eo f4 5 0 ，t h e c o n s u m p t i o no fk i n e t i ce n e r g yh a de x c e e d e d7 0 a sar e s u l to ft h eb l o c k e d f l o w b o a r d ，t h ef l o ws t a t ei m p r o v e d ，a n dt h ee v e ne n e r g yc o n s u m p t i o no fa e r a t o rb r u s h r e d u c e d2 01 t h et o t a le n e r g yc o n s u m p t i o nr e d u c e d1 15 ( 4 ) t r e a t m e n te f f i c i e n c yo fo x i d a t i o nd i t c hw a ss i m u l a t e db yo d s s t h er e s u l t s s h o w e dt h a te r r o rv a l u eb e t w e e nm e a s u r e dv a l u ea n ds i m u l a t i o nv a l u eo fc o dw a s 2 21m g l ，a n dr e l a t i v ee r r o rr a t i ow a s5 2 7 e r r o rv a l u eo fn h 3 - nw a so 2 3m g l ， a n dr e l a t i v ee r r o rr a t i o nw a s5 8 8 e r r o rv a l u eo f s sw a s3 6 5m g l a n dr e l a t i v e e r r o rr a t i o nw a s9 6 3 i tw a sp o s s i b l et os i m u l a t et h et r e a t m e n te 伍c i e n c yb yo d s s a n ds i m u l a t i o nv a l u e sc o u l dm e e tt h er e q u i r e m e n tg r o s s l y ( 5 ) t h er e s u l t so fg c m sf o rt h ew a t e rs a m p l ef r o ms e c o n d a r ys e d i m e n t a t i o n t a n ks h o w e dt h a tt h e r ew e r el o t so fd i f f i c u l t l yb i o d e g r a d e d o r g a n i c s r e p r e s e n t a t i v e s w e r ec h o s e nt os i m u l a t et h et r e a t m e n te f f e c ta f t e rt h ei n s t a l l a t i o no fb l o c k e d f l o w b o a r d i ts h o w e dt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fd i f f i c u l t l yb i o d e g r a d e do r g a n i c sd i d n t d e c r e a s ea sf l o ws t a t ec h a n g e d t h e r ew e r en o th a r m f u le f f e c t sf o rt h et r e a t m e n t e f f e c t k e yw o r d s ：o r b a lo x i d a t i o nd i t c h ，c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，s l u d g ed e p o s i t ，e n e r g y c o n s u m p t i o n ，t r e a t m e n te f f i c i e n c y l v 论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究 工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：绞素 日期：护矿年6 月f 口日 使用授权声明 本人完全了解中山大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 学位论文并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电子版和纸质版，有权将学 位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学校图书馆、院系资料室被查 阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索，可以采用复印、缩印或其 他方法保存学位论文。 学位论文作者张铪k 导师躲与乞 日期：埘承fb 月c 口日日期：2 协留年6 月细日 中山大学硕：t ：学位论文o r b a l 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 1 1 氧化沟技术概述 第一章概述 1 1 1 氧化沟工艺发展概况 氧化沟( o x i d a t i o nd i t c h ) 是活性污泥法的一种改进方法，其为封闭的沟渠 型，污水和活性污泥在沟渠中不断的循环流动，故又被称为连续循环式反应池、 “循环曝气池”或“无终端的曝气系统”。 英国s h e m e l d 于1 9 2 0 年首次建成氧化沟，被认为是现代氧化沟的先驱。但 氧化沟污水处理工艺则是在2 0 世纪5 0 年代由荷兰卫生工程研究所( t n d ) 研制 成功。第一家氧化沟污水处理厂于1 9 5 4 年在荷兰v o o r s h o p e r 市投入使用。设计 者为该所的p a s v e e r 博士。该设施将曝气、沉淀和污泥稳定等处理过程集于一体， 间歇运行，b o d 5 去除率高达9 7 。由于p a s v e e r 博士的特殊贡献，这项技术又 被称为p a s v e e r 沟。1 9 6 7 年l e c o m p t 和m a n d t 首次提出将水下曝气和推动系统用 于氧化沟，发明了射流曝气氧化沟( j a c ) 。1 9 6 8 年，d h a 有限公司的荷兰工程 师将立式低速表曝机应用于氧化沟，将设备安装在中心挡板的术端，利用表曝机 产生的径流为动力，推动氧化沟内流体的流动，这一工艺后来被称为卡鲁塞尔 ( c a r r o u s e l ) 氧化沟。1 9 7 0 年，h u i s m a n 在南非开发了使用转盘曝气机的奥贝尔 ( o r b a l ) 氧化沟。但此期间使用最多的还是转刷曝气氧化沟，如在德国丌发出 了大马式( m a m m o t h ) 曝气转刷。2 0 世纪8 0 年代，美国还开发了导管式氧化沟， 以导管式曝气器代替传统的曝气转刷。【l 叫 早期的氧化沟采用问歇式运行，无二沉池。2 0 世纪6 0 年代丌始单独建造二 次沉淀池，并从那时起，氧化沟技术在欧洲、北非、南非、大洋洲等地得到了迅 速的推广和应用。氧化沟的处理能力为5 0 0 万1 0 0 0 力人口当量，既能用于生活 污水的处理，也能用于工业废水和城市污水的处理。目前，氧化沟技术已被广泛 应用于城市污水及石化废水、化工废水、造纸废水、印染废水、食品加工废水等 工业废水处理中。p 1 我国从8 0 年代以来也较多地开展了对氧化沟工艺，并设计建造了一批氧化 沟污水处理厂。我国在将氧化沟用于工业废水处理方面也进行了尝试，并已在石 油化工废水、制革废水、制药废水、肉类加工废水、印染废水、啤酒厂废水、乳 品加工废水等得到了成功应用。但是由于对氧化沟技术的掌握不够全面，工程应 l 中山大学硕士学位论文 o r b a l 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 用上也缺乏科学和系统的设计指导方法，致使我国氧化沟的应用与国际水平相比 还有不小的差距。缺乏对氧化沟技术与设备的系统研究，对国外新技术、新工艺、 新池型及设备的了解和引进不足，都是限制氧化沟技术应用的障碍。 1 1 2o r b a l 氧化沟的特征与工艺原理 o r b a l 氧化沟最早由南非的h u i s m a n 提出，后被美国e n v i r e x 公司推广【6 1 。 o r b a l 氧化沟是一种多级渠道的氧化沟系统，由多个同心的呈圆形或椭圆形的沟 道组成。进水首先被引入外沟道，废水依次被引入下一个沟道，在其中不断循环， 最后从内沟道的中心岛排出。其相当于一系列完全混合反应器的串联，但每一个 沟道都表现出单个反应器的特征，兼有完全混合式与推流式的优点。 o r b a l 氧化沟的曝气设备一般采用水平轴曝气转盘，可借助配置沟道中不同 的曝气盘数目来控制输入每一沟道的供氧量。而其圆形或椭圆形的平面形状，比 渠道较长的氧化沟更能利用水流惯性，节省推动水流的能耗。多沟道串联的形式 也可减少水流短流现象。 进水 回流污泥 图卜10 r b a l 氧化沟工艺示意图 f i g 1 - 1o r b a lo x i d a t i o nd i t c hp r o c e s s 典型的o r b a l 氧化沟具有三个沟道，外、中、内三个沟道容积分别约占总容 积的5 0 、3 3 、1 7 ，其另一个显著特征是由外沟到内沟三个沟道的溶解氧呈 0 l m g l 2 m g l 的梯度分布。外沟道的供氧量一般为总供氧量的5 0 左右，但 8 0 的b o d 可在外沟道去除；由于外沟道溶解氧的平均量低，大部分区域d o 接近0 ，故有较高的氧传递速率和一定的节能效果；同时由于形成交替的耗氧和 大面积的缺氧环境，可较高程度的完成硝化反硝化过程，即便在不设内回流的条 2 中山大学硕士学位论文 o r b a l 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 件下，也可获得较好的脱氮效果，节能效果也更加明显。内沟道容积较小，可在 污水进入沉淀池前去除剩余的b o d 和氨氮，能耗也相对较低。中沟道在“摆动” 方式下运行，主要起调节补充作用，提高运行的可控性与可靠性。【l 】【2 】 1 2 流场计算模拟概述 1 2 1 计算流体动力学简介 计算流体力学【8 】( c o m p u t a t i o n a lf l u i dd y n a m i c s ，c f d ) 是一种常用的流场 计算机模拟计算方法。c f d 是在流体基本方程( 质量守恒方程、能量守恒方程、 动量守恒方程) 的控制下，通过计算机对流体进行数值计算和图像显示，并对包 含有流体流通和热传导等物理现象的系统所作的分析。通过计算机数值模拟可以 得到复杂的问题的流场内各个位置上的一些基本物理量( 如速度、压力等) 的分 布以及这些物理量随时间的变化情况，还可据此算出相关的其他物理量。 水力特征及溶解氧分布状况是影响氧化沟处理效果的两个重要因素，若可以 分析得到氧化沟内部流场的水力特征及溶解氧分布的具体形式和数据，则可以提 出相应的改良措施，以提高处理效果，减少能耗。采用c f d 方法可以实现上述 目的。 目前，c f d 技术己在氧化沟反应器流场模拟方面得到了初步的应用，通常有 公式计算和计算机模拟两种方法。s t a m o u 【7 】等采用一维河流水质模型来预测稳态 条件下氧化沟内流速变化和污染物降解情况，但这种方法只考虑水流的纵向离散 作用，却忽略了横向与垂直方向上湍流对污染物扩散的影响，使得模拟值与实际 结果存在较大的误差。魏辉【9 1 也进行了类似的研究。张宗才【lo 】介绍了采用k 一紊 流数学模型对卡鲁塞尔( c a r r o u s e l ) 氧化沟的流场及水力学进行了分析计算， 并模拟了氧化沟水体的流动状态，其结果对评价氧化沟的结构和运行方式有着重 要的指导意义。但大部分模拟结果仅与一维流场的实测结果进行对比，对高维流 动状况的分析缺乏足够有效的实测数据进行验证，从而在一定程度上降低了c f d 模拟结果的可信度。许丹宇【l i 】等采用标准k e 湍流模型对卡鲁塞尔氧化沟反应 器流场进行模拟，并通过体视p i v 技术对三维流场的实测，验证了模拟与实验 结果较吻合；纵、垂两向的流动分布是决定沟内水力特性的主要因素；横、垂两 向的流动是决定污泥沉积位置的主要因数，在低速区底部易发生污泥沉积，且弯 道段受横比降和横向环流的影响，内侧容易形成低速区或停滞区而发生污泥沉 积。 3 中山大学硕士学位论文o r b a l 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 1 2 2 模拟软件简介 常用的流场计算机模拟方法是运用商用c f d 软件。目前性能较好的商用 c f d 软件有：p h o e n i c s 、s t a r c d 、c f x 、f i d a p 、f l u e n t 等。 p h o e n i c s 是最早投放市场的c f d 软件，丌放性好，可以用f o r t r a n 语 言进行二次丌发，但由于缺乏使用群体和版本更新速度慢，以及其他新兴软件的 不断涌现，使得其实际应用受到很大限制，目前应用较少。 s t a r c d 是全球第一个采用完全非结构化网格技术和有限体积方法来研究 上业领域中复杂流动的流体分析商用软件包，核心算法与p h o e n i c s 大同小异， 强项在于汽车工业，汽车发动机内的流动和传热。 c f x 是一种实用流体工程分析工具，其优势在于处理流动物理现象简单而 几何形状复杂的问题，但是在大涡模拟方面有一定的缺陷。 f i d a p 是世界第一个使用有限元法的c f d 软件，有网格生成及计算结果可 视化处理的功能。 f l u e n t 是目前最流行的商用c f d 软件包，占世界c f d 市场的4 0 的份额， 其主要特征有：强大的网格支持能力、独一无二的动网格技术、先进的数值解法、 博采众长的物理模型功能、高效率的并行计算功能和强大的后处理功能。针对各 种复杂流动的物理现象，f l u e n t 软件采用的数值解法可在计算速度、稳定性和 精度等方面达到优化组合，从而高效地解决各个领域的复杂流动计算问题，模拟 流动、传热和化学反应等物理现象。并且由于采用了统一的前、后置处理工具， 在各种软件之间可以方便地进行数据交换。f l u e n t 软件已在航空航天、汽车设 计、船舶、生物医药、化学处理、石油天然气、发电系统、电子半导体、涡轮机 械、等领域得到了广泛应用，但其在坏境方面的应用相对较少。【8 】【1 2 】【”】 流场流动现象普遍存在于自然界以及工程领域中，这些过程都要符合质量受 衡、动量守恒和能量守恒等基本物理定律，氧化沟内流场流动也受这些规律的支 配。f l u e n t 使用控制方程作为这些守恒定律的数学描述。【8 】【3 3 】【3 4 】首先，任何流 动问题首先都要满足质量守恒方程( 也被称为连续方程) ，即单位时间内流体微 元体中质量的增加，等于同一时问问隔内流入该微元体的净质量动量守恒方程也 是任何流动需满足的基本定律，其物理表述为：微元体中流体的动量对时间的变 化率等与外界作用在该微元体上的各种力之和。在一个特定的系统中，可能存在 质的交换，或者存在多种化学组分，每一种组分都需要遵守组分质量守恒定律。 对于一个确定的系统而言，组分质量守恒定律可表述为：系统内某种化学组分质 量对时间的变化率，等于通过系统界面净扩算流量与通过化学反应产生的改组分 的产生率之和。 湍流是普遍存在于自然界的流动类型，多数工程问题中的流体的流动都是处 于湍流状态。本研究中的氧化沟内流场亦做湍流处理。湍流运动的特征是在运动 过程中液体质点具有不断的相互混掺的现象，速度和压力等物理量在空间和时间 上均具有随机性质的脉动值。 4 中山大学硕：卜，位论文o r b a l 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 f l u e n t 采用的模拟计算方法为对n a v i e r - s t o k e s 方程做时间平均处理，即 把湍流看作是由两个流动迭加而成，一是时间平均流动，二是瞬时脉动流动。同 时补充反映湍流特性的其他方程。在不考虑可压流动，使用迪卡尔坐标系，速度 矢量u 在x 、y 和z 方向上的分量分别为u 、v 和w ，湍流瞬时控制方程的表达式 为： d i v u = 0( 1 - 1 ) 祟+ d i v ( u u ) ：一上譬+ v d i l ，( g r a d “j ( 1 - 2 ) o t p c ) x 譬+ d i v ( v u ) ：一上譬+ v d i l ，( g r a d v ) ( 1 - 3 ) o l po 婴+ d i l ，( w u ) = 一土粤+ v d i v ( g ，订d w ) ( 1 - 4 ) o t po z f l u e n t 提供的湍流模型有以下几种。 ( 1 ) s p a l a r t - a h m a r a s 模型 用s p a l a r t a l l m a r a s 单方程模型作湍流计算。这是用于求解动力涡粘输送方 程的一种相对简单的模型。专门用于求解航空领域的壁面限制流动，在透平机械 中的应用也很普遍。其表达式为： 华+ 笔堕：c b l ( 1 一：) s 五十上v 【( + 五) v ；】 0 t o x j o 2 一二l ( + 五) v ；vp + 皇2 竺p ( v ；) z 一( c ， 一皇孚，：) 竺万+ 。p v 【，z o p o k p a ( 1 5 ) 式中，方程做段分别为时间导数项和对流项，方程右端分别为生成项、扩散项( 三 次) 、耗散项和转捩相。 ( 2 ) k 一缈模型 k 一彩模型分为标准k 一彩模型和s s tk 缈模型。标准k 一缈模型基于 w i l c o xk 一模型，在考虑低雷诺数、可压缩性和剪切流特性的基础上修改而成。 w i l c o xk 一缈模型对预测自由剪切流传播速率有较好效果，主要应用于尾迹流、 混合层流动、平板绕流、圆柱绕流和放射状喷射。可以说改模型可应用于壁面约 束流动和自由剪切流动。s s tk 一缈模型为剪切应力输送k 一彩模型，是为了使 标准k 一缈模型在近壁面区有更好的精度和算法稳定性而发展起来的，即是将 k s 模型转换到k 一国模型的结果。 ( 3 ) k 一占模型 k s 模型又分为标准后一s 模型、r e n o r m a l i z a t i o n - g r o u p ( r n g ) k - 6 模型 和r e a l i z a b l ek s 模型三种。 k g 模型模型是目前粘性模拟使用最广泛的模型。本研究采用标准k 一模 型。在关于动t l = 。k 的方程的基础上，再引入一个关于湍动耗损率占的方程，便形 中山大学硕士学位论文 o r b a l 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 成了标准k 一占两方程模型。标准k 一占模型为半经验公式，主要是基于湍流动能 和扩散率。k s 模型假定流场完全是湍流，分子之间的粘性可以忽略。标准k s 模型因而只对完全是湍流的流场有效。在标准后一占方程中，k 和s 是两个基本未 知量，相对应的输运方程为： 掣+ 掣= 寿卜+ f l 仃_ z 。l ，菪 + g 6 一一跏地 掣+ 掣2 寿卜考卜弘“，舶乳 e p 譬 ( 1 - 7 ) 式中，k 为湍流动能，g 为湍流动能的耗散率，g 。是由于平均速度梯度引起的湍 动能k 的产生项，g 6 是由于浮力产生的湍流动能七的产生项，代表可压湍流 中脉动扩张的贡献，c l 。，c 2 。，c 3 。为经验常数( g 。= 1 4 4 ，c 2 。= 1 9 2 ) ，吒和仃。 分别是与湍动能尼和耗散率占对应的p r a n d t l 数( 仃t = 1 0 ，o r ；= 1 3 ) ，瓯和s s 使 用户定义的源项。 湍流速度鸬由下式确定： ，= p c ( 1 8 ) 式中，q 为经验常数( c = o 0 9 ) 。 孙会【1 4 】等进行了搅拌设备的c f d 分析与软件对比，对f l u e n t 和s t a r c d 进行了比较。发现两种软件各有特点。对于简单构形，适合于采用四边形六面 体单元，利用s t a r c d 或f l u e n t 进行计算；对于复杂构形，则适合于采用三 角形四面体单元，需用f l u e n t 进行计算。f l u e n t 操作界面更为友好，更适合 于用户通过图形用户界面对模型和计算结果进行显示、处理；s t a r c d 求解器 性能优异，计算同一问题花费时间相对较短，但其计算结果的可靠性较低，达到 稳定结果所需的周期较多。 通过比较并考虑到f l u e n t 软件适用范围广的特点，本文采用f l u e n t 软 件对氧化沟内的流场进行模拟。 1 3 水处理工艺的计算模拟 现有污水生物处理系统的设计，一般首先依靠经验公式、数据以及必要的实 验确定工艺流程，再根据废水的平均流量、基本组成以及对出水的要求进行简单 6 中山大学硕士学位论文 o r b a i 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 的计算得出处理设施的大小。这种设计方法存在很大的缺点。首先工艺流程的选 择未必是最好的甚至是合理的；其次是无法考虑废水流量和废水组成变化时处理 系统的处理效果。而计算模拟方法恰恰可以解决这方面的问题。 1 3 1 活性污泥模型简介 1 9 8 2 年，国际水污染研究与控制协会( i a w p r c ) 成立了活性污泥法设计和 运行数学模拟课题组，并于1 9 8 7 年推出了活性污泥l 号模型( a s m l ) ，其后又 在此基础上，1 9 9 5 年推出了a s m 2 ，1 9 9 9 年推出了a s m 3 和a s m 2 d 。l j 驯 a s m l 综合了有机物氧化、硝化和反硝化作用，将水中的有机物划分为易生 物降解和缓慢生物降解两大类，并以其存在形态划分为溶解性和非溶解性底物。 a s m l 模型中异养性微生物和自养性微生物( 硝化菌) 并不是完全分开的，即模型 中两种微生物反应的计算会相互影响。a s m l 包含了1 3 种组分，8 种反应过程。 a s m 2 是活性污泥a s m l 的扩增。a s m 2 更为复杂并包含了更多的组分，在 污水和活性污泥特性分析中需要这些组分。a s m 2 增加了与生物除磷有关的生物 过程。除了生物除磷过程外，a s m 2 还包含了两个“化学过程”，可以用于模拟磷 的化学沉淀。与a s m l 相比，a s m 2 引入了磷积累生物( p a o s ) ，增加了生物除 磷过程、厌氧水解、酵解及与聚磷菌有关的4 个反应过程。 a s m 3 修正了a s m l 的某些缺陷，增加了有机物的存储过程，将以水解反应 代表的衰减过程改为用内源呼吸过程来解释，从而更逼真地展示了衰减过程。由 于a s m 3 将异养菌的“死亡一再生”循环过程与硝化菌的衰减过程清晰地分开了， 使得a s m 3 的c o d 数据流图比a s m l 简单了许多。a s m 3 包含了1 3 种组分， 1 2 种反应过程。 a s m 2 d 是对a s m 2 的完善，改正了a s m 2 中对磷聚集微生物( p h o s p h o r u s a c c u m u l a t i n go r g a n i s m ，p a o ) 的不恰当描述。由于p a o 的引入，模型变的格 外复杂。为了方便计算，a s m 2 d 认为模型中的异养性微生物是“万能”微生物， 它们能够在好氧或兼性( 反硝化) 状态下生长，也能够在厌氧状态下保持活性( 发 酵) 。a s m 2 d 所有组分按溶解性和颗粒性划分，共1 9 个组分，2 1 个生物过程。 d a i g g e r 1 9 】采用a s m l 对三沟式o r b a l 氧化沟脱氮状况进行了工艺模拟分析， 并设定三种运行条件进行评定。第一种状况分别向3 个沟道充氧，使其溶解氧浓 度在整个系统 ，2 m g l 。硝化反应在沟道l 近于完成，而沟道2 及沟道3 很少有 硝化反应发生及产生硝酸盐；在温度2 0 ，泥龄值为3 3 d 情况下，近于7 5 的 总工艺需氧量发生在沟道1 ，约2 0 在沟道2 ，其余在沟道3 ，整个系统需氧量 为2 2 5 0 k g d 。在第二种情况中，沟道l 充氧受到限制，以便允许硝化反硝化同时 在此发生，达到最高脱氮效率当外沟道供氧量为整个系统供氧量的5 0 ，沟道 2 为3 5 ，沟道3 为剩余部分时，出水总氮浓度观测为最低，整个工艺需氧量降 低到1 7 1 0 k g d ，即降低2 4 。混合液从沟道3 循环到沟道1 被列为模拟的第三 7 中山大学硕二l 学位论文 o r b a l 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 种情况，出水硝酸盐氮稍有增加，可能原因是由于沟道3 中的有机物含量的混合 液回流至沟道l 时降低了沟道1 中现有的满足反硝化反应的有机物浓度。 1 3 20 d s s 简介 目前大多数商业和非商业相关模拟程序中，基本都包含或基于a s m 模型。 本研究中所采用的活性污泥模拟软件是清华大学开发的城市污水处理厂运行决 策支持系统( o p e r a t i o nd e c i s i o ns u p p o s i n gs y s t e m ，简称o d s s ) 2 0 】，其基于国 际上最新的i a w o 模型和二沉池模型， 2 0 1 通过与实时系统的数据连接，对污水 处理厂的运行状念进行模型分析，能够预测污水处理厂未来的运行状态，为该厂 可靠运行提供理论依据。其主要功能是通过从数据库取得有效数据，对污水生物 处理过程进行数学模拟，计算出生物处理系统主要运行参数发生的变化，提供变 化趋势，并对可能发生的事故进行报警。 图1 - 2o d s s 整体结构和功能示意图 f i g 1 - 2i n t e g r a ls t r u c t u r ea n df u n c t i o no fo d s s 软件模拟部分基于a s m 的模拟系统开发的。 ( 1 ) 模型基础 采用国际水质协会推出的活性污泥3 号模型( a s m 3 ) 为模拟原型。对模型 中组分和生物反应过程分别进行模拟。模型中的组分及各组分相关的生物过程不 作简化，其中各生物过程的速率方程依据文献资料及在动力学原理分析的基础 上，做一定程度上的简化，例如对于双曲线开关函数的简化。 ( 2 ) 工艺方案 以a 2 o ( 厌氧一缺氧一好氧) 为主要工艺进行模拟，由初沉池出水开始进 中山大学硕士学位论文o r b a l 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 行工艺过程的模拟，即综合考虑水力停留时间等参数的影响，将厌氧段分为若干 个c s t r 反应器，缺氧段和好氧段也同样分为若干个c s t r 反应器用以模拟不同 阶段各个组分的变化过程。二沉池的模拟采用固液分离的模型，其中的生物过程 拟采用不曝气的c s t r 模拟。此外，在a 2 o 的基础上还将进行完全混合式工艺、 氧化沟工艺、s b r 工艺或者u c t 工艺的模拟。 ( 3 ) 核心算法 可以由连续性方程估算各组分相关生物过程的化学计量学系数，如从c o d 的连续性估算s o ：( 反硝化过程为跏：和s n ：) ，从氮的连续性估算s u 。，从磷的 连续性估算s p o ，从电荷的连续性估算& z k ，和从总固体的连续性估算x r s s 。然 后根据每个工艺过程对应的动力学与化学计量学的表达式，求出各组分的解析表 达式。列出微分方程组，用改进的欧拉公式对其进行求解。 ( 4 ) 模拟系统功能 实现污水除磷过程的在线模拟和预测，静态和动态模拟分析，各参数的敏感 性分析，以及参数估值和模型校正的辅助功能。 ( 5 ) 专家系统与模拟系统的结合 将专家系统与模拟系统结合起来，模拟系统的模拟结果与预测结果直接读入 专家系统所需的数据库。经由专家系统分析后，将结果分别反馈给操作人员和模 拟系统。操作人员根据专家系统提出的条件控制的建议保留接受与否的权利。而 模拟系统则根据专家系统调参的要求进行调参，再将模拟结果反馈回专家系统分 析，如此循环直至找到该工艺的最优运行条件。 ( 6 ) 智能控制的实现 将专家系统和模拟系统结合，构成城市污水处理厂运行决策支持系统的主要 部分，通过将测量仪器的测量数据实现在线读取，就可以实现对污水处理厂的智 能控制。 研究表明，由专家系统帮助运行人员对污水处理厂的运行状态进行分析，提 出可供选择的控制策略，经过计算机模拟对各控制策略进行验证，确定控制策略 中执行量的具体数值，预测可能的结果，实现了污水处理厂运行决策支持整体工 作的计算机化。 专家系统和动态模型的结合使人们长期以来积累的实际操作经验和关于污 水生物处理最新的理论知识能够同时为污水处理厂的运行提供帮助，定性推理和 定量计算的同时使用提高了系统的正确性和可靠性，将成为污水处理厂的智能化 运行管理系统很有前途的发展方向。 随着国家对污水处理厂出水指标的控制越来越严格，污水处理厂将进入公司 运营管理，o d s s 城市污水处理厂运行决策支持系统将发挥更大的作用。 柯细勇【2 0 1 等用决策支持系统对某运行初期氨氮去除效果不明显、不能满足 出水氨氮的排放要求的污水处理厂进行模型化，通过分析判断出存在的主要问 题，并提出相应的解决措施，通过i a w o 模型的模拟系统计算出水氨氮可达标 的运行条件。 9 中山大学硕士学位论文 o r b a l 氧化沟处理石化废水的模拟计算研究 1 3 3 活性污泥模型原理 对于一个完整具有去除有机物、脱氮、除磷功能的活性污泥系统，其主要生 化过程如下：( 1 ) 微生物的生长和基质利用；( 2 ) 微生物的内源呼吸、死亡、溶解、 衰减；( 3 ) 颗粒性大分子有机物的溶解；( 4 ) 溶解性微生物产物的形成；( 5 ) 氨化 作用；( 6 ) 硝化作用与反硝化作用；( 7 ) 磷的吸收和释放。 活性污泥模型a s m 是活性污泥法的一个综合模型，是一个能对去除活性污 泥系统中的c o d 、氮、磷等综合生物处理工程进行动态模拟的数学模型。其处 理废水的机制主要有以下几个过程。i t s ( 1 ) 自养菌x a 好氧生长和衰减 自养菌以硝化细菌为代表，其能量来源为废水中的溶解性氨氮，硝化细菌利 用氨氮作为能源来增加细胞数量，最终产生硝酸盐。同时，一部分氮转化为消化 细菌自身组成部分。 自养菌兄好氧生长、硝化的工艺过程速率表达式为： p ：。了鱼 - 鱼- 岳_ 坠冬川肠( 1 - 9 ) 胪以瓦i d z = i ：宅= 瓦一 式中，, u a 代表白养生物的好