废水生物处理系统数学模型.ppt

3 废水生物处理系统数学模型 3 1概述3 2活性污泥系统数学模型3 3活性污泥系统模拟软件的编写3 4活性污泥系统模拟软件的应用 3 1概述 3 1 1废水处理系统简介3 1 2活性污泥系统设计和管理3 1 3活性污泥系统数学模型研究现状和意义 图3 1废水处理工艺 3 1 1废水处理系统简介 图3 2A O法工艺 图3 3A A O法工艺 图3 4氧化沟工艺 图3 5SBR工艺 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 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 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 3 2 1ASM1 ASM1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 图3 6微生物反应过程机理 工艺过程 j i 观察到的转换速率 ML 3T 1 1 1 网捕性有机氮的水解 8 1 1 网捕性有机物的水解 7 1 1 可溶性有机氮的氨化 6 fP 1 自养菌的衰减 5 fP 1 异养菌的衰减 4 1 自养菌的好氧生长 3 iXB 1 异养菌的缺氧生长 2 iXB 1 异养菌的好氧生长 1 工艺过程速率 j ML 3T 1 13SO 12SALK 11XND 10SND 9SNH 8SNO 7XP 6XB A 5XB H 4XS 3XI 2SS 1SI 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 fPN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 HKSKO HKNObH自养菌的生长与衰减 AKNHKO AbA异养菌缺氧生长的校正因子 g氨化作用 ka水解作用 khKX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 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 3 2 1ASM1 3 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3 2 1 6组分速率的表达式 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 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 3 2 1 2生物学工艺过程 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 碱度 符号 名 称 单 位 10 值 20 值 Y A 自养菌产率 g 细胞 COD gN 氧化 0 24 0 24 Y H 异养菌产率 g 细胞 COD g COD 氧化 0 67 0 67 f p 生物量中可转化为颗粒性产物的比例 无量纲 0 08 0 08 i XB 氮占生物量 COD 的比例 gN gCOD 0 086 0 086 i XP 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 表3 3动力学参数 3 2 1 4过程速率表达式 1 异养菌的好氧生长 SS SO SNH SALK XB H 1 iXB 2 异养菌的缺氧生长 SS SNO SNH SALK XB H iXB 1 3 自养菌好氧生长 SNH SO SALK XB A SNO 1 4 异养菌的衰减5 自异养菌的衰减 1 fp 1 fp iXB fpiXP 1 fp 1 fp iXB fpiXP 6 溶解性有机氮的氨化7 不易生物降解有机物水解 1 1 1 1 8 颗粒性有机氮的水解 1 1 3 2 1 6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 ij为该过程的速率表达式 j与其相应的速率系数 ij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 SI SS XI XS XB H XB A XP S0 SNO SNH SND XND SALK 3 2 3二沉池模型 分层沉淀模型 图3 7分层沉淀池各层物料平衡图 2 8 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 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 表3 4Takacs综合沉降速度表达式参数 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 图3 8活性污泥系统综合模型工艺流程 图3 9n个完全混合型反应器串联时的阶跃输入响应 图3 10n个完全混合型反应器串联时的脉冲输入响应 0 0 25 0 5 0 75 1 1 25 1 5 1 75 2 2 25 2 5 0 0 25 0 5 0 75 1 1 25 1 5 1 75 2 时间 t 浓度 C n 1 n 2 n 5 n 10 n 25 n 75 n 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 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 图3 12模拟器总体框图 3 3 1总体框图 3 3 2模拟工艺流程 图3 13模拟工艺流程 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 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 底层 m 1 入流层和顶层之间 m 7 9 以上式中 顶层 m 10 式中 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 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 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 软件主界面 动力学与化学计量参数设定 进水各组分浓度设定 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 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 图3 15A1 O 缺氧 好氧活性污泥法 工艺流程图 入流组分测定 0 10 20 30 40 50 60 70 80 占总 COD 比例 SI SS XI XS XBH 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 0 10 20 30 40 浓度 mg l SNO SNH SND XND 组分 欧洲基准 第四污水处理厂 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 14 16 18 20 22 24 26 28 30 曝气池总体积 万m 3 COD BOD SS TN mg l COD BOD SS NH3 N TN 图3 18曝气池体积与出水水质关系 16 16 5 17 17 5 18 18 5 19 14 16 18 20 22 24 26 28 30 曝气池体积 万m 3 总需氧量 万kgO 2 d 4 4 5 5 5 5 6 6 5 7 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 费用函数 运行费用 基建投资费用 总费用函数 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 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 0 5 10 15 20 25 30 35 40 time days MLSS X BH mg l 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 X BA mg l XBH MLSS XBA 图3 20启动培菌过程 预测与分析 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 45 48 51 54 57 60 63 66 69 72 流量 万m 3 COD SS BOD mg l 0 130 0 134 0 138 0 142 0 146 0 150 0 154 0 158 0 162 0 166 0 170 0 174 污泥负荷L S kg kg d COD SS BOD Ls 图3 21流量 污泥负荷与出水水质指标关系 0 20 40 60 80 100 120 140 400 420 440 460 480 500 520 540 进水COD mg l COD SS mg l COD SS 图3 22进水COD与出水COD SS之间的关系 15 20 25 30 35 40 45 50 30 35 40 45 50 55 60 进水NH 3 N mg l TN mg l 0 0 05 0 1 0 15 0 2 0 25 0 3 0 35 NH 3 N mg