清华施汉昌讲座081121.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GDP5-7%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（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,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.dCOD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60%出水TP浓度2.5mg/L化学强化除磷：出水TP浓度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,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,反硝化污泥上浮数学模型的应用,模型应用实例,重要时刻：,当t125.3min时，氮气浓度重新达到饱和；当t237.6min时，泥层中开始产生氮气气泡；当t365.1min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t470.1min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,重要参数：,氮气生成的速度为6.910-4mg/Ls；氮气气泡粒径增长的速度为0.17m/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,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,