废水生物处理系统数学模型课件.ppt

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1、废水生物处理系统数学模型,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3-2 A/O法工艺,图3-3 A/A/O 法工艺,图3-4 氧化沟工艺,图3-5 SBR工艺,Fw=0.2 0.4 kgBOD/(kgMLSSd)Fr=0.4 0.9 kgBOD/(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

2、状及发展1986年IAWQ（International Association on Water Quality）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（Activated Sludge Model N0.1，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,3.2.1 ASM13.2.2 ASM2、ASM2d、ASM33.2.3 二沉池模型3.2.4 活性污泥系统综合模型,3.2.1 ASM1,ASM1采用了Dol

3、d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

4、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:fP N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

5、养菌的生长与衰减：H KS KO.H KNO bH自养菌的生长与衰减：A KNH KO.A bA异养菌缺氧生长的校正因子：g氨化作用：ka水解作用：kh KX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+NH3N）,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（CO

6、D）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3-1 ASM1模型速率表达式矩阵表,3.2.1 ASM1,3.2.1.1 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

7、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X

8、ND 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

9、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.

10、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

11、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3-4 Takacs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3-9 n个完全混合型反应器串联时的阶跃输入响应,图3-10 n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

12、.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311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

13、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Unit1Unit2M+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=25）：,底层（m=1）：入流层和顶层之间（m=79）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：Modulel 1：定义生物反应器中的各参数及

14、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。Module 2：给活性污泥系统所有变量及参数赋初始值。Module 3：数值积分求组分稳态解。Module 4：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（t0）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+1 Xt=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

15、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3-15 A1/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

16、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（

17、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：35004000mg/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

18、),二沉池停留时间：4.5 h水力负荷：0.87m3/(m2h)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,),

19、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/kgd),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

20、,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/l),TN,NH3-N,图3-23 进水NH3-N与出水NH3-N、TN之间的关系,0,5,10,15,20,25,30,35,0,3,6,9,12,15,18,21,24,27,30,污泥龄c(d),NH,3,-N，TN（mg/l),NH3-N,TN,图3-24 污泥龄与出水NH3-N、TN之间的关系,结 论,快速可生物降解有机物采用间歇实验法和慢速可生物降解有机物采用测定BOD5 计算法既操作简单又测定结果比较准确。活性污泥模拟器设计污水处理厂

21、，可以比较准确地模拟出水水质情况、反应器中溶解氧浓度、污泥浓度、剩余污泥浓度等参数。活性污泥模拟器对拟建污水处理厂进行模拟设计，可以比较准确地确定污泥负荷、曝气池容积和出水水质指标的关系。活性污泥模拟器设计污水处理厂，可以比较准确地计算出需氧量和剩余污泥量等参数，从而在综合费用经济分析下，可以优化设计曝气池体积和各种影响运行费用的操作控制参数等。活性污泥模拟器可以快速地模拟预测不同运行管理条件下的污水处理过程，如进水水质变化、流量变化、污泥负荷变化、污泥龄变化和污泥回流比变化等引发的出水水质变化，为城市污水处理厂运行管理提供科学依据。活性污泥模拟器不仅可以优化设计城市污水生物处理系统，同时也可以快速地模拟预测不同运行管理条件下的污水处理过程，为运行管理提供科学依据，随着具有我国污水水质特性的活性污泥模拟器研究的不断完善，活性污泥模拟器将广泛用于我国的城市污水处理厂的设计和运行管理。,