1、3.廢水生物處理系統數學模型 3.1 概述 3.2 活性污泥系統數學模型 3.3活性污泥系統模擬軟件的編寫 3.4活性污泥系統模擬軟件的應用3.1 概述 3.1.1廢水處理系統簡介 3.1.2 活性污泥系統設計和管理 3.1.3 活性污泥系統數學模型研究現狀和意義圖3-1 廢水處理工藝 3.1.1廢水處理系統簡介格柵 沉砂一沉池消毒低效處理穩定塘曝氣塘高效處理活性污泥生物濾池生物轉盤二沉池消毒三 級 處 理二 級 處 理一級處理預處理溶解性固體反滲透電解蒸餾有機物活性炭吸附懸浮物化學絮凝過濾除磷化學沉淀脫氮硝化-反硝化離子交換折點氯化吹脫OVERLAND污泥處理生物處理濃縮、消化脫水、過濾離心

2、、干化非生物處理濃縮、調理脫水、過濾離心、焚燒進水出水出水出水污泥處置消毒混合液內回流曝氣池 缺氧 好氧二沉池污泥回流厭氧 缺氧好氧污泥回流混合液內回流曝氣池二沉池圖3-2 A/O法工藝圖3-3 A/A/O 法工藝回流污泥剩余污泥進水曝氣刷氧化溝二沉池 進水反應沉淀排水 排泥12345進水圖3-4 氧化溝工藝圖3-5 SBR工藝rjwjFQSXFQSV)1 ()(0cdaecKXSSYQVFw = 0.2 0.4 kgBOD/(kgMLSSd)Fr = 0.4 0.9 kgBOD/( m3池容d)污泥負荷法：泥齡法： Y = 0.4 0.8 （20，有初沉池）； Kd =0.04 0.075

3、(20)； 3.1.2 活性污泥系統設計和管理數學模型法：3.1.3 活性污泥系統數學模型研究現狀和意義現狀及發展 1986年IAWQ（International Association on Water Quality）組織南非、丹麥、美國、瑞士、日本五國專家，經3年研究，推出去除污水中碳和氮的活性污泥1號模型（Activated Sludge Model N0. 1，ASM1）。 1995年推出ASM2和ASM2d，增加了生物除磷過程。 1999年推出了ASM3。意義 優化設計 污水廠運行和管理 新工藝開發 科研和教學3.2 活性污泥系統數學模型 3.2.1 ASM1 3.2.2 ASM2

4、、ASM2d、ASM3 3.2.3 二沉池模型 3.2.4 活性污泥系統綜合模型3.2.1 ASM1 ASM1采用了Dold等人1980年提出的死亡再生（Death-regeneration）理論對單級活性污泥系統的碳氧化、硝化和反硝化三種主要生物學過程中的相關速率進行了定量描述。它采用了矩陣結構的表達方式，將污水中的組分依據生物反應特性劃分為13項，并將微生物的增長、衰減及水解等過程從呼吸過程中電子受體的角度劃分為8個過程，對每一個過程的速率描述采用雙重Monod模式。這種矩陣表達方式，使得模型結構簡單，速率表達清晰，化學計量關系準確。目前歐美各國廣泛使用的活性污泥各種設計及模擬軟件均以此模

5、型作為基礎。 圖3-6 微生物反應過程機理底物微生物代謝殘余物O2 CO2+H2OO2 CO2+H2O生長衰減C：內源呼吸理論A：維持理論底物存活細胞非存活細胞生長O2 CO2+H2O酶反應代謝殘余物衰亡O2 CO2+H2O？O2 CO2+H2O代謝殘余物微生物不溶底物不溶貯存物貯存物質水解死亡生長O2 CO2+H2OB：死亡再生理論工藝過程 j i觀察到的轉換速率（ML-3T-1)-11網捕性有機氮的水解8-11網捕性有機物的水解7-11可溶性有機氮的氨化6fP-1自養菌的衰減5fP-1異養菌的衰減41自養菌的好氧生長 3-iXB1異養菌的缺氧生長2-iXB1異養菌的好氧生長1工藝過程速率

6、j (ML-3T-1)13SO12SALK11XND10SND9SNH8SNO7XP6XB.A5XB.H4XS3XI2SS1SI組分 HY1HY1HY11HHYY86.21AY1AYXBi1XPPXBifiXPPXBifi 14XBi1486. 2141XBHHiYYAXBYi7114141AY57. 41HBNDaXSk.ABAXb.HBHXb.Pf1Pf1jijivr化學計量參數：異養菌的產率系數: YH自養菌的產率系數: YA微生物衰減的顆粒態產物 比例系數: fP N在生物量COD中的比例: iXB衰減的顆粒態產物中的N/C（COD）: iXP 動力學參數：異養菌的生長與衰減：H KS

7、 KO.H KNO bH自養菌的生長與衰減：A KNH KO.A bA異養菌缺氧生長的校正因子：g氨化作用：ka水解作用：kh KX缺氧水解的校正因子：h 堿度 摩爾單位（HCO3-） 顆粒態可生物降解有機氮 M（N）L-3 溶解態可生物降解有機氮 M（N）L-3 氨氮 M（N）L-3（NH4+N+NH3N） 硝酸鹽與亞硝酸鹽氮 M（N）L- 3（NO3-N+NO2-N） 氧 M（COD）L-3 微生物衰減的顆粒態產物M（COD）L-3 自養菌生物量 M（COD）L-3 異養菌生物量 M（COD）L-3 慢速可生物降解基質 M（COD）L-3 顆粒態惰性有機物 M（COD）L-3 快速生物降解

8、基質 M（COD）L-3 溶解態惰性有機物 M（COD）L-3 HBSKSSKSHXOHOOSSS.HBgSKSSKKSKSHXNONONOOHOHOSSS.ABSKSSKSAXOAOONHNHNH.HBSKSSKKHSKSKhXkNONONOOHOHOOHOOHBXSXXHBXSX.SNDXX7表3-1 ASM1模型速率表達式矩陣表3.2.1 ASM1 3.2.1.1 模型的假設、限制與約束條件 3.2.1.2 生物學工藝過程 3.2.1.3 過程參數（組分） 3.2.1.4 典型參數 3.2.1.5 過程速率表達式 3.2.1.6組分速率的表達式3.2.1.1 模型的假設、限制與約束條件

9、（1）所有生物反應均在恒定溫度下進行。由于大多數反應動力學參數都與溫度有關，其相應的函數關系符合Arrenvunis方程。 （2）pH值恒定并維持在中性狀態。 （3）速率系數與入流組分和負荷變化無關。 （4）氮、磷和其它無機營養物的水平對微生物的增長和反應沒有影響。 （5）反硝化的校正因數g 和h對給定污水為恒定值。 （6）硝化速率系數恒定。 （7）異養生物量為均一的并不隨時間發生種屬上的變化，這一假設與動力學系數恒定的假設在本質是一致的，即基質濃度梯度、反應器構造等對活性污泥沉降性能沒有影響。（8）顆粒態有機物質的生物網捕瞬間完成。 （9）有機物質與有機氮的水解以相同的速率同時發生。 （10

10、）微生物的衰減與電子受體的形式無關。 異養菌的好氧增長異養菌的缺氧增長自養菌的好氧增長異養菌的衰減自養菌的衰減可溶性有機氮的氨化網捕有機物的水解網捕有機氮的水解微生物增長微生物衰減氨化水解3.2.1.2 生物學工藝過程3.2.1.3 過程參數（組分）COD：N：其它：SNH 氨態氮（NH3-N）；SNO 硝態氮（NO2-N+NO3-N）SND 溶解態可生物降解有機氮XND 顆粒態可生物降解有機氮 SI 溶解態惰性有機物質SS 快速生物降解有機物XI 顆粒態惰性有機物XS 顆粒態慢速生物降解基質 XB，H 異養微生物量 XB，A 自養微生物量 XP 由微生物衰減而產生的顆粒態產物 氧堿度符號 名

11、 稱 單 位 10值 20值 YA 自養菌產率 g細胞COD/gN氧化 0.24 0.24 YH 異養菌產率 g細胞COD/g COD氧化 0.67 0.67 fp 生物量中可轉化為顆粒性產物的比例 無量綱 0.08 0.08 iXB 氮占生物量COD的比例 gN/gCOD 0.086 0.086 iXP 顆粒性衰減產物COD中氮的比例 gN/gCOD 0.06 0.06 3.2.1.4 典型參數 表3-2 化學計量參數值符號 名 稱 單 位 10值 20值 H 異養菌最大比增長速率 day -1 3.0 6.0 KS 異養菌半飽和系數 gCOD/m3 20.0 20.0 KOH 異養菌的氧半

12、飽和系數 gO2/m3 0.20 0.20 KNO 反硝化菌的硝酸鹽半飽和系數 gNO3-N/m3 0.50 0.50 bH 異養菌的衰減系數 day -1 0.20 0.62 g 缺氧條件下的H校正因子 無量綱 0.8 0.8 h 缺氧條件下水解校正因子 無量綱 0.4 0.4 Kh 最大比水解速率 gCOD/gCOD d 1.0 3.0 KX 慢速可生物降解基質水解的半飽和系數 gCOD/gCOD 0.01 0.03 A 自養菌最大比增長速率 day -1 0.3 0.8 KNH 自養菌的氨半飽和系數 gNH3-N/m3 1.0 1.0 KOA 自養菌的氧半飽和系數 0.4 0.4 bA

13、自養菌衰減系數 - m3COD/gd 0.04 0.08go2/m3Ka 氨化速率day-1 0.05 0.05表3-3 動力學參數3.2.1.4 過程速率表達式1.異養菌的好氧生長OH4 . 5CO3NHOHC6 . 0OH6 . 0NH6 . 0O3OHC223245426126SSSOSNHSALKXB，HHY111Y1H-iXB14iXBH,B0H,OOSSSH1XSKSSKS2.異養菌的缺氧生長2223245436126N4 . 1OH4 . 6CO5 . 3NHOHC5 . 0H3 . 2NH5 . 0NO8 . 2OHCSSSNOSNHSALKXB，HHY1-iXB86. 21Y

14、86. 21H14iY86. 214Y1XBHH1H,BgNONONOOH,OH,OSSSH2XSKSSKKSKS3.自養菌好氧生長OH04. 1COH88. 1NO98. 0NOHC02. 0HCO98. 1O86. 1NH2323275324SNHSOSALKXB，ASNO1AXBY1iAXBY7114i1Y57. 4AAY1A,BOA,OONHNHNHA3XSKSSKS4.異養菌的衰減5. 自異養菌的衰減NDSPH,BXXXX-1fp1-fpiXB-fpiXPH,BH4XbNDSPA,BXXXX-1fp1-fpiXB-fpiXPA,BA5Xb6.溶解性有機氮的氨化7.不易生物降解有機物水

15、解ALKNHNDSSS-11141H,BNDa6XSKSSSX1-1H,BNONONOOH,OH,OhOH,OOH,BSXH,BSh7XSKSSKKSKSXXKXXK8.顆粒性有機氮的水解NDNDSX-11H,BNONONOOH,OH,OhOH,OOH,BSXH,BNDhSND78XSKSSKKSKSXXKXXK)X/X(3.2.1.6組分速率的表達式 任一生物過程j中的任一組分i的速率ij為該過程的速率表達式j與其相應的速率系數ij的乘積，即： 一個組分在整個系統中的速率則為相應過程速率之和，即： jijijnjjiji101SI：SS：721211HHYYXI：03XS：7344)1 ()

16、1 (ppffXB，H：4215XB，A：536XP：S0：SNO：SNH：SND：547pf31857.41AAHHYYYY329186. 21AHHYYY6321101AXBXBXBYiii8611XND：85412XBPXBXBPXBifiifiSALK：63211314171141486. 2*14114AXBXBHHXBYiiYYi3.2.3 二沉池模型（分層沉淀模型）進水層頂層底層12345678910iriXQQ eiiXQXQ1rrrXQXQ10) ) 105421CiupAXQJ22 .CidnAXQJ33 .CidnAXQJ44 .CidnAXQJ44 .CidnAXQJ5

17、5 .CidnAXQJ99 .JS.1=min(VS.1X1,orVS.2X2)orJS.1=VS.1X1,if X2XtJS.2=min(VS.2X2,orVS.3X3)orJS.2=VS.2X2,if X3XtJS.3=min(VS.3X3,orVS.4X4)orJS.3=VS.3X3,if X4XtJS.4=min(VS.4X4,orVS.5X5)JS.5=min(VS.5X5,orVS.6X6)JS.9=min(VS.9X9,orVS.10X10QrX10-QiX1-+水流運動重力沉降頂層進水層底層cinirAXQQ 105421CiupAXQJ22 .CidnAXQJ33 .Cidn

18、AXQJ44 .CidnAXQJ44 .CidnAXQJ55 .CidnAXQJ99 .JS.1=min(VS.1X1,orVS.2X2)orJS.1=VS.1X1,if X2XtJS.2=min(VS.2X2,orVS.3X3)orJS.2=VS.2X2,if X3XtJS.3=min(VS.3X3,orVS.4X4)orJS.3=VS.3X3,if X4XtJS.4=min(VS.4X4,orVS.5X5)JS.5=min(VS.5X5,orVS.6X6)JS.9=min(VS.9X9,orVS.10X10QrX10-QiX1-+水流運動重力沉降頂層進水層底層cinirAXQQ 圖3-7

19、分層沉淀池各層物料平衡圖2-8Takacs二沉池顆粒沉淀的綜合沉速表達式：式中：vsj實際沉速，m/d； v0最大理論沉速，m/d； v0最大實際沉速，m/d； 可沉降顆粒濃度，g/m3； rh干擾沉淀區顆粒沉淀系數，m3/g； rp絮凝沉淀區顆粒沉淀系數，m3/g。*00jpjhXrXrsjee00sjjX可沉降顆粒濃度與總顆粒濃度的關系為： 其中：fns不可沉降顆粒比例； Xj總顆粒濃度，g/m3。jnsjXfX)1 (表3-4 Takacs綜合沉降速度表達式參數名稱符號數值單位最大實際沉降速率v0250m/day最大理論沉降速率v0474m/day干擾沉淀的沉降參數 rh0.000576

20、m3/gSS絮凝沉淀的沉降參數 rp0.00286m3/gSS不可沉降固體比例fns0.00228無量綱3.2.4 活性污泥系統綜合模型活性污泥處理工藝有許多種形式（如氧化溝、A/O、SBR等），但根據反應器原理任何一個實際反應器內的流態都可以用N個串聯的理想完全混合反應器來表示，從而使實際反應器內的復雜流態（短流、渦流等）簡單化，N值可通過示蹤方法（或根據經驗）確定。 圖3-8 活性污泥系統綜合模型工藝流程Qr,ZrQr,ZrQr,ZrQr,ZrQu,ZuQu,ZuQw,ZwQw,ZwQ0,Z0Unit 1UnitNQf,ZfQe,Zem=1m=6m=10Qe,Zem=1m=6m=10沉淀池

21、 圖3-9 n個完全混合型反應器串聯時的階躍輸入響應0.20.30.40.50.60.70.80.91.01.100.511.522.5300.1濃度 （C）時間 (t)n=1n=2n=5n=10n=圖3-10 n個完全混合型反應器串聯時的脈沖輸入響應00.250.50.7511.251.51.7522.252.500.250.50.7511.251.51.752時間 (t)濃度 （C）n=1n=2n=5n=10n=25n=75n= 圖311活性污泥系統綜合模型的構成 固體通量模型活性污泥系統模型 固液分離子系統生物反應子系統子系統連接：模型組分轉換關系 混合液生物反應器 二沉池 回流污泥 動

22、力學模型 ASM1 水力傳遞模型 多級CSTR串 聯模型3.3活性污泥系統模擬軟件的編寫 3.3.1 總體框圖 3.3.2 模擬工藝流程 3.3.3 物料平衡式 3.3.4 數值計算 3.3.5 編程 3.3.6 模擬軟件的校準動力學參數化學計量參數反應器參數入 流 組 分控 制 參 數沉淀池參數串聯式完全混合反應器控制參數反應速率表達式（ASM1）固體通量表達式沉淀池出流組分輸入計算輸出輸出表格與圖象動力學參數化學計量參數反應器參數入 流 組 分控 制 參 數沉淀池參數串聯式完全混合反應器控制參數反應速率表達式（ASM1）固體通量表達式沉淀池出流組分出流組分輸入計算輸出輸入數值、表格與圖象輸

23、出表格與圖象動力學參數化學計量參數反應器參數入 流 組 分控 制 參 數沉淀池參數串聯式完全混合反應器控制參數反應速率表達式（ASM1）固體通量表達式沉淀池出流組分出流組分輸入計算輸出輸出表格與圖象動力學參數化學計量參數反應器參數入 流 組 分控 制 參 數沉淀池參數串聯式完全混合反應器控制參數反應速率表達式（ASM1）固體通量表達式沉淀池出流組分出流組分輸入計算輸出輸入數值、表格與圖象輸出表格與圖象圖3-12 模擬器總體框圖3.3.1 總體框圖Q0,Z0Unit 1UnitMUnit 1Unit NQf,ZfQr,ZrQr,ZrQu,ZuQe,ZeQw,Zwm=1m=6m=10Qr,ZrQr

24、,ZrQu,ZuQe,ZeQw,Zwm=1m=6m=10Qa, Za沉淀池缺氧（M個）好氧（N個） 3.3.2 模擬工藝流程圖3-13 模擬工藝流程3.3.3 物料平衡式生物反應器輸入量- 輸出量 + 反應消耗量（或生成）= 反應器內的累積量Unit1Unit2M+N：對于SO ：其它：111100111ZQVrZQZQzQVdtdZrraakokkookkkkkokkkOSQSSVklaVrSQVdtdS,*1,1,1kkkkkkkkZQVrZQVdtdZ111二沉池： 輸入 - 輸出 = 每一層內的累積入流層（m=6）：入流層和底層之間（m=25）：mmsmsmdnupmclarffmzJ

25、JXvvJAXQdtdX1,1,minmmsmsmsmsmmdnmzJJJJXXvdtdX1,1,1minmin底層（m=1）：入流層和頂層之間（m=79） 以上式中：11 , s 2, s12dnmzJJminXXvdtdXmmclarmclarmmupmzJJXXvdtdX,1,1tjjjsjsjjsclarXifXXvorvXvJ1,1,min頂層（m=10）式中：1010,10910zJXXvdtdXclaruptsssclarXifXXvorXvXvJ91010,99 ,1010,10,min3.3.4 數值計算 用數值積分法求組分濃度穩態解，數值積分采用Eular 法。 tdtdZ

26、tZttZ tdtdXtXttX3.3.5 編程編程時為了表達清楚、操作方便，把程序分為五個部分： Modulel 1：定義生物反應器中的各參數及變量，用函數的形式定義過程速率、組分速率和生物反應器的物料平衡式。 Module 2：給活性污泥系統所有變量及參數賦初始值。 Module 3：數值積分求組分穩態解。 Module 4：沉淀池的通量表達式和物料平衡式函數 窗體：輸出模擬的計算結果。 全局變量說明 動力學參數 化學計量參數過程速率函數反應速率函數物料平衡微分 方程函數t（t0）時刻進水水質濃度Zt+1=Zt +(dZ/dt) tXt+1=Xt+(dx/dt) t 判 斷 是 否達 到穩

27、態 輸出穩態值、時間 及控制參數 Zt=Zt+1 Xt=Xt+1否是 圖3-14 程序總體框圖 軟件主界面 動力學與化學計量參數設定 進水各組分濃度設定 3.3.6 模擬軟件的校準 90%以上的組分濃度值與基準值完全相同，其余幾個組分的最大誤差為0.28%， 小于COST模擬基準規定的誤差值0.5%。 本研究開發的模擬器建立的思路和計算方法完全正確，可以用于污水處理廠活性污泥系統的優化設計和運行管理3.4 活性污泥系統模擬軟件的應用西安市規劃建設第四污水處理廠，設計規模：55萬m3。 表3-5 設計進出水水質要求指標PH水溫BODCODNH3-NSS處理前6-910-20200mg/l400m

28、g/l30mg/l250mg/l處理后6-9 /20mg/l60mg/l15mg/l20mg/l 圖3-15 A1/O（缺氧+好氧活性污泥法）工藝流程圖粗格柵提升泵房細格柵曝氣沉砂池初沉池污泥濃縮污泥一級消化污泥脫水進廠污水泥餅外運回流污泥出水加氯好氧池二沉池接觸池缺氧池混合液回流污泥二級消化沼氣利用粗格柵提升泵房細格柵曝氣沉砂池初沉池污泥濃縮污泥一級消化污泥脫水進廠污水泥餅外運回流污泥出水加氯好氧池二沉池接觸池缺氧池混合液回流污泥二級消化沼氣利用入流組分測定：01020304050607080占總COD比例（%）SISSXIXSXBH組分歐洲基準第四污水處理廠圖3-16 第四污水處理廠入流中

29、含碳有機物的測定結果圖3-17 第四污水處理廠入流中含氮物質的測定結果入流組分測定：010203040濃度（mg/l)SNOSNHSNDXND組分歐洲基準第四污水處理廠05101520253035404550141618202224262830曝氣池總體積（萬m3)COD,BOD,SS,TN(mg/l)CODBODSSNH3-NTN 圖3-18 曝氣池體積與出水水質關系1616.51717.51818.519141618202224262830曝氣池體積（萬m3)總需氧量（萬kgO2/d）44.555.566.57剩余污泥量（萬kg/d)總需氧量剩余污泥量 圖3-19 曝氣池體積與總需氧量和剩

30、余污泥量關系1*ZXYRXZOVAZXYRXZZZO*21AVZ 2費用函數運行費用基建投資費用總費用函數 西安市第四污水處理廠設計結果缺氧池設計水量：55萬m3/d總有效體積：5萬m3/d停留時間：2.17h混合液濃度：3500 4000mg/l好氧池設計水量：55萬m3/d總有效體積：15萬m3/d停留時間：6.53h混合液濃度：35004000mg/l混合液回流比：200%溶解氧濃度： 1 3mg/l總泥齡：大于10d污泥負荷：0.14kgBOD5/(kgMLSSd)二沉池停留時間：4.5 h水力負荷：0.87m3/(m2h)污泥回流比：50 100%050010001500200025

31、0030003500400045000510152025303540time(days)MLSS,XBH(mg/l)020406080100120140160180XBA(mg/l)XBHMLSSXBA 圖3-20 啟動培菌過程01020304050607080901001104548515457 6063666972流量（萬m3)COD,SS,BOD(mg/l)0.1300.1340.1380.1420.1460.1500.1540.1580.1620.1660.1700.174污泥負荷LS（kg/kgd)CODSSBODLs圖3-21 流量、污泥負荷與出水水質指標關系02040608010

32、0120140400420440460480500520540進水COD（mg/l)COD,SS(mg/l)CODSS 圖3-22 進水COD與出水COD、SS之間的關系152025303540455030354045505560進水NH3-N（mg/l)TN(mg/l)00.050.10.150.20.250.30.35NH3-N(mg/l)TNNH3-N圖3-23 進水NH3-N與出水NH3-N、TN之間的關系05101520253035036912151821242730污泥齡c(d)NH3-N，TN（mg/l)NH3-NTN 圖3-24 污泥齡與出水NH3-N、TN之間的關系快速可生物

33、降解有機物采用間歇實驗法和慢速可生物降解有機物采用測定BOD5 計算法既操作簡單又測定結果比較準確。活性污泥模擬器設計污水處理廠，可以比較準確地模擬出水水質情況、反應器中溶解氧濃度、污泥濃度、剩余污泥濃度等參數。活性污泥模擬器對擬建污水處理廠進行模擬設計，可以比較準確地確定污泥負荷、曝氣池容積和出水水質指標的關系。活性污泥模擬器設計污水處理廠，可以比較準確地計算出需氧量和剩余污泥量等參數， 從而在綜合費用經濟分析下， 可以優化設計曝氣池體積和各種影響運行費用的操作控制參數等。活性污泥模擬器可以快速地模擬預測不同運行管理條件下的污水處理過程，如進水水質變化、流量變化、污泥負荷變化、污泥齡變化和污泥回流比變化等引發的出水水質變化，為城市污水處理廠運行管理提供科學依據。活性污泥模擬器不僅可以優化設計城市污水生物處理系統，同時也可以快速地模擬預測不同運行管理條件下的污水處理過程， 為運行管理提供科學依據，隨著具有我國污水水質特性的活性污泥模擬器研究的不斷完善，活性污泥模擬器將廣泛用于我國的城市污水處理廠的設計