1、施漢昌施漢昌環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室清華大學(xué)清華大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程系環(huán)境科學(xué)與工程系廢水生物處理的廢水生物處理的 數(shù)值模擬研究數(shù)值模擬研究中國水污染的現(xiàn)狀河流的污染 n在在411條被監(jiān)測(cè)的河流中條被監(jiān)測(cè)的河流中:40 %達(dá)到達(dá)到IIII級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)33 % 達(dá)到達(dá)到IV、V級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)27 % 低于低于V級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)n100 個(gè)國控監(jiān)測(cè)斷面?zhèn)€國控監(jiān)測(cè)斷面: 36 %達(dá)到達(dá)到IIII級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)40 %達(dá)到達(dá)到IV、V級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)24 %低于低于V級(jí)標(biāo)準(zhǔn)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)湖泊的污染我國絕大部分水域面臨著水體富營我國絕大部分水域面臨著水體富營養(yǎng)化的問題。養(yǎng)化的

2、問題。太湖太湖: 67% 劣劣V類類滇池滇池: 63% 劣劣V類類巢湖：巢湖： 43%劣劣V類類滇池滇池小江小江小江小江太湖太湖 近10年來，我國已經(jīng)建成了大中型城市污水處理廠1000余座； 投入資金數(shù)千億元。 需要達(dá)標(biāo)運(yùn)行、節(jié)能降耗和取得環(huán)境效益； 污水處理需要更適合我國國情的新技術(shù)。廢水生物處理的優(yōu)勢(shì)腐生性微生物腐生性微生物絮凝性微生物絮凝性微生物硝化細(xì)菌硝化細(xì)菌捕食性微生物捕食性微生物有害性微生物有害性微生物巨大的緩沖系統(tǒng) 良好的適應(yīng)性酶的催化反應(yīng) 處理系統(tǒng)的低能耗廢水生物處理的 數(shù)學(xué)模型與應(yīng)用軟件 廢水生物處理的動(dòng)力學(xué)主要包括：廢水生物處理的動(dòng)力學(xué)主要包括： 基質(zhì)降解動(dòng)力學(xué)：基質(zhì)降解動(dòng)

3、力學(xué)：基質(zhì)降解與基質(zhì)濃度、生物量等因素的基質(zhì)降解與基質(zhì)濃度、生物量等因素的關(guān)系；關(guān)系； 微生物增長動(dòng)力學(xué)：微生物增長動(dòng)力學(xué)：微生物增長與基質(zhì)濃度、生物量、增微生物增長與基質(zhì)濃度、生物量、增長常數(shù)等因素的關(guān)系；長常數(shù)等因素的關(guān)系； 相互關(guān)系：相互關(guān)系：研究基質(zhì)降解與生物量增長、基質(zhì)降解與需氧、研究基質(zhì)降解與生物量增長、基質(zhì)降解與需氧、營養(yǎng)條件之間的關(guān)系。營養(yǎng)條件之間的關(guān)系。 對(duì)廢水生物處理動(dòng)力學(xué)模型的研究起始于對(duì)廢水生物處理動(dòng)力學(xué)模型的研究起始于20世紀(jì)世紀(jì)50年代。年代。美國、英國和南非等國的科學(xué)家對(duì)此都有深入的研究。美國、英國和南非等國的科學(xué)家對(duì)此都有深入的研究。 ASM模型是國際水質(zhì)協(xié)會(huì)（

4、模型是國際水質(zhì)協(xié)會(huì)（IAWQ）于）于1983年成立課年成立課題組開展研究。題組開展研究。 1987年年 ASM1模型：模型： 碳氧化、硝化、反硝化的三個(gè)過程碳氧化、硝化、反硝化的三個(gè)過程 1994年年 ASM2模型：模型： 增加了磷的生物和化學(xué)去除過程增加了磷的生物和化學(xué)去除過程 1998年年 ASM2D模型模型 增加了反硝化的聚磷菌增加了反硝化的聚磷菌 1999年年 ASM3模型模型 修正了修正了ASM1在某些方面存在的一些問題。在某些方面存在的一些問題。 目前，活性污泥模型的研究和應(yīng)用重點(diǎn)在這三個(gè)模型上。目前，活性污泥模型的研究和應(yīng)用重點(diǎn)在這三個(gè)模型上。ASM1(13組分、組分、 8過程過

5、程) 組分i 過程j 1 SI 2 SS 3 XI 4 XS 5 XB H, 6 XB A, 7 XE 8 SO 9 SNO 10 SNH 11 SND 12 XND 13 SALK 過程速率 j ML T31 1.異養(yǎng)菌的 好氧生長 1YH 1 YYHH1 iXB iXB14 HSSSOOHOB HSKSSKSX()(), 2.異養(yǎng)菌的 缺氧生長 1YH 1 1286YYHH. iXB 114 28614YYiHHXB./ H()()(),SKSKKSSKSXSSSOHOHONONONOgBH 3.自養(yǎng)菌的 好氧生長 1 YYAA457. 1YA iYXBA1 iYXBA/141 7 ANH

6、NHNHOO AOB ASKSSKSX()(), 4.異養(yǎng)菌 的衰減 1fE -1 fE if iXBE XE b XHB H, 5.自養(yǎng)菌 的衰減 1fE -1 fE if iXBE XE b XAB A, 6.溶解有機(jī) 氮的氨化 1 -1 1/14 k S XaNDB H, 7.捕集有機(jī) 物的水解 1 -1 kX XK X XSKSKKSSKSXhSBHXSBHOOHOhOHOHONONONOBH,()() 8.捕集有機(jī) 氮的水解 1 -1 7(/)XXNDS 轉(zhuǎn)換速率 iijjj ASM模型的比較模型的比較比較項(xiàng)目比較項(xiàng)目ASM1ASM1ASM2ASM2ASM2DASM2DASM3ASM

7、3模型組分模型組分1313191919191313反應(yīng)過程反應(yīng)過程8 8191921211212關(guān)鍵過程關(guān)鍵過程碳氧化過程碳氧化過程/ /硝化過硝化過程程/ /反硝化過程反硝化過程碳氧化碳氧化/ /硝化硝化/ /反硝反硝化化/ /生物、化學(xué)除磷生物、化學(xué)除磷碳氧化碳氧化/ /硝化硝化/ /反硝反硝化化/ /生物、化學(xué)除磷生物、化學(xué)除磷碳氧化過程碳氧化過程/ /硝化過硝化過程程/ /反硝化過程反硝化過程模型科學(xué)模型科學(xué)性性早期的模型結(jié)構(gòu)，對(duì)早期的模型結(jié)構(gòu)，對(duì)組成分配尚不清晰，組成分配尚不清晰，采用死亡再生理論采用死亡再生理論模型化了除磷過程，模型化了除磷過程，并開始對(duì)細(xì)胞內(nèi)部結(jié)并開始對(duì)細(xì)胞內(nèi)部結(jié)

8、構(gòu)有了一些細(xì)致描述構(gòu)有了一些細(xì)致描述增加了對(duì)聚磷菌反增加了對(duì)聚磷菌反硝化過程的描述硝化過程的描述將硝化菌和異養(yǎng)菌的將硝化菌和異養(yǎng)菌的過程清晰區(qū)分，并采過程清晰區(qū)分，并采用內(nèi)源呼吸理論用內(nèi)源呼吸理論使用情況使用情況經(jīng)過經(jīng)過1010多年的大量使多年的大量使用事例，從模擬、設(shè)用事例，從模擬、設(shè)計(jì)到控制都較成熟計(jì)到控制都較成熟逐漸開始廣泛應(yīng)用，逐漸開始廣泛應(yīng)用，ASM2DASM2D出現(xiàn)后的一段出現(xiàn)后的一段時(shí)間應(yīng)用逐漸時(shí)間應(yīng)用逐漸 逐漸取代了逐漸取代了ASM2ASM2的的應(yīng)用應(yīng)用還沒有大量的驗(yàn)證還沒有大量的驗(yàn)證和使用和使用基本評(píng)價(jià)基本評(píng)價(jià)大量成熟和穩(wěn)定的大量成熟和穩(wěn)定的應(yīng)用應(yīng)用模型非常復(fù)雜，但模型非常復(fù)

9、雜，但包含了重要的厭氧包含了重要的厭氧和除磷過程和除磷過程模型非常復(fù)雜，但模型非常復(fù)雜，但包含了重要的厭氧包含了重要的厭氧和除磷過程和除磷過程模型描述的先進(jìn)性，模型描述的先進(jìn)性，在大量成熟應(yīng)用后，在大量成熟應(yīng)用后，可逐漸取代可逐漸取代ASM1ASM1。ASM模型的求解：模型的求解：（1 1）活性污泥法的分類活性污泥法的分類 完全混合式完全混合式 推流式推流式 活性污泥法活性污泥法 活性污泥法活性污泥法 單級(jí)完全混合式單級(jí)完全混合式 活性污泥法活性污泥法 AB工藝工藝 A/O工藝工藝采用多個(gè)采用多個(gè)CSTR反應(yīng)器串連可以反應(yīng)器串連可以模擬各種活性污泥工藝流程模擬各種活性污泥工藝流程A/A/O活性

10、污泥法活性污泥法CSTRCSTRCSTRCSTRCSTRAAOSSA2OOO二沉池二沉池A1A2OO二沉池二沉池A2A2OO二沉池二沉池T5 沉淀沉淀T1T2T3T4軟件名稱軟件名稱基礎(chǔ)模型基礎(chǔ)模型模擬工藝模擬工藝SIMBA 4.0ASM,消化模型消化模型,污染負(fù)荷模型污染負(fù)荷模型活性污泥活性污泥,SBR,氧化溝氧化溝EFORASM1,ASM2D,3種水力模型種水力模型活性污泥活性污泥,污泥回流污泥回流WEST ASM系列系列,沉淀池模型沉淀池模型 活性污泥，活性污泥，SBR，生物膜，生物膜GPS-XASM系列系列,沉淀池沉淀池,生物膜等生物膜等活性污泥，生物膜活性污泥，生物膜ODSSASM1

11、,ASM2D，沉淀池模型，沉淀池模型 活性污泥法，模擬系統(tǒng)與活性污泥法，模擬系統(tǒng)與專家系統(tǒng)專家系統(tǒng)其他軟件：其他軟件：SASSPro, AQUASIM, AQUASYSTEM, ARASIM, EWSIM CFD（Computational Fluid Dynamics）即計(jì)算流體動(dòng)）即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，是力學(xué)，是20世紀(jì)世紀(jì)60年代起伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速崛起的學(xué)年代起伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)迅速崛起的學(xué)科?？啤?由于計(jì)算機(jī)、算法以及各種軟件的出現(xiàn)使由于計(jì)算機(jī)、算法以及各種軟件的出現(xiàn)使CFD成為非常成為非常有用的工程工具。有用的工程工具。 CFD廣泛應(yīng)用于熱能動(dòng)力、航空航天、機(jī)械、土木、水廣泛應(yīng)用于熱能動(dòng)力

12、、航空航天、機(jī)械、土木、水力、環(huán)境、化工等諸多領(lǐng)域。力、環(huán)境、化工等諸多領(lǐng)域。飛機(jī)周圍的壓力場(chǎng)飛機(jī)周圍的壓力場(chǎng) 汽車外流場(chǎng)的模擬汽車外流場(chǎng)的模擬 化學(xué)工業(yè)中的攪拌器化學(xué)工業(yè)中的攪拌器 隨著隨著CFD應(yīng)用的日益廣泛，出現(xiàn)了許多商業(yè)軟件，應(yīng)用的日益廣泛，出現(xiàn)了許多商業(yè)軟件，如如FLUENT, CFX, STAR-CD, ANSYIS等等，其中，等等，其中，F(xiàn)LUENT是最具有競(jìng)爭(zhēng)性的軟件。是最具有競(jìng)爭(zhēng)性的軟件。 FLUENT是用于模擬流體復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動(dòng)、傳熱是用于模擬流體復(fù)雜結(jié)構(gòu)內(nèi)的流動(dòng)、傳熱等現(xiàn)象的技術(shù)，它提供了多樣的網(wǎng)格，不同的模型，等現(xiàn)象的技術(shù)，它提供了多樣的網(wǎng)格，不同的模型，方便的輸入輸

13、出，能給出穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的解，處理方便的輸入輸出，能給出穩(wěn)態(tài)和非穩(wěn)態(tài)的解，處理層流、湍流、單相、多相，有反應(yīng)和沒反應(yīng)等多種層流、湍流、單相、多相，有反應(yīng)和沒反應(yīng)等多種情況。情況。 預(yù)處理預(yù)處理求求 解解后處理后處理建立模型，建立模型，求求 解解檢查結(jié)果，檢查結(jié)果，修訂模型修訂模型確定模擬目標(biāo)、確定模擬目標(biāo)、建立模擬結(jié)構(gòu)，建立模擬結(jié)構(gòu)，生生 成成 網(wǎng)網(wǎng) 格格缺氧好缺氧好氧分區(qū)運(yùn)氧分區(qū)運(yùn)行行 輕質(zhì)高強(qiáng)輕質(zhì)高強(qiáng)度生物填度生物填料料 結(jié)合高效固結(jié)合高效固液分離方式液分離方式的新型復(fù)合的新型復(fù)合反應(yīng)器反應(yīng)器 反應(yīng)器大型反應(yīng)器大型化的蜂窩斷化的蜂窩斷面結(jié)構(gòu)面結(jié)構(gòu) 迷宮式生迷宮式生物載體分物載體分離器離器 F

14、igure 3 The simplified tridimensionalstructure for the simulatiion橫斷面縱斷面縱斷面反應(yīng)器模擬反應(yīng)器模擬- -底隙高度影響底隙高度影響0.000.050.100.150.200.250.300.000000.000010.000020.000030.0000410 mm above separation zone h=5 mm h=10 mm h=15 mm h=20 mmSolid concentrationDistance (m)不同不同h分離區(qū)上部固含率比較分離區(qū)上部固含率比較 0.000.050.100.150.200.

15、250.300.0000.0010.0020.0030.0040.0050.006 y=1880 m m a/b=1 a/b=1/2 a/b=1/3Solid concentrationDistance (m)不同不同a/b分離區(qū)上部固含率比較分離區(qū)上部固含率比較 進(jìn)水進(jìn)水COD負(fù)荷：負(fù)荷： 5.28kg/m3.dCOD去除率：去除率：81%氨氮去除率氨氮去除率80%出水濃度出水濃度60%出水出水TP濃度濃度2.5 mg/L化學(xué)強(qiáng)化除磷：化學(xué)強(qiáng)化除磷：出水出水TP濃度濃度0.5 mg/L與與“95”生物流化床的比較生物流化床的比較 不同條件下氧化溝中的流態(tài)分布不同條件下氧化溝中的流態(tài)分布 不同

16、條件下氧化溝中的濃度分布不同條件下氧化溝中的濃度分布 氧化溝中微元的生物反應(yīng)過程氧化溝中微元的生物反應(yīng)過程 不同條件下氧化溝中適宜的缺氧不同條件下氧化溝中適宜的缺氧區(qū)和好氧區(qū)分布區(qū)和好氧區(qū)分布 曝氣機(jī)與水下推流器的合理布置曝氣機(jī)與水下推流器的合理布置 進(jìn)水在溝內(nèi)要循環(huán)多次（進(jìn)水在溝內(nèi)要循環(huán)多次（10次以上）才流出氧化次以上）才流出氧化溝，溝內(nèi)的一個(gè)確氧區(qū)就相當(dāng)于多個(gè)缺氧好氧活溝，溝內(nèi)的一個(gè)確氧區(qū)就相當(dāng)于多個(gè)缺氧好氧活性污泥池的串聯(lián)。性污泥池的串聯(lián)。缺氧區(qū)缺氧區(qū)小試模型測(cè)試小試模型測(cè)試CFD模擬模擬現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試2:006:0010:0014:0018:0022:004000050000600

17、00700008000090000100000110000CODinfluent quantityinfluent quantity(m3/d)time (h)150200250300350400 COD (mg/L)0102030405060708090024601234Length(m)氧 化 溝 直 段 DO分 布(開 啟 三 臺(tái) 曝 氣 機(jī) ， t=5h， Z=3.19m)Width(m)DO(mg/L)00.10.20.30.40.50.60.70.80.912510121417192224不 同 區(qū) 間 溶 解 氧 的 體 積 分 數(shù)時(shí)間(h)開 啟 三 臺(tái) 曝 氣 機(jī) 的 模 擬

18、 計(jì) 算DO2.0mg/L氧化溝單元化分區(qū)氧化溝單元化分區(qū)進(jìn)水負(fù)荷的變化進(jìn)水負(fù)荷的變化不同負(fù)荷下不同負(fù)荷下各分區(qū)的各分區(qū)的DODO濃度濃度不同負(fù)荷下整溝的不同負(fù)荷下整溝的AO容積容積入入水水水水質(zhì)質(zhì)動(dòng)動(dòng)態(tài)態(tài)變變化化2 :0 06 :0 01 0 :0 01 4 :0 01 8 :0 02 2 :0 04 0 0 0 05 0 0 0 06 0 0 0 07 0 0 0 08 0 0 0 09 0 0 0 01 0 0 0 0 01 1 0 0 0 0C O Din flu e n t q u a n tityinfluent quantity(m3/d)tim e (h )1 5 02 0 0

19、2 5 03 0 03 5 04 0 0 COD (mg/L)2 :0 06 :0 01 0 :0 01 4 :0 01 8 :0 02 2 :0 0-681 01 21 41 61 82 02 22 42 6N H3PP (mg/L)NH3 (mg/L)tim e (h )1234 水質(zhì)參數(shù)水質(zhì)參數(shù)COD（mg/L）TN（mg/L）NH3（mg/L）NO（mg/L）P（mg/L）平均值平均值16.1817.0816.290.20.172 oclock13.4916.171.8813.880.195 oclock10.7711.151.019.750.1310 oclock13.4422.32

20、1.220.410.9112 oclock50.7623.5520.930.010.8614 oclock36.8919.8118.020.021.0317 oclock90.8822.8918.330.010.7219 oclock14.8617.0416.150.291.4922 oclock17.9015.2514.560.170.64不同時(shí)刻截面溶解氧平均值隨位置變化（工況不同時(shí)刻截面溶解氧平均值隨位置變化（工況1） 不同時(shí)刻截面溶解氧平均值隨位置變化（工況不同時(shí)刻截面溶解氧平均值隨位置變化（工況2） 00.10.20.30.40.50.60.70.80.912510121417192

21、224不 同 區(qū) 間 溶 解 氧 的 體 積 分 數(shù)時(shí)間(h)開 啟 三 臺(tái) 曝 氣 機(jī) 的 模 擬 計(jì) 算DO2.0mg/L00.10.20.30.40.50.60.70.80.912510121417192224不 同 區(qū) 間 溶 解 氧 的 體 積 分 數(shù)時(shí)間(h)開 啟 五 臺(tái) 曝 氣 機(jī) 的 模 擬 計(jì) 算DO2.0mg/L0102030405060708090024601234Length(m)氧 化 溝 直 段 DO分 布(開 啟 三 臺(tái) 曝 氣 機(jī) ， t=5h， Z=3.19m)Width(m)DO(mg/L)0102030405060708090024600.10.2Len

22、gth(m)氧 化 溝 直 段 DO分 布(開 啟 三 臺(tái) 曝 氣 機(jī) ， t=14h， Z=3.19m)Width(m)DO(mg/L)入水動(dòng)態(tài)變化對(duì)出入水動(dòng)態(tài)變化對(duì)出水以及氧化溝內(nèi)溶水以及氧化溝內(nèi)溶解氧分布影響顯著解氧分布影響顯著動(dòng)力學(xué)模擬分析不同控動(dòng)力學(xué)模擬分析不同控制條件下運(yùn)行效果制條件下運(yùn)行效果得出優(yōu)化運(yùn)行控制方法得出優(yōu)化運(yùn)行控制方法入水動(dòng)態(tài)變化入水動(dòng)態(tài)變化u出水水質(zhì)不穩(wěn)定出水水質(zhì)不穩(wěn)定u氮、磷去除效果氮、磷去除效果u溶解氧濃度空間和時(shí)溶解氧濃度空間和時(shí)間變化不合理間變化不合理u個(gè)別區(qū)域流速不能滿個(gè)別區(qū)域流速不能滿足運(yùn)行要求足運(yùn)行要求系統(tǒng)運(yùn)行系統(tǒng)運(yùn)行污泥濃度調(diào)節(jié)污泥濃度調(diào)節(jié)曝氣機(jī)運(yùn)行

23、曝氣機(jī)運(yùn)行對(duì)對(duì)DO分布的影響分布的影響單元化分析氧單元化分析氧化溝內(nèi)部環(huán)境變化化溝內(nèi)部環(huán)境變化2:006:0010:0014:0018:0022:00400005000060000700008000090000100000110000C O Din flu en t q u an tityinfluent quantity(m3/d)tim e (h)150200250300350400 COD (mg/L)2:006:0010:0014:0018:0022:00-68101214161820222426N H3PP (mg/L)NH3 (mg/L)tim e (h)12340:002:004

24、:006:008:0010:0012:0014:0016:0018:0020:0022:0024:0010001500200025003000MLSSaeration (kg O2/h)MLSS(mg/L)time (h)400600800100012001400160018002000DO化學(xué)強(qiáng)化除磷化學(xué)強(qiáng)化除磷 反硝化污泥上浮小試試驗(yàn)的研究；反硝化污泥上浮小試試驗(yàn)的研究； 反硝化污泥上浮數(shù)學(xué)模型的建立；反硝化污泥上浮數(shù)學(xué)模型的建立； 反硝化污泥上浮數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用；反硝化污泥上浮數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用；研究思路與方法研究思路研究思路 CFDCFD模擬模擬二沉池中流態(tài)及二沉池中流態(tài)及固相行為和分布固相

25、行為和分布反硝化污泥上浮反硝化污泥上浮過程重要參數(shù)過程重要參數(shù)二沉池反硝化過二沉池反硝化過程及影響因素程及影響因素反硝化污泥上反硝化污泥上浮小試試驗(yàn)浮小試試驗(yàn)生物動(dòng)力生物動(dòng)力學(xué)模擬學(xué)模擬反硝化污泥上浮反硝化污泥上浮數(shù)學(xué)模型數(shù)學(xué)模型反硝化污泥上浮反硝化污泥上浮實(shí)例研究實(shí)例研究反硝化污泥上浮反硝化污泥上浮過程影響因素過程影響因素反硝化污泥上浮反硝化污泥上浮問題控制策略問題控制策略研究方法研究方法二沉池中流場(chǎng)及固相行為和分布模擬研究二沉池中流場(chǎng)及固相行為和分布模擬研究l 采用基于采用基于CFD原理的原理的FLUENT軟件進(jìn)行研究；軟件進(jìn)行研究；l 建立適用于建立適用于FLUENT計(jì)算的二沉池概化模型

26、；計(jì)算的二沉池概化模型；l 采用歐拉拉格朗日方法模擬研究二沉池中固采用歐拉拉格朗日方法模擬研究二沉池中固 相顆粒的行為；相顆粒的行為；l 采用歐拉歐拉方法模擬研究二沉池中固相濃度采用歐拉歐拉方法模擬研究二沉池中固相濃度分布；分布；二沉池簡(jiǎn)化算例二沉池簡(jiǎn)化算例 網(wǎng)格劃分網(wǎng)格劃分 邊界條件邊界條件 速度入口速度入口Velocity_inlet一般出流一般出流Outflow一般出流一般出流Outflow密度密度(kg/m3)(kg/m3)動(dòng)力粘度動(dòng)力粘度(kg/m(kg/m* *s)s)速度速度(m/s)(m/s)等效直徑等效直徑( ( m )m )體積分?jǐn)?shù)體積分?jǐn)?shù)液相液相( (水水) )10001

27、0000.0010.0010.10.1固相固相( (污泥污泥) ) 110011001.81.81010-5-51001000.00180.0018(2000mg/L)(2000mg/L)泥層位置的確定泥層位置的確定通過通過FLUENT模擬得到二沉池中的固相分布：模擬得到二沉池中的固相分布：泥層位置判斷條件一：泥層位置判斷條件一：3000/sXmg L泥層位置的確定泥層位置的確定通過通過FLUENT模擬得到二沉池中的水流流速分布：模擬得到二沉池中的水流流速分布：泥層位置判斷條件二：泥層位置判斷條件二：0.003/vm s研究方法研究方法二沉池中反硝化過程模擬研究二沉池中反硝化過程模擬研究n 采

28、用基于采用基于ASM模型的模型的WEST軟件進(jìn)行研究；軟件進(jìn)行研究；n 建立適用于建立適用于WEST模擬的二沉池概化模型；模擬的二沉池概化模型；NNH 4NNO 2NNO 32NNNO 2有機(jī)氮氨化氨化硝化硝化反硝化反硝化試驗(yàn)結(jié)果試驗(yàn)結(jié)果 反硝化污泥上浮過程可分為三個(gè)階段：反硝化污泥上浮過程可分為三個(gè)階段：第一階段：產(chǎn)氣階段第一階段：產(chǎn)氣階段第二階段：帶氣顆粒上浮階段第二階段：帶氣顆粒上浮階段第三階段：泥層上浮階段第三階段：泥層上浮階段研究方法研究方法反硝化污泥上浮小試試驗(yàn)反硝化污泥上浮小試試驗(yàn)試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置動(dòng)態(tài)數(shù)碼攝像系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)碼攝像系統(tǒng)研究方法研究方法反硝化污泥上浮小試試驗(yàn)反硝化污泥上浮

29、小試試驗(yàn)試驗(yàn)裝置試驗(yàn)裝置動(dòng)態(tài)數(shù)碼攝像系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)碼攝像系統(tǒng)光源電源光源電源光源及光源及樣品池樣品池圖像采集系統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)圖像分析系統(tǒng)圖像分析系統(tǒng)第一階段第一階段產(chǎn)氣階段產(chǎn)氣階段第二階段第二階段帶氣顆粒上浮階段帶氣顆粒上浮階段第二階段第二階段帶氣顆粒上浮階段帶氣顆粒上浮階段第三階段第三階段泥層上浮階段泥層上浮階段第三階段第三階段泥層上浮階段泥層上浮階段氮?dú)怙柕獨(dú)怙柡碗A段和階段氮?dú)鈿馀莸獨(dú)鈿馀莩珊穗A段成核階段氮?dú)鈿馀莸獨(dú)鈿馀萆L階段生長階段帶氣顆粒帶氣顆粒上浮階段上浮階段泥層上泥層上浮階段浮階段模型結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)反硝化污泥上浮數(shù)學(xué)模型將整個(gè)過程分為五個(gè)階段：反硝化污泥上浮數(shù)學(xué)模型將整個(gè)過程分為五個(gè)階

30、段：t0t1t2t3t4tc研究周期研究周期起始時(shí)刻起始時(shí)刻氮?dú)鉂舛冗_(dá)氮?dú)鉂舛冗_(dá)到飽和時(shí)刻到飽和時(shí)刻第一個(gè)氮?dú)鈿獾谝粋€(gè)氮?dú)鈿馀莓a(chǎn)生時(shí)刻泡產(chǎn)生時(shí)刻第一個(gè)帶氣顆第一個(gè)帶氣顆粒上浮時(shí)刻粒上浮時(shí)刻泥層發(fā)生泥層發(fā)生上浮時(shí)刻上浮時(shí)刻研究周期研究周期結(jié)束時(shí)刻結(jié)束時(shí)刻第一階段第一階段氮?dú)怙柡碗A段氮?dú)怙柡碗A段(t (t0 0-t -t1 1) ) 考察泥層中的氮?dú)鉂舛瓤疾炷鄬又械牡獨(dú)鉂舛菴 C，在這一階段里，經(jīng)歷，在這一階段里，經(jīng)歷了如下過程：了如下過程：t0：C處于飽和狀態(tài)處于飽和狀態(tài)進(jìn)水的稀釋作用進(jìn)水的稀釋作用t1：C重新達(dá)到飽和狀態(tài)重新達(dá)到飽和狀態(tài)反硝化產(chǎn)生氮?dú)夥聪趸a(chǎn)生氮?dú)獾谝浑A段第一階段氮?dú)怙柡碗A段氮

31、氣飽和階段(t (t0 0-t -t1 1) ) 將泥層視作連續(xù)進(jìn)出水完全混合式活性污泥反應(yīng)將泥層視作連續(xù)進(jìn)出水完全混合式活性污泥反應(yīng)器，通過器，通過WEST模擬得到氮?dú)鉂舛茸兓€模擬得到氮?dú)鉂舛茸兓€：t1Cst1Cs第二階段第二階段氮?dú)鈿馀莩珊穗A段氮?dú)鈿馀莩珊穗A段(t (t1 1-t -t2 2) ) 在在t1之后，氮?dú)鉂舛瘸暑愃凭€形增長，氮?dú)庠谒?，氮?dú)鉂舛瘸暑愃凭€形增長，氮?dú)庠谒械倪^飽和度中的過飽和度S(t)也不斷增加：也不斷增加：21( )()NsCtkt tC211( )( ) ( )()()sNS tKC tpK C tCKkttc tt第二階段第二階段氮?dú)鈿馀莩珊穗A段氮

32、氣氣泡成核階段(t (t1 1-t -t2 2) ) 過飽和度過飽和度S(t)不斷增長，直到不斷增長，直到t2時(shí)刻，時(shí)刻， S(t)滿足滿足氣泡成核條件，泥層中形成了第一個(gè)氮?dú)鈿馀?。泥層氣泡成核條件，泥層中形成了第一個(gè)氮?dú)鈿馀?。泥層中的氣泡成核屬于?jīng)典異相成核，需要滿足條件：中的氣泡成核屬于經(jīng)典異相成核，需要滿足條件：2( )S tW故故t2可按下式計(jì)算：可按下式計(jì)算：212max2NttKkW第三階段第三階段氮?dú)鈿馀萆L階段氮?dú)鈿馀萆L階段(t (t2 2-t -t3 3) ) 在這一階段里，由于氮?dú)鈿馀莸脑鲩L受擴(kuò)散控在這一階段里，由于氮?dú)鈿馀莸脑鲩L受擴(kuò)散控制，已經(jīng)形成的氣泡粒徑將以恒定的速

33、度制，已經(jīng)形成的氣泡粒徑將以恒定的速度G0增長：增長：1/20(/)geGDKk Tc p 式中，式中，kg為描述氣泡粒徑增長的常數(shù)，需由試為描述氣泡粒徑增長的常數(shù)，需由試驗(yàn)確定。氣泡的粒徑驗(yàn)確定。氣泡的粒徑r(t)可表示為：可表示為：1/2( ) (/)ger tDKk Tc pt第四階段第四階段帶氣顆粒上浮階段帶氣顆粒上浮階段(t (t3 3-t -t4 4) ) 不斷增大的氣泡與活性污泥顆粒粘附在一起，不斷增大的氣泡與活性污泥顆粒粘附在一起，使得帶氣顆粒的密度小于水，從而發(fā)生上浮。帶氣顆使得帶氣顆粒的密度小于水，從而發(fā)生上浮。帶氣顆粒上浮發(fā)生的條件為：粒上浮發(fā)生的條件為：fGFF()mg

34、sggssg VVgVgV1.43sgdRd第四階段第四階段帶氣顆粒上浮階段帶氣顆粒上浮階段(t (t3 3-t -t4 4) ) 通過小試試驗(yàn)觀察到通過小試試驗(yàn)觀察到R與氣泡直徑與氣泡直徑dg的關(guān)系：的關(guān)系：第四階段第四階段帶氣顆粒上浮階段帶氣顆粒上浮階段(t (t3 3-t -t4 4) )R隨氣泡直徑隨氣泡直徑dg增大而減小的機(jī)理：增大而減小的機(jī)理：第四階段第四階段帶氣顆粒上浮階段帶氣顆粒上浮階段(t (t3 3-t -t4 4) )第一個(gè)帶氣顆粒上浮發(fā)生上浮的時(shí)間第一個(gè)帶氣顆粒上浮發(fā)生上浮的時(shí)間t3為：為：1.43d003202dttG第五階段第五階段泥層上浮階段泥層上浮階段(t (t

35、4 4-t -t5 5) ) 由于泥層中氣泡數(shù)量和體積的不斷增加，泥層由于泥層中氣泡數(shù)量和體積的不斷增加，泥層的密度不斷降低，在的密度不斷降低，在t4時(shí)刻，泥層的密度減至小于水時(shí)刻，泥層的密度減至小于水而發(fā)生上浮。發(fā)生上浮的條件為：而發(fā)生上浮。發(fā)生上浮的條件為：3411( )10 ()gwsV tX 在任一時(shí)刻在任一時(shí)刻t(tt2)，已生成的氣泡總體積為：，已生成的氣泡總體積為：0( )( )( , )tgbV tN t V t t dtl 反硝化污泥上浮數(shù)學(xué)模型將反硝化污泥上浮過反硝化污泥上浮數(shù)學(xué)模型將反硝化污泥上浮過程分為氮?dú)怙柡?、氮?dú)鈿馀莩珊?、氮?dú)鈿馀萆L、程分為氮?dú)怙柡?、氮?dú)鈿馀莩珊恕?/p>

36、氮?dú)鈿馀萆L、帶氣顆粒上浮和泥層上浮五個(gè)階段；帶氣顆粒上浮和泥層上浮五個(gè)階段；l 氮?dú)膺_(dá)到飽和的時(shí)刻氮?dú)膺_(dá)到飽和的時(shí)刻t t1 1，第一個(gè)氮?dú)鈿馀莩珊耍谝粋€(gè)氮?dú)鈿馀莩珊说臅r(shí)刻的時(shí)刻t t2 2，第一個(gè)帶氣顆粒上浮的時(shí)刻，第一個(gè)帶氣顆粒上浮的時(shí)刻t t3 3和泥層發(fā)和泥層發(fā)生上浮的時(shí)刻生上浮的時(shí)刻t t4 4是模型的四個(gè)重要時(shí)刻。是模型的四個(gè)重要時(shí)刻。模型應(yīng)用的步驟模型應(yīng)用的步驟WEST模擬模擬資料搜集資料搜集CFD模擬模擬1小試試驗(yàn)小試試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀?jì)算模型計(jì)算CFD模擬模擬2模型應(yīng)用實(shí)例模型應(yīng)用實(shí)例研究對(duì)象研究對(duì)象 某城市污水處理廠中心進(jìn)水周邊出水的某城市污水處理廠中心進(jìn)水周邊出水的幅流式二沉池

37、。日進(jìn)水流量幅流式二沉池。日進(jìn)水流量40000m3/d，直徑，直徑50m，池有效水深，池有效水深4.5m，單池面積，單池面積1960m2，雙邊三角堰出水，間歇排泥，回流比為雙邊三角堰出水，間歇排泥，回流比為0.4。模型應(yīng)用實(shí)例模型應(yīng)用實(shí)例CFD模擬模擬1111-11-1處沿池深方處沿池深方向固相濃度向固相濃度1-11-1處沿池深方處沿池深方向水流軸向流速向水流軸向流速4.5模型應(yīng)用實(shí)例模型應(yīng)用實(shí)例CFD模擬模擬14.5m4.5m模型應(yīng)用實(shí)例模型應(yīng)用實(shí)例WEST模擬模擬125.3(min)1518( )ts41( )6.9 10 ()23.5C ttt第一階段第一階段氮?dú)怙柡碗A段氮?dú)怙柡碗A段模型

38、應(yīng)用實(shí)例模型應(yīng)用實(shí)例模型計(jì)算模型計(jì)算250max250dm212max9.5237.6(min)NttkKd第二階段第二階段氮?dú)鈿馀莩珊穗A段氮?dú)鈿馀莩珊穗A段模型應(yīng)用實(shí)例模型應(yīng)用實(shí)例模型計(jì)算模型計(jì)算00.085/Gm s6( )0.085 10 ()r ttt第三階段第三階段氮?dú)鈿馀萆L階段氮?dú)鈿馀萆L階段模型應(yīng)用實(shí)例模型應(yīng)用實(shí)例模型計(jì)算模型計(jì)算第四階段第四階段帶氣顆粒上浮階段帶氣顆粒上浮階段1.43322800.085 265.1(min)tt模型應(yīng)用實(shí)例模型應(yīng)用實(shí)例模型計(jì)算模型計(jì)算第五階段第五階段泥層上浮階段泥層上浮階段470.1(min)t 模型應(yīng)用實(shí)例模型應(yīng)用實(shí)例CFD模擬模擬2上浮的帶氣顆粒對(duì)出水上浮的帶氣顆粒對(duì)出水SS的影響：的影響：模型應(yīng)用實(shí)例模型應(yīng)用實(shí)例CFD模擬模擬2上浮帶氣顆粒的去向分布：上浮帶氣顆粒的去向分布：顆粒去向 進(jìn)入泥斗 沉降至池底 進(jìn)入出水 比例/% 26 16 58 3634( ) 58%10102.59(/ )6rssSSN tdmg L在在t4時(shí)刻上浮的帶氣顆粒對(duì)出水時(shí)刻上浮的帶氣顆粒對(duì)出水SS的貢獻(xiàn)：的貢獻(xiàn)：模型應(yīng)用實(shí)例模型應(yīng)用實(shí)例CFD模擬模擬2上浮的泥層對(duì)出水上浮的泥層對(duì)出水S