废水生物处理的数值模拟研究课件

施汉昌施汉昌环境模拟与污染控制国家重点联合实验室环境模拟与污染控制国家重点联合实验室清华大学清华大学 环境科学与工程系环境科学与工程系废水生物处理的废水生物处理的 数值模拟研究数值模拟研究施汉昌废水生物处理的1主要内容l l 中国水污染的现状l l 废水生物处理的优势l l 废水生物处理的数学模型与工具l l 生物处理反应器模拟的示例主要内容2中国水污染的现状中国水污染的现状3我国经济快速发展带来严重环境问题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污染问题在我国经济发达地区污染问题在我国经济发达地区污染问题在我国经济发达地区 多种污染同时并存多种污染同时并存多种污染同时并存多种污染同时并存一、二十年内集中爆发一、二十年内集中爆发一、二十年内集中爆发一、二十年内集中爆发大气、水污染的经济损失占大气、水污染的经济损失占大气、水污染的经济损失占大气、水污染的经济损失占 GDP 5-7%GDP 5-7%GDP 5-7%GDP 5-7%制约社会、经济的发展制约社会、经济的发展制约社会、经济的发展制约社会、经济的发展 复合污染复合污染复合污染复合污染我国经济快速发展带来严重环境问题复合污染4河流的污染 n在在411条被条被监测的河流中的河流中:40%达到达到IIII级标准准33%达到达到IV、V级标准准27%低于低于V级标准准n100 个国控个国控监测断面断面:36%达到达到IIII级标准准40%达到达到IV、V级标准准24%低于低于V级标准准河流的污染 在411条被监测的河流中:5湖泊的污染我国绝大部分水域面临着水体富营我国绝大部分水域面临着水体富营养化的问题。养化的问题。太湖太湖:67%劣劣V类类滇池滇池:63%劣劣V类类巢湖：巢湖：43%劣劣V类类滇池滇池小江小江小江小江太湖太湖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。滇池小江6城市污水处理厂的发展城市污水处理厂的发展7城市污水处理的发展：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：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。城市污水处理的发展：8废水生物处理的优势废水生物处理的优势9废水处理中的微生物生态系统废水处理中的微生物生态系统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细菌硝化细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生生态态环环境境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10巨大的缓冲系统 良好的适应性原水培养原水培养原水培养原水培养长期驯化长期驯化长期驯化长期驯化优胜劣汰优胜劣汰优胜劣汰优胜劣汰形成不同功形成不同功形成不同功形成不同功能的多种群能的多种群能的多种群能的多种群微生物系统微生物系统微生物系统微生物系统形成对水形成对水质水量有质水量有巨大缓冲巨大缓冲能力的处能力的处理系统理系统酶的催化反应 处理系统的低能耗巨大的缓冲系统 良好的适应性原水培养形成对水质水量有巨大缓11广泛的适应性广泛的适应性+低能耗低能耗 使生物处理技术在使生物处理技术在 废水处理中占废水处理中占主导地位主导地位广泛的适应性+低能耗12废水生物处理技术的废水生物处理技术的问题与改善途径问题与改善途径存在的问题存在的问题 进出水与过进出水与过进出水与过进出水与过程的参数不清程的参数不清程的参数不清程的参数不清 运行的非稳运行的非稳运行的非稳运行的非稳态问题态问题态问题态问题 进一步提高进一步提高进一步提高进一步提高处理效率处理效率处理效率处理效率在线自动在线自动在线自动在线自动检测检测检测检测生物反应生物反应生物反应生物反应器工程器工程器工程器工程现代生现代生现代生现代生物技术物技术物技术物技术生物反应生物反应生物反应生物反应动力学动力学动力学动力学计算流体计算流体计算流体计算流体动力学动力学动力学动力学数学工具数学工具废水生物处理技术的问题与改善途径存在的问题在线自动检测生物13废水生物处理的 数学模型与应用软件废水生物处理的 数学模型与应用软件14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：废水生物处理的动力学主要包括：基质降解动力学：基质降解动力学：基质降解与基质浓度、生物量等因素的基质降解与基质浓度、生物量等因素的关系；关系；微生物增长动力学：微生物增长动力学：微生物增长与基质浓度、生物量、增微生物增长与基质浓度、生物量、增长常数等因素的关系；长常数等因素的关系；相互关系：相互关系：研究基质降解与生物量增长、基质降解与需氧、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。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对废水生物处理动力学模型的研究起始于20世纪世纪50年代。年代。美国、英国和南非等国的科学家对此都有深入的研究。美国、英国和南非等国的科学家对此都有深入的研究。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15 ASM模模型型是是国国际际水水质质协协会会（IAWQ）于于1983年年成成立立课课题题组开展研究。组开展研究。1987年年 ASM1模型：模型：碳氧化、硝化、反硝化的三个过程碳氧化、硝化、反硝化的三个过程 1994年年 ASM2模型：模型：增加了磷的生物和化学去除过程增加了磷的生物和化学去除过程 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问题。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。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系列活性污泥法模型 ASM模型是国际水质协会（IAWQ）16ASM1(13组分、组分、8过程过程)ASM1(13组分、8过程)17IAWQIAWQ活性污泥法模型的过程动力学和化学计算表活性污泥法模型的过程动力学和化学计算表活性污泥法模型的过程动力学和化学计算表活性污泥法模型的过程动力学和化学计算表IAWQ活性污泥法模型的过程动力学和化学计算表18ASM模型的比较模型的比较比较项目比较项目ASM1ASM1ASM2ASM2ASM2DASM2DASM3ASM3模型组分模型组分1313191919191313反应过程反应过程8 8191921211212关键过程关键过程碳氧化过程碳氧化过程/硝化过硝化过程程/反硝化过程反硝化过程碳氧化碳氧化/硝化硝化/反硝反硝化化/生物、化学除磷生物、化学除磷碳氧化碳氧化/硝化硝化/反硝反硝化化/生物、化学除磷生物、化学除磷碳氧化过程碳氧化过程/硝化过硝化过程程/反硝化过程反硝化过程模型科学模型科学性性早期的模型结构，对早期的模型结构，对组成分配尚不清晰，组成分配尚不清晰，采用死亡再生理论采用死亡再生理论模型化了除磷过程，模型化了除磷过程，并开始对细胞内部结并开始对细胞内部结构有了一些细致描述构有了一些细致描述增加了对聚磷菌反增加了对聚磷菌反硝化过程的描述硝化过程的描述将硝化菌和异养菌的将硝化菌和异养菌的过程清晰区分，并采过程清晰区分，并采用内源呼吸理论用内源呼吸理论使用情况使用情况经过经过1010多年的大量使多年的大量使用事例，从模拟、设用事例，从模拟、设计到控制都较成熟计到控制都较成熟逐渐开始广泛应用，逐渐开始广泛应用，ASM2DASM2D出现后的一段出现后的一段时间应用逐渐时间应用逐渐 逐渐取代了逐渐取代了ASM2ASM2的的应用应用还没有大量的验证还没有大量的验证和使用和使用基本评价基本评价大量成熟和稳定的大量成熟和稳定的应用应用模型非常复杂，但模型非常复杂，但包含了重要的厌氧包含了重要的厌氧和除磷过程和除磷过程模型非常复杂，但模型非常复杂，但包含了重要的厌氧包含了重要的厌氧和除磷过程和除磷过程模型描述的先进性，模型描述的先进性，在大量成熟应用后，在大量成熟应用后，可逐渐取代可逐渐取代ASM1ASM1。ASM模型的比较比较项目ASM1ASM2ASM2DASM3模19ASM模型的求解：模型的求解：（1 1）活性污泥法的分类活性污泥法的分类 完完全全混混合合式式 推流式推流式 活活性性污污泥泥法法 活性污泥法活性污泥法 单级完全混合式单级完全混合式 活活 性性 污污 泥泥法法 AB工工艺艺 A/O工艺工艺 ASM模型的求解和应用ASM模型的求解：ASM模型的求解和应用20采用多个采用多个CSTR反应器串连可以反应器串连可以模拟各种活性污泥工艺流程模拟各种活性污泥工艺流程A/A/O活性污泥法活性污泥法CSTRCSTRCSTRCSTRCSTRAAOSS采用多个CSTR反应器串连可以A/A/O活性污泥法CSTRC21缺氧好氧工艺缺氧好氧工艺缺氧好氧工艺缺氧好氧工艺(AO)(AO)：A2OOO二沉池二沉池厌氧缺氧好氧工艺厌氧缺氧好氧工艺厌氧缺氧好氧工艺厌氧缺氧好氧工艺(A(A2 2O)O)：A1A2OO二沉池二沉池氧化沟工艺氧化沟工艺氧化沟工艺氧化沟工艺(交替缺氧、好氧交替缺氧、好氧交替缺氧、好氧交替缺氧、好氧)：A2A2OO二沉池二沉池SBRSBR工工工工艺艺艺艺 (在在在在一一一一个个个个周周周周期期期期内内内内，时时时时间间间间上上上上的的的的推推推推流流流流、空空空空间间间间上上上上的的的的完完完完全全全全混混混混合合合合 ):):T5 沉淀沉淀T1T2T3T4缺氧好氧工艺(AO)：A2OOO二沉池厌氧缺氧好氧22WWTP模拟软件软件件名称名称基基础模型模型模模拟工工艺SIMBA 4.0ASM,消化模型消化模型,污染染负荷模型荷模型活性活性污泥泥,SBR,氧化沟氧化沟EFORASM1,ASM2D,3种水力模型种水力模型活性活性污泥泥,污泥回流泥回流WEST ASM系列系列,沉淀沉淀池模型池模型 活性活性污泥，泥，SBR，生物膜，生物膜GPS-XASM系列系列,沉淀沉淀池池,生物膜等生物膜等活性活性污泥，生泥，生物膜物膜ODSSASM1,ASM2D，沉淀池模型，沉淀池模型 活性活性污泥法，泥法，模模拟系系统与与专家系家系统其他其他软件：件：SASSPro,AQUASIM,AQUASYSTEM,ARASIM,EWSIMWWTP模拟软件软件名称基础模型模拟工艺SIMBA 4.0A23 计算流体力学 及其应用软件 计算流体力学 及24计算流体力学及其应用软件CFD（Computational Fluid Dynamics）即计算流体动）即计算流体动力学，是力学，是20世纪世纪60年代起伴随计算机技术迅速崛起的学年代起伴随计算机技术迅速崛起的学科。科。由于计算机、算法以及各种软件的出现使由于计算机、算法以及各种软件的出现使CFD成为非常成为非常有用的工程工具。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。力、环境、化工等诸多领域。飞机周围的压力场飞机周围的压力场 汽车外流场的汽车外流场的模拟模拟 化学工业中的搅拌化学工业中的搅拌器器计算流体力学及其应用软件CFD（Computational 25随着随着CFD应用的日益广泛，出现了许多商业软件，应用的日益广泛，出现了许多商业软件，如如FLUENT,CFX,STAR-CD,ANSYIS等等，其中，等等，其中，FLUENT是最具有竞争性的软件。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，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层流、湍流、单相、多相，有反应和没反应等多种情况。情况。随着CFD应用的日益广泛，出现了许多商业软件，如FLUENT26FLUENT计算步骤计算步骤预处理预处理求求 解解后处理后处理建立模型，建立模型，求求 解解检查结果，检查结果，修订模型修订模型确定模拟目标、确定模拟目标、建立模拟结构，建立模拟结构，生生 成成 网网 格格FLUENT计算步骤预处理求 解后处理建立模型，检查结27生物处理反应器的模拟示例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沉淀池中反硝化污泥上浮的模拟研究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28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在内循环三相生物流化床的研究基础发展出具有我在内循环三相生物流化床的研究基础发展出具有我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。国自主知识产权的气浮分离生物流化反应器。国自主知识产权的气浮分离生物流化反应器。国自主知识产权的气浮分离生物流化反应器。缺氧好缺氧好氧分区运氧分区运行行 轻质高强轻质高强度生物填度生物填料料 结合高效固结合高效固液分离方式液分离方式的新型复合的新型复合反应器反应器 反应器大型反应器大型化的蜂窝断化的蜂窝断面结构面结构 迷宫式生迷宫式生物载体分物载体分离器离器 1.1.反反反反应应应应器器器器大大大大型型型型化化化化的的的的蜂蜂蜂蜂窝窝窝窝断断断断面面面面结结结结构构构构;2.2.以以以以气气气气浮浮浮浮为为为为高高高高效效效效分分分分离离离离单单单单元元元元的的的的好好好好氧生物流化复合反应器；氧生物流化复合反应器；氧生物流化复合反应器；氧生物流化复合反应器；3.3.缺氧好氧一体式高效分缺氧好氧一体式高效分缺氧好氧一体式高效分缺氧好氧一体式高效分 离生物流化复合反应器；离生物流化复合反应器；离生物流化复合反应器；离生物流化复合反应器；4.4.新型轻质高强度生物填料；新型轻质高强度生物填料；新型轻质高强度生物填料；新型轻质高强度生物填料；5.5.迷宫式生物载体分离器；迷宫式生物载体分离器；迷宫式生物载体分离器；迷宫式生物载体分离器；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29废水生物处理的数值模拟研究课件30生物流化床的简化结构生物流化床的简化结构生物流化床的简化结构31反应器模拟反应器模拟-静压力分布静压力分布 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，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，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，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。这种差别逐渐减小。这种差别逐渐减小。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。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。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。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-静压力分布 升、降流区底部升流区和降流区的压差最32反应器模拟反应器模拟-循环液速循环液速 在每个降流区和升流区的横断面上，液体流速有所区别。在每个降流区和升流区的横断面上，液体流速有所区别。在每个降流区和升流区的横断面上，液体流速有所区别。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。降流区液体流速在断面上比较平均，只有周边流速较小。降流区液体流速在断面上比较平均，只有周边流速较小。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。较大，但是流速较高的区域不一定在升流区的中心。较大，但是流速较高的区域不一定在升流区的中心。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-循环液速 在每个降流区和升流区的横断面上，液体流33反应器模拟反应器模拟-底隙高度影响底隙高度影响气含率气含率气含率气含率 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。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。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。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。在底隙高度在底隙高度在底隙高度在底隙高度B B B B为为为为600mm600mm600mm600mm时，液体循环速度最大，时，液体循环速度最大，时，液体循环速度最大，时，液体循环速度最大，B B B B减小和增大时液体减小和增大时液体减小和增大时液体减小和增大时液体循环速度都减小。循环速度都减小。循环速度都减小。循环速度都减小。循环液速循环液速循环液速循环液速流化床底部的流速分布流化床底部的流速分布流化床底部的流速分布流化床底部的流速分布反应器模拟-底隙高度影响气含率随着底隙高度的增加，升流区气含34载体分离器参数对分离效果的影响载体分离器参数对分离效果的影响不同不同h分离区上部固含率比较分离区上部固含率比较 不同不同a/b分离区上部固含率比较分离区上部固含率比较 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35COD COD 的去除效果的去除效果的去除效果的去除效果常州丽华污水处理站的运行效果进水进水COD负荷：负荷：5.28kg/m3.dCOD去除率：去除率：81%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36TP TP 的去除效果的去除效果的去除效果的去除效果NHNH4 4-N-N的去除效果的去除效果的去除效果的去除效果氨氮去除率氨氮去除率80%出水浓度出水浓度60%出水出水TP浓度浓度2.5 mg/L化学强化除磷：化学强化除磷：出水出水TP浓度浓度80%TP去37与与“95”生物流化床的比较生物流化床的比较高高高高20m20m，最大直径，最大直径，最大直径，最大直径5m 5m 高高高高10m,10m,最大直径最大直径最大直径最大直径3.1m3.1m以单台日处理废水以单台日处理废水以单台日处理废水以单台日处理废水1000m1000m3 3为例：为例：为例：为例：新型反应器新型反应器新型反应器新型反应器l l 水泵扬程：降低水泵扬程：降低水泵扬程：降低水泵扬程：降低50%50%50%50%l l 风机压力：降低风机压力：降低风机压力：降低风机压力：降低40%40%40%40%l l启动能耗：降低启动能耗：降低启动能耗：降低启动能耗：降低30%30%30%30%l l 基础承压：降低基础承压：降低基础承压：降低基础承压：降低30%30%30%30%l l容积效率：提高容积效率：提高容积效率：提高容积效率：提高27%27%27%27%l l 材料消耗：降低材料消耗：降低材料消耗：降低材料消耗：降低15%15%15%15%l l 具有除碳和脱氮除磷的具有除碳和脱氮除磷的具有除碳和脱氮除磷的具有除碳和脱氮除磷的 多种功能多种功能多种功能多种功能实现了高效和低能耗实现了高效和低能耗实现了高效和低能耗实现了高效和低能耗与“95”生物流化床的比较高20m，最大直径5m 38氧化沟反应器动态运行的模拟研究氧化沟反应器动态运行的模拟研究不同条件下氧化沟中的流态分布不同条件下氧化沟中的流态分布不同条件下氧化沟中的浓度分布不同条件下氧化沟中的浓度分布氧化沟中微元的生物反应过程氧化沟中微元的生物反应过程不同条件下氧化沟中适宜的缺氧不同条件下氧化沟中适宜的缺氧区和好氧区分布区和好氧区分布曝气机与水下推流器的合理布置曝气机与水下推流器的合理布置提出氧化沟同步硝化反硝化的优化运行模式提出氧化沟同步硝化反硝化的优化运行模式氧化沟反应器动态运行的模拟研究不同条件下氧化沟中的流态分布提39进水在沟内要循环多次（进水在沟内要循环多次（10次以上）才流出氧化次以上）才流出氧化沟，沟内的一个确氧区就相当于多个缺氧好氧活沟，沟内的一个确氧区就相当于多个缺氧好氧活性污泥池的串联。性污泥池的串联。缺氧区缺氧区进水在沟内要循环多次（10次以上）才流出氧化沟，沟内的一个确40氧化沟中的流态研究氧化沟中的流态研究小试模型测试小试模型测试CFD模拟模拟氧氧氧氧化化化化沟沟沟沟流流流流态态态态模模模模型型型型现场测试现场测试模模型型验验证证流态分流态分布布-推推流器设流器设置置氧化沟中的流态研究小试模型测试CFD模拟氧化沟流态模型现场测41氧化沟生化反应过程的分析氧化沟生化反应过程的分析+优优化化运运行行条条件件氧化沟单元化分区氧化沟单元化分区进水负荷的变化进水负荷的变化不同负荷下各分区的不同负荷下各分区的DODO浓度浓度不同负荷下整沟的不同负荷下整沟的AO容积容积氧化沟生化反应过程的分析+优化运行条件氧化沟单元化分区进水负42入入水水水水质质动动态态变变化化氧化沟动力学模拟分析氧化沟动力学模拟分析入水水质动态变化氧化沟动力学模拟分析43 水质参数水质参数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 oclock13.4422.321.220.410.9112 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氧化沟动力学模拟分析 水质参数CODTNNH3NOP平均值16.1817.0844不同时刻截面溶解氧平均值随位置变化（工况不同时刻截面溶解氧平均值随位置变化（工况1）不同时刻截面溶解氧平均值随位置变化（工况不同时刻截面溶解氧平均值随位置变化（工况2）氧化沟动力学模拟分析氧化沟动力学模拟分析不同时刻截面溶解氧平均值随位置变化（工况1）不同时刻截面溶45氧化沟动力学模拟分析氧化沟动力学模拟分析入水动态变化对出入水动态变化对出水以及氧化沟内溶水以及氧化沟内溶解氧分布影响显著解氧分布影响显著氧化沟动力学模拟分析入水动态变化对出水以及氧化沟内溶解氧分布46动力学模拟分析不同控动力学模拟分析不同控制条件下运行效果制条件下运行效果得出优化运行控制方法得出优化运行控制方法入水动态变化入水动态变化u出水水质不稳定出水水质不稳定u氮、磷去除效果氮、磷去除效果u溶解氧浓度空间和时溶解氧浓度空间和时间变化不合理间变化不合理u个别区域流速不能满个别区域流速不能满足运行要求足运行要求系统运行系统运行污泥浓度调节污泥浓度调节曝气机运行曝气机运行对对DO分布的影响分布的影响单元化分析氧单元化分析氧化沟内部环境变化化沟内部环境变化氧化沟优化运行分析氧化沟优化运行分析动力学模拟分析不同控得出优化运行控制方法入水动态变化出水水质47废水生物处理的数值模拟研究课件48废水生物处理的数值模拟研究课件49化学强化除磷化学强化除磷化学强化除磷50基于进水负荷变化的动态运行模式基于进水负荷变化的动态运行模式前馈前馈+反馈的运行控制方法反馈的运行控制方法同步硝化反硝化与同步硝化反硝化与 化学强化除磷的优化运行化学强化除磷的优化运行基于进水负荷变化的动态运行模式前馈+反馈的运行控制方法同步硝51沉淀池中反硝化污泥上浮的模拟研究沉淀池中反硝化污泥上浮的模拟研究 反硝化污泥上浮小试试验的研究；反硝化污泥上浮小试试验的研究；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的建立；反硝化污泥上浮数学模型的应用；反硝化污泥上浮数学模型的应用；沉淀池中反硝化污泥上浮的模拟研究 反硝化污泥上浮小试试验的研52研究思路与方法研究思路研究思路 CFDCFD模模拟二沉池中流二沉池中流态及及固相行固相行为和分布和分布反硝化反硝化污泥上浮泥上浮过程重要参数程重要参数二沉池反硝化二沉池反硝化过程及影响因素程及影响因素反硝化反硝化污泥上泥上浮小浮小试试验生物生物动力力学模学模拟反硝化反硝化污泥上浮泥上浮数学模型数学模型反硝化反硝化污泥上浮泥上浮实例研究例研究反硝化反硝化污泥上浮泥上浮过程影响因素程影响因素反硝化反硝化污泥上浮泥上浮问题控制策略控制策略研究思路与方法研究思路 CFD模拟二沉池中流态及固相行为和分53研究思路与方法研究思路与方法研究方法研究方法二沉池中流场及固相行为和分布模拟研究二沉池中流场及固相行为和分布模拟研究l 采用基于采用基于CFD原理的原理的FLUENT软件进行研究；软件进行研究；l 建立适用于建立适用于FLUENT计算的二沉池概化模型；计算的二沉池概化模型；l 采采用用欧欧拉拉拉拉格格朗朗日日方方法法模模拟拟研研究究二二沉沉池池中中固固 相颗粒的行为；相颗粒的行为；l 采采用用欧欧拉拉欧欧拉拉方方法法模模拟拟研研究究二二沉沉池池中中固固相相浓浓度度分布；分布；研究思路与方法研究方法二沉池中流场及固相行为和分布模拟研54二沉池简化算例二沉池简化算例 二沉池简化算例 55网格划分网格划分 网格划分 56边界条件边界条件 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)动力粘度动力粘度(kg/m*s)(kg/m*s)速度速度(m/s)(m/s)等效直径等效直径(m)m)体积分数体积分数液相液相(水水)100010000.0010.0010.10.1固相固相(污泥污泥)110011001.8101.810-5-51001000.00180.0018(2000mg/L(2000mg/L)边界条件 速度入口Velocity_inlet一般出流Out57反硝化污泥上浮数学模型的建立泥层位置的确定泥层位置的确定通通过FLUENT模模拟得到二沉池中的固相分布：得到二沉池中的固相分布：泥泥层位置判断条件一：位置判断条件一：反硝化污泥上浮数学模型的建立泥层位置的确定通过FLUENT模58反硝化污泥上浮数学模型的建立泥层位置的确定泥层位置的确定通通过FLUENT模模拟得到二沉池中的水流流速分布：得到二沉池中的水流流速分布：泥泥层位置判断条件二：位置判断条件二：反硝化污泥上浮数学模型的建立泥层位置的确定通过FLUENT模59研究思路与方法研究方法研究方法二沉池中反硝化过程模拟研究二沉池中反硝化过程模拟研究n 采用基于采用基于ASM模型的模型的WEST软件进行研究；软件进行研究；n 建立适用于建立适用于WEST模拟的二沉池概化模型；模拟的二沉池概化模型；有机氮氨化氨化硝化硝化反硝化反硝化研究思路与方法研究方法二沉池中反硝化过程模拟研究 采用基60反硝化污泥上浮小试试验的研究试验结果试验结果 反硝化污泥上浮过程可分为三个阶段：反硝化污泥上浮过程可分为三个阶段：第一阶段：产气阶段第一阶段：产气阶段第二阶段：带气颗粒上浮阶段第二阶段：带气颗粒上浮阶段第三阶段：泥层上浮阶段第三阶段：泥层上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究试验结果 反硝化污泥上浮过61研究思路与方法研究方法研究方法反硝化污泥上浮小试试验反硝化污泥上浮小试试验试验装置试验装置动态数码摄像系统动态数码摄像系统研究思路与方法研究方法反硝化污泥上浮小试试验试验装置62研究思路与方法研究方法研究方法反硝化污泥上浮小试试验反硝化污泥上浮小试试验试验装置试验装置动态数码摄像系统动态数码摄像系统光源光源电源源光源及光源及样品池品池图像采集系像采集系统图像分析系像分析系统研究思路与方法研究方法反硝化污泥上浮小试试验试验装置63反硝化污泥上浮小试试验的研究第一阶段第一阶段产气阶段产气阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第一阶段产气阶段64反硝化污泥上浮小试试验的研究第二阶段第二阶段带气颗粒上浮阶段带气颗粒上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第二阶段带气颗粒上浮阶段65反硝化污泥上浮小试试验的研究第二阶段第二阶段带气颗粒上浮阶段带气颗粒上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第二阶段带气颗粒上浮阶段66反硝化污泥上浮小试试验的研究第三阶段第三阶段泥层上浮阶段泥层上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第三阶段泥层上浮阶段67反硝化污泥上浮小试试验的研究第三阶段第三阶段泥层上浮阶段泥层上浮阶段反硝化污泥上浮小试试验的研究第三阶段泥层上浮阶段68氮气氮气饱和和阶段段氮气气泡氮气气泡成核成核阶段段氮气气泡氮气气泡生生长阶段段带气气颗粒粒上浮上浮阶段段泥泥层上上浮浮阶段段反硝化污泥上浮数学模型的建立模型结构模型结构反硝化污泥上浮数学模型将整个过程分为五个阶段：反硝化污泥上浮数学模型将整个过程分为五个阶段：t0t1t2t3t4tc研究周期研究周期起始起始时刻刻氮气氮气浓度达度达到到饱和和时刻刻第一个氮气气第一个氮气气泡泡产生生时刻刻第一个第一个带气气颗粒上浮粒上浮时刻刻泥泥层发生生上浮上浮时刻刻研究周期研究周期结束束时刻刻氮气饱氮气气泡氮气气泡带气颗粒泥层上反硝化污泥上浮数学模型的69反硝化污泥上浮数学模型的建立第一阶段第一阶段氮气饱和阶段氮气饱和阶段(t(t0 0-t-t1 1)考察泥层中的氮气浓度考察泥层中的氮气浓度C C，在这一阶段里，经历，在这一阶段里，经历了如下过程：了如下过程：t0：C处于于饱和状和状态进水的稀水的稀释作用作用t1：C重新达到重新达到饱和状和状态反硝化反硝化产生氮气生氮气反硝化污泥上浮数学模型的建立第一阶段氮气饱和阶段(t0-70反硝化污泥上浮数学模型的建立第一阶段第一阶段氮气饱和阶段氮气饱和阶段(t(t0 0-t-t1 1)将泥将泥层视作作连续进出水完全混合式活性出水完全混合式活性污泥反泥反应器，通器，通过WEST模模拟得到氮气得到氮气浓度度变化曲化曲线：t1Cs反硝化污泥上浮数学模型的建立第一阶段氮气饱和阶段(t0-71t1Cs反硝化污泥上浮数学模型的建立第二阶段第二阶段氮气气泡成核阶段氮气气泡成核阶段(t(t1 1-t-t2 2)在在t1之后，氮气之后，氮气浓度呈度呈类似似线形增形增长，氮气在水，氮气在水中的中的过饱和度和度S(t)也不断增加：也不断增加：t1Cs反硝化污泥上浮数学模型的建立第二阶段氮气气泡成核72反硝化污泥上浮数学模型的建立第二阶段第二阶段氮气气泡成核阶段氮气气泡成核阶段(t(t1 1-t-t2 2)过饱和和度度S(t)不不断断增增长，直直到到t2时刻刻，S(t)满足足气气泡泡成成核核条条件件，泥泥层中中形形成成了了第第一一个个氮氮气气气气泡泡。泥泥层中的气泡成核属于中的气泡成核属于经典异相成核，需要典异相成核，需要满足条件：足条件：故故t2可按下式可按下式计算：算：反硝化污泥上浮数学模型的建立第二阶段氮气气泡成核阶段(t73反硝化污泥上浮数学模型的建立第三阶段第三阶段氮气气泡生长阶段氮气气泡生长阶段(t(t2 2-t-t3 3)在在这一一阶段段里里，由由于于氮氮气气气气泡泡的的增增长受受扩散散控控制制，已，已经形成的气泡粒径将以恒定的速度形成的气泡粒径将以恒定的速度G0增增长：式式中中，kg为描描述述气气泡泡粒粒径径增增长的的常常数数，需需由由试验确定。气泡的粒径确定。气泡的粒径r(t)可表示可表示为：反硝化污泥上浮数学模型的建立第三阶段氮气气泡生长阶段(t74反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段第四阶段带气颗粒上浮阶段带气颗粒上浮阶段(t(t3 3-t-t4 4)不不断断增增大大的的气气泡泡与与活活性性污泥泥颗粒粒粘粘附附在在一一起起，使使得得带气气颗粒粒的的密密度度小小于于水水，从从而而发生生上上浮浮。带气气颗粒粒上浮上浮发生的条件生的条件为：反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段带气颗粒上浮阶段(t75反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段第四阶段带气颗粒上浮阶段带气颗粒上浮阶段(t(t3 3-t-t4 4)通通过小小试试验观察到察到R与气泡直径与气泡直径dg的关系：的关系：反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段带气颗粒上浮阶段(t76反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段第四阶段带气颗粒上浮阶段带气颗粒上浮阶段(t(t3 3-t-t4 4)R随气泡直径随气泡直径dg增大而减小的机理：增大而减小的机理：反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段带气颗粒上浮阶段(t77反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段第四阶段带气颗粒上浮阶段带气颗粒上浮阶段(t(t3 3-t-t4 4)第一个第一个带气气颗粒上浮粒上浮发生上浮的生上浮的时间t3为：1.43d0反硝化污泥上浮数学模型的建立第四阶段带气颗粒上浮阶段(t78反硝化污泥上浮数学模型的建立第五阶段第五阶段泥层上浮阶段泥层上浮阶段(t(t4 4-t-t5 5)由由于于泥泥层中中气气泡泡数数量量和和体体积的的不不断断增增加加，泥泥层的的密密度度不不断断降降低低，在在t4时刻刻，泥泥层的的密密度度减减至至小小于于水水而而发生上浮。生上浮。发生上浮的条件生上浮的条件为：在任一在任一时刻刻t(tt2)，已生成的气泡，已生成的气泡总体体积为：反硝化污泥上浮数学模型的建立第五阶段泥层上浮阶段(t4-79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的建立l 反反硝硝化化污泥泥上上浮浮数数学学模模型型将将反反硝硝化化污泥泥上上浮浮过程程分分为氮氮气气饱和和、氮氮气气气气泡泡成成核核、氮氮气气气气泡泡生生长、带气气颗粒上浮和泥粒上浮和泥层上浮五个上浮五个阶段；段；l 氮氮气气达达到到饱和和的的时刻刻t t1 1，第第一一个个氮氮气气气气泡泡成成核核的的时刻刻t t2 2，第第一一个个带气气颗粒粒上上浮浮的的时刻刻t t3 3和和泥泥层发生生上浮的上浮的时刻刻t t4 4是模型的四个重要是模型的四个重要时刻。刻。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80反硝化污泥上浮数学模型的应用反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用的步骤模型应用的步骤WEST模模拟资料搜集料搜集CFD模模拟1小小试试验模型模型计算算CFD模模拟2反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用的步骤WEST模拟资料搜81反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例研究对象研究对象 某某城城市市污水水处理理厂厂中中心心进水水周周边出出水水的的幅幅流流式式二二沉沉池池。日日进水水流流量量40000m3/d，直直径径50m，池池有有效效水水深深4.5m，单池池面面积1960m2，双双边三角堰出水，三角堰出水，间歇排泥，回流比歇排泥，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研究对象 82反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例CFD模拟模拟111反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例CFD模拟11183反硝化污泥上浮数学模型的应用1-11-1处沿池深方沿池深方向固相向固相浓度度1-11-1处沿池深方沿池深方向水流向水流轴向流速向流速4.5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1-184反硝化污泥上浮数学模型的应用反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例CFD模拟模拟14.5m4.5m反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例CFD模拟14.85反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例WEST模拟模拟第一第一阶段段氮气氮气饱和和阶段段反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例WEST模拟第一86反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例模型计算模型计算250第二第二阶段段氮气气泡成核氮气气泡成核阶段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87反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例模型计算模型计算第三第三阶段段氮气气泡生氮气气泡生长阶段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88反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例模型计算模型计算第四第四阶段段带气气颗粒上浮粒上浮阶段段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四阶段89反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例模型计算模型计算第五第五阶段段泥泥层上浮上浮阶段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五阶段90反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例CFD模拟模拟2上浮的上浮的带气气颗粒粒对出水出水SS的影响：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91反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例CFD模拟模拟2上浮上浮带气气颗粒的去向分布：粒的去向分布：在在t4时刻上浮的刻上浮的带气气颗粒粒对出水出水SS的的贡献：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92反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例CFD模拟模拟2上浮的泥上浮的泥层对出水出水SS的影响：的影响：泥泥层上浮速度：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上浮93反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例CFD模拟模拟210min10min20min20min30min30min40min40min反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例CFD模拟21094反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例CFD模拟模拟2上浮的泥上浮的泥层对出水出水SS的影响：的影响：出水出水SSSS一一级标准准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95反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例重要重要时刻：刻：l 当当t t1 125.3min25.3min时，氮气，氮气浓度重新达到度重新达到饱和；和；l 当当t t2 237.6min37.6min时，泥，泥层中开始中开始产生氮气气泡；生氮气气泡；l 当当t t3 365.1min65.1min时，开始有，开始有带气气颗粒从泥粒从泥层中逸中逸出，出，发生上浮，并引起出水生上浮，并引起出水SSSS增高；增高；l 当当t t4 470.1min70.1min时，整个泥，整个泥层开始开始发生上浮，并生上浮，并引起出水引起出水SSSS急急剧增高；增高；l 泥泥层上浮后不到上浮后不到10min10min，出水，出水SSSS即会超即会超过城城镇污水水处理厂一理厂一级排放排放标准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t196反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例重要参数：重要参数：l 氮气生成的速度氮气生成的速度为6.9106.910-4-4mg/Lsmg/Ls；l 氮气气泡粒径增氮气气泡粒径增长的速度的速度为0.17m/s0.17m/s；l 上浮的上浮的带气气颗粒粒对出水出水SSSS的最大的最大贡献献为2.59mg/L2.59mg/L；l 泥泥层上浮上浮50min50min后，后，对出水出水SSSS的的贡献可达到献可达到800mg/L800mg/L；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97反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用实例模型应用实例案例案例应用用结论：在在本本案案例例的的工工艺运运行行条条件件和和水水质参参数数的的条条件件下下，如如果果不不及及时进行行排排泥泥，将将会会在在上上次次排排泥泥结束束后后70min左左右右发生生反反硝硝化化污泥泥上上浮浮问题，出出水水SS由由于于上上浮浮污泥泥的的影影响响，会会达达到到30mg/L，甚甚至至更更高高，超超过了了城城市市污水水处理厂的排放理厂的排放标准。准。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：98反硝化污泥上浮数学模型的应用反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用模型应用反硝化污泥上浮过程的影响因素反硝化污泥上浮过程的影响因素反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用反硝化污泥上浮过程的99反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用模型应用控制策略控制策略工工艺设计之初的策略之初的策略n 避免避免选择后置反硝化工后置反硝化工艺；n 提高二沉池池深；提高二沉池池深；反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用控制策略工艺设计之初100反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用模型应用控制策略控制策略工工艺运行中的运行中的调控步控步骤反硝化污泥上浮数学模型的应用模型应用控制策略工艺运行中的101 数值模拟是废水处理反应器数值模拟是废水处理反应器研究中的一种有效的新方法、新工具。研究中的一种有效的新方法、新工具。让我们共同学习，深入研究，让我们共同学习，深入研究，研发出中国的新型高效生物反应器，研发出中国的新型高效生物反应器，为水污染控制提供有力的技术支持。为水污染控制提供有力的技术支持。公欲善其事公欲善其事 必先利其器必先利其器 数值模拟是废水处理反应器研究中的一种有效的102谢谢谢谢谢谢103