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城市污水生物处理仿真建模探究

发布时间:2012-10-24 09:58 论文编辑:gufeng 所属栏目:工程论文 关键词: 城市污水生化处理活性污泥模型仿真模拟

本文根据我国污水处理厂的实际工艺情况,采用模块化的建模思路进行白箱机理建模,以活性污泥 ASM1 模型为机理内核。

第一章 绪论


1.2 污水处理工艺
在对污水进行处理的过程中,根据污染物的不同特性,利用物理沉降、化学中和和生物氧化等技术手段,按照不同流程进行处理,最终使得各种污染物质在污水中的含量减少,或将其转化为对环境没有污染的物质,使污水在经过处理、净化后能达标排放或者重新使用的过程。现代污水处理技术,按其处理过程中所用方法分为三类:物理沉降法,化学絮凝中和法、生物的活性污泥法[5]。一般而言,城市污水处理的程度由简单到复杂,分为以下三级过程处理。如图 1-1 所示:
在污水进行一级的处理过程中,其首要目标是使污水中固体的污染物质减少甚至消除,此类污染物质的特点是呈悬浮态,主要手段是利用沉砂池进行沉淀,格栅进行过滤等物理作用。图中虚线部分表示不同水厂根据污水来源情况而合理增加或减少,属于非必须处理单元。在经过一级的处理后,悬浮固体物 SS(Suspended solid)在污水中的去除率可达 70%以上,生物需氧量 BOD(BiochemicalOxygenDemand)去除率约为30%左右,不符合国标 GB18918-2002 排放标准,但是对后续处理环节有着预处理,保护设备的作用。污水在二级的处理过程中,主要目标是有效去除污水中溶解态的有机污染物质、让缓流水体出现富营养化情况的氮、磷等可溶性的无机污染物质,其污染程度的衡量标准有生化需氧量 BOD(Biochemical Oxygen Demand)和化学需氧量 COD(ChemicalOxygen Demand)。经过二级过程的处理后,污水中 BOD 的含量可降低到 5%以下,大多数污水处理厂此时达到出水水质标准。1977 年以来,我国污水处理厂大部分使用的是活性污泥数学模型及其变种工艺流程技术等。
根据实际污水处理厂的工艺进行总结,概括出一套完整的带控制点的工艺流程图,如图 1-3 所示。污水由进水管道汇集首先流经格栅单元,经过粗细格栅的过滤作用,固体废物得到了去除;在经过沉砂池单元环节时,利用物理原理使污水中密度较大的颗粒性无机污染物能有效去除;接着经过初次沉淀池单元环节时,对污水中比重较大的固态悬浮污染物进行了沉淀和分离,在减小了进水流速后,很大程度降低了水流中悬浮污染物的浓度,经过沉淀形成了污泥积聚在池底,后经刮泥设备进将污泥去除;随后污水流进了污水处理工艺中最重要的单元之一曝气生化池内,一般采用的是当今研究最成熟、使用最普遍的好氧活性污泥法,这种方法既能降低污水中有机污染物的含量,又能使生物的除磷脱氮高效进行,在传统活性污泥法中,核心考虑目标是减少污水中的有机污染物质和水中悬浮态污染物质,适用于不用考虑除氮脱磷的处理要求,主要工艺单元就是曝气生化池、二沉池。


1.3 污水处理研究综述
1.3.1 模型发展
目前,活性污泥的污水处理模型得到了国内外广泛的应用,其大多从活性污泥机理进行推导,其模型是根据 Monod 方程的细胞生长动力学,结合化工工程设计、水力学平衡方程、传质平衡方程、反应器单元设计和微生物生长衰减理论,对主要单元生化曝气池内的基质降解、组分浓度平衡和参数分布进行了定量模型的建立,相继提出了以下模型:1913 年,根据中间产物的假说,Michaelis 和 Menten 两人进行了深入的动力学实验研究[6],发现在整个反应过程中,酶促反应与底物的浓度是相伴变化进行,并总结整理出两者之间的关系式[7]。在 1942 年,Monod 根据对静态反应器中的大量研究,总结出了一个动力学方程描述细菌微生物的生长过程,指出微生物在生长过程中,其生长的速率会受到反应中的限制性物质浓度、细菌浓度的影响,这成为了后来很多模型的基础[8]。结合物质平衡方程,Monod 方程可以准确解释污水处理中细菌生长机理,能有效指导污水生物处理的的工程设计和控制优化运行。在随后的机理模型研究中,人们发展出了“生长-衰减”机理模型,此模型以 Eckenfelder、Lawrence-McCarty 和Mckinney 模型为代表,其重点着眼于污水厂的实际运行负荷和处理效果的关系。


第二章 活性污泥法机理及........................................ 9
2.1 活性污泥机理..........................................................9
2.2 ASM1 模型 ............................................. 11
第三章 污水处理的仿真............................ 21
3.1 建模基本假设...............................................21
3.3 生化曝气池模型.................................................26
3.4 沉淀池模型...............................................29
第四章 计算机仿真的软件.............................. 45
4.1 UML建模......................................................45
4.2 程序模块设计...............................................................49
第五章 城市污水处理软件的............................ 55
5.1 模型的稳态响应仿真................................................55
5.2 模型的动态响应仿真.....................................................58
5.3 基于阳泉污水厂生产数据的.......................................60


第六章 结论与展望


6.1 结论
当前由于水资源相对短缺严重,城市污水处理正日益成为人们关注的焦点。而我国目前对城市污水处理的研究还远远落后于国际水平,同时新增的污水处理厂沿用传统工艺手段,缺乏有效的污水处理模型指导工艺的改进,而且大量污水处理工和相关给排水工程的学生一直停留在理论学习的阶段,没有可靠的仿真模型和软件工具支持离线模拟学习。为了解决上述问题,本文根据我国污水处理厂的实际工艺情况,采用模块化的建模思路进行白箱机理建模,抛开了当前领域研究中简化模型、过优假设条件的方法,完整的进行了活性污泥除碳、硝化-反硝化的机理建模研究,其中用 ASM1作为活性污泥的内核模型,具体完成的内容有:
(1) 活性污泥机理的研究。深入探讨了活性污泥法的各组分相互关系,用于污水处理过程的微观原理,从微生物生长角度分别从好氧过程和厌氧过程说明,然后研究了微生物生长的共性特点,自然状态下分为 4 个生长阶段,保证了建模中应该让微生物处于最优生长状态;
(2) 对活性污泥进行白箱建模。当前研究领域一般对污水处理模型进行了简化,而简化后的模型无论从组分的涵盖范围、机理过程细节的体现方面都存在很多问题,本文参照 ASM1 模型完成了除碳、硝化-反硝化功能的研究,并将二沉池按通量模型和分格模型进行仿真建模;
(3) 水质参数指标的转换。从大量数据研究中,整理出完整的水质转换体系,使活性污泥模型从机理研究能顺利应用到对实际水厂处理数据的研究。

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