1、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中国水污染的现状河流的污染 n在在411条被监测的河流中条被监测的河流中:40 %达到达到IIII级标准级标准33 % 达到达到IV、V级标准级标准27 % 低于低于V级标准级标准n100 个国控监测断面个国控监测断面: 36 %达到达到IIII级标准级标准40 %达到达到IV、V级标准级标准24 %低于低于V级标准级标准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
2、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 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。 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。废水生物处理的优势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巨大的缓冲系统 良好的适应性酶的催化反应 处理系统的低能耗废水生物处理的 数学模型与应用软件 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
3、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。 ASM模型是国际水质协会（
4、模型是国际水质协会（IAWQ）于）于1983年成立课年成立课题组开展研究。题组开展研究。 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。ASM1(13组分、组分、 8过程过
5、程) 组分i 过程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 过程速率 j ML T31 1.异养菌的 好氧生长 1YH 1 YYHH1 iXB iXB14 HSSSOOHOB HSKSSKSX()(), 2.异养菌的 缺氧生长 1YH 1 1286YYHH. iXB 114 28614YYiHHXB./ H()()(),SKSKKSSKSXSSSOHOHONONONOgBH 3.自养菌的 好氧生长 1 YYAA457. 1YA iYXBA1 iYXBA/141 7 ANH
6、NHNHOO AOB ASKSSKSX()(), 4.异养菌 的衰减 1fE -1 fE if iXBE XE b XHB H, 5.自养菌 的衰减 1fE -1 fE if iXBE XE b XAB A, 6.溶解有机 氮的氨化 1 -1 1/14 k S XaNDB H, 7.捕集有机 物的水解 1 -1 kX XK X XSKSKKSSKSXhSBHXSBHOOHOhOHOHONONONOBH,()() 8.捕集有机 氮的水解 1 -1 7(/)XXNDS 转换速率 iijjj ASM模型的比较模型的比较比较项目比较项目ASM1ASM1ASM2ASM2ASM2DASM2DASM3ASM
7、3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
8、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
9、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 单级完全混合式单级完全混合式 活性污泥法活性污泥法 AB工艺工艺 A/O工艺工艺采用多个采用多个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
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软件名称软件名称基础模型基础模型模拟工艺模拟工艺SIMBA 4.0ASM,消化模型消化模型,污染负荷模型污染负荷模型活性污泥活性污泥,SBR,氧化沟氧化沟EFORASM1,ASM2D,3种水力模型种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，模拟系统与活性污泥法，模拟系统与专家系统专家系统其他软件：其他软件：SASSPro, AQUASIM, AQUASYSTEM, ARASIM, EWSIM 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
12、、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 汽车外流场的模拟汽车外流场的模拟 化学工业中的搅拌器化学工业中的搅拌器 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
13、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。 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 F
14、igure 3 The simplified tridimensionalstructure for the simulatiion横断面纵断面纵断面反应器模拟反应器模拟- -底隙高度影响底隙高度影响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分离区上部固含率比较分离区上部固含率比较 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分离区上部固含率比较分离区上部固含率比较 进水进水COD负荷：负荷： 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0.5 mg/L与与“95”生物流化床的比较生物流化床的比较 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
16、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 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。缺氧区缺氧区小试模型测试小试模型测试CFD模拟模拟现场测试现场测试2:006:0010:0014:0018:0022:004000050000600
17、00700008000090000100000110000CODinfluent quantityinfluent quantity(m3/d)time (h)150200250300350400 COD (mg/L)0102030405060708090024601234Length(m)氧 化 沟 直 段 DO分 布(开 启 三 台 曝 气 机 ， t=5h， Z=3.19m)Width(m)DO(mg/L)00.10.20.30.40.50.60.70.80.912510121417192224不 同 区 间 溶 解 氧 的 体 积 分 数时间(h)开 启 三 台 曝 气 机 的 模 拟
18、 计 算DO2.0mg/L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不同负荷下各分区的各分区的DODO浓度浓度不同负荷下整沟的不同负荷下整沟的AO容积容积入入水水水水质质动动态态变变化化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 oclock13.4422.32
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） 00.10.20.30.40.50.60.70.80.912510121417192
21、224不 同 区 间 溶 解 氧 的 体 积 分 数时间(h)开 启 三 台 曝 气 机 的 模 拟 计 算DO2.0mg/L00.10.20.30.40.50.60.70.80.912510121417192224不 同 区 间 溶 解 氧 的 体 积 分 数时间(h)开 启 五 台 曝 气 机 的 模 拟 计 算DO2.0mg/L0102030405060708090024601234Length(m)氧 化 沟 直 段 DO分 布(开 启 三 台 曝 气 机 ， t=5h， Z=3.19m)Width(m)DO(mg/L)0102030405060708090024600.10.2Len
22、gth(m)氧 化 沟 直 段 DO分 布(开 启 三 台 曝 气 机 ， t=14h， Z=3.19m)Width(m)DO(mg/L)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
23、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化学强化除磷化学强化除磷 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；研究思路与方法研究思路研究思路 CFDCFD模拟模拟二沉池中流态及二沉池中流态及固相行为和分布固相
25、行为和分布反硝化污泥上浮反硝化污泥上浮过程重要参数过程重要参数二沉池反硝化过二沉池反硝化过程及影响因素程及影响因素反硝化污泥上反硝化污泥上浮小试试验浮小试试验生物动力生物动力学模拟学模拟反硝化污泥上浮反硝化污泥上浮数学模型数学模型反硝化污泥上浮反硝化污泥上浮实例研究实例研究反硝化污泥上浮反硝化污泥上浮过程影响因素过程影响因素反硝化污泥上浮反硝化污泥上浮问题控制策略问题控制策略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
26、；计算的二沉池概化模型；l 采用欧拉拉格朗日方法模拟研究二沉池中固采用欧拉拉格朗日方法模拟研究二沉池中固 相颗粒的行为；相颗粒的行为；l 采用欧拉欧拉方法模拟研究二沉池中固相浓度采用欧拉欧拉方法模拟研究二沉池中固相浓度分布；分布；二沉池简化算例二沉池简化算例 网格划分网格划分 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(kg/m* *s)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) )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)泥层位置的确定泥层位置的确定通过通过FLUENT模拟得到二沉池中的固相分布：模拟得到二沉池中的固相分布：泥层位置判断条件一：泥层位置判断条件一：3000/sXmg L泥层位置的确定泥层位置的确定通过通过FLUENT模拟得到二沉池中的水流流速分布：模拟得到二沉池中的水流流速分布：泥层位置判断条件二：泥层位置判断条件二：0.003/vm s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
28、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；NNH 4NNO 2NNO 32NNNO 2有机氮氨化氨化硝化硝化反硝化反硝化试验结果试验结果 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方法研究方法反硝化污泥上浮小试试验反硝化污泥上浮
29、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电源光源电源光源及光源及样品池样品池图像采集系统图像采集系统图像分析系统图像分析系统第一阶段第一阶段产气阶段产气阶段第二阶段第二阶段带气颗粒上浮阶段带气颗粒上浮阶段第二阶段第二阶段带气颗粒上浮阶段带气颗粒上浮阶段第三阶段第三阶段泥层上浮阶段泥层上浮阶段第三阶段第三阶段泥层上浮阶段泥层上浮阶段氮气饱氮气饱和阶段和阶段氮气气泡氮气气泡成核阶段成核阶段氮气气泡氮气气泡生长阶段生长阶段带气颗粒带气颗粒上浮阶段上浮阶段泥层上泥层上浮阶段浮阶段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
30、段：t0t1t2t3t4tc研究周期研究周期起始时刻起始时刻氮气浓度达氮气浓度达到饱和时刻到饱和时刻第一个氮气气第一个氮气气泡产生时刻泡产生时刻第一个带气颗第一个带气颗粒上浮时刻粒上浮时刻泥层发生泥层发生上浮时刻上浮时刻研究周期研究周期结束时刻结束时刻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处于饱和状态处于饱和状态进水的稀释作用进水的稀释作用t1：C重新达到饱和状态重新达到饱和状态反硝化产生氮气反硝化产生氮气第一阶段第一阶段氮气饱和阶段氮
31、气饱和阶段(t (t0 0-t -t1 1) ) 将泥层视作连续进出水完全混合式活性污泥反应将泥层视作连续进出水完全混合式活性污泥反应器，通过器，通过WEST模拟得到氮气浓度变化曲线模拟得到氮气浓度变化曲线：t1Cst1Cs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，氮气浓度呈类似线形增长，氮气在水之后，氮气浓度呈类似线形增长，氮气在水中的过饱和度中的过饱和度S(t)也不断增加：也不断增加：21( )()NsCtkt tC211( )( ) ( )()()sNS tKC tpK C tCKkttc tt第二阶段第二阶段氮气气泡成核阶段氮
32、气气泡成核阶段(t (t1 1-t -t2 2) ) 过饱和度过饱和度S(t)不断增长，直到不断增长，直到t2时刻，时刻， S(t)满足满足气泡成核条件，泥层中形成了第一个氮气气泡。泥层气泡成核条件，泥层中形成了第一个氮气气泡。泥层中的气泡成核属于经典异相成核，需要满足条件：中的气泡成核属于经典异相成核，需要满足条件：2( )S tW故故t2可按下式计算：可按下式计算：212max2NttKkW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) ) 在这一阶段里，由于氮气气泡的增长受扩散控在这一阶段里，由于氮气气泡的增长受扩散控制，已经形成的气泡粒径将以恒定的速
33、度制，已经形成的气泡粒径将以恒定的速度G0增长：增长：1/20(/)geGDKk Tc p 式中，式中，kg为描述气泡粒径增长的常数，需由试为描述气泡粒径增长的常数，需由试验确定。气泡的粒径验确定。气泡的粒径r(t)可表示为：可表示为：1/2( ) (/)ger tDKk Tc pt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) ) 不断增大的气泡与活性污泥颗粒粘附在一起，不断增大的气泡与活性污泥颗粒粘附在一起，使得带气颗粒的密度小于水，从而发生上浮。带气颗使得带气颗粒的密度小于水，从而发生上浮。带气颗粒上浮发生的条件为：粒上浮发生的条件为：fGFF()mg
34、sggssg VVgVgV1.43sgdRd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) ) 通过小试试验观察到通过小试试验观察到R与气泡直径与气泡直径dg的关系：的关系：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：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) )第一个带气颗粒上浮发生上浮的时间第一个带气颗粒上浮发生上浮的时间t3为：为：1.43d003202dttG第五阶段第五阶段泥层上浮阶段泥层上浮阶段(t (t
35、4 4-t -t5 5) ) 由于泥层中气泡数量和体积的不断增加，泥层由于泥层中气泡数量和体积的不断增加，泥层的密度不断降低，在的密度不断降低，在t4时刻，泥层的密度减至小于水时刻，泥层的密度减至小于水而发生上浮。发生上浮的条件为：而发生上浮。发生上浮的条件为：3411( )10 ()gwsV tX 在任一时刻在任一时刻t(tt2)，已生成的气泡总体积为：，已生成的气泡总体积为：0( )( )( , )tgbV tN t V t t dtl 反硝化污泥上浮数学模型将反硝化污泥上浮过反硝化污泥上浮数学模型将反硝化污泥上浮过程分为氮气饱和、氮气气泡成核、氮气气泡生长、程分为氮气饱和、氮气气泡成核、
36、氮气气泡生长、带气颗粒上浮和泥层上浮五个阶段；带气颗粒上浮和泥层上浮五个阶段；l 氮气达到饱和的时刻氮气达到饱和的时刻t t1 1，第一个氮气气泡成核，第一个氮气气泡成核的时刻的时刻t t2 2，第一个带气颗粒上浮的时刻，第一个带气颗粒上浮的时刻t t3 3和泥层发和泥层发生上浮的时刻生上浮的时刻t t4 4是模型的四个重要时刻。是模型的四个重要时刻。模型应用的步骤模型应用的步骤WEST模拟模拟资料搜集资料搜集CFD模拟模拟1小试试验小试试验模型计算模型计算CFD模拟模拟2模型应用实例模型应用实例研究对象研究对象 某城市污水处理厂中心进水周边出水的某城市污水处理厂中心进水周边出水的幅流式二沉池
37、。日进水流量幅流式二沉池。日进水流量40000m3/d，直径，直径50m，池有效水深，池有效水深4.5m，单池面积，单池面积1960m2，双边三角堰出水，间歇排泥，回流比为双边三角堰出水，间歇排泥，回流比为0.4。模型应用实例模型应用实例CFD模拟模拟1111-11-1处沿池深方处沿池深方向固相浓度向固相浓度1-11-1处沿池深方处沿池深方向水流轴向流速向水流轴向流速4.5模型应用实例模型应用实例CFD模拟模拟14.5m4.5m模型应用实例模型应用实例WEST模拟模拟125.3(min)1518( )ts41( )6.9 10 ()23.5C ttt第一阶段第一阶段氮气饱和阶段氮气饱和阶段模型
38、应用实例模型应用实例模型计算模型计算250max250dm212max9.5237.6(min)NttkKd第二阶段第二阶段氮气气泡成核阶段氮气气泡成核阶段模型应用实例模型应用实例模型计算模型计算00.085/Gm s6( )0.085 10 ()r ttt第三阶段第三阶段氮气气泡生长阶段氮气气泡生长阶段模型应用实例模型应用实例模型计算模型计算第四阶段第四阶段带气颗粒上浮阶段带气颗粒上浮阶段1.43322800.085 265.1(min)tt模型应用实例模型应用实例模型计算模型计算第五阶段第五阶段泥层上浮阶段泥层上浮阶段470.1(min)t 模型应用实例模型应用实例CFD模拟模拟2上浮的带
39、气颗粒对出水上浮的带气颗粒对出水SS的影响：的影响：模型应用实例模型应用实例CFD模拟模拟2上浮带气颗粒的去向分布：上浮带气颗粒的去向分布：颗粒去向 进入泥斗 沉降至池底 进入出水 比例/% 26 16 58 3634( ) 58%10102.59(/ )6rssSSN tdmg L在在t4时刻上浮的带气颗粒对出水时刻上浮的带气颗粒对出水SS的贡献：的贡献：模型应用实例模型应用实例CFD模拟模拟2上浮的泥层对出水上浮的泥层对出水SS的影响：的影响：泥层上浮速度：泥层上浮速度：0.0035/rvm s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210min10min20mi
40、n20min30min30min40min40min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上浮的泥层对出水上浮的泥层对出水SS的影响：的影响：出水出水SSSS一级标准一级标准模型应用实例模型应用实例重要时刻：重要时刻：l 当当t t1 125.3min25.3min时，氮气浓度重新达到饱和；时，氮气浓度重新达到饱和；l 当当t t2 237.6min37.6min时，泥层中开始产生氮气气泡；时，泥层中开始产生氮气气泡；l 当当t t3 365.1min65.1min时，开始有带气颗粒从泥层中逸时，开始有带气颗粒从泥层中逸出，发生上浮，并引起出水出，发生上浮，并引起
41、出水SSSS增高；增高；l 当当t t4 470.1min70.1min时，整个泥层开始发生上浮，并时，整个泥层开始发生上浮，并引起出水引起出水SSSS急剧增高；急剧增高；l 泥层上浮后不到泥层上浮后不到10min10min，出水，出水SSSS即会超过城镇污即会超过城镇污水处理厂一级排放标准水处理厂一级排放标准模型应用实例模型应用实例重要参数：重要参数：l 氮气生成的速度为氮气生成的速度为6.96.91010-4-4mg/Lmg/Ls s；l 氮气气泡粒径增长的速度为氮气气泡粒径增长的速度为0.17m/s0.17m/s；l 上浮的带气颗粒对出水上浮的带气颗粒对出水SSSS的最大贡献为的最大贡献
42、为2.59mg/L2.59mg/L；l 泥层上浮泥层上浮50min50min后，对出水后，对出水SSSS的贡献可达到的贡献可达到800mg/L800mg/L；模型应用实例模型应用实例案例应用结论：案例应用结论： 在本案例的工艺运行条件和水质参数的条件下，在本案例的工艺运行条件和水质参数的条件下，如果不及时进行排泥，将会在上次排泥结束后如果不及时进行排泥，将会在上次排泥结束后70min左右发生反硝化污泥上浮问题，出水左右发生反硝化污泥上浮问题，出水SS由于上浮污由于上浮污泥的影响，会达到泥的影响，会达到30mg/L，甚至更高，超过了城市，甚至更高，超过了城市污水处理厂的排放标准。污水处理厂的排放
43、标准。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模型应用模型应用控制策略控制策略工艺设计之初的策略工艺设计之初的策略n 避免选择后置反硝化工艺；避免选择后置反硝化工艺；n 提高二沉池池深；提高二沉池池深；模型应用模型应用控制策略控制策略工艺运行中的调控步骤工艺运行中的调控步骤 数值模拟是废水处理反应器研究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。中的一种有效的新方法、新工具。 让我们共同学习，深入研究，研让我们共同学习，深入研究，研发出中国的新型高效生物反应器，为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。水污染控制提供有力的技术支持。谢谢谢谢
