活性污泥過程建模

活性污泥過程建模1參考文獻(xiàn)》張錫輝,劉勇弟譯.廢水生物處理技術(shù).第二版,北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2003.1》姚重華.廢水處理計量學(xué)導(dǎo)論.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2002.4》李亞新,鄭興燦.污水除磷脫氮技術(shù).北京:中國建筑工業(yè)出版社,1998.11》張自杰.排水工程(第4版,下冊).北京:中國建筑工業(yè)出版社,2000.6》刑建,段寧譯.廢水生物處理過程設(shè)計.北京:中國建筑工業(yè)出版社,1984.8

LarryD.Benefield,CliffordW.Randal.BiologicalProcessDesignforWastewaterTreatment.Prentice-Hall,Inc.,1980.》國家城市給水排水工程技術(shù)研究中心譯.污水生物與化學(xué)處理技術(shù).北京:中國建筑工業(yè)出版社,1999.12.》張亞雷,李詠梅譯.國際水協(xié)廢水生物處理設(shè)計與運(yùn)行數(shù)學(xué)模型課題組著.活性污泥數(shù)學(xué)模型.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2002.3》馬勇,彭永臻譯.污水系統(tǒng)的儀表、控制和自動化.北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.32序論(Introduction)1.仿真？仿真就是對真實的模仿物理仿真數(shù)字仿真物理模型數(shù)學(xué)模型建模及分析32.自動控制？自動控制過程控制順序控制姿態(tài)控制...環(huán)境工程序論(Introduction)4DO探頭變送器DO下降改變閥門開啟度PI控制器標(biāo)準(zhǔn)信號控制指令(電流，電壓)序論(Introduction)3.環(huán)境工程過程控制空氣控制閥鼓風(fēng)機(jī)活性污泥曝氣池

曝氣過程進(jìn)水(受控過程)出水DO設(shè)定值，

如2.0mg/L曝氣池DO濃度建模(COD升高)54.環(huán)境工程仿真與控制的目的仿真與控制理解污染物處理過程的機(jī)制提高污染物的處理效率降低污染物的處理費(fèi)用方便與自控工程師交流序論(Introduction)6》數(shù)字仿真被稱為是一項“無孔不入”的技術(shù)：》仿真與試驗的關(guān)系：對立的統(tǒng)一◎之所以要仿真，主要是試驗有困難；◎仿真不能完全替代試驗；◎仿真的結(jié)果要通過試驗來驗證；仿真具有重要作用；試驗具有終裁性。第1章仿真(simulation)環(huán)境工程仿真主要是數(shù)字仿真7第1章仿真(simulation)第1節(jié)模型的建立(modeling)用數(shù)學(xué)語言描述研究對象或過程內(nèi)部各個變量間的相互關(guān)系。對問題進(jìn)行分析考察外界擾動或人為控制引起的響應(yīng)；改變模型結(jié)構(gòu)或參數(shù)，考察過程輸出的相應(yīng)變化；建模過程模型的用途8第1章仿真(simulation)代數(shù)方程微分方程偏微分方程按數(shù)學(xué)形式機(jī)理模型統(tǒng)計模型按原理混合模型第1節(jié)模型的建立(modeling)1.1.1模型的分類白箱模型灰箱模型黑箱模型9第1章仿真(simulation)第1節(jié)模型的建立(modeling)1.1.1模型的分類按參數(shù)的適用范圍分集總參數(shù)模型分布參數(shù)模型反應(yīng)器內(nèi)部各組分的濃度在空間上有較大變化，而且隨時間變化，由此建立的模型為分布參數(shù)模型。反應(yīng)器內(nèi)部各組分的濃度在空間上沒有變化，只隨時間變化，由此建立的模型為集總參數(shù)模型。活性污泥過程模型二沉池一維濃度分布模型10第1章仿真(simulation)第1節(jié)模型的建立(modeling)1.1.1模型的分類線性非線性按模型內(nèi)變量間的關(guān)系分連續(xù)離散按時間特性分穩(wěn)態(tài)非穩(wěn)態(tài)按變量與時間的關(guān)系分11第1章仿真(simulation)第1節(jié)模型的建立(modeling)1.1.1模型的分類(2)在仿真工作中，使用較多的是機(jī)理模型；(1)在實際工作中，混合模型獲得廣泛應(yīng)用；說明(3)在機(jī)理模型中，集總參數(shù)過程的變量間的關(guān)系一般

用微分方程(組)描述；而分布參數(shù)過程的變量間的關(guān)系一般用偏微分方程(組)描述。12第1章仿真(simulation)1.1模型的建立(modeling)1.1.2簡單系統(tǒng)建模1.1.1模型的分類◎建模原則

單位時間、單位體積系統(tǒng)內(nèi)：A的累積量＝進(jìn)入該系統(tǒng)的A的量－離開該系統(tǒng)的A的量＋（－）系統(tǒng)內(nèi)A的反應(yīng)生成量（或消失量）A——指物質(zhì)、電荷（如COD）、能量或動量；機(jī)理模型的建模原則：“一進(jìn)一出一反應(yīng)”?！斑M(jìn)入”或“離開”是輸送項，由被模擬的系統(tǒng)的物理特性決定。重點(diǎn)是“反應(yīng)”項，是建模的關(guān)鍵。物質(zhì)不滅13第1章仿真(simulation)1.1.2簡單系統(tǒng)建模有關(guān)物質(zhì)數(shù)量模型的建模原則為：反應(yīng)器體積組分j在V內(nèi)的濃度ρ隨時間t的變化率流入V的液體流量×組分j在進(jìn)水中的濃度流出V的液體流量×組分j在出水中的濃度Rj,n:第n個反應(yīng)中組分j生成或消失時濃度變化的速率14簡單系統(tǒng)建模實例——曝氣池溶解氧濃度模型若僅考慮溶解氧濃度，不考慮生化反應(yīng)，則可把曝氣池視為：水與溶解氧的雙組分系統(tǒng)。qin,So,inqout,So,outV,So進(jìn)水出水空氣(O2)15膜片式微孔曝氣器曝氣池與曝氣器16實際曝氣池(微孔曝氣)17曝氣池溶解氧濃度模型So,s——為曝氣池當(dāng)前條件下的飽和DO;KLa——氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，該值表示在曝氣過程中氧的總傳遞性，當(dāng)傳遞過程中阻力大，該值低，反之則高?！皟蛇M(jìn)一出零反應(yīng)”qin,So,inqout,So,outV,So？？？18氣泡水氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa與雙膜理論1923年，LewisandWhitman創(chuàng)立“雙膜理論”?；军c(diǎn)歸納如下：(1)

在氣液兩相接觸的界面兩側(cè)存在著處于層流狀態(tài)的氣膜和液膜，在其兩側(cè)分別為氣相主體和液相主體；氣體以分子擴(kuò)散方式從氣相主體通過氣膜與液膜而進(jìn)入液相主體。氣相主體液相主體氣膜液膜界面19(2)氣液兩相的主體均處于紊流狀態(tài)，其中的物質(zhì)濃度基本上是均勻的，不存在濃度差，也不存在傳質(zhì)阻力，阻力僅存在于氣膜和液膜中；氣相主體液相主體氣膜液膜PgPiSo,sSo（層流）（層流）SoPg（紊流）（紊流）氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa與雙膜理論20(3)在氣膜中存在著氧的分壓梯度，在液膜中存在著氧的濃度梯度，它們是氧轉(zhuǎn)移的推動力；氣相主體液相主體氣膜液膜PgPiSo,sSo（紊流）（紊流）（層流）（層流）SoPg(4)

氧難溶解于水，因此氧轉(zhuǎn)移決定性的阻力集中在液膜上，氧分子通過液膜是氧轉(zhuǎn)移的控制步驟；氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa與雙膜理論21(5)在氣膜中，氣相主體與界面之間的氧分壓差值Pg-Pi很低，氧分子的傳遞動力很小，一般可以認(rèn)為Pg≈Pi；由此可知，界面處的溶解氧濃度值So,s，就是氧分壓為Pg條件下的溶解氧飽和濃度值。氣相主體液相主體氣膜液膜PgPiSo,sSo（紊流）（紊流）（層流）（層流）SoPgPg氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa與雙膜理論22假定氣液界面的總面積為A，在dt時間內(nèi)通過界面的物質(zhì)數(shù)量為dM，則有：物質(zhì)的擴(kuò)散速度，即單位時間內(nèi)單位斷面上通過的物質(zhì)數(shù)量；氣泡水氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa與雙膜理論曝氣池內(nèi)的氧傳遞速率23根據(jù)擴(kuò)散的基本定律——Fick第一擴(kuò)散定律可知：物質(zhì)的擴(kuò)散速度，即單位時間內(nèi)單位斷面上通過的物質(zhì)數(shù)量；擴(kuò)散常數(shù)，表示物質(zhì)在某種介質(zhì)中的擴(kuò)散能力，主要取決于擴(kuò)散物質(zhì)和介質(zhì)的特性和溫度；濃度梯度，即單位長度內(nèi)的濃度變化值。物質(zhì)的擴(kuò)散速率與濃度梯度呈正比關(guān)系氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa與雙膜理論24曝氣池內(nèi)氧轉(zhuǎn)移原理——雙膜理論氣相主體液相主體氣膜液膜PgSo,sSo（紊流）（紊流）（層流）（層流）XfPgPgSo（紊流）假定液膜厚度為Xf，則在液膜內(nèi)溶解氧的濃度梯度為：25氧傳遞速率，kgO2/h；氧分子在液膜中的擴(kuò)散常數(shù)，m2/h；在液膜內(nèi)DO的濃度梯度，kgO2/(m3·m)；氣液兩相接觸界面面積，m2；氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa與雙膜理論26設(shè)液相主體的容積為V(m3)，則有：液相主體中溶解氧濃度的變化速度(或氧轉(zhuǎn)移速度)，kgO2/(m3·h)；液膜內(nèi)氧分子傳質(zhì)系數(shù)，m/h，KL=DL/Xf；由于A值很難測定，采用總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa如下：氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)KLa與雙膜理論27曝氣池內(nèi)氧轉(zhuǎn)移原理——雙膜理論設(shè)t=0時So=S，則積分常數(shù)＝-ln(So,s-S)，這樣有：KLa的測定28曝氣池溶解氧濃度模型So,s——為曝氣池當(dāng)前條件下的飽和DO;KLa——氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)，該值表示在曝氣過程中氧的總傳遞性，當(dāng)傳遞過程中阻力大，該值低，反之則高?！皟蛇M(jìn)一出零反應(yīng)”qin,So,inqout,So,outV,So29例1.4曝氣池溶解氧濃度模型qin,So,inqout,So,outV,Soqa一般而言，KLa值與空氣流速成正比，?？删€形化為Kaqa，則：qa——空氣流量；Ka——與曝氣裝置等有關(guān)。30本例中僅考慮了“兩進(jìn)一出”，不考慮反應(yīng)項。實際上，曝氣池是復(fù)雜系統(tǒng)，當(dāng)該池內(nèi)有活性污泥時，則會發(fā)生生化反應(yīng)，消耗DO。在建立曝氣池DO的動態(tài)模型時，必須考慮生化反應(yīng)造成的系統(tǒng)變化，即：qin,So,inqout,So,outV,So曝氣池溶解氧濃度模型溶解氧的消耗速率；？？？31例1.7異養(yǎng)菌好氧生長與有機(jī)碳消耗模型1.系統(tǒng)組分：異養(yǎng)菌(heterotrophicorganisms)——Xh;溶解氧(oxygen)——So;易降解有機(jī)碳(substrate)——Ss;2.系統(tǒng)方程：一進(jìn)一出一反應(yīng)，3組分則3個方程X，不可溶解組分；

S,可溶解組分；323.反應(yīng)速率方程3.1異養(yǎng)菌反應(yīng)速率方程(1)異養(yǎng)菌好氧生長(Grow)速率方程例1.7異養(yǎng)菌好氧生長與有機(jī)碳消耗模型uh:最大比生長速率；

Ks:基質(zhì)半飽和常數(shù)；

Koh:氧呼吸半飽和常數(shù)；細(xì)菌以二分裂方式繁殖。細(xì)菌的生長速率可以表示為活性細(xì)胞濃度的一級反應(yīng)。u:比生長速率系數(shù)(d-1)；

XB:活性細(xì)胞濃度；33例1.7異養(yǎng)菌好氧生長與有機(jī)碳消耗模型異養(yǎng)菌好氧生長速率方程實際上是廢水生物處理中Monod方程再加上一個與溶解氧有關(guān)的開關(guān)函數(shù)。在開關(guān)函數(shù)中，Koh是一個較小的數(shù)(約為0.1)。當(dāng)DO較大時，該開關(guān)函數(shù)的值趨近于1，表示異養(yǎng)菌好氧反應(yīng)動力學(xué)符合Monod方程。當(dāng)DO很小時，該開關(guān)函數(shù)的值趨近于0，表示異養(yǎng)菌因缺乏DO而停止生長。Monod方程開關(guān)函數(shù)

使用開關(guān)函數(shù)是ASMs的一個特色！343.1異養(yǎng)菌反應(yīng)速率方程(1)異養(yǎng)菌好氧生長速率方程實際上，研究混合微生物的Koh值的工作相對較少，可能是因為隨著溶解氧濃度的變化，群落中的生物種群也發(fā)生變化，因而難以估計Koh值。有限的純培養(yǎng)數(shù)據(jù)表明：Koh值非常低，如下表。名稱Koh(mgO2/L)Sphaerotilus

natans

(絲狀菌)0.01Candidautilis(酵母菌)0.08Citrobactersp.(絮體形成菌)0.153.反應(yīng)速率方程例1.7異養(yǎng)菌好氧生長與有機(jī)碳消耗模型(表中的數(shù)據(jù)參見張錫輝等，廢水生物處理，P58-59)353.1異養(yǎng)菌反應(yīng)速率方程(1)異養(yǎng)菌好氧生長(Grow)速率方程(2)異養(yǎng)菌衰減(Disintegration)速率方程(3)異養(yǎng)菌反應(yīng)速率方程3.反應(yīng)速率方程例1.7異養(yǎng)菌好氧生長與有機(jī)碳消耗模型bh:異養(yǎng)菌比衰減速率(d-1)；363.1異養(yǎng)菌反應(yīng)速率方程3.2易降解有機(jī)碳反應(yīng)速率方程(1)易降解有機(jī)碳的消耗(Consume)3.反應(yīng)速率方程例1.7異養(yǎng)菌好氧生長與有機(jī)碳消耗模型根據(jù)異養(yǎng)菌產(chǎn)率系數(shù)Yh的定義可知373.1異養(yǎng)菌反應(yīng)速率方程3.2易降解有機(jī)碳反應(yīng)速率方程(1)易降解有機(jī)碳的消耗(Consume)(2)易降解有機(jī)碳的增加(Produce)fP——異養(yǎng)菌衰減產(chǎn)物中殘留物的分?jǐn)?shù)(約為0.08)；(3)易降解有機(jī)碳反應(yīng)速率方程3.反應(yīng)速率方程例1.7異養(yǎng)菌好氧生長與有機(jī)碳消耗模型383.1異養(yǎng)菌反應(yīng)速率方程3.2易降解有機(jī)碳反應(yīng)速率方程3.3溶解氧反應(yīng)速率方程(1)化學(xué)計量方程：A1···Ak為反應(yīng)物，a1

···ak為相應(yīng)的摩爾計量系數(shù)；Ak+1···Am為產(chǎn)物，ak+1

···am為相應(yīng)的摩爾計量系數(shù)；預(yù)備知識3.反應(yīng)速率方程例1.7異養(yǎng)菌好氧生長與有機(jī)碳消耗模型張錫輝,劉勇弟譯.《廢水生物處理》.

pp40～5139化學(xué)計量方程：摩爾計量方程的兩種特性：(i)電荷是平衡的：(ii)反應(yīng)物中任何元素的總摩爾數(shù)＝產(chǎn)物中該元素的總摩爾數(shù)：(2)建立細(xì)胞生長的化學(xué)計量方程——半反應(yīng)法：McCarty建立了三種類型的半反應(yīng)：(i)細(xì)菌細(xì)胞合成的半反應(yīng)(Rc);(ii)電子受體的半反應(yīng)(Ra);(iii)電子供體的半反應(yīng)(Rd);例1.7異養(yǎng)菌好氧生長與有機(jī)碳消耗模型異養(yǎng)菌細(xì)胞合成反應(yīng)溶解氧氧化反應(yīng)有機(jī)碳還原反應(yīng)40(2)建立細(xì)胞生長的化學(xué)計量方程——半反應(yīng)法：總計量方程(R)是各個半反應(yīng)之和：代表與電子受體相結(jié)合，亦即用于能量(energy)的電子供體的比例；代表用于合成(synthesize)的電子供體的比例；為使總計量方程保持平衡：例1.7異養(yǎng)菌好氧生長與有機(jī)碳消耗模型41異養(yǎng)菌對有機(jī)碳好氧氧化的以摩爾為單位的半反應(yīng)方程為：1.細(xì)胞合成反應(yīng)(Rc)：2.溶解氧氧化反應(yīng)(Ra)：3.有機(jī)碳還原反應(yīng)(Rd)：4.總反應(yīng)為：R=Rd-feRa-fsRcfe——與溶解氧結(jié)合的有機(jī)碳所失電子的分?jǐn)?shù)；fs——用于合成細(xì)胞的有機(jī)碳所失電子的分?jǐn)?shù)；fe

+fs=142R=43結(jié)論:1g異養(yǎng)菌相當(dāng)于1.42gCOD;結(jié)論:1g有機(jī)物相當(dāng)于1.99gCOD;C5H7O2N+5O2+

H+

5CO2+

2H2O+NH4+1131601xx=160/113=1.422C10H19O3N+25O2+2H+

20CO2+

16H2O+2

NH4+4028001yy=800/402=1.9944異養(yǎng)菌COD相對于有機(jī)碳COD的生長系數(shù)為：g(COD，異養(yǎng)菌)/g(COD，有機(jī)碳)溶解氧COD(負(fù)值)相對于有機(jī)碳COD的消耗系數(shù)為：g(COD，溶解氧)/g(COD，有機(jī)碳)45(dXh/dt)G

/(dSs/dt)=Yh＝fs(dSo/dt)/(dSs/dt)=-(1-Yh)溶解氧反應(yīng)速率方程463.1異養(yǎng)菌反應(yīng)速率方程3.2易降解有機(jī)碳反應(yīng)速率方程3.3溶解氧反應(yīng)速率方程4.異養(yǎng)菌好氧生長與有機(jī)碳消耗的系統(tǒng)動態(tài)模型方程組3.反應(yīng)速率方程例1.7異養(yǎng)菌好氧生長與有機(jī)碳消耗模型47第1章仿真(simulation)1.1模型的建立(modeling)1.1.2簡單系統(tǒng)建模1.1.1模型的分類◎影響反應(yīng)進(jìn)程的因素多，且沒有全部搞清楚；

機(jī)理模型的建模原則：“一進(jìn)一出一反應(yīng)”。1.1.3復(fù)雜系統(tǒng)建?！蚰Ｐ偷膮?shù)具有空間的分布，即過程參數(shù)隨空間位置會有所變化；合理的過程假定——抓主要矛盾空間分割——在子系統(tǒng)內(nèi)建模，然后綜合48例1.8活性污泥過程數(shù)學(xué)模型進(jìn)水出水空氣剩余污泥回流污泥1982年，國際水污染研究與控制協(xié)會(InternationalAssociationonWaterPollutionResearchandControl,IAWPRC)成立活性污泥法設(shè)計和運(yùn)行數(shù)學(xué)模型課題組。最早研究活性污泥法數(shù)學(xué)模擬的是南非開普敦大學(xué)(Univ.ofCapeTown)Gerritv.R.Marais教授領(lǐng)導(dǎo)的課題組。49例1.8活性污泥過程數(shù)學(xué)模型ActivatedSludgeModels(ASMs)ASM1,1986年發(fā)表，1987年出版。具有除碳、脫氮功能ASM2,1995年出版。具有除碳、脫氮、生物除磷功能ASM2D,1999年發(fā)表。具有除碳、脫氮、生物除磷(包括了反硝化聚磷菌)功能ASM3,1999年發(fā)表。對胞內(nèi)反應(yīng)過程(貯存)進(jìn)行了更為詳細(xì)的描述，并可根據(jù)環(huán)境條件對衰減過程進(jìn)行優(yōu)化調(diào)節(jié)。50ASM1的性質(zhì)首先要明確ASM1所描述的，是活性污泥過程內(nèi)有關(guān)組分的反應(yīng)動力學(xué)，不是整個活性污泥過程的數(shù)學(xué)模型。一個過程的機(jī)理模型，一般可根據(jù)所謂“一進(jìn)一出一反應(yīng)”的守恒原理來建立。對于活性污泥過程而言，組分的“進(jìn)”、“出”可根據(jù)流體的流動來確定，比較簡單，但組分的“反應(yīng)”部分比較復(fù)雜，因為涉及的組分比較多，如異養(yǎng)菌、自養(yǎng)菌、溶解氧、氨氮等；涉及的子過程也比較多，如異養(yǎng)菌好氧生長，異養(yǎng)菌衰減、有機(jī)氮氨化等。如何正確反映活性污泥過程有關(guān)組分的反應(yīng)動力學(xué)，是建立活性污泥過程機(jī)理模型的關(guān)鍵之一。ASM1要解決的，就是活性污泥過程內(nèi)的反應(yīng)動力學(xué)。在微生物生長速率方面，ASM1利用描述微生物生長速率的Monod方程；在微生物衰減速率方面，ASM1利用一級速率方程；在環(huán)境因素對反應(yīng)速率的影響方面，ASM1利用一系列開關(guān)函數(shù)；在不確定性因素對反應(yīng)速率的影響方面，ASM1利用校正系數(shù)。51例1.8活性污泥過程數(shù)學(xué)模型ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)1模型假定活性污泥過程當(dāng)前運(yùn)行正常二沉池內(nèi)無生化反應(yīng)◎曝氣池內(nèi)處于正常pH及溫度下；◎曝氣池內(nèi)微生物的種群和濃度處于正常狀態(tài)；◎曝氣池內(nèi)污染物濃度可變，但成分及組成不變；◎曝氣池內(nèi)微生物的營養(yǎng)充分；52ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)2系統(tǒng)分割8個子過程13個組分①好氧生長異養(yǎng)菌②缺氧生長③衰減自養(yǎng)菌④好氧生長⑤衰減污染物有機(jī)碳有機(jī)氮⑧緩慢降解有機(jī)氮水解⑦可溶有機(jī)氮氨化⑥緩慢降解有機(jī)碳水解53ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)2系統(tǒng)分割8個子過程13個組分(1)異養(yǎng)菌Xbh(2)自養(yǎng)菌Xba(3)微生物衰減產(chǎn)物Xp(5)緩慢降解有機(jī)碳Xs(4)易降解有機(jī)碳Ss(7)顆粒惰性有機(jī)碳Xi(6)可溶惰性有機(jī)碳Si(8)可溶性可降解有機(jī)氮Snd(9)顆粒狀可降解有機(jī)氮Xnd(10)氨態(tài)氮Snh(11)硝態(tài)氮Sno微生物有機(jī)碳氮化合物其他(12)溶解氧So(13)堿度Salk543基本速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)在ASM1的8個子過程中，對于參與某一子過程反應(yīng)的某一組分，可以寫出一個反應(yīng)動力學(xué)方程。而每一個子過程則由一個或多個組分的反應(yīng)動力學(xué)方程構(gòu)成。易降解有機(jī)碳Ss氨態(tài)氮Snh異養(yǎng)菌好氧生長異養(yǎng)菌Xbh溶解氧So堿度Salk在構(gòu)成每一個子過程的一個或多個動力學(xué)方程時，以參與該子過程的某一組分的生長或衰減的反應(yīng)動力學(xué)方程為基本方程，其他組分的反應(yīng)動力學(xué)方程以該基本動力學(xué)方程為基礎(chǔ)經(jīng)過系數(shù)調(diào)整而得。553基本速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)異養(yǎng)好氧生長異養(yǎng)菌Xbh易降解有機(jī)碳Ss氨態(tài)氮Snh溶解氧So堿度Salk563基本速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)3.1異養(yǎng)菌好氧生長的基本速率方程3.2異養(yǎng)菌缺氧生長的基本速率方程當(dāng)存在溶解氧時，異養(yǎng)菌首先利用溶解氧和基質(zhì)生長，當(dāng)溶解氧很低又存在硝酸鹽時，異養(yǎng)菌利用硝酸鹽作為電子受體進(jìn)行生長。因此方程中包含溶解氧和硝態(tài)氮的開關(guān)函數(shù)。注意：由于異養(yǎng)菌處于同一個系統(tǒng)內(nèi)，因此方程1和方程2中溶解氧的開關(guān)函數(shù)是互補(bǔ)的，當(dāng)一個為1時，另一個就為0。573基本速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)3.1異養(yǎng)菌好氧生長的基本速率方程3.2異養(yǎng)菌缺氧生長的基本速率方程對于利用多種營養(yǎng)物的異養(yǎng)菌，其好氧生長和缺氧生長的唯一區(qū)別在于最終電子受體的性質(zhì)及其對細(xì)胞產(chǎn)生ATP數(shù)量的影響。對符合這種條件的基質(zhì)，兩種條件下的生長動力學(xué)參數(shù)非常接近。但是，由于缺氧條件下生成的ATP較少，缺氧生長比率比較低，因此引進(jìn)一個小于1的校正系數(shù)ηg。方程1和2采用相同的uh,Ks583基本速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)3.1異養(yǎng)菌好氧生長的基本速率方程3.2異養(yǎng)菌缺氧生長的基本速率方程3.3自養(yǎng)菌好氧生長的基本速率方程3.4異養(yǎng)菌衰減3.5自養(yǎng)菌衰減593基本速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)3.6可溶有機(jī)氮氨化的基本速率方程氨化是在異養(yǎng)型微生物消耗溶解性含氮有機(jī)物時，可溶有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮的過程。大多數(shù)研究者假定，氨化將所有可溶有機(jī)氮以氨的形式釋放到介質(zhì)中。Ka是氨化速率系數(shù)，單位為L/(mg細(xì)胞COD·h)(實際上，簡單的化合物如氨基酸可以直接被微生物利用。)60ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)Kh，水解動力學(xué)常數(shù)(h-1);Kx，水解反應(yīng)半飽和系數(shù)(mg緩慢降解COD/mg活性生物量COD)；ηh，缺氧水解校正因子。3.7被吸著緩慢降解有機(jī)碳的水解(3)當(dāng)好氧和缺氧系統(tǒng)只是短時間處于厭氧狀態(tài)時，由于專性厭氧菌需要一定的適應(yīng)期，顯然不會發(fā)生厭氧水解反應(yīng)。(1)水解反應(yīng)速率受(Xs/Xbh)的控制，而不只受Xs的控制。因為水解反應(yīng)被認(rèn)為是受細(xì)胞界面調(diào)節(jié)的，依賴于胞外酶，而胞外酶的數(shù)量于細(xì)胞濃度成比例。(2)水解反應(yīng)包括好氧和缺氧條件下兩部分。而ηh反應(yīng)了缺氧條件下水解反應(yīng)的延滯程度，與ηg類似，這個校正因子也是經(jīng)驗性的。61ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)被吸著緩慢降解有機(jī)氮的水解速率與被吸著緩慢降解有機(jī)碳的水解速率成正比。3.8被吸著緩慢降解有機(jī)氮的水解62ASM1的8個基本速率方程1異養(yǎng)菌好氧生長的基本速率方程2異養(yǎng)菌缺氧生長的基本速率方程3自養(yǎng)菌好氧生長的基本速率方程4異養(yǎng)菌衰減5自養(yǎng)菌衰減6可溶有機(jī)氮氨化的基本速率方程7被吸著緩慢降解有機(jī)碳的水解8被吸著緩慢降解有機(jī)氮的水解634相關(guān)速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)4.1異養(yǎng)菌好氧生長相關(guān)速率方程在8個子過程基本速率方程的基礎(chǔ)上，參各子過程的其他組分的反應(yīng)動力學(xué)方程可經(jīng)過系數(shù)調(diào)整依次建立。異養(yǎng)好氧生長異養(yǎng)菌Xbh易降解有機(jī)碳Ss氨態(tài)氮Snh溶解氧So堿度Salk1-1/Yh-(1-Yh)/Yh-ixb-ixb/14644相關(guān)速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)4.1異養(yǎng)菌好氧生長相關(guān)速率方程(2)生長系數(shù)Yh的單位為g(生成細(xì)胞COD)/g(氧化COD);說明(1)該反應(yīng)動力學(xué)方程的構(gòu)建是以COD守恒為基礎(chǔ)，而不是以反應(yīng)物的質(zhì)量守恒為基礎(chǔ)。需要注意的是，任何反應(yīng)物或產(chǎn)物，若其中的元素在生化氧化或還原中不改變氧化狀態(tài)，那么它們的COD變化為零。如CO2、碳酸鹽和重碳酸鹽等。(3)因Ss是消耗，因此系數(shù)需加負(fù)號，即-1/Yh；j=1XbhSsSoSnhSalkρj異養(yǎng)菌

好氧生長1-1/Yh-(1-Yh)/Yh-ixb-ixb/14ρ1654相關(guān)速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)4.1異養(yǎng)菌好氧生長相關(guān)速率方程(4)易降解有機(jī)碳被溶解氧生化氧化時，會發(fā)生電子得失，有機(jī)碳失COD，溶解氧與細(xì)胞得COD。有機(jī)碳失去的COD等于溶解氧與細(xì)胞各自所得COD之和。設(shè)溶解氧的化學(xué)計量系數(shù)為K，根據(jù)COD守恒可得，因溶解氧是消耗，故乘以-1的系數(shù)66(5)氨態(tài)氮是微生物生長生長中比較容易被利用的一種形式。根據(jù)異養(yǎng)菌生長時的需氮量確定一個系數(shù)ixb。異養(yǎng)菌好氧生長的需氮量約為其干重的12％，即1g異養(yǎng)菌(干重)含0.12gN。因1g細(xì)胞相當(dāng)于1.42gCOD，故1g細(xì)胞COD含氮量為0.12/1.42=0.085，即ixb=0.085.(6)對于堿度，用HCO3-表示，單位為mol/L。由下式可知，每消耗1mol氨氮，同時消耗1molHCO3-，由此可知堿度的消耗等于氨氮的消耗(單位為mol/L)，單位換算系數(shù)為1/14.4相關(guān)速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)4.1異養(yǎng)菌好氧生長相關(guān)速率方程674相關(guān)速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)4.2異養(yǎng)菌缺氧生長相關(guān)速率方程j=2XbhSsSnoSnhSalkρj異養(yǎng)菌

缺氧生長1-1/Yh-(1-Yh)2.86Yh-ixb[(1-Yh)/(14×2.86Yh)]-ixb/14ρ2說明(1)設(shè)硝態(tài)氮的化學(xué)計量系數(shù)為K，根據(jù)COD守恒可得，684相關(guān)速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)4.2異養(yǎng)菌缺氧生長相關(guān)速率方程因計算時以硝態(tài)氮輸入，單位為mg/L。因此必須將COD轉(zhuǎn)換成硝態(tài)氮。根據(jù)氧化還原反應(yīng)式，在獲得1mol電子時，需要1/5molNO3-，或1/4O2。14/532/41x因此，1g硝態(tài)氮相當(dāng)于2.86gCODX=(32/4)/(14/5)=40/14=2.86694相關(guān)速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)4.2異養(yǎng)菌缺氧生長相關(guān)速率方程(2)異養(yǎng)菌對有機(jī)碳缺氧氧化的以摩爾為單位的半反應(yīng)方程為：(i)細(xì)胞合成反應(yīng)(Rc)：(iii)有機(jī)碳還原反應(yīng)(Rd)：(ii)硝酸鹽氧化反應(yīng)(Ra)：704相關(guān)速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)4.2異養(yǎng)菌缺氧生長相關(guān)速率方程(2)從上式可以看出，異養(yǎng)菌缺氧生長消耗的堿度(摩爾HCO3-)的摩爾數(shù)等于消耗的氨氮的摩爾數(shù)，即ixb/14；同時，反應(yīng)還消耗了與硝態(tài)氮相同摩爾數(shù)的H+。我們知道，1摩爾H+能消耗1摩爾HCO3-堿度，因此，異養(yǎng)菌缺氧生長過程亦即產(chǎn)生了或節(jié)省了與消耗的硝態(tài)氮相同摩爾數(shù)的HCO3-堿度。而消耗的硝態(tài)氮的摩爾數(shù)為[(1-Yh)/(14×2.86Yh)](iv)總反應(yīng)為：R=Rd-feRa-fsRc71異養(yǎng)菌好氧生長異養(yǎng)菌缺氧生長1g硝態(tài)氮相當(dāng)于2.86gCOD724相關(guān)速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)4.3自養(yǎng)菌好氧生長相關(guān)速率方程j=3XbaSoSnoSnhSalkρj自養(yǎng)菌

好氧生長1-(4.57-Ya)Ya1/Ya-ixb-1/Ya(-ixb/14)-(1/7Ya)ρ3說明1mol氨氮與2摩爾氧氣作用完全，即14g氨氮相當(dāng)于64g氧氣(COD)，因此，1g氨氮相當(dāng)于4.57gCOD734相關(guān)速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)4.3自養(yǎng)菌好氧生長相關(guān)速率方程(1)設(shè)溶解氧的化學(xué)計量系數(shù)為K，根據(jù)COD守恒可得，》因溶解氧是消耗，故乘以－1(2)Snh的化學(xué)計量系數(shù)為-ixb-1/Ya，其中1/Ya部分用于產(chǎn)能，供細(xì)胞合成，此部分氨氮變?yōu)橄鯌B(tài)氮，故硝態(tài)氮的系數(shù)為1/Ya。》Ya，自養(yǎng)菌產(chǎn)率系數(shù)，g細(xì)胞COD產(chǎn)生/gN消耗744相關(guān)速率方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)4.3自養(yǎng)菌好氧生長相關(guān)速率方程(3)根據(jù)硝化反應(yīng)，1mol的NH4+(電荷)轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3-需要2molHCO3-(電荷)，即消耗2mol的堿度。在消耗的氨氮中，有1/14Yamol轉(zhuǎn)變?yōu)橄鯌B(tài)氮，此部分消耗的堿度為2*1/14Ya=1/7Ya，而直接轉(zhuǎn)移到細(xì)胞中的氨氮消耗的堿度為ixb/14。因此，自養(yǎng)菌好氧生長消耗的堿度的系數(shù)為(-ixb/14)-(1/7Ya)75ASM1反應(yīng)動力學(xué)及化學(xué)計量76ASM1矩陣p1=p2=p3=p4=p5=p6=p7=p8=775組分總動力學(xué)方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)5.1易降解有機(jī)碳Ss的總反應(yīng)速率在ASM1中，除了惰性組分Si、Xi外，其余11個組分中，每一個組分至少在一個子過程中參與了反應(yīng)。該組分在其所參與的所有子過程中的總的反應(yīng)速率，為其在各子過程中反應(yīng)速率之和。Ss共參與了三個子過程的反應(yīng)：(1)異養(yǎng)菌好氧生長中的消耗(2)異養(yǎng)菌缺氧生長中的消耗(7)被吸著緩慢降解有機(jī)碳的水解中生成785組分總動力學(xué)方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)5.1易降解有機(jī)碳Ss的總反應(yīng)速率在ASM1中，除了惰性組分Si、Xi外，其余11個組分中，每一個組分至少在一個子過程中參與了反應(yīng)。該組分在其所參與的所有子過程中的總的反應(yīng)速率，為其在各子過程中反應(yīng)速率之和。795組分總動力學(xué)方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)5.2溶解氧So的總反應(yīng)速率其他組分的總動力學(xué)方程，同樣可以根據(jù)組分所在子過程的基本動力學(xué)方程、動力學(xué)系數(shù)以及總動力學(xué)方程的構(gòu)成一一列出。方法如下：5.1易降解有機(jī)碳Ss的總反應(yīng)速率805組分總動力學(xué)方程ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)5.3其他組分的總反應(yīng)速率ri的計算ASM1中，序號為i的組分(i=1~13)的總反應(yīng)速率(或表觀轉(zhuǎn)化率)ri可由下式計算：式中，νij

——表中i列j行的化學(xué)計量系數(shù)；

ρj——表中j行的反應(yīng)過程速率。5.2溶解氧So的總反應(yīng)速率5.1易降解有機(jī)碳Ss的總反應(yīng)速率816統(tǒng)一單位ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)ASM1共有13種組分，分別建立反應(yīng)動力學(xué)方程后，即可對13個方程聯(lián)立求解，可求得同時滿足13個方程的13個組分濃度。由于13個組分涉及有機(jī)碳、有機(jī)氮、微生物等不同物質(zhì)，計量單位各不相同，給方程求解帶來困難。因此，在計算過程中統(tǒng)一各組分的濃度單位，是對方程聯(lián)立求解的必要條件。有機(jī)污染物CODmg/L溶解氧-CODmg/L微生物CODmg/L1gMLVSS=1.42gCOD氨氮Nmg/L1gN=4.57gCOD硝態(tài)氮Nmg/L1gN=2.86gCOD堿度HCO3-mol/L82ASM1組成成分及單位一覽表成分序號成分符號成分定義單位1Si溶解性不可生物降解有機(jī)碳mgCOD/L2Ss溶解性快速可生物降解有機(jī)碳mgCOD/L3Xi顆粒性不可生物降解有機(jī)物mgCOD/L4Xs慢速可生物降解有機(jī)物mgCOD/L5Xbh活性異養(yǎng)菌生物固體mgCOD/L6Xba活性自養(yǎng)菌生物固體mgCOD/L7Xp生物固體衰減產(chǎn)生的惰性物質(zhì)mgCOD/L8So溶解氧(負(fù)COD)-mgCOD/L9SnoNO3-N和NO2-NmgN/L10SnhNH4-N和NH3-NmgN/L11Snd溶解性可生物降解有機(jī)氮mgN/L12Xnd顆粒性可生物降解有機(jī)氮mgN/L13Salk堿度mol/L837確定參數(shù)ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)序號名稱符號單位典型取值1異養(yǎng)菌產(chǎn)率系數(shù)Yhg細(xì)胞COD產(chǎn)生/gCOD消耗0.6662自養(yǎng)菌產(chǎn)率系數(shù)Yag細(xì)胞COD產(chǎn)生/gN消耗0.243生物固體的惰性組分分?jǐn)?shù)fp0.084生物固體的含氮量ixbgN/g活性生物體細(xì)胞COD0.0865生物固體惰性組分的含氮量ixpgN/g內(nèi)源殘留物COD0.06ASM1的19個參數(shù)5個化學(xué)計量系數(shù)14反應(yīng)動力學(xué)參數(shù)生活污水在pH中性和20℃時化學(xué)計量系數(shù)取值84生活污水在pH中性和20℃時動力學(xué)參數(shù)取值858活性污泥過程數(shù)學(xué)模型的生成ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)機(jī)理模型的建模原則：“一進(jìn)一出一反應(yīng)”。ASM1是機(jī)理模型典型活性污泥過程數(shù)學(xué)模型的生成進(jìn)水出水空氣剩余污泥回流污泥86ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)典型活性污泥過程的建模3Xs3Xbh3Xba3Xnd3Xp進(jìn)水qi出水qo剩余污泥qw回流污泥qr曝氣池Ss

Snh

Snd

SnoXs

Xnd

Xbh

Xba

Xp二沉池Ssi

XsiSndi

XndiSnoi

SnhiSs

SnoSnh

Snd3Xs3Xbh3Xba3Xnd3XpFig.1.11典型活性污泥過程物流圖87ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)典型活性污泥過程的ASM1生成(1)由于惰性物質(zhì)Si和Xi不參與反應(yīng)，圖中未列出。堿度Salk，在反應(yīng)中為消耗物質(zhì)，在堿度適當(dāng)時對其他成分的反應(yīng)沒有影響，沒有列入進(jìn)水的成分中。說明(2)曝氣池內(nèi)溶解氧濃度假定保持恒定，因而沒有列入變量系列中。(3)經(jīng)過二沉池，顆粒物完全沉淀，各組分沉淀物的濃度假定為懸浮時的3倍，即二沉池污泥濃縮(concentration)比為3。(4)二沉池出水流量近似等于曝氣池進(jìn)水流量，即qo=qi88ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)基于ASM1的典型活性污泥過程數(shù)學(xué)模型的生成建模范圍為圖中虛線框所示。假定曝氣池體積為V，反應(yīng)物j的濃度為ρj，反應(yīng)物j的速率方程以(dρj/dt)R表示，流量用q表示，腳標(biāo)“i”表示進(jìn)水，“o”表示出水，“r”表示回流，“R”表示反應(yīng)，“w”表示廢棄，則模型的通式可表示為：可溶性組分位于該式“＝”右側(cè)的1、2、4項或2、4項，顆粒組分位于“＝”右側(cè)的1、3、4項或3、4項，視物流情況而定。對于Ss，方程為：89ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)t1為廢水水力停留時間，即HRT，單位d基于ASM1的典型活性污泥過程數(shù)學(xué)模型的生成90ActivatedSludgeModelNo.1(ASM1)(3)異養(yǎng)菌Xbh(4)自養(yǎng)菌Xba(1)易降解有機(jī)碳Ss(8)可溶性可降解有機(jī)氮Snd(9)顆粒狀可降解有機(jī)氮Xnd(6)氨態(tài)氮Snh(7)硝態(tài)氮Sno(2)緩慢降解有機(jī)碳Xs(5)微生物衰減產(chǎn)物Xp基于ASM1的典型活性污泥過程數(shù)學(xué)模型微分方程組91第1章仿真(simulation)1.1.3復(fù)雜系統(tǒng)建模第1節(jié)模型建立在活性污泥過程模型中，假定反應(yīng)器為CSTR(ContinuousStirredTankReactor)。即反應(yīng)器內(nèi)部各組分的濃度處處相同，由此建立的模型為集總參數(shù)模型。進(jìn)水出水空氣剩余污泥回流污泥92在二沉池內(nèi)部，活性污泥的濃度會有一個自上而下逐漸增大的梯度分布。二沉池內(nèi)的動態(tài)行為，顯然不能用CSTR來近似，即不能用集總參數(shù)模型來描述。二沉池是廢水生物處理的重要組成部分二沉池功能固液分離濃縮污泥儲存污泥保證出水水質(zhì)滿足要求減小污泥回流體積調(diào)節(jié)曝氣池內(nèi)的污泥濃度93二沉池內(nèi)的動態(tài)行為，可用分布參數(shù)建模的方法，將其在空間上進(jìn)行分割，在每一個子空間上建立機(jī)理模型，子空間之間通過質(zhì)量、動量、或能量的傳遞建立聯(lián)系，進(jìn)而形成整個反應(yīng)器系統(tǒng)的模型。例1.10二沉池一維濃度分布模型二沉池子空間1子空間j子空間n質(zhì)量、動量、能量質(zhì)量、動量、能量二沉池濃度模型94(1)按功能分為濃縮和澄清兩個子過程。例1.10二沉池一維濃度分布模型1.系統(tǒng)分割(2)在垂直方向上按等距離方式自上而下分割成n個體元層(n≥10)。ZqFXin=(qi+qr)XinqiXiqrXr第1層第m層第m-1層第n層95(1)污泥濃縮時不發(fā)生擴(kuò)散行為；例1.10二沉池一維濃度分布模型2.過程假定(2)在任意一個體元層內(nèi)，懸浮顆粒的濃度處處相同，即每一個體元層為一個CSTR；(3)進(jìn)入任一體元層的污泥質(zhì)量通量，不超過該體元層能夠承擔(dān)的通量；(4)二沉池底部污泥垂直重力通量為零；(5)污泥重力沉降速率與懸浮顆粒濃度有關(guān)；(6)二沉池內(nèi)無生物反應(yīng)；96例1.10二沉池一維濃度分布模型二沉池內(nèi)

固體顆粒

濃度變化對流擴(kuò)散反應(yīng)重力沉降水流運(yùn)動(6)二沉池內(nèi)無生物反應(yīng)；(1)(2)兩條假定；3.Takács沉降速度模型顆粒重力沉降在向上和向下的水流夾帶下，顆粒與水流同步運(yùn)行；97例1.10二沉池一維濃度分布模型3.Takács沉降速度模型(1)水流運(yùn)動產(chǎn)生的固體通量目前，沉淀池的設(shè)計大都采用固體通量理論，而活性污泥沉淀速度是采用固體通量理論進(jìn)行沉淀池計算的關(guān)鍵。固體通量——單位時間內(nèi)通過沉淀池單位斷面積的干固體質(zhì)量

單位是g/(m2.d)》水流運(yùn)動產(chǎn)生的向下(downward)的固體通量Jdn：》水流運(yùn)動產(chǎn)生的向上(upward)的固體通量Jup：Qr，污泥回流和剩余污泥排放流量之和，m3/d；

Ac，豎流沉淀池表面積，m2；Qi，污水廠進(jìn)水流量，m3/d；

Ac，豎流沉淀池表面積，m2；98例1.10二沉池一維濃度分布模型3.Takács沉降速度模型(1)水流運(yùn)動產(chǎn)生的固體通量(2)重力沉降產(chǎn)生的固體通量要想計算二沉池重力沉降產(chǎn)生的固體通量Js，首先應(yīng)計算二沉池內(nèi)活性污泥沉降速度Vs。到目前為止，關(guān)于固體濃度和沉淀速度的函數(shù)關(guān)系式已經(jīng)有十多個[1]。其中，比較著名的有兩個，一個是1968年Vesilind提出的沉降速度模型(Vesilind方程)：懸浮固體沉降速度，m/d；最大理論沉降速度，m/d；α，與污泥性質(zhì)有關(guān)的系數(shù)，m3/g99例1.10二沉池一維濃度分布模型3.Takács沉降速度模型(2)重力沉降產(chǎn)生的固體通量到目前為止，關(guān)于固體濃度和沉淀速度的函數(shù)關(guān)系式已經(jīng)有十多個[1]。其中，比較著名的有兩個，一個是1968年Vesilind提出的沉降速度模型，另一個是Takács沉降速度模型：第j層固體顆粒沉降速度，m/d；最大理論沉降速度，m/d；擁擠沉降區(qū)的沉降特性參數(shù)，m3/g；低顆粒濃度區(qū)的沉降特性參數(shù)，m3/g；最大實際沉降速度，m/d；100例1.10二沉池一維濃度分布模型3.Takács沉降速度模型(2)重力沉降產(chǎn)生的固體通量到目前為止，關(guān)于固體濃度和沉淀速度的函數(shù)關(guān)系式已經(jīng)有十多個[1]。其中，比較著名的有兩個，一個是1968年Vesilind提出的沉降速度模型，另一個是Takács沉降速度模型：第j層的懸浮固體濃度，g/m3；可獲得的最小懸浮固體濃度，g/m3(即出水中可達(dá)到的最小SS)；fns，Xin中不可沉降的顆粒的比例進(jìn)入沉淀池的混合液懸浮固體濃度，g/m3；101例1.10二沉池一維濃度分布模型3.Takács沉降速度模型Vo

V’o

Xmin

X1

Xu

濃度(X)

沉降速度Vs》I區(qū)：懸浮顆粒濃度<Xmin，沉降速度＝0；

》II區(qū)：沉降速度主要取決于慢速沉降顆粒，Vs對rp非常敏感；

》III區(qū)：典型濃度范圍(200~2000g/m3)，沉降速度與顆粒濃度無關(guān)。絮體顆粒尺寸達(dá)到最大，對應(yīng)于平均沉降速度(V’0)，V’0幾乎與濃度無關(guān)。

》IV區(qū)：慢速沉降顆粒校正項相相對于整個沉降速度來說作用很小，沉降速度對rh非常敏感，所以模型可簡化為Vesilind方程。102例1.10二沉池一維濃度分布模型3.Takács沉降速度模型》方程中的第一項代表有良好絮凝性質(zhì)的顆粒的最大沉降速度》第二項代表慢速沉降的小顆粒的速度校正因子》當(dāng)X>Xu時，Takács方程簡化為Vesilind方程；103例1.10二沉池一維濃度分布模型3.Takács沉降速度模型Takács還根據(jù)大量的實測數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)報道的資料總結(jié)給出各參數(shù)的典型值，目前已得到國內(nèi)外同行的普遍認(rèn)可：名稱符號數(shù)值單位最大實際沉降速度V0’250m/d最大理論沉降速度V0474m/d干擾沉淀的沉降參數(shù)rh0.000576m3/gSS慢速沉淀的沉降參數(shù)rp0.00286m3/gSS不可沉降比例fns0.00228無量綱104例1.10二沉池一維濃度分布模型3.Takács沉降速度模型當(dāng)Xin=3000g/m3時，Vsj與Xj的關(guān)系圖如下：Vsj

(m/d)Xj(g/m3)V0=474m/d

rh=0.000576m3/g

rp=0.00286m3/g

fns=0.00228

Xin=3000g/m3105例1.10二沉池一維濃度分布模型4.分層沉淀模型分層沉淀模型以固體通量和一維沉淀池每層的物料平衡為基礎(chǔ)，模擬整個沉淀池中的固體分配情況，包括穩(wěn)態(tài)和動態(tài)下的出流和底流中的懸浮固體濃度。分層沉淀模型把沉淀池分為固定高度的10層，并對每一層進(jìn)行固體通量計算，從而可預(yù)測任意時刻沉淀池中固體濃度沿池深方向的分布情況它采用Takács

沉降速度模型來模擬稀溶液或濃溶液的固體顆粒沉降速度。此模型可應(yīng)用于初沉池和二沉池，模擬它們的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)情況。106例1.10二沉池一維濃度分布模型4.分層沉淀模型分層沉淀模型把沉淀池分為固定高度的10層，并對每一層進(jìn)行固體通量計算，從而可預(yù)測任意時刻沉淀池中固體濃度沿池深方向的分布情況QFXin=(Qi+Qr)XinQiXiQrXr第10層第5層第6層第1層第9層第8層第7層第4層第3層第2層頂層(m=10)進(jìn)水層(m=6)底層(m=1)107例1.10二沉池一維濃度分布模型4.分層沉淀模型分層沉淀模型中層間固體流動變化表“＋”表示考慮此過程，“－”表示不考慮此過程。沉淀層進(jìn)入出去入流沉淀水流運(yùn)動沉淀水流運(yùn)動頂層－－向上＋向上入流點(diǎn)上層－＋向上＋向上入流層＋＋－＋向上－向下入流點(diǎn)下層－＋向下＋向下底層－＋向下－向下108例1.10二沉池一維濃度分布模型4.分層沉淀模型分層沉淀模型各層物料平衡計算m-10-+-+-+-+---+-+-++-m-9m-6m-1m-5水流運(yùn)動重力沉降Qi,XiQr,Xr頂層進(jìn)水層底層Js,10=min(Vs,10X10,Vs,9X9)

or

Js,10=Vs,10X10,ifX9≤XtJs,9=min(Vs,9X9,Vs,8X8)

or

Js,9=Vs,9X9,ifX8≤XtJs,7=min(Vs,7X7,Vs,6X6)

or

Js,7=Vs,7X7,ifX6≤XtJs,6=min(Vs,6X6,Vs,7X7)Js,5=min(Vs,5X5,Vs,4X4)Js,2=min(Vs,2X2,Vs,1X1)109例1.10二沉池一維濃度分布模型5.二沉池物料平衡方程》根據(jù)模型假設(shè)二沉池中不存在生化反應(yīng)，僅僅是一個固液分離的物理過程。因此，通過沉淀池每一層的固體流入和流出的量即可建立固體通量平衡方程。》固體通量由兩部分組成：水流運(yùn)動作用固體通量和重力沉降固體通量?！分亓Τ两倒腆w通量可以直接計算，它等于固體濃度X和顆粒沉降速度Vs

的乘積，并且相對進(jìn)水點(diǎn)的層面位置而變化，即：110例1.10二沉池一維濃度分布模型5.二沉池物料平衡方程ASM1所采用的二沉池一維濃度模型物流關(guān)系m-10-+-+-+-+---+-+-++-m-9m-6m-1m-5水流運(yùn)動重力沉降Qi,XiQr