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污水处理的智能化与模型模拟施汉昌清华大学环境学院北京协同创新研究院2020.31.污水处理的智能化2.污水处理的数学模型3.处理工艺的数值模拟4.模型模拟的应用CONTENTS污水处理的智能化01智慧水务的发展4研究与应用对象:人类活动涉及的水系统,包括水源、供水、管网、处理厂和受纳水体目标:实现水资源的合理利用与水生态环境的有效保护智慧水务把信息化、自动化与人工智能深度融合于水务行业形成的新型精细化动态运行模式与管理系统污水处理智能化的发展机遇5提升装备规范管理凝练模型面临的任务:依据进出水的特点,优化工艺条件和运行参数进行技改;淘汰不良装备,加强运维,提升稳定性和可调节性;改粗放管理为精细化管理,实现信息数据的规范化;理论+实践的分析总结,实现运行经验的数字化。优化工艺污水处理智能化需要解决的问题物联网水务对象+大数据内在联系计算机网络信息化污水处理工艺大量信息数据发掘内在联系建立选用模型实施过程模拟优化工艺条件污水处理智能化与模型模拟污水处理的数学模型02污水生物处理动力学模型的研究起始于20世纪50年代;众多学者深入地研究了基质降解和微生物生长的规律,以便更合理地进行构筑物的设计与运行。污水生物处理的动力学主要包括:•基质降解动力学:基质降解与基质浓度、生物量等因素的关系;•微生物增长动力学:微生物增长与基质浓度、生物量、增长常数等因素的关系•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。污水生物处理动力学模型的发展美国W.W.Eckenfelder1955年,提出Eckenfelder模型美国P.L.McCarty1970年提出Lawrence-McCarty模型,将Monod引入废水处理领域•基本模型:Monod方程以微生物生理学为依据,深入表达微生物增长与基质降解之间的关系,较适用于单一基质的污水•经验模型:Eckenfelder模型(1955)主要考虑了污水处理工艺的负荷与处理结果之间的关系,模型的推导常以基质的降解服从一级反应为基础。Eckenfelder模型可应用于含有多种基质的污水,因为对于含有多种基质的污水来说,每一基质的总去除虽以恒速进行(零级反应),不受其它基质的影响,但基质的总去除量则为每个单一基质去除量之和,所以一般可以认为整个系统的动力学遵循一级反应关系。这类数学模型适合于稳态计算1:对数生长期(Loggrowthphase)2:减速生长期(Declininggrowthphase)3:内源呼吸期(Endogenousphase)Xkdtdx1XSKdtds2Xkdtdx3对数生长期减速生长期内院呼吸期•国际水协会(IAW)的活性污泥法模型IAW模型是国际水质协会(IAWQ)于1983年成立课题组开展研究,并于1987年发表了活性污泥ASM1号模型。ASM1模型综合了活性污泥系统中碳氧化、硝化、反硝化的三个过程,全面体现了活性污泥系统的主要功能,成为活性污泥过程模型研究和相关模拟软件开发的基础。1994年发表表ASM2,ASM2中包含了磷生物和化学去除过程的模型描述,1998年发表了ASM2D模型。1999年发表了ASM3模型,ASM3主要是为了修正ASM1在某些方面存在的一些问题而提出的。目前,活性污泥模型的研究和应用重点也在这三个模型上。•ASM1模型ASM1模型综合了活性污泥系统中碳氧化、硝化、反硝化的三个过程,全面体现了活性污泥系统的主要功能,成为活性污泥过程模型研究和相关模拟软件开发的基础。模型由8个过程和13个组分构成。ASM1模型(碳氧化、硝化与反硝化)的过程动力学和化学计算表ASM模型的表达•矩阵符号法:模型中所考虑的各种组分和转换过程分别用i和j作为序号进行描述,计量学系数采用计量学矩阵vij来表达。过程速率方程构成一个向量ρj,在所有平行工艺过程中,组分i的产生速率ri可以采用加合法计算:jjiivr组分8溶解氧(So)的转换速率ASM模型的比较比较项目ASM1ASM2ASM2DASM3模型组分13191913反应过程8192112关键过程碳氧化过程/硝化过程/反硝化过程碳氧化/硝化/反硝化/生物、化学除磷碳氧化/硝化/反硝化/生物、化学除磷碳氧化过程/硝化过程/反硝化过程模型科学性早期的模型结构,对组成分配尚不清晰,采用死亡-再生理论模型化了除磷过程,并开始对细胞内部结构有了一些细致描述增加了对聚磷菌反硝化过程的描述将硝化菌和异养菌的过程清晰区分,并采用内源呼吸理论使用情况经过10多年的大量使用事例,从模拟、设计到控制都较成熟逐渐开始广泛应用,ASM2D出现后的一段时间应用逐渐逐渐取代了ASM2的应用还没有大量的验证和使用基本评价大量成熟和稳定的应用模型非常复杂,但包含了重要的厌氧和除磷过程模型非常复杂,但包含了重要的厌氧和除磷过程模型描述的先进性,在大量成熟应用后,可逐渐取代ASM1。污水处理工艺的模拟软件•GPS-X简介•1991年9月由加拿大Hydromantis公司研制开发•可用于污水处理系统的模拟和预测以及污水处理过程的模拟和优化•曾在St.CatherinesOntario,Mt.Vernon等多加城市污水处理厂及工业废水处理厂中得到实际工程应用。•GPS-X所能描述和模拟的水处理工艺过程•传统活性污泥法及其各种变形工艺(CSTR,推流式,多点进水等等),SBR,Hybrid系统(固定膜和悬浮生长)•初沉池,二沉池,生物滤池,膜过滤,厌/好氧消化池,生物转盘•用户自定义流程。•GPS-X模型库相当庞大,包括多种废水生物处理单元的数学模型。GPS-X的模型库处理单元相关模型生物处理ASM1,ASM2,ASM2D,ASM3,Mantis(ASM1的温度模型),General(ASM1除磷模型),NP(简化除磷模型),Reduced(简化脱氮除碳模型),丝状菌膨胀模型沉淀池双指数模型(Vesilind,Takacs模型)进水ASM2,States.固定膜ASM1,ASM2,Mantis模型厌氧Andrews-Barnett两阶段厌氧模型,VSS衰减模型,VFA产生模型,CH4及CO2产生模型,pH模型,铵毒性模型过滤Iwasaki-HornerSS捕获模型其它除砂,脱水,消毒,过滤等过程的经验模型及黑箱模型BioWin中全污水处理厂的模拟工艺流程该工艺除了活性污泥的主流处理工艺和污泥处理的厌氧消化外,还包括旁路处理工艺(剩余污泥经脱水后与初沉污泥混合进入厌氧消化池,厌氧消化池的上清液一部分进入SHARON单元,另一部分直接进入厌氧氨氧化反应器,处理后返回主流工艺)。•ASM系列模型的应用ASM系列模型可应用于对污水处理工艺的辅助设计,对工艺设计方案进行模拟校验。模型应用的一个重要发展方向是运用模型来计算模拟真实污水厂的运行,能够得到甚至包括暴雨等突发状况的污水处理厂运行控制决策,因此可以更为合理地调配能源和资金的使用。随着原有模型经过多次在线信息升级,其计算结果会逐步变得更加可靠。ASM系列模型能有效地表达污水生物处理的各种反应过程。模型的不足是收集和校准参数的工作量巨大,软件数据包的智能应用需要有高水平的专家经验,这些缺点使得ASM系列模型的应用受到了限制。处理工艺的数值模拟03计算机模拟-用模型研究实际系统的方法在系统的数学模型建立起来以后,就能够通过求解模型进行工艺系统静态和动态特性的研究,这一过程即计算机模拟。它提供了一种简单、快速、便宜和安全的方法对系统进行试验,并预测可能的结果。工艺优化的技术路线资料调研研究方案实验测试数学模型模型校准数学模拟现场复核方案优选成果评价AAO工艺污水处理厂的模拟某污水处理厂——(20万吨/天)工艺运行条件的优化进水条件不同水温不同水量氨氮高负荷低碳源设计水质雨季水质旱季水质工艺模拟运行条件不同外回流不同内回流不同排泥量不同曝气量工艺优化进水分配曝气方式调整工艺运行条件的优化•基准状态氨氮mg/L硝氮mg/L总氮mg/L总磷mg/LCODmg/LSSmg/LMLVSSmg/LMLSSmg/L曝气量m3/h设计进水300354.5300模拟出水1.48130.233.49.21096350013811雨季进水16.7022.82148模拟出水0.26.89.80.718.18.66.825528387旱季进水31.40474.2235模拟出水0.710.915.31.626.59.31032348314118不同条件下工艺运行的模拟结果不同条件下工艺运行的模拟结果工艺优化结论•常规进水条件下的最佳运行条件:外回流70%,内回流100%溶解氧1.5mg/L,MLSS2g/L(SRT约为10d)进水COD低于100mg/L、或进水总氮浓度高于30mg/L时,总氮、总磷易超标;在此基础上,将好氧段的O1或O2停止曝气改为缺氧段,都可以在保证出水达标的基础上进一步降低出水总氮浓度。雨季•常规进水条件下的最佳运行条件:外回流120%,内回流80%溶解氧1.5mg/L,MLSS3.2g/L(SRT约为10d)进水COD低于200mg/L、或进水总氮浓度高于35mg/L时,总氮超标;总磷易超标,需进行化学除磷;将好氧段O1的前半段停止曝气改为缺氧段,同时增强其他好氧区间的溶解氧浓度,可以维持出水氨氮达标并降低出水总氮浓度。旱季进水在沟内要循环多次(10次以上)才流出氧化沟,沟内的一个缺氧区就相当于多个缺氧好氧活性污泥池的串联。缺氧区氧化沟工艺污水处理厂的模拟氧化沟工艺模拟的准备步骤小试模型测试CFD模拟氧化沟流态模型现场测试模型验证流态分布-推流器设置氧化沟工艺模拟分析的技术路线2:006:0010:0014:0018:0022:00400005000060000700008000090000100000110000CODinfluentquantityinfluentquantity(m3/d)time(h)150200250300350400COD(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计算DO0.5mg/LDO=0.5~2mg/LDO2.0mg/L优化运行条件氧化沟单元化分区进水负荷的变化不同负荷下各分区的DO浓度不同负荷下整沟的AO容积氧化沟进水水质水量的动态变化2:006:0010:0014:0018:0022:00400005000060000700008000090000100000110000CODinfluentquantityinfluentquantity(m3/d)time(h)150200250300350400COD(mg/L)2:006:0010:0014:0018:0022:00--68101214161820222426NH3PP(mg/L)NH3(mg/L)time(h)12340102030405060708090024601234Length(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)0102030405060708090024600.10.2Length(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)氧化沟工艺的模拟分析入水动态变化对出水以及氧化沟内溶解氧分布影响显著012345651525354555657585沟长方向位置变化(x,m)DO(mg/L)average2o'clock5o'clock10o'clock14o'clock17o'clock19o'clock22o'clock01234567851525354555657585沿沟长方向位置变化(x,m)DO(mg/L)average2o'clock5o'clock10o'clock12
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