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利用活性污泥数学模型对废水生物处理工艺的模拟研究

作　者: 胡晓东
导　师: 刘振鸿
学　校: 东华大学
专　业: 环境工程
关键词: 活性污泥数学模型计算机模拟脱氮除磷 A/O工艺 A~2/O工艺
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2008年
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内容摘要

本文以反应器动力学为基础,以数学软件MatLAB及其附属的SimuLink工具箱为平台,旨在利用国际水质污染与控制协会(IAWQ)推出的活性污泥数学模型(Activated Sludge Model)系列,适当结合二次沉淀池模型,来对常见的废水生物处理工艺进行模拟研究和验证。本文介绍了主流活性污泥数学模型的发展历程和相关背景知识,以及如何针对具体工艺建立并求解数学模型的方法。主要包括活性污泥一号模型(ASM1)和活性污泥二号模型(ASM2)的设定和它们各自的组分,反应速率以及模型参数。另外介绍了沉淀池模型的背景知识,包括Takacs速率沉降模型和二沉池的一维分层模型。利用“欧盟科学技术合作计划”组织提供的专门用来验证模型的COST624&682基准,建立了相应的工艺数学模型,模拟的结果与基准提供的参考数值呈现高度的一致性,从而验证了模型的合理性;通过调整工况参数的方法模拟了A/O脱氮,A/O除磷,A~2/O同步脱氮除磷等工艺,比较了不同工艺脱除氮磷的特性和优劣,以及工况参数对最终模拟结果的影响,确定了A/O脱氮工艺中各工艺参数的大致取值范围,根据模拟结果,适当结合生物除磷机理,简要分析了为何A~2/O能实现同时脱氮除磷而A/O除磷工艺却无法达到这个目标的原因,从而为如何在实际工艺运行中选择适合的工艺类型,并确定较佳工况提供了参考。通过分析ASM1模型的动力学参数和化学计量系数,筛选出对模拟结果会产生重大影响的参数,为模拟工作中确定和估算参数提供了参考;通过对废水水质特性的分析,制订了将实际水质监测指标转换成ASM1模型组分的方案;并沿用上述工作的成果,根据上海龙华污水处理厂的A/O工艺建立相应的模型,通过适当划分工艺流程和确定反应时间的方法加以模拟,发现出水COD和氨氮的模拟结果和实际监测结果比较接近,而出水硝酸盐氮的误差却很大,并分析了原因,从而为数学模型在实际运行中的应用提供了参考。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
第一章绪论  13-15
  第一节课题的背景,内容和意义  13-14
    1 课题背景  13
    2 研究目的和意义  13-14
  第二节课题的主要研究内容和技术路线  14-15
    1 主要研究内容  14
    2 技术路线  14-15
第二章活性污泥数学模型概述  15-44
  第一节活性污泥数学模型的理论基础  15-22
    1 活性污泥法概述  15-16
    2 微生物生长衰减与底物降解的动力学  16-22
      2.1 微生物的比生长速率  16-17
      2.2 Monod模式  17-19
      2.3 微生物的产率  19-20
      2.4 微生物的比底物利用率和底物的比降解速率  20-21
      2.5 微生物生长与底物利用之间的关系  21-22
  第二节活性污泥数学模型的分类与发展  22-35
    1 传统的静态模型  22-23
    2 活性污泥动态模型  23-33
      2.1 活性污泥一号模型(ASM1)  23-30
        2.1.1 背景  23-24
        2.1.2 一号模型的设定  24-25
        2.1.3 模型的组分  25-26
        2.1.4 模型中的动力学参数和化学计量系数  26-28
        2.1.5 模型中动力学的反应速率方程  28-30
      2.2 活性污泥二号模型(ASM2)  30-32
        2.2.1 ASM2模型的设定  30-31
        2.2.2 ASM2模型的组分和过程速率  31-32
      2.3 活性污泥三号模型(ASM3)  32-33
    3 活性污泥数学模型的应用现状和研究进展  33-35
      3.1 国内外数学模型的研究和应用现状  33-35
      3.2 活性污泥数学模型相关模拟软件的开发  35
  第三节沉淀池模型  35-43
    1 二次沉淀池  35-36
    2 沉淀池模型  36-43
      2.1 沉淀池模型的分类和发展  36-37
      2.2 污泥浓缩基本方程和固体通量理论  37-39
      2.3 污泥沉降速率模型  39-40
      2.4 二沉池一维分层模型  40-43
        2.4.1 模型的设定  40-41
        2.4.2 分层模型的建立  41-43
  第四节活性污泥数学模型应用中存在的问题  43-44
    1 模型组分的问题  43-44
    2 模型参数的问题  44
    3 沉淀池的影响  44
第三章活性污泥系统数学模型的建立  44-65
  第一节反应器动力学理论概述  44-46
    1 反应器的质量平衡方程  44-45
    2 反应器类型  45-46
      2.1 完全混合式反应器CSTR  45-46
      2.2 推流式反应器PFR  46
      2.3 非理想的反应器模型  46
  第二节活性污泥系统数学模型的建立  46-50
    1 活性污泥系统数学模型的构成  46-47
    2 根据具体工艺建立模型的方法  47-50
  第三节求解方法和相关软件概述  50-51
    1 模型的求解  50-51
    2 MatLab软件和SimuLink工具箱简述  51
  第四节模型的初步建立和验证  51-65
    1 COST基准简介  51-52
    2 COST624&682基准工艺流程  52
    3 建立模型  52-65
      3.1 活性污泥系统物料平衡方程的构建  52-53
      3.2 SimuLink模型的构建  53-61
      3.3 模型的验证和结果分析  61-65
第四章活性污泥数学模型对常见脱氮除磷工艺的模拟研究  65-85
  第一节缺氧-好氧脱氮工艺的模拟研究  66-74
    1 缺氧-好氧脱氮工艺概述  66
    2 模拟条件的设定  66-67
    3 模拟结果与讨论  67-74
      3.1 泥龄对运行效果的影响  67-71
      3.2 缺氧池/好氧池体积比对运行效果的影响  71-72
      3.3 回流比和内回流比对运行效果的影响  72-74
    4 小结  74
  第二节生物除磷工艺的模拟研究  74-85
    1 生物除磷原理简析  74-75
    2 厌氧-好氧除磷工艺的模拟研究  75-82
      2.1 厌氧-好氧除磷工艺概述  75-76
      2.2 模拟条件的设定  76-77
      2.3 模拟结果的研究和讨论  77-81
        2.3.1 泥龄的影响  77-79
        2.3.2 厌氧区和好氧区体积比的影响  79-81
      2.4 小结  81-82
    3 厌氧-缺氧-好氧同步脱氮除磷工艺的模拟研究  82-85
      3.1 厌氧-缺氧-好氧同步脱氮除磷工艺概述  82
      3.2 模拟条件的设定  82
      3.3 模拟结果与讨论  82-85
      3.4 小结  85
第五章模型参数和废水特性的分析  85-105
  第一节参数分析的意义和方法  85-87
  第二节模型参数的灵敏度分析  87-101
    1 异养菌生长的动力学参数  87-92
      1.1 异养菌最大比生长速率μ_H  87-88
      1.2 异养菌比衰减速率b_H  88-89
      1.3 异养菌生长半速率常数K_S  89-90
      1.4 异养菌硝酸盐氮呼吸半速率常数:K_(NO)  90-91
      1.5 异养菌溶解氧呼吸半速率常数K_(OH)  91-92
    2 自养菌生长的动力学参数  92-95
      2.1 自养菌最大比生长速率μ_A  92
      2.2 自养菌比衰减速率b_A  92-94
      2.3 自养菌氧呼吸半饱和系数K_(OA)  94
      2.4 自养菌生长半速率常数K_(NH)  94-95
    3 颗粒性有机物水解的动力学参数  95-97
      3.1 最大比水解速率常数k_H  95-96
      3.2 水解半速率常数K_X  96-97
    4 化学计量系数  97-99
      4.1 异养菌产率系数Y_H  97-98
      4.2 自养菌产率系数Y_A  98-99
    5 小结  99-101
  第三节废水特性的分析  101-105
    1 含碳组分的分析  101-103
    2 含氮组分的分析  103-105
    3 小结  105
第六章数学模型对污水处理厂实际运行的模拟研究  105-113
  本章内容概要  105-106
  第一节龙华污水处理厂的概况  106-107
  第二节对污水处理厂的模拟研究  107-112
    1 根据实际工艺建立模型  107
    2 模拟研究和结果  107-112
  第三节分析和小结  112-113
第七章结论和问题  113-116
  第一节结论  113-115
  第二节仍有待解决的问题  115-116
附录1:ASM1模型计算矩阵(含工艺过程以及相应的反应速率表达式,化学计量系数和模型组分)  116-117
附录2:ASM2模型的反应过程速率  117-120
附录3:ASM2模型组分的化学计量矩阵  120-122
附录4:脱氮除磷工艺模型的建立方法  122-126
参考文献  126-131
致谢  131-132
攻读学位期间发表的学术论文目录  132

利用活性污泥数学模型对废水生物处理工艺的模拟研究

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