[發明專利]一種活性污泥污水處理的多維、多相、多過程耦合模擬方法

有效

• 申請號: 201310028172.5
• 申請日: 2013-01-25
• 公開（公告）號: CN103043784A
• 公開（公告）日: 2013-04-17
• 發明（設計）人: 倪晉仁;雷立
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: C02F3/12
• 分類號: C02F3/12
• 代理公司: 北京金闕華進專利事務所(普通合伙) 11224
• 代理人: 吳鴻維

技術領域

本發明屬于廢水生物處理技術領域，涉及一種活性污泥水處理中的物理、化學、生物過程耦合模擬方法。

背景技術

目前，我國水污染的狀況十分嚴峻。據環境部門的監測結果顯示，我國七大水系中一半以上河段水質受到污染，全國1/3的水體不適于魚類生存，1/4的水體不適于灌溉，90%的城市水域污染嚴重，50%的城鎮水源不符合飲用水標準，40%的水源已不能飲用，主要污染物為氨氮、COD_Mn、BOD、揮發酚和石油類物質。因此嚴格控制污水達標排放、有效改善水環境現狀已成為水資源保護的當務之急。

人類日常生活產生的生活污水排放量大，含有機物以及氮、磷等營養物質多，已經成為水體的重要污染源。《城鎮污水處理廠污染物排放標準》（GB18918-2002）中提出了嚴格的有機物、氮、磷等污染物的排放標準，要求污水處理廠出水達到一級A排放標準，因此尋找能耗低、運行效率高的優化控制策略成為了城鎮生活污水處理廠共同關注的焦點。

數學模型是一種描述污水處理廠中物理及生化反應過程的有效手段，它能預測不同運行工況下的出水水質，指導污水處理廠的升級改造。因此，污水處理廠數學模型的研究近年來得到了快速發展。

然而，目前的數學模型往往將生活污水處理廠中的活性污泥視為污水中的一部分，將活性污泥歸為液相中的組分，致使這些模型無法反映活性污泥與污水間的相間物理作用，進而也無法描述活性污泥在反應器中的淤積現象等，最終影響到合理反映污泥與污水間的相間生化作用，以及不能準確預測污水廠的出水水質。有關研究（Jin?B,Wilén?B,Lant?P.Impacts?of?morphological,physical?and?chemical?properties?of?sludge?flocs?on?dewaterability?ofactivated?sludge[J].Chemical?Engineering?Journal,2004,98(1–2):115-126.Schmid?M,Thill?A,Purkhold?U,et?al.Characterization?of?activated?sludge?flocs?by?confocal?laser?scanningmicroscopy?and?image?analysis[J].Water?Research,2003,37(9):2043-2052.）表明，活性污泥無論是在密度，還是在粘度上都與水有著本質的區別，污水廠中活性污泥往往以絮團或是顆粒態的形式存在，活性污泥應該被歸為具有較高含水量的固相來處理。同時，曝氣也是污水處理環節中至關重要的一步，曝氣通過向活性污泥反應器中充入空氣或者氧氣，為活性污泥的好氧反應提供了充足的溶解氧，因此從這個角度上看，曝氣過程實際上是發生在氣相與液相間的相間作用過程，但目前還沒有發現將氣液相間傳質過程耦合進模型中的報道。

針對以上問題，本發明將污水、活性污泥及空氣分別視為液相、固相及氣相，采用多相流運動方程描述污水處理廠中三相的運動特征及相間物理作用；進一步結合氧傳質方程和污染物遷移轉化方程，將污水與空氣間發生的氧傳質過程及活性污泥與污水間所發生的生化反應以源項的形式耦合進多相流運動方程中，進而能夠準確地預測系統中溶解氧的分布特征、污染物的遷移轉化特征以及相間的生化作用特征。該方法能準確合理描述污水處理廠中污水、活性污泥及空氣間的相間物理及生化作用。

發明內容

本發明的目的在于提供一種耦合物理及生化過程的活性污泥水處理全過程模擬方法。該方法與傳統活性污泥模型側重描述活性污泥的生物轉化過程不同，本發明基于多相流理論，將活性污泥視為固相，將曝入活性污泥系統中的空氣（氣泡）視為氣相，將污水視為液相，首次采用多相流運動方程描述污水處理系統中泥-水-氣的運動特征及相間物理作用，從而準確地預測了活性污泥在系統中的物理運動特征；進一步結合氧傳質方程和污染物遷移轉化方程，將污水與空氣間發生的氧傳質過程及活性污泥與污水間所發生的生化反應以源項的形式耦合進多相流運動方程中，能夠準確地預測系統中溶解氧的分布特征、污染物的遷移轉化特征以及相間的生化作用特征。

本發明是通過下述過程加以實現的：

一、方法建立的假設

（1）污水為液相，活性污泥為固相，空氣為氣相。

（2）可溶性的溶解氧、化學需氧量（COD）、氨氮、硝氮及溶解性有機氮為液相中的組分，自養菌、異養菌及顆粒態的COD、顆粒態有機氮、微生物衰減產物為固相中的組分，氧氣及氮氣為氣相中的組分。