CN108217916A - 一种连续流交替式污水处理工艺的两相循环模拟方法 - Google Patents

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Abstract

一种连续流交替式污水处理工艺的两相循环模拟方法，所述连续流交替式污水处理工艺由中间池和两侧的边池串联组成，将边池在一个连续流交替式污水处理工艺运行周期内的状态分成两个阶段：完全混合反应阶段和分层沉淀阶段；而中间池则始终处于完全混合反应阶段；对完全混合反应阶段，采用生化反应动力学模型进行建模；对分层沉淀阶段，采用沉淀模型和生化反应动力学模型进行建模。本发明建立的数学模型可模拟连续流交替式工艺在不同工艺周期内随时间的水质变化趋势，用于预测污水处理厂的工艺运行效果，可用于工艺参数的优化和决策，提高运行水平。

Description

一种连续流交替式污水处理工艺的两相循环模拟方法
技术领域
本发明属于污水生化处理和计算机仿真技术领域，具体是一种对连续流交替式污水处理工艺采取工艺建模和模拟的技术。
背景技术
活性污泥法是应用最为普及的一种城市污水处理方法，包括AAO(厌氧-缺氧-好氧)、氧化沟和交替式反应器这三种代表性的主流工艺。其中，交替式工艺以自动化程度高、用地紧凑、节省基建投资等特色，在城市污水处理行业占有一席之地。
交替式污水处理工艺有别于AAO、氧化沟等将厌氧、缺氧、好氧、沉淀等处理流程在空间上加以隔离的工艺。虽然它同样需要历经上述工艺环节，但不是通过多个各自承担不同作用的反应池的组合来实现，而是通过在同一个反应池内设定不同的时序，即厌氧-缺氧反应时间、好氧反应时间、沉淀时间等等，让一个反应池在时间维度上先后历经厌氧反应、缺氧反应、好氧反应、沉淀出水等阶段，构成一个周期，再周而复始，循环进行。这一设计能够节约大量的用地，节省基建投资，而对自动化控制的要求比较高。交替式工艺分成间歇式和连续式两种。
连续流交替式工艺由三个反应池串联构成，中间的称为中间池或主体反应池，两侧的称为边池。边池和中间池均可接受进水，但中间池永远处于反应阶段，两个边池交替作为反应池和沉淀池。经过处理的出水从作为沉淀池的边池排出。此工艺的运行过程按时间维度，划分成多个时序(边池进水、中间池进水、边池出水等)，组合成一个完整的运行周期，循环往复。
污水生化处理过程的数学模型，自从描述生化反应过程中微生物生长和底物消耗关系的莫诺模式被提出以来，得到了长足的发展。通过生化反应动力学和水力学模型的结合，使得对污水处理工艺进行模拟成为可能，从而预测不同进水条件或工艺运行条件下的排放水质，起到工艺优化的作用。
而当前针对污水生化处理过程的模拟，主要对象是AAO、氧化沟等工艺。针对交替式工艺的模拟，鲜有成熟的模拟方法，也缺乏实际工艺运行数据的支撑。究其原因在于AAO、氧化沟等工艺的反应池只存在单一的生化反应，也不存在时间上的交替循环运行。而交替式工艺的复杂程度要超过AAO、氧化沟等工艺，它的反应池按时间维度交替发生生化反应和沉淀，涉及到两个不同的过程，对应的数学过程也大不相同。
发明内容
本发明的目的在于提供一种连续流交替式污水处理工艺的两相循环模拟方法，用于模拟连续流交替式工艺过程中各物质浓度随时间的变化情况，预测污水处理厂的工艺运行效果，从而为工艺优化和运行方案决策提供指导，提高运行水平。
为达到上述目的，本发明的技术方案是：
一种连续流交替式污水处理工艺的两相循环模拟方法，将边池在一个连续流交替式污水处理工艺运行周期内的状态分成两个阶段：完全混合反应阶段和分层沉淀阶段，所述完全混合反应阶段将边池视为完全混合的均相状态，仅发生生化反应；所述分层沉淀阶段将边池沿水深方向分成若干层进行污泥沉淀，同时发生重力沉淀和生化反应；中间池始终处于完全混合反应阶段；
对完全混合反应阶段，采用生化反应动力学模型进行建模，得到各物质浓度的净变化率的表达式；
对分层沉淀阶段，采用沉淀模型和生化反应动力学模型进行建模，得到各物质浓度的净变化率的表达式；
模拟所涉及到污水中的物质有：溶解氧、溶解性有机物、颗粒性有机物、氨氮、硝态氮、异养菌、自养菌。其中，颗粒性有机物、异养菌和自养菌是颗粒性的固体物质；溶解氧、溶解性有机物、氨氮、硝态氮是溶解性物质；
1)中间池的完全混合反应阶段及当边池处于完全混合反应阶段时，各物质浓度的净变化率的表达式为：
溶解氧：
溶解性有机物：
颗粒性有机物：
氨氮：
硝态氮：
异养菌：
自养菌：
式中：
SO：溶解氧的浓度，单位mgO2/L；
SCOD：溶解性有机物的浓度，单位mgCOD/L；
SNH：氨态氮的浓度，单位mgN/L；
SNO：硝态氮的浓度，单位mgN/L；
XCOD：颗粒性有机物的浓度，单位mgCOD/L；
XH：异养菌的浓度，单位mgCOD/L；
XA：自养菌的浓度，单位mgCOD/L；
Qin：边池或中间池的进水流量，单位m3/d；
Qout：边池或中间池的出水流量，单位m3/d；
V：边池或中间池的总容积，单位m3；
So,in：边池或中间池进水中溶解氧的浓度，单位mgO2/L；
SCOD,in：边池或中间池进水中溶解性有机物的浓度，单位mgCOD/L；
SNH,in：边池或中间池进水中氨态氮的浓度，单位mgN/L；
SNO,in：边池或中间池进水中硝态氮的浓度，单位mgN/L；
XCOD,in：边池或中间池进水中颗粒性有机物的浓度，单位mgCOD/L；
XH,in：边池或中间池进水中异养菌的浓度，单位mgCOD/L；
XA,in：边池或中间池进水中自养菌的浓度，单位mgCOD/L；
μH：异养菌最大比生长速率，单位h-1；
KS：异养菌生长半速率常数，单位mgCOD/L；
bH：异养菌比衰减速率，单位h-1；
KOH：异养菌氧呼吸半速率常数，单位mgO2/L；
KNO：异养菌硝态氮呼吸半速率常数，单位mgN/L；
ηg：异养菌缺氧状态生长修正系数；
kh：水解速率，单位mgCOD/(mg生物量(COD)·h)；
KX：水解半速率常数，单位mgCOD/(mg生物量(COD)；
ηh：缺氧状态水解修正系数，
μA：自养菌最大比生长速率，单位h-1；
KOA：自养菌氧呼吸半速率常数，单位mgO2/L；
KNH：自养菌生长半速率常数，单位mgN/L；
bA：自养菌比衰减速率，单位h-1；
YH：异养菌产率系数，单位mg生物量(COD)/mg COD去除；
YA：自养菌产率系数，单位mg生物量(COD)/mg被氧化的N；
对上述各项物质浓度随时间的净变化率进行联立得到微分方程组，进行数值求解，得中间池和处于完全混合反应阶段的边池中，各物质浓度随时间的变化；
2)当边池处于分层沉淀阶段时，每一层上各固体物质浓度的净变化率的表达式为：
颗粒性有机物：
异养菌：
自养菌：
式中：
Qout是边池的出水流量，单位m3/d；
S是边池的表面积，单位m2；
hm是当前层(第m层，下同)的高度，数值上等于池深和层数的比值，单位m；
XCOD,m，XH,m和XA,m分别是当前层上的颗粒性有机物、异养菌和自养菌浓度，单位g/m3；
XCOD,m+1，XH,m+1和XA,m+1分别是当前层上一层的颗粒性有机物、异养菌和自养菌浓度，单位g/m3；
JXCOD,m-1和JXCOD,m-1分别是当前层下面一层和当前层颗粒性有机物的通量；
JXH,m-1和JXH,m分别是当前层下面一层和当前层异养菌的通量；
JXA,m-1和JXA,m分别是当前层下面一层和当前层自养菌的通量。
当前层的通量算法：
JXCOD,m＝VmXCOD,m
JXH,m＝VmXH,m
JXA,m＝VmXA,m
Vm是当前层的固体沉降速度，通过下式计算：
式中，V0是最大理论沉降速度，单位m/d；
rh为沉降参数，单位为m3/g固体；
fns是边池进水中不可沉降物质所占的最大比例；
Vm是总悬浮固体X(即所有固体物质浓度的加和)的沉降速度，即所有固体物质作为一个整体在进行重力沉降，所以需要利用各种固体物质的浓度之和来计算沉降速度。而对于每一种固体物质可以基于当前层的总悬浮固体沉降速度与该种固体物质浓度的乘积计算其沉降通量。
Xin是边池进水中的总悬浮固体浓度，通过下式计算：
其中，Xi,in代表边池进水中的各种固体物质，有颗粒性有机物XCOD,in、异养菌XH,in、自养菌XA,,in等，它们的加和作为进水中的总悬浮固体浓度；
Xm是当前层的总悬浮固体浓度，通过下式计算：
其中Xi,m代表当前层中的各种固体物质，有颗粒性有机物XCOD、异养菌XH,、自养菌XA，，，它们浓度的加和作为当前层的总悬浮固体浓度；
μH：异养菌最大比生长速率，单位h-1；
μA：自养菌最大比生长速率，单位h-1；
KS：异养菌生长半速率常数，单位mgCOD/L；
bH：异养菌比衰减速率，单位h-1；
KOH：异养菌氧呼吸半速率常数，单位mgO2/L；
KNO：异养菌硝态氮呼吸半速率常数，单位mgN/L；
ηg：异养菌缺氧状态生长修正系数；
kh：水解速率，单位mgCOD/(mg生物量(COD)·h)；
KX：水解半速率常数，单位mgCOD/(mg生物量(COD)；
ηh：缺氧状态水解修正系数；
KOA：自养菌氧呼吸半速率常数，单位mgO2/L；
KNH：自养菌生长半速率常数，单位mgN/L；
bA：自养菌比衰减速率，单位h-1；
对上述各项物质浓度随时间的净变化率进行联立得到微分方程组，进行数值求解，得处于分层沉淀阶段的边池中，每一层上各固体物质浓度随时间的变化；
3)当边池处于分层沉淀阶段时，每一层上各溶解性物质浓度的净变化率的表达式为：
溶解氧：
溶解性有机物：
氨氮：
硝态氮：
式中：
Qout：边池的出水流量，单位m3/d；
Vlayer：边池每层的容积，单位m3；
So,m、So,m+1：分别是当前层和当前层上面一层溶解氧的浓度，单位mgO2/L；
SCOD,m、SCOD,m+1：分别是当前层和当前层上面一层溶解性有机物的浓度，单位mgCOD/L；
SNH,m、SNH,m+1：分别是当前层和当前层上面一层氨态氮的浓度，单位mgN/L；
SNO,m、SNO,m+1：分别是当前层和当前层上面一层硝态氮的浓度，单位mgN/L；
μH：异养菌最大比生长速率，单位h-1；
μA：自养菌最大比生长速率，单位h-1；
KS：异养菌生长半速率常数，单位mgCOD/L；
KOH：异养菌氧呼吸半速率常数，单位mgO2/L；
KNO：异养菌硝态氮呼吸半速率常数，单位mgN/L；
KOA：自养菌氧呼吸半速率常数，单位mgO2/L；
KNH：自养菌生长半速率常数，单位mgN/L；
YH：异养菌产率系数，单位mg生物量(COD)/mg COD去除；
YA：自养菌产率系数，单位mg生物量(COD)/mg被氧化的N；
XH,m：当前层异养菌的浓度，单位mgCOD/L；
XA,m：当前层自养菌的浓度，单位mgCOD/L；
对上述各项物质浓度随时间的净变化率进行联立得到微分方程组，进行数值求解，得处于分层沉淀阶段的边池中，每一层上各溶解性物质浓度随时间的变化；
进一步，在一个连续流交替式污水处理工艺运行周期内，合理衔接边池完全混合反应阶段和分层沉淀阶段之间的切换，以确保两个阶段交替过程中的物料守恒，实现生化反应和沉淀-反应两种状态的耦合建模；
对于边池从分层沉淀阶段向完全混合反应阶段的切换，采用沉淀阶段结束时每一层物质浓度模拟结果的均值作为下一个完全混合反应阶段开始时的模拟初值；
对于边池从完全混合反应阶段向分层沉淀阶段的切换，采用完全混合反应阶段结束时的模拟结果作为下一个分层沉淀阶段开始时每一层上的模拟初值；
1)对于边池从分层沉淀阶段向完全混合反应阶段的切换，边池由分层沉淀状态进入完全混合状态时，各物质初始浓度的表达式如下：
溶解氧：
溶解性有机物：
氨氮：
硝态氮：
颗粒性有机物：
异养菌：
自养菌：
式中：
SO,0：溶解氧由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
SCOD,0：溶解性有机物由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
SNH,0：氨氮由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
SNO,0：硝态氮由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
XCOD,0：颗粒性有机物由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
XH,0：异养菌由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
XA,0：自养菌由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
SO,m,Ts：溶解氧在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
SCOD,m,Ts：溶解性COD在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
SNH,m,Ts：氨氮在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
SNO,m,Ts：硝态氮在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
XCOD,m,Ts：颗粒性COD在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
XH,m,Ts：异养菌在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
XA,m,Ts：自养菌在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
Vlayer：边池每层的容积，单位m3；
V：边池的总容积，单位m3；
N是边池在建模过程中分的层数(默认值为10)；
下标中的Ts代表分层沉淀状态结束的时间节点，也就是下一完全混合状态开始的时间节点。
2)对于边池从完全混合反应阶段向分层沉淀阶段的切换，边池由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上各物质初始浓度的表达式如下：
溶解氧：SO,m,0＝SO,TR
溶解性有机物：SCOD,m,0＝SCOD,TR
氨氮：SNH,m,0＝SNH,TR
硝态氮：SNO,m,0＝SNO,TR
颗粒性有机物：XCOD,m,0＝XCOD,TR
异养菌：XH,m,0＝XH,TR
自养菌：XA,m,0＝XA,TR
式中：
SO,m,0：溶解氧由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
SCOD,m,0：溶解性有机物由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
SNH,m,0：氨氮由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
SNO,m,0：硝态氮由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
XCOD,m,0：颗粒性有机物由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
XH,m,0：异养菌由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
XA,m,0：自养菌由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
SO,TR：溶解氧在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
SCOD,TR：溶解性有机物在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
SNH,TR：氨氮在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
SNO,TR：硝态氮在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
XCOD,TR：颗粒性有机物在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
XH,TR：异养菌在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
XA,TR：自养菌在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
下标中的TR代表完全混合状态结束的时间节点，也就是下一分层沉淀状态开始的时间节点。
优选的，本发明所建立模型数学表达方法中涉及的反应动力学参数取值范围参见表1。
表1
本发明中，在一个连续流交替式污水处理工艺运行周期内，当边池处于完全混合状态时，各项物质浓度按下列数学表达模拟：
溶解氧：
溶解氧浓度随时间的净变化率：
完全混合阶段开始时刻的溶解氧浓度初值：
溶解性有机物：
溶解性有机物浓度随时间的净变化率：
完全混合阶段开始时刻的溶解性有机物浓度初值：
氨氮：
氨氮浓度随时间的净变化率：
完全混合阶段开始时刻的氨氮浓度初值：
硝态氮：
硝态氮浓度随时间的净变化率：
全混合阶段开始时刻的硝态氮浓度初值：
颗粒性有机物：
颗粒性有机物浓度随时间的净变化率：
完全混合阶段开始时刻的颗粒性有机物浓度初值：
异养菌：
异养菌浓度随时间的净变化率：
完全混合阶段开始时刻的异养菌浓度初值：
自养菌：
自养菌浓度随时间的净变化率：
完全混合阶段开始时刻的自养菌浓度初值：
对上述各项物质浓度随时间的净变化率进行联立得到微分方程组，结合每一项物质浓度在完全混合状态的初始值，进行数值求解，得到各项物质浓度在完全混合阶段时随时间的变化：
当积分时间t＝TR，也就是完全混合阶段结束的时候，对应的各项物质浓度的模拟结果就是下一个分层沉淀阶段的模拟初值。
本发明中，在一个连续流交替式污水处理工艺运行周期内，当边池处于分层沉淀状态时，每一层上各项物质浓度按下列方式模拟：
溶解氧：
每层溶解氧浓度随时间的净变化率：
分层沉淀阶段开始时刻每层的溶解氧浓度初值：
SO,m,0＝SO,TR
溶解性有机物：
每层溶解性有机物浓度随时间的净变化率：
分层沉淀阶段开始时刻每层的溶解性有机物浓度初值：
SCOD,m,0＝SCOD,TR
氨氮：
每层氨氮浓度随时间的净变化率：
分层沉淀阶段开始时刻每层的氨氮浓度初值：
SNH,m,0＝SNH,TR
硝态氮：
每层硝态氮浓度随时间的净变化率：
分层沉淀阶段开始时刻每层的硝态氮浓度初值：
SNO,m,0＝SNO,TR
颗粒性有机物：
每层颗粒性有机物浓度随时间的净变化率：
分层沉淀阶段开始时刻每层的颗粒性有机物浓度初值：
XCOD,m,0＝XCOD,TR
异养菌：
每层异养菌浓度随时间的净变化率：
分层沉淀阶段开始时刻每层的异养菌浓度初值：
XH,m,0＝XH,TR
自养菌：
每层自养菌浓度随时间的净变化率：
分层沉淀阶段开始时刻每层的自养菌浓度初值：
XA,m,0＝XA,TR
对上述各项物质浓度随时间的净变化率进行联立得到微分方程组，结合每层上各项物质浓度在分层沉淀状态的初始值，进行数值求解，得到每层上各项物质浓度在分层沉淀阶段时随时间的变化：
当积分时间t＝TS，也就是分层沉淀阶段结束的时候，对应的各项物质浓度在每层上的模拟结果均值就是下一个完全混合阶段的模拟初值。
本发明所述的两相循环模拟方法可应用于预测连续流交替式污水处理工艺中，中间池和两个边池中的氨氮、硝态氮浓度，从而得到氨氮、硝态氮浓度在各池的分布特征。
本发明所述的两相循环模拟方法可应用于预测连续流交替式污水处理工艺中，出水的有机物(包括溶解性有机物和颗粒性有机物)、氨氮、硝态氮浓度。
本发明的技术方案涉及的关键技术内容：
1、建模对象的假设
本发明以连续流交替式污水处理工艺为建模对象，在建模过程的说明中，两个边池分别命名为A池和C池，而中间池命名为B池。
交替式工艺的两个边池处于交替运行，即A池处于反应阶段时，C池必然处于沉淀阶段(静置沉淀或沉淀出水)，反之，当A池处于沉淀阶段，C池必然处于反应阶段。因此针对运行周期中的某一阶段，例如，A池进水反应、B池反应、C池出水沉淀，是完全可以按照AAO等工艺来建模和模拟。但到了下一阶段，切换成了C池进水反应、B池反应、A池出水沉淀，两个边池(A池和C池)的功能发生了逆转，相应的数学过程也势必要有相应的变化。具体到每一个边池均存在这种反应-沉淀的交替和切换过程，因此需要对这两个过程分别给出对应的数学表达，并合理衔接两个过程的切换，这也是连续流交替式工艺模拟的关键所在。
本发明提出假设：中间池始终处于完全混合反应阶段。边池的运行过程中处于两种状态：完全混合反应阶段和分层沉淀阶段，这两种状态定期发生交替，循环运行。
模拟所涉及到污水中的物质有：溶解氧、溶解性有机物、颗粒性有机物、氨氮、硝态氮、异养菌、自养菌。其中，颗粒性有机物、异养菌和自养菌是颗粒性的固体物质，是构成活性污泥的主要组成部分；溶解氧、溶解性有机物、氨氮、硝态氮是溶解性物质。上述物质在污水处理过程中均遵循生化反应动力学规律发生浓度变化，并受到反应-沉淀等不同状态交替作用的影响。
(1)完全混合反应阶段
此时边池处于反应阶段，属于完全混合的均相状态，边池内搅拌器在正常运行，边池内泥水混合，富含微生物的活性污泥和进水中的污染物发生充分接触，通过生化反应加以去除。该过程可通过选择是否曝气(或设置曝气时间的长短)来使边池处于厌氧/缺氧和好氧等不同的状态，充分满足有机物、氨氮等污染物的去除功能。
该完全混合反应阶段中整个边池被视为一个完全混合反应器，池内的物质浓度处处相等，并等于出水浓度。对边池内物质的变化搭建物料平衡方程，作为描述反应阶段的数学表达。
(2)分层沉淀阶段
此时边池处于沉淀阶段，属于分层沉淀的非均相状态，边池内搅拌器停止运行，边池内泥水开始分离，活性污泥等颗粒性固体物质在重力作用下逐渐向池下部沉聚集，从而形成污泥浓度在池内沿深度的梯度分布。沿池深将边池分为若干层(为简化起见，默认分成10层)，每一层都视为一个完全混合反应器，层与层之间溶解性的物质(例如氨氮、硝态氮等)随水流发生物质交换，颗粒性的固体物质(例如活性污泥的构成主体：异养菌和自养菌)则基于重力沉降发生物质交换。
由于沉淀阶段同样存在生化反应，因此对分层沉淀阶段的建模是基于每一层的生化反应和分层沉淀的耦合，作为该阶段的数学表达。
以上两种状态在同一边池内轮流交替发生，对应不同的数学描述方法，称之为两相循环模拟。
2、建模
(1)完全混合反应阶段建模
当边池处于完全混合状态，即生化反应阶段时，结合描述污水处理的生化反应动力学对此过程进行建模，建立物料平衡方程。中间池由于始终处于完全混合的反应状态，因此也是通过生化反应动力学来建模。
(2)分层沉淀阶段建模
当边池处于分层沉淀阶段时，同时进行物理沉降和生化反应两个过程。将此阶段的边池沿水深方向由深到浅分成10层(底层为第10层，顶层为第1层)，固体物质(微生物，颗粒性有机物等)在重力作用下发生沉淀，向池底部聚集。每一层又视为一个完全混合的反应器，同时也在发生生化反应(但反应强度要弱于正常的反应阶段，因为此阶段不存在搅拌，物质间未能充分接触混合)。
分层沉淀阶段又分成静置沉淀和沉淀出水(排泥)，前者情况下边池不存在进出水，后者情况下边池在接受进水的同时还存在出水和污泥排放。在这两种状态下，边池内每一层上的固体物质(颗粒性有机物、微生物构成的污泥)和溶解性物质(溶解性有机物、氨氮、硝态氮等)的浓度变化由三种不同的原因引起，如表2所示。这三种原因各自引起的变化率之和就是该层物质浓度的净变化率。
表2中，“/”表示不存在该过程，而“√”表示存在该过程。例如，静置沉淀阶段每层的固体物质，存在重力沉降和层内的生化反应，但不存在层间水流将邻层物质带入该层，因此，其浓度变化的原因仅由前两个过程引起。
表2
本发明采用沉降模型来描述分层沉淀过程，结合反应动力学模型描述层内的生化反应，两者耦合得到每一层固体物质的净变化率。
3、两种状态切换的衔接
连续流交替式工艺的根本特征在于其两个边池的交替运行，轮流作为反应池和沉淀池。因此，在已经分别建立了完全混合反应阶段和分层沉淀阶段数学模型的基础上，需要对两个过程的切换做合理的衔接。
在两个阶段的切换过程中，将本阶段结束时的模拟结果，作为下一阶段模拟的初始条件，以确保两个阶段切换过程中的物料守恒。
对于完全混合反应阶段向分层沉淀阶段的切换，因为反应阶段是处于完全混合状态，反应器中物质浓度分布均匀，因此分层沉淀阶段开始的时候，每一层的物质浓度的初始值可直接沿用完全混合反应阶段的模拟结果终值。
对于分层沉淀阶段向完全混合反应阶段的切换，由于沿池深方向形成了浓度的梯度分布，需要将每一层上物质浓度的模拟结果终值取平均后，作为反应阶段开始的浓度初始值。
本发明针对连续流交替式污水处理工艺的模拟难点，将两个交替过程(反应和沉淀)从时间上划分成两个迥异的状态即完全混合反应阶段与分层沉淀阶段。完全混合反应阶段的水相、泥相混为一体，处于均相状态；而分层沉淀阶段处于固液分离的非均相状态。
本发明对两个状态下的生化反应和物理过程采用不同的数学过程表达，并合理衔接两个状态的切换，保证物料在交替过程中的守恒。利用污水处理的生化反应动力学定量描述污水处理过程中有机物、氨氮等污染物质的去除，以及微生物的生长与衰减、溶解氧的变化。经实践检验，本发明所述模拟方法取得的模拟结果能较理想地趋近污水厂的实际运行效果。
本发明的有益效果：
本发明结合连续流交替式工艺的运行特点，融合了以下两种状态的数学模型：完全混合状态下的生化反应过程，静置沉淀、沉淀排水状态下的分层沉淀-生化反应耦合过程，提供了溶解氧、溶解性有机物、颗粒性有机物、氨氮、硝态氮、异养菌和自养菌等物质浓度的净变化率在完全混合的反应状态和分层沉淀-反应状态下各自的数学表达，并提供了两种状态之间切换时，模拟浓度初值的数学处理方法，构建了完整的连续流交替式污水处理工艺的数学模型。该数学模型可预测连续流交替式污水处理工艺系统中的氨氮、硝态氮的分布特征，预测连续流交替式污水处理工艺系统出水中的有机物(COD)、氨氮、硝态氮浓度。
本发明建立的数学模型可模拟连续流交替式工艺在不同工艺周期内随时间的水质变化趋势，用于预测污水处理厂的工艺运行效果，从而为工艺优化和运行方案决策提供指导。
本发明结合某污水厂连续流交替式工艺的真实运行周期、工艺运行参数以及进水水量、水质等工况信息，建立该厂的工艺模型，并通过模拟和参数校正，获得了与该厂水质监测效果趋近的模拟结果，充分说明本发明可用于工艺参数的优化和决策，提高运行水平。
附图说明
图1为本发明实施例中连续流交替式工艺时序图。
图2为本发明实施例中各池中氨氮浓度模拟结果和监测结果对照。
图3为本发明实施例中各池中硝态氮浓度模拟结果和监测结果对照。
图4为本发明实施例中出水有机物(包括溶解性和颗粒性有机物)浓度模拟结果和监测结果对照。
图5为本发明实施例中出水氨氮浓度模拟结果和监测结果对照。
图6为本发明实施例中出水硝态氮浓度模拟结果和监测结果对照。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
本实施例以某污水处理厂的交替式工艺为建模对象，严格参照该厂的运行时序、进水水量和水质及其它工艺运行参数，包括曝气量、污泥排放量，利用matlab语言为编程工具，基于上文所述的假设和数学表达方法，建立该厂的交替式工艺模型，数学表达方法中反应动力学中的物质定义参见表3，反应动力学参数(20℃时的典型值)参见表4，反应动力学的化学计量学系数参见表5。
表3
表4
表5
符号 动力学参数名称 典型值 单位
YH 异养菌产率系数 0.60 mg生物量(COD)/mg COD去除
YA 自养菌产率系数 0.24 mg生物量(COD)/mg被氧化的N
在建模过程的说明中，两个边池分别命名为A池和C池，而中间池命名为B池。
该厂交替式反应池的布局及其运行时序可参见图1，可列出表6所示的时序表，一个完整的运行周期是8小时，周而复始循环运行。
表6
为验证模拟结果，针对现场的三个反应池安排了水质监测计划，以水质指标中的氨氮、硝态氮为监测指标，每天监测一个完整的运行周期(周期内每隔1小时取样一次，每个指标共8个水样)。监测计划如表7所示。
表7
监测指标 取样位置 取样间隔
氨氮 边池和中间池 1小时
硝态氮 边池和中间池 1小时
建模过程中以该厂的运行时序、进水水量和水质及其它工艺运行参数，包括曝气量、污泥排放量，作为模型的输入参数。将各项出水水质的模拟结果与同期的现场监测结果进行对比，以验证模型的合理性。
一个运行周期内模拟结果和监测结果的对照可参见图2、图3，氨氮浓度模拟结果和监测结果的误差分析参见表8，硝态氮浓度模拟结果和监测结果的误差分析参见表9。
由图2-3及表8-9可知，模拟结果和监测结果的趋势一致，能够较理想地趋近现场的真实运行状况。误差分析见下表：
表8
反应池 模拟均值 监测均值 绝对误差
A池 1.089 1.025 0.064
B池 0.8371 0.986 0.1489
C池 2.320 1.615 0.705
表9
反应池 模拟均值 监测均值 绝对误差
A池 11.514 12.160 0.646
B池 11.573 12.615 1.042
C池 11.142 11.944 0.802
除了通过监测各反应池的氨氮、硝态氮浓度来验证模拟结果以外，还对照了该污水厂处理出水的有机物(COD)、氨氮、硝态氮的模拟结果和监测结果，具体分别参见图4～6，误差分析参见表10。
由图4-6及表10可知，模拟结果和监测结果能够较理想地趋近现场的真实运行状况。
表10
指标名称 监测均值 仿真结果均值 绝对误差
COD 18.13 16.11 2.02
氨氮 1.87 1.56 0.31
硝态氮 10.25 8.49 1.76

Claims (4)

1.一种连续流交替式污水处理工艺的两相循环模拟方法，所述连续流交替式污水处理工艺由中间池和两侧的边池串联组成，其特征在于，将边池在一个连续流交替式污水处理工艺运行周期内的状态分成两个阶段：完全混合反应阶段和分层沉淀阶段，所述完全混合反应阶段将边池视为处于完全混合的均相状态，仅发生生化反应；所述分层沉淀阶段将边池沿水深方向分成若干层进行污泥沉淀，同时发生重力沉淀和生化反应；中间池始终处于完全混合反应阶段；
对完全混合反应阶段，采用生化反应动力学模型进行建模，得到各物质浓度的净变化率的表达式；
对分层沉淀阶段，将边池沿水深方向分成10层，采用沉淀模型和生化反应动力学模型进行建模，得到每一层上各物质浓度的净变化率的表达式；
模拟所涉及到污水中的物质有：溶解氧、溶解性有机物、颗粒性有机物、氨氮、硝态氮、异养菌、自养菌；
1)当边池处于完全混合反应阶段时及中间池中，各物质浓度的净变化率的表达式为：
溶解氧：
溶解性有机物：
颗粒性有机物：
氨氮：
硝态氮：
异养菌：
自养菌：
式中：
SO：溶解氧的浓度，单位mgO2/L；
SCOD：溶解性有机物的浓度，单位mgCOD/L；
SNH：氨态氮的浓度，单位mgN/L；
SNO：硝态氮的浓度，单位mgN/L；
XCOD：颗粒性有机物的浓度，单位mgCOD/L；
XH：异养菌的浓度，单位mgCOD/L；
XA：自养菌的浓度，单位mgCOD/L；
Qin：边池或中间池的进水流量，单位m3/d；
Qout：边池或中间池的出水流量，单位m3/d；
V：边池或中间池的总容积，单位m3；
So,in：边池或中间池进水中溶解氧的浓度，单位mgO2/L；
SCOD,in：边池或中间池进水中溶解性有机物的浓度，单位mgCOD/L；
SNH,in：边池或中间池进水中氨态氮的浓度，单位mgN/L；
SNO,in：边池或中间池进水中硝态氮的浓度，单位mgN/L；
XCOD,in：边池或中间池进水中颗粒性有机物的浓度，单位mgCOD/L；
XH,in：边池或中间池进水中异养菌的浓度，单位mgCOD/L；
XA,in：边池或中间池进水中自养菌的浓度，单位mgCOD/L；
μH：异养菌最大比生长速率，单位h-1；
μA：自养菌最大比生长速率，单位h-1；
KS：异养菌生长半速率常数，单位mgCOD/L；
bH：异养菌比衰减速率，单位h-1；
KOH：异养菌氧呼吸半速率常数，单位mgO2/L；
KNO：异养菌硝态氮呼吸半速率常数，单位mgN/L；
ηg：异养菌缺氧状态生长修正系数；
kh：水解速率，单位mgCOD/(mg生物量(COD)·h)；
KX：水解半速率常数，单位mgCOD/(mg生物量(COD)；
ηh：缺氧状态水解修正系数；
KOA：自养菌氧呼吸半速率常数，单位mgO2/L；
KNH：自养菌生长半速率常数，单位mgN/L；
bA：自养菌比衰减速率，单位h-1；
YH：异养菌产率系数，单位mg生物量(COD)/mg COD去除；
YA：自养菌产率系数，单位mg生物量(COD)/mg被氧化的N；
对上述各项物质浓度随时间的净变化率进行联立得到微分方程组，进行数值求解，得中间池和处于完全混合反应阶段的边池中，各物质浓度随时间的变化；
2)当边池处于分层沉淀阶段时，每一层上各固体物质浓度的净变化率的表达式为：
颗粒性有机物：
异养菌：
自养菌：
式中：
Qout是边池的出水流量，单位m3/d；
S是边池的表面积，单位m2；
hm是当前层的高度，数值上等于池深和层数的比值，单位m；
XCOD,m，XH,m和XA,m分别是当前层上的颗粒性有机物、异养菌和自养菌浓度，单位g/m3；
XCOD,m+1，XH,m+1和XA,m+1分别是当前层上一层的颗粒性有机物、异养菌和自养菌浓度，单位g/m3；
JXCOD,m-1和JXCOD,m分别是当前层下面一层和当前层颗粒性有机物的通量；
JXH,m-1和JXH,m分别是当前层下面一层和当前层异养菌的通量；
JXA,m-1和JXA,m分别是当前层下面一层和当前层自养菌的通量。
当前层的通量算法：
JXCOD,m＝VmXCOD,m
JXH,m＝VmXH,m
JXA,m＝VmXA,m
Vm是当前层的固体沉降速度，通过下式计算：
式中，V0是最大理论沉降速度，单位m/d；
rh为沉降参数，单位为m3/g固体；
fns是边池进水中不可沉降物质所占的最大比例；
Xin是边池进水中的总悬浮固体浓度，g/m3；
Xin是边池进水中的总悬浮固体浓度，通过下式计算：
其中，Xi,in代表边池进水中的各种固体物质，有颗粒性有机物XCOD,in、异养菌XH,in、自养菌XA,,in，它们的加和作为进水中的总悬浮固体浓度；
Xm是当前层的总悬浮固体浓度，通过下式计算：
其中Xi,m代表当前层中的各种固体物质，有颗粒性有机物XCOD、异养菌XH、自养菌XA，它们浓度的加和作为当前层的总悬浮固体浓度；
μH：异养菌最大比生长速率，单位h-1；
μA：自养菌最大比生长速率，单位h-1；
KS：异养菌生长半速率常数，单位mgCOD/L；
bH：异养菌比衰减速率，单位h-1；
KOH：异养菌氧呼吸半速率常数，单位mgO2/L；
KNO：异养菌硝态氮呼吸半速率常数，单位mgN/L；
ηg：异养菌缺氧状态生长修正系数；
kh：水解速率，单位mgCOD/(mg生物量(COD)·h)；
KX：水解半速率常数，单位mgCOD/(mg生物量(COD)；
ηh：缺氧状态水解修正系数；ηg
KOA：自养菌氧呼吸半速率常数，单位mgO2/L；
KNH：自养菌生长半速率常数，单位mgN/L；
bA：自养菌比衰减速率，单位h-1；
对上述各项物质浓度随时间的净变化率进行联立得到微分方程组，进行数值求解，得处于分层沉淀阶段的边池中，每一层上各固体物质浓度随时间的变化；
3)当边池处于分层沉淀阶段时，每一层上各溶解性物质浓度的净变化率的表达式为：
溶解氧：
溶解性有机物：
氨氮：
硝态氮：
式中：
Qout：边池的出水流量，单位m3/d；
Vlayer：边池每层的容积，单位m3；
So,m、So,m+1：分别是当前层和当前层上面一层溶解氧的浓度，单位mgO2/L；
SCOD,m、SCOD,m+1：分别是当前层和当前层上面一层溶解性有机物的浓度，单位mgCOD/L；
SNH,m、SNH,m+1：分别是当前层和当前层上面一层氨态氮的浓度，单位mgN/L；
SNO,m、SNO,m+1：分别是当前层和当前层上面一层硝态氮的浓度，单位mgN/L；
μH：异养菌最大比生长速率，单位h-1；
μA：自养菌最大比生长速率，单位h-1；
KS：异养菌生长半速率常数，单位mgCOD/L；
KOH：异养菌氧呼吸半速率常数，单位mgO2/L；
KNO：异养菌硝态氮呼吸半速率常数，单位mgN/L；
KOA：自养菌氧呼吸半速率常数，单位mgO2/L；
KNH：自养菌生长半速率常数，单位mgN/L；
YH：异养菌产率系数，单位mg生物量(COD)/mg COD去除；
YA：自养菌产率系数，单位mg生物量(COD)/mg被氧化的N；
XH,m：当前层异养菌的浓度，单位mgCOD/L；
XA,m：当前层自养菌的浓度，单位mgCOD/L；
对上述各项物质浓度随时间的净变化率进行联立得到微分方程组，进行数值求解，得处于分层沉淀阶段的边池中，每一层上各溶解性物质浓度随时间的变化。
2.根据权利要求1所述的连续流交替式污水处理工艺的两相循环模拟方法，其特征在于，在一个连续流交替式污水处理工艺运行周期内，合理衔接边池完全混合反应阶段和分层沉淀阶段之间的切换，以确保两个阶段交替过程中的物料守恒，实现生化反应和沉淀-反应两种状态的耦合建模；
对于边池从分层沉淀阶段向完全混合反应阶段的切换，采用沉淀阶段结束时每一层物质浓度模拟结果的均值作为下一个完全混合反应阶段开始时的模拟初值；
对于边池从完全混合反应阶段向分层沉淀阶段的切换，采用完全混合反应阶段结束时的模拟结果作为下一个分层沉淀阶段开始时每一层上的模拟初值；
1)对于边池从分层沉淀阶段向完全混合反应阶段的切换，边池由分层沉淀状态进入完全混合状态时，各物质初始浓度即完全混合反应阶段开始时的模拟初值的表达式如下：
溶解氧：
溶解性有机物：
氨氮：
硝态氮：
颗粒性有机物：
异养菌：
自养菌：
式中：
SO,0：溶解氧由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度，单位g/m3；
SCOD,0：溶解性有机物由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度，单位g/m3；
SNH,0：氨氮由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度，单位g/m3；
SNO,0：硝态氮由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度，单位g/m3；
XCOD,0：颗粒性有机物由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度，单位g/m3；
XH,0：异养菌由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度，单位g/m3；
XA,0：自养菌由分层沉淀状态进入完全混合状态时的初始浓度，单位g/m3；
SO,m,Ts：溶解氧在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
SCOD,m,Ts：溶解性COD在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
SNH,m,Ts：氨氮在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
SNO,m,Ts：硝态氮在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
XCOD,m,Ts：颗粒性COD在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
XH,m,Ts：异养菌在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
XA,m,Ts：自养菌在分层沉淀状态结束时，每一层上的模拟结果，单位g/m3；
Vlayer：边池每层的容积，单位m3；
V：边池的总容积，单位m3；
N是边池在建模过程中分的层数；
下标中的Ts代表分层沉淀状态结束的时间节点，也就是下一完全混合状态开始的时间节点；
2)对于边池从完全混合反应阶段向分层沉淀阶段的切换，边池由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上各物质初始浓度即分层沉淀阶段开始时每一层上的模拟初值的表达式如下：
溶解氧：SO,m,0＝SO,TR
溶解性有机物：SCOD,m,0＝SCOD,TR
氨氮：SNH,m,0＝SNH,TR
硝态氮：SNO,m,0＝SNO,TR
颗粒性有机物：XCOD,m,0＝XCOD,TR
异养菌：XH,m,0＝XH,TR
自养菌：XA,m,0＝XA,TR
式中：
SO,m,0：溶解氧由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度，单位g/m3；
SCOD,m,0：溶解性有机物由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度，单位g/m3；
SNH,m,0：氨氮由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度(作为数值积分的初值)，单位g/m3；
SNO,m,0：硝态氮由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度，单位g/m3；
XCOD,m,0：颗粒性有机物由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度，单位g/m3；
XH,m,0：异养菌由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度，单位g/m3；
XA,m,0：自养菌由完全混合状态进入分层沉淀状态时，每一层上的初始浓度，单位g/m3；
SO,TR：溶解氧在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
SCOD,TR：溶解性有机物在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
SNH,TR：氨氮在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
SNO,TR：硝态氮在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
XCOD,TR：颗粒性有机物在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
XH,TR：异养菌在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
XA,TR：自养菌在完全混合状态结束时的模拟结果，单位g/m3；
下标中的TR代表完全混合状态结束的时间节点，也就是下一分层沉淀状态开始的时间节点。
3.如权利要求1或2所述的两相循环模拟方法在预测连续流交替式污水处理工艺中中间池和两个边池内氨氮、硝态氮浓度中的应用。
4.如权利要求1或2所述的两相循环模拟方法在预测连续流交替式污水处理工艺中出水有机物、氨氮、硝态氮浓度中的应用。
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