CN110577278A - 预测氧化沟池型aao工艺溶解氧浓度空间分布的方法及介质 - Google Patents
预测氧化沟池型aao工艺溶解氧浓度空间分布的方法及介质 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种预测氧化沟池型AAO工艺溶解氧浓度空间分布的方法及介质，预测氧化沟池型AAO工艺溶解氧浓度空间分布的方法包括：将所述氧化沟曝气区域沿进水水流推进方向依次进行空间分割，得到n个曝气单元，各曝气单元溶解氧浓度DOi随时间的净变化率满足： 将各曝气单元内，溶解氧、溶解性有机物、氨氮、硝酸盐氮、异养型微生物和自养型微生物浓度的净变化率联立后，对时间进行积分求解，得到各个曝气单元的溶解氧浓度数据，本发明能解决脱离溶氧仪来近似获知氧化沟曝气区域内溶解氧浓度空间分布的问题。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理、计算机技术和数学建模领域，具体涉及预测氧化沟池型AAO工 艺溶解氧浓度空间分布的方法和介质。
背景技术
溶解氧浓度是污水生化处理过程中非常重要的一个工艺参数，因为生化处理效果的好坏 和溶解氧浓度是否合理息息相关，而且溶解氧浓度也关系到曝气量供给的多少，溶解氧水平 的高低和曝气系统的能耗高低有着密切的相关性。
长期的工程实践表明，氧化沟池型的AAO污水处理工艺，其溶解氧浓度宜呈现空间上 “前高后低”的梯度分布，以契合污染物去除的实际需求(前端污染物负荷较高，需要较高 水平的溶解氧环境；后端污染物已经被大量去除，不再需要高氧环境)；同时也避免了过量 供气(例如，溶解氧浓度在空间上呈近似均匀分布的情况)造成的能耗浪费。因此，针对污 水处理工艺的供气策略，也应当以促使溶解氧的合理空间分布为目标。如果能获知溶解氧浓 度的空间分布状况，将有助于优化和调整曝气量的供给和分配，从而提升污水处理的运行效 果，保证排放达标和实现节能降耗。
然而在实际的污水处理厂，氧化沟曝气区域沿程安装的溶氧仪通常寥寥无几，其数量不 足以支撑起对整个流程溶解氧浓度空间分布的了解需求。为此采购大量的溶氧仪是不现实和 不经济的，在污水厂的恶劣运行环境下仪表的维护成本也会非常高昂。
发明内容
鉴于以上技术问题，本发明的目的在于提供一种预测氧化沟池型AAO工艺溶解氧浓度 空间分布的方法，能够解决脱离溶氧仪来近似获知氧化沟曝气区域内溶解氧浓度空间分布的 问题。
本发明采用以下技术方案：
一种预测氧化沟池型AAO工艺溶解氧浓度空间分布的方法，包括以下步骤：
基于氧化沟曝气区域溶解氧浓度数据对氧化沟曝气区域内溶解氧浓度空间分布进行预 测；所述氧化沟曝气区域溶解氧浓度数据获取方法包括：
将所述氧化沟曝气区域沿进水水流推进方向依次进行空间分割，得到n个曝气单元，n 为自然数，i为小于或等于n的自然数；其中第i个曝气单元溶解氧浓度DOi随时间的净变 化率满足以下公式：
其中，为各曝气单元内溶解氧浓度随时间的净变化率；为 各曝气单元内因水力混合引起的溶解氧浓度随时间的变化率；为各曝气单元内因 生化反应引起的溶解氧浓度随时间的变化率；为曝气单元内因曝气充氧引起的溶 解氧浓度随时间的变化率；
氧化沟内和溶解氧浓度相关的水质成分：溶解性有机物、氨氮、硝酸盐氮、异养型微生 物和自养型微生物浓度随时间的净变化率满足以下公式：
其中为各曝气单元内溶解性有机物浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的溶解性有机物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的溶解性有机物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内氨氮浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的氨氮浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的氨氮浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内硝酸盐氮浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的硝酸盐氮浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的硝酸盐氮浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内异养型微生物浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的异养型微生物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的异养型微生物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内自养型微生物浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的自养型微生物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的自养型微生物浓度随时间的变化率；
将各曝气单元内，溶解氧、溶解性有机物、氨氮、硝酸盐氮、异养型微生物和自养型微 生物浓度的净变化率联立后，对时间进行积分求解，得到各个曝气单元溶解氧浓度；
所述各曝气单元内因水力混合引起的溶解氧浓度随时间的变化率溶解性 有机物浓度随时间的变化率氨氮浓度随时间的变化率硝 酸盐氮浓度随时间的变化率异养型微生物浓度随时间的变化率 自养型微生物浓度随时间的变化率满足以下公式：
其中，HRT为各曝气单元的水力停留时间，数值上等于曝气单元的容积和单元进水流量 的比值，满足：
其中TotalVol是氧化沟曝气区的容积，n是氧化沟曝气区划分的单元数量，Q是氧化沟 的进水量，所述氧化沟的进水量通过进水流量计获取；
当i>1时:
DOi-1为上一个曝气单元内的溶解氧浓度，作为当前曝气单元的入流溶解氧浓度；DOi为 当前曝气单元内的溶解氧浓度，单位为mg/L；
SCODi-1为上一个曝气单元内的溶解性有机物浓度，作为当前曝气单元的入流溶解性有 机物浓度；SCODi为当前曝气单元内的溶解性有机物浓度，单位为mg/L；
NH3Ni-1为上一个曝气单元内的氨氮浓度，作为当前曝气单元的入流氨氮浓度；NH3Ni为 当前曝气单元内的氨氮浓度，单位为mg/L；
NO3Ni-1为上一个曝气单元内的硝酸盐氮浓度，作为当前曝气单元的入流氨氮浓度；NO3Ni为当前曝气单元内的硝酸盐氮浓度，单位为mg/L；
XHi-1为上一个曝气单元内的异养型微生物浓度，作为当前曝气单元的入流异养型微生物 浓度；XHi为当前曝气单元内的异养型微生物浓度，单位为mg/L；
XAi-1为上一个曝气单元内的自养型微生物浓度，作为当前曝气单元的入流自养型微生物 浓度；XAi为当前曝气单元内的自养型微生物浓度，单位为mg/L；
且当i＝1时：
DOi-1，即DO0，为氧化沟曝气区域进水中的溶解氧浓度；DOi为当前曝气单元，即第一 个曝气单元内的溶解氧浓度，单位为mg/L；所述氧化沟曝气区域进水中的溶解氧浓度DO0通过进水溶氧仪获取；
SCODi-1，即SCOD0，为氧化沟曝气区域进水中的溶解性有机物浓度，作为当前曝气单元， 即第一个曝气单元的入流溶解性有机物浓度；SCODi为当前曝气单元，即第一个曝气单元内 的溶解性有机物浓度，单位为mg/L；所述氧化沟曝气区域进水中的溶解性有机物浓度SCOD0通过进水COD仪表获取；
NH3Ni-1，即NH3N0，为氧化沟曝气区域进水中的氨氮浓度；NH3Ni为当前曝气单元，即第一个曝气单元内的氨氮浓度，单位为mg/L；氧化沟曝气区域进水中的氨氮浓度NH3N0通 过进水氨氮仪获取；
NO3Ni-1，即NO3N0，为氧化沟曝气区域进水中的硝酸盐氮浓度；NO3Ni为当前曝气单元， 即第一个曝气单元，内的硝酸盐氮浓度，单位为mg/L；氧化沟曝气区域进水中的硝酸盐氮 浓度NO3N0通过进水硝氮仪获取；
XHi-1，即XH0，为氧化沟曝气区域进水中的异养型微生物浓度；XHi为当前曝气单元，即 第一个曝气单元内的异养型微生物浓度，单位为mg/L；氧化沟曝气区域进水中的异养型微 生物浓度XH0通过进水COD仪表获取；
XAi-1，即XA0，为氧化沟曝气区域进水中的自养型微生物浓度；XAi为当前曝气单元，即 第一个曝气单元内的自养型微生物浓度，单位为mg/L；氧化沟曝气区域进水中的自养型微 生物浓度XA0通过进水COD仪表获取；
所述氧化沟曝气区域进水中的溶解性有机物浓度、异养型微生物浓度和自养型微生物浓 度满足以下公式：
SCOD0＝CODIn×fscod
XH0＝CODIn×fXcod×XHRatio
XA0＝CODIn×fXcod×XARatio
其中，CODIn是进水仪表监测到的进入氧化沟曝气区域的有机物浓度；
fscod是有机物中溶解性物质的含量，典型取值0.3～0.5；
fXcod是有机物中颗粒性物质的含量，数值上为1-fscod；
XHRatio和XARatio分别是异养型微生物和自养型微生物在颗粒性有机物中的含量，默认 可取零；
所述各曝气单元内因生化反应引起的溶解氧浓度随时间的变化率溶解性有 机物SCOD随时间的变化率氨氮随时间的变化率硝酸盐氮随时间的变化率异养型微生物XH随时间的变化率和自养型微生物 XA随时间的变化率满足以下公式：
其中：
动力学参数：
YH为去除单位有机物消耗的异养型微生物量，即单位生物量/单位去除的有机物；
YA：去除单位氨氮消耗的自养型微生物量，即单位生物量/单位去除的氨氮；
μH：消耗有机物的异养型微生物的单位生长速率，单位：h-1；
μA：消耗氨氮的自养型微生物的单位生长速率，单位：h-1；
KS：异养型微生物的生长饱和常数，mg微生物/L；
KNH：自养型微生物的生长饱和常数，mg氮/L；
KOH：异养型微生物呼吸速率，mg氧/L；
KOA：自养型微生物呼吸速率，mg氧/L；
bH：异养型微生物的衰减速率系数，单位h-1；
bA：自养型微生物的衰减速率系数，单位h-1。
上述参数取值均可沿用模型默认的典型值，并结合模拟结果修正。
模型组分(即模拟结果)：
SCOD,i：当前曝气单元内的溶解性有机物浓度，mg有机物/L；
DO,i：当前曝气单元内的溶解氧浓度，mg氧/L；
NH3Ni：当前曝气单元内的氨氮浓度，mg氮/L；
XH,i：当前曝气单元内的异养型微生物浓度，mg微生物/L；
XA,i：当前曝气单元内的自养型微生物浓度，mg微生物/L；所述曝气单元内因曝气充氧 引起的溶解氧浓度随时间的变化率满足以下公式；
其中，θ：温度校正系数，默认值为1.033；
Temp：水温，摄氏度；
AirFlow：当前曝气单元的曝气流量,m3/h；可通过曝气总管安装的气体流量计和划分单 元数获得：
其中TotalAirFlow为氧化沟曝气区域的总曝气量，n是氧化沟曝气单元的划分单元数；
EA：曝气装置的氧传质效率，取20％～30％；
ρ：空气中氧气的密度，g/m3；Vol：当前曝气单元的容积，m3；
DOsat,20：20摄氏度水温、一个标准大气压下水面溶解氧的饱和浓度，默认值9.09mg/L；
DOSat,Temp水温为Temp、一个标准大气压下水面溶解氧的饱和浓度；
δ：水深对饱和溶解氧的校准系数，δ＝1+0.0346×d，d是曝气装置浸入水中的深度；
DOi：当前曝气单元的溶解氧浓度，mg/L。
一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时，实 现所述的预测氧化沟池型AAO工艺溶解氧浓度空间分布的方法。
相比现有技术，本发明的有益效果在于为
本发明提供了一种能够脱离溶氧仪来近似获知氧化沟曝气区域内溶解氧浓度空间分布 的解决方案，即可对氧化沟曝气区域内的溶解氧浓度空间分布做出实时预测，可帮助指导曝 气过程的优化，最终改善污水厂的运行效果，保证达标排放，实现节能降耗。
附图说明
图1为本发明实施例中氧化沟池型AAO反应池曝气单元切分概念示意图；
图2为本发明实施例中氧化沟曝气区域建模概念示意图；
图3为本发明具体实施例中曝气工艺段平面布局图；
图4为本发明具体实施例中模拟结果和实测结果中氧化沟曝气区域沿程方向的溶解氧 浓度空间分布图；
图5为本发明具体实施例中不同配气方式下，氧化沟曝气区域沿程方向的溶解氧、氨氮 和硝酸盐氮浓度空间分布图；
图6为本发明具体实施例中单位活性污泥耗氧量示意图；
图7为本发明具体实施例中活性污泥耗氧量的空间分布图；
图8为本发明具体实施例中曝气单元个数对溶解氧浓度空间分布预测的影响效果图；
图9为本发明一种预测氧化沟池型AAO工艺溶解氧浓度空间分布的方法的流程示意图。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲 突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
实施例：
请参考图1-9所示，一种预测氧化沟池型AAO工艺溶解氧浓度空间分布的方法，如图 9所示，包括以下步骤：
步骤S100:基于氧化沟曝气区域溶解氧浓度数据对氧化沟曝气区域内溶解氧浓度空间分 布进行预测；
步骤S1000:所述氧化沟曝气区域溶解氧浓度数据获取方法包括：
将所述氧化沟曝气区域沿进水水流推进方向依次进行空间分割，得到n个曝气单元，n 为自然数，i为小于或等于n的自然数；其中第i个曝气单元溶解氧浓度DOi随时间的净变 化率满足以下公式：
其中，为各曝气单元内溶解氧浓度随时间的净变化率；为 各曝气单元内因水力混合引起的溶解氧浓度随时间的变化率；为各曝气单元内 因生化反应引起的溶解氧浓度随时间的变化率；为曝气单元内因曝气充氧引起 的溶解氧浓度随时间的变化率；
氧化沟内和溶解氧浓度相关的水质成分：溶解性有机物、氨氮、硝酸盐氮、异养型微生 物和自养型微生物浓度随时间的净变化率满足以下公式：
其中为各曝气单元内溶解性有机物浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的溶解性有机物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的溶解性有机物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内氨氮浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的氨氮浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的氨氮浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内硝酸盐氮浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的硝酸盐氮浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的硝酸盐氮浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内异养型微生物浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的异养型微生物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的异养型微生物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内自养型微生物浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的自养型微生物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的自养型微生物浓度随时间的变化率；
步骤S1002:将各曝气单元内，溶解氧、溶解性有机物、氨氮、硝酸盐氮、异养型微生物和自养型微生物浓度的净变化率联立后，对时间进行积分求解，得到各个曝气单元溶解氧 浓度。
现对本发明方法原理进行具体说明:
由于氧化沟池型的特点，水流流态在沟内基本呈现推流，即一维单向流动为主，因此将 氧化沟曝气区域作为一个整体来建模并不合理，而是应该沿水流推进方向，将整个氧化沟曝 气区域视为一个长廊道，再将其切分为多个彼此串联的曝气单元(如图1、图2)，然后对每 个曝气单元的溶解氧浓度进行建模，最后将所有单元的溶解氧过程联立成一个大的数学模型 来求解。每个曝气单元内的溶解氧浓度视为均匀分布，即单元内各处的溶解氧浓度视为一致， 仅随时间变化，而没有空间上的变化。
因此，每个曝气单元内的溶解氧浓度随时间的净变化率可以按下式建立物料平衡表达 式：
氧化沟内的其它水质成分：溶解性有机物SCOD、氨氮NH3N、硝酸盐氮NO3N、异养型微生物XH和自养型微生物XA的浓度和溶解氧的消耗有着密切的数量关系，其随时间的净变化率可以表示为：
将各个曝气单元的溶解氧DO、溶解性有机物SCOD、氨氮NH3N、硝酸盐氮NO3N、异养 型微生物XH和自养型微生物XA的浓度随时间的净变化率表达式联立，即可获得一个多维的 微分方程组：
对该方程组进行数值求解(对时间进行积分)即可获得各曝气单元的溶解氧浓度随时 间的变化值，从而预测氧化沟曝气区域内溶解氧的空间分布。
从上述方程组可知，溶解氧浓度随时间的净变化率由水力混合、生化反应和曝气三个 独立的部分构成。而溶解性有机物SCOD、氨氮NH3N、硝酸盐氮NO3N、异养型微生物XH和自养型微生物XA的浓度随时间的净变化率则由水力混合和生化反应这独立的两部分组成。因此需要先定义这些独立部分的数学模型，才能获得完整的溶解氧和其它水质成分浓度随时 间净变化率的数学表达。
1、水力混合
各曝气单元内因水力混合引起的溶解氧DO、溶解性有机物SCOD、氨氮NH3N、硝酸 盐氮NO3N、异养型微生物XH、自养型微生物XA浓度随时间的变化率按下列公式建模：
其中，HRT为各曝气单元的水力停留时间，数值上等于曝气单元的容积和单元进水流量 的比值：
其中TotalVol是氧化沟曝气区的容积，n是氧化沟曝气区划分的单元数量，Q是氧化 沟的进水量(可通过进水流量计获取)；
当i>1时:
DOi-1为上一个曝气单元内的溶解氧浓度，作为当前曝气单元的入流溶解氧浓度；DOi为 当前曝气单元内的溶解氧浓度，单位为mg/L；
SCODi-1为上一个曝气单元内的溶解性有机物浓度，作为当前曝气单元的入流溶解性有 机物浓度；SCODi为当前曝气单元内的溶解性有机物浓度，单位为mg/L；
NH3Ni-1为上一个曝气单元内的氨氮浓度，作为当前曝气单元的入流氨氮浓度；NH3Ni为 当前曝气单元内的氨氮浓度，单位为mg/L；
NO3Ni-1为上一个曝气单元内的硝酸盐氮浓度，作为当前曝气单元的入流氨氮浓度；NO3Ni为当前曝气单元内的硝酸盐氮浓度，单位为mg/L；
XHi-1为上一个曝气单元内的异养型微生物浓度，作为当前曝气单元的入流异养型微生物 浓度；XHi为当前曝气单元内的异养型微生物浓度，单位为mg/L；
XAi-1为上一个曝气单元内的自养型微生物浓度，作为当前曝气单元的入流自养型微生物 浓度；XAi为当前曝气单元内的自养型微生物浓度，单位为mg/L；
当i＝1时：
DOi-1(即DO0)为氧化沟曝气区域进水中的溶解氧浓度，作为当前曝气单元(即第一个 曝气单元)的入流浓度；DOi为当前曝气单元(即第一个曝气单元)内的溶解氧浓度，单位 为mg/L；可通过进水溶氧仪获取；
SCODi-1(即SCOD0)为氧化沟曝气区域进水中的溶解性有机物浓度，作为当前曝气单元 (即第一个曝气单元)的入流溶解性有机物浓度；SCODi为当前曝气单元(即第一个曝气单 元)内的溶解性有机物浓度，单位为mg/L；可通过进水COD仪表获取；
NH3Ni-1(即NH3N0)为氧化沟曝气区域进水中的氨氮浓度，作为当前曝气单元(即第一 个曝气单元)的入流氨氮浓度；NH3Ni为当前曝气单元(即第一个曝气单元)内的氨氮浓度， 单位为mg/L；可通过进水氨氮仪获取；
NO3Ni-1(即NO3N0)为氧化沟曝气区域进水中的硝酸盐氮浓度，作为当前曝气单元(即 第一个曝气单元)的入流硝酸盐氮浓度；NO3Ni为当前曝气单元(即第一个曝气单元)内的 硝酸盐氮浓度，单位为mg/L；可通过进水硝氮仪获取；
XHi-1(即XH0)为氧化沟曝气区域进水中的异养型微生物浓度，作为当前曝气单元(即第 一个曝气单元)的入流异养型微生物浓度；XHi为当前曝气单元(即第一个曝气单元)内的异 养型微生物浓度，单位为mg/L；可通过进水COD仪表获取；
XAi-1(即XA0)为氧化沟曝气区域进水中的自养型微生物浓度，作为当前曝气单元(即第 一个曝气单元)的入流自养型微生物浓度；XAi为当前曝气单元(即第一个曝气单元)内的自 养型微生物浓度，单位为mg/L；可通过进水COD仪表获取；
所述氧化沟曝气区域进水的溶解性有机物、异养型微生物和自养型微生物浓度均可基于 进水COD仪表信号间接获取：
SCOD＝CODIn×fscod
XH0＝CODIn×fXcod×XHRatio
XA0＝CODIn×fXcod×XARatio
其中，CODIn是进水仪表监测到的进入氧化沟曝气区域的有机物浓度；
fscod是有机物中溶解性物质的含量，典型取值0.3～0.5；
fXcod是有机物中颗粒性物质的含量，数值上为1-fscod；
XHRatio和XARatio分别是异养型微生物和自养型微生物在颗粒性有机物中的含量，默认 可取零；
2、生化反应
根据生化反应动力学，污水中广泛存在的以活性污泥为载体的微生物，消耗水中的污 染物(有机物、氨氮)为营养物质，以供应其自身的生长需要，同时会消耗水中的溶解氧浓 度。在这一过程中，各曝气单元内因生化反应引起的溶解氧DO、溶解性有机物SCOD、氨氮 NH3N、硝酸盐氮NO3N、异养型微生物XH、自养型微生物XA浓度随时间的变化率按下列公式建模：
溶解氧：
溶解性有机物：
氨氮：
硝酸盐氮
异养型微生物：
自养型微生物
其中：
动力学参数：
YH为去除单位有机物消耗的异养型微生物量，即单位生物量/单位去除的有机物；
YA：去除单位氨氮消耗的自养型微生物量，即单位生物量/单位去除的氨氮；
μH：消耗有机物的异养型微生物的单位生长速率，单位：h-1；
μA：消耗氨氮的自养型微生物的单位生长速率，单位：h-1；
KS：异养型微生物的生长饱和常数，mg微生物/L；
KNH：自养型微生物的生长饱和常数，mg氮/L；
KOH：异养型微生物呼吸速率，mg氧/L；
KOA：自养型微生物呼吸速率，mg氧/L；
bH：异养型微生物的衰减速率系数，单位h-1；
bA：自养型微生物的衰减速率系数，单位h-1。
上述参数取值均可沿用模型默认的典型值，并结合模拟结果修正。
模型组分(即待求的模拟结果)：
SCOD,i：当前曝气单元内的溶解性有机物浓度，mg有机物/L；
DO,i：当前曝气单元内的溶解氧浓度，mg氧/L；
NH3Ni：当前曝气单元内的氨氮浓度，mg氮/L；
XH,i：当前曝气单元内的异养型微生物浓度，mg微生物/L；
XA,i：当前曝气单元内的自养型微生物浓度，mg微生物/L；
3.曝气
所述曝气单元内因曝气充氧引起的溶解氧浓度随时间的变化率按以下方式 建模；
其中，θ：温度校正系数，默认值为1.033；
Temp：水温，摄氏度；
AirFlow：当前曝气单元的曝气流量,m3/h；可通过曝气总管安装的气体流量计和划分单 元数获得：
其中TotalAirFlow为氧化沟曝气区域的总曝气量，n是氧化沟曝气单元的划分单元数；
EA：曝气装置的氧传质效率，取20％～30％；
ρ：空气中氧气的密度，g/m3；Vol：当前曝气单元的容积，m3；
DOsat,20：20摄氏度水温、一个标准大气压下水面溶解氧的饱和浓度，默认值9.09mg/L；
DOSat,Temp水温为Temp、一个标准大气压下水面溶解氧的饱和浓度；
δ：水深对饱和溶解氧的校准系数，δ＝1+0.0346×d，d是曝气装置浸入水中的深度；
DOi：当前曝气单元的溶解氧浓度，mg/L。
综上，可得到各曝气单元内溶解氧DO、溶解性有机物SCOD、氨氮NH3N、硝酸盐氮NO3N、异养型微生物XH、自养型微生物XA随时间的净变化率，即：
溶解氧：
溶解性有机物：
氨氮：
硝酸盐氮：
异养型微生物XH：
自养型微生物XA：
从而获得了定量描述各个曝气单元溶解氧DO、溶解性有机物SCOD、氨氮NH3N、硝酸盐 氮NO3N、异养型微生物XH和自养型微生物XA的浓度随时间净变化率的多维微分方程组的完整表达。利用数值计算方法对时间积分，求解该微分方程组，即可模拟计算得到各曝气单元内的溶解氧浓度，从而预测溶解氧在氧化沟上的空间分布。
所述的预测氧化沟池型AAO工艺溶解氧浓度空间分布的方法，还可包括以下步骤：
定期对动力学参数进行调整，所述动力学参数包括去除单位氨氮消耗的自养型微生物量 YA、消耗有机物的异养型微生物的单位生长速率μH、消耗氨氮的自养型微生物的单位μA、 自养型微生物呼吸速率KOA、自养型微生物呼吸速率KOA、异养型微生物的生长饱和常数 KS、自养型微生物呼吸速率KOA、自养型微生物呼吸速率KOA、自养型微生物呼吸速率KOA、 自养型微生物的生长饱和常数KNH和异养型微生物呼吸速率KOH。反应过程涉及到的各项 参数的默认取值参见下表1：
表1反应动力学参数
所述定期对动力学参数进行调整方法包括：通过手持式溶氧仪定期对氧化沟曝气区域内 溶解氧浓度进行监测，得到实测结果；获取对氧化沟池型AAO工艺的溶解氧浓度空间分布 进行预测的模拟结果；
将实测结果与模拟结果进行对比，根据实测结果与模拟结果的差异对动力学参数进行调 整。
具体实施例：以某污水处理厂的氧化沟曝气区域为例，说明本发明的具体实施方法和应 用效果。
该污水厂由两组平行的氧化沟池型AAO反应池构成，单组反应池的设计进水流量1200m3/h，设计气水比5～6，设计进水COD(有机物)为400mg/L，设计进水氨氮为20mg/L， 氧化沟曝气区域曝气工艺段廊道总长约400米，有效水深4.5米，其平面布局如图3所示：
以其中一组反应池作为建模对象，反应池沿廊道一共安装了10组曝气立管，基本保持 均匀配气。为简化模型，可将整个氧化沟曝气区域的曝气廊道切分成10个曝气单元，参照 前述的建模规则，建立各曝气单元内溶解氧浓度的数学模型。
该厂的进水流量、进水污染物(有机物、氨氮、硝酸盐氮)浓度和曝气量均为已知，可 通过安装在进水端的流量计、COD仪和氨氮/硝氮仪、曝气干管的气体流量计采集信号获得。
将进水流量、进水污染物浓度作为氧化沟曝气区域沿程第一个曝气单元的进水输入值， 同时根据沿程均匀配气的原则，计算出每组立管的供气量作为每个曝气单元的输入气量。求 解对应的方程组，即可获得各个曝气单元上的溶解氧浓度，从而获得溶解氧浓度的空间分布。
1、验证现场监测结果
基于已知的现场工艺运行条件，建立工艺模型之后，模拟出溶解氧在氧化沟曝气区域上 的空间分布。为了验证模拟结果的可信度，在氧化沟曝气区域沿程均匀、等距地选取10个 采样点(和模型的10个曝气单元相对应)，定期通过手持式溶氧仪监测水中的溶解氧浓度， 并将模拟结果和实测结果进行对照。在对照过程中发现两者产生较大的偏离时(绝对误差≥ 0.5mg/L)，对模型中的动力学参数进行调整以校准模型。最后得到了模拟结果和实测结果的 对下表。
溶解氧浓度监测和模拟结果对照表2所示：
表2溶解氧浓度监测和模拟结果对照(mgO2/L)
通过比较采样监测浓度和相同时刻的模型预测浓度，模型可以较理想地还原溶解氧浓度 在氧化沟曝气区域沿程的真实空间分布。
2、预测溶解氧浓度分布对运行效果的影响
不同污染物的去除对于溶解氧环境有不同的需求，因此即使是同样的曝气量，但由于配 气方式不同造成溶解氧空间分布上的差异，还是会带来不同的污染物去除效果。
拟采用同样的曝气量：6000m3/h，但采用不同的配气方式，来模拟各自的溶解氧分布和 相关的出水水质。均匀配气是指均匀配气即每个曝气单元分配同样的气量。渐减配气即在氧 化沟曝气区域前端的曝气单元分配较多的曝气量，后端的曝气单元分配较少的曝气量。下表 3为两种配气方式下，各曝气单元的配气比例：
表3:两种配气方式下，各曝气单元的配气比例表
不同配气方式下的溶解氧、氨氮、硝酸盐氮浓度预测结果表如下表4所示：
表4：不同配气方式下的溶解氧、氨氮、硝酸盐氮浓度预测结果表
不同配气方式下的溶解氧、氨氮、硝酸盐氮浓度空间分布如图4所示：图2为不同配气方式下，氧化沟曝气区域沿程方向的溶解氧、氨氮和硝酸盐氮浓度空间分布图。从上述的预测结果可以发现，氧化沟曝气区域沿程均匀配气的方式下，溶解氧浓度的空间分布呈现前 端低，后端高的情况，虽然氨氮的去除效果很理想(氨氮浓度沿程下降，到了后端完全可以 满足国家标准规定的需低于5mg/L的要求)，但是硝酸盐氮的去除效果则有待优化，沿程升 高，到氧化沟曝气区域末端已经超过12mg/L(国家标准规定的需低于15mg/L)，已接近超标。氨氮和硝酸盐氮的这一浓度分布规律正是由于溶解氧浓度分布的“前低后高”引起的。
而采取渐减配气的方式，溶解氧浓度分布总体呈现前高后低的趋势(除了第一个曝气单 元，因为直接接受进水的污染物负荷，所以溶解氧消耗很大，所以虽然它分配到的气量是最 多的，但无法维持较高的溶解氧浓度)。在这样的配气方式下，氨氮的沿程下降趋势较均匀 配气更明显，虽然到了氧化沟曝气区域末端的氨氮较均匀配气有所上升，但仍然完全满足国 家标准；而硝酸盐氮的后端浓度要低于均匀配气方式，氨氮和硝酸盐氮的整体去除效果较均 匀配气更好。
综上，通过对溶解氧浓度分布的预测，可以在不增加曝气量的前提下通过合理优化配气策略， 来实现更好的出水排放，改善出水水质的同时，间接实现了能耗的节省。
现对单位活性污泥耗氧量的预测进行具体说明：
基于溶解氧浓度空间分布的预测，可进一步预测氧化沟曝气区域沿程的单位活性污泥耗 氧量及其空间分布，作为对活性污泥生化性能的评估。
单位活性污泥耗氧量定义为：单位活性污泥对应的生物量所消耗的溶解氧。具体的，通 过如下方法得到：
1)对氧化沟曝气区域沿程进行均匀曝气，通过模型预测得到溶解氧浓度(及其它水质 指标浓度)的空间分布；
2)假设氧化沟曝气区域的进水中不含污染物、微生物和溶解氧，即为清水，进水流量 和曝气量均不变，沿程均匀曝气，通过模型预测得到溶解氧浓度的空间分布。
3)计算两种工况下的溶解氧浓度的差值，如图7活性污泥耗氧量的空间分布图所示；
4)计算溶解氧浓度的差值和1)中得到的活性污泥生物量的比值(可通过异养、自养两 种微生物浓度的预测结果相加得到)，即为单位活性污泥的耗氧量。
清水曝气工况下，到氧化沟曝气区域后端得到的溶解氧其实是饱和溶解氧，也就是不发 生污染物去除和微生物生长的生化反应时，通过曝气充氧，水中的溶解氧所能达到的极限； 氧化沟曝气区域前端由于进水不含溶解氧的缘故存在稀释效应，所以还无法达到饱和；因此 这种情况下氧化沟曝气区域沿程的溶解氧浓度空间分布是逐渐升高的，越往后越趋近饱和。
而在正常处理污水的工况下，水中的溶解氧浓度是进行曝气充氧、微生物与污染物进行 生化反应以后，残存的溶解氧。如果是均匀配气，氧化沟曝气区域前端接受的污染物负荷高， 溶解氧消耗剧烈，残存的溶解氧浓度较低；氧化沟曝气区域后端因为污染物已被大量去除， 溶解氧消耗较少，残存的溶解氧浓度较高。
清水、污水两种情况下曝气得到的溶解氧浓度的差值即活性污泥(微生物)与污染物反 应所需消耗的那部分溶解氧，如图6单位活性污泥耗氧量所示，这一溶解氧差值和微生物浓 度的比值，即为单位活性污泥(生物量)所需消耗的溶解氧量。
单个曝气单元的单位活性污泥耗氧量按下式表示：
OCSi：单位活性污泥耗氧量，mg/L氧/mg/L活性污泥生物量
DOclean,,i：清水曝气工况下的溶解氧浓度，mg/L
DOi：污水曝气工况下的溶解氧浓度，mg/L
MLVSSi：活性污泥微生物浓度，为污水曝气工况下的异养型微生物XH、自养型微生物 XA浓度之和，mg/L。
在建模过程中，将氧化沟曝气区域廊道沿水流方向均匀划分成多个串联的曝气单元。为 研究曝气单元个数对溶解氧浓度分布预测的影响，分布将单元数N设置成10、20、30、40、 50、100和200，然后分布针对这些划分方式来建模，并模拟预测出溶解氧浓度的空间分布， 结果如图8所示：
从上述结果发现，划分的曝气单元数N越多，各个单元溶解氧预测结果连成的曲线越 光滑，越能反映溶解氧浓度在氧化沟曝气区域空间上的连续分布。但曝气单元数N的增加 对溶解氧浓度分布的影响会逐渐减弱，增加到一定程度时，再继续增加单元数所能产生的影 响就很小了，如本例中N＝100和N＝200对应的溶解氧浓度分布曲线基本重合。考虑到划分 的单元数过多会影响模型的计算性能，因此在实际的建模过程中不宜分得太多，可通过设置 多个划分单元数的模拟结果来确定合适的取值。就本例而言，N＝20时的结果就已经可以近 似描述溶解氧的连续分布了。建议在实际应用中，划分的曝气单元数取15～30之间的自然 数。
本发明通过采集进水负荷的信号以及曝气量的信号，即可对氧化沟曝气区域内的溶解氧 空间分布做出实时预测，从而推算沿程的单位活性污泥耗氧量，同时还可获知污染物浓度的 空间分布，作为判断配气方案是否合理的依据，帮助指导曝气过程的优化，最终改善污水厂 的运行效果，保证达标排放，实现节能降耗。
本发明还提供一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，本发明的方法如果以软件 功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在该计算机存储介质中。基 于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来 指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机存储介质中，该计算机程序在 被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程 序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形 式等。所述计算机存储介质可以包括为能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记 录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、 随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介 质等。需要说明的是，所述计算机存储介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实 践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机存储介质 不包括电载波信号和电信信号。
对本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应 的改变以及形变，而所有的这些改变以及形变都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种预测氧化沟池型AAO工艺溶解氧浓度空间分布的方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于氧化沟曝气区域溶解氧浓度数据对氧化沟曝气区域内溶解氧浓度空间分布进行预测；所述氧化沟曝气区域溶解氧浓度数据获取方法包括：
将所述氧化沟曝气区域沿进水水流推进方向依次进行空间分割，得到n个曝气单元，n为自然数，i为小于或等于n的自然数；其中第i个曝气单元溶解氧浓度DOi随时间的净变化率满足以下公式：
其中，为各曝气单元内溶解氧浓度随时间的净变化率；为各曝气单元内因水力混合引起的溶解氧浓度随时间的变化率；为各曝气单元内因生化反应引起的溶解氧浓度随时间的变化率；为曝气单元内因曝气充氧引起的溶解氧浓度随时间的变化率；
氧化沟内和溶解氧浓度相关的水质成分：溶解性有机物、氨氮、硝酸盐氮、异养型微生物和自养型微生物浓度随时间的净变化率满足以下公式：
其中为各曝气单元内溶解性有机物浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的溶解性有机物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的溶解性有机物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内氨氮浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的氨氮浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的氨氮浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内硝酸盐氮浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的硝酸盐氮浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的硝酸盐氮浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内异养型微生物浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的异养型微生物浓度随时间的变化率；为各曝气单元内因生化反应引起的异养型微生物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内自养型微生物浓度随时间的净变化率；
为各曝气单元内因水力混合引起的自养型微生物浓度随时间的变化率；
为各曝气单元内因生化反应引起的自养型微生物浓度随时间的变化率；
将各曝气单元内，溶解氧、溶解性有机物、氨氮、硝酸盐氮、异养型微生物和自养型微生物浓度的净变化率联立后，对时间进行积分求解，得到各个曝气单元溶解氧浓度；
所述各曝气单元内因水力混合引起的溶解氧浓度随时间的变化率溶解性有机物浓度随时间的变化率氨氮浓度随时间的变化率硝酸盐氮浓度随时间的变化率异养型微生物浓度随时间的变化率自养型微生物浓度随时间的变化率满足以下公式：
其中，HRT为各曝气单元的水力停留时间，数值上等于曝气单元的容积和单元进水流量的比值，满足：
其中TotalVol是氧化沟曝气区的容积，n是氧化沟曝气区划分的单元数量，Q是氧化沟的进水量，所述氧化沟的进水量通过进水流量计获取；
当i>1时:
DOi-1为上一个曝气单元内的溶解氧浓度，作为当前曝气单元的入流溶解氧浓度；DOi为当前曝气单元内的溶解氧浓度，单位为mg/L；
SCODi-1为上一个曝气单元内的溶解性有机物浓度，作为当前曝气单元的入流溶解性有机物浓度；SCODi为当前曝气单元内的溶解性有机物浓度，单位为mg/L；
NH3Ni-1为上一个曝气单元内的氨氮浓度，作为当前曝气单元的入流氨氮浓度；NH3Ni为当前曝气单元内的氨氮浓度，单位为mg/L；
NO3Ni-1为上一个曝气单元内的硝酸盐氮浓度，作为当前曝气单元的入流氨氮浓度；NO3Ni为当前曝气单元内的硝酸盐氮浓度，单位为mg/L；
XHi-1为上一个曝气单元内的异养型微生物浓度，作为当前曝气单元的入流异养型微生物浓度；XHi为当前曝气单元内的异养型微生物浓度，单位为mg/L；
XAi-1为上一个曝气单元内的自养型微生物浓度，作为当前曝气单元的入流自养型微生物浓度；XAi为当前曝气单元内的自养型微生物浓度，单位为mg/L；
且当i＝1时：
DOi-1，即DO0，为氧化沟曝气区域进水中的溶解氧浓度；DOi为当前曝气单元，即第一个曝气单元内的溶解氧浓度，单位为mg/L；所述氧化沟曝气区域进水中的溶解氧浓度DO0通过进水溶氧仪获取；
SCODi-1，即SCOD0，为氧化沟曝气区域进水中的溶解性有机物浓度，作为当前曝气单元，即第一个曝气单元的入流溶解性有机物浓度；SCODi为当前曝气单元，即第一个曝气单元内的溶解性有机物浓度，单位为mg/L；所述氧化沟曝气区域进水中的溶解性有机物浓度SCOD0通过进水COD仪表获取；
NH3Ni-1，即NH3N0，为氧化沟曝气区域进水中的氨氮浓度；NH3Ni为当前曝气单元，即第一个曝气单元内的氨氮浓度，单位为mg/L；氧化沟曝气区域进水中的氨氮浓度NH3N0通过进水氨氮仪获取；
NO3Ni-1，即NO3N0，为氧化沟曝气区域进水中的硝酸盐氮浓度；NO3Ni为当前曝气单元，即第一个曝气单元，内的硝酸盐氮浓度，单位为mg/L；氧化沟曝气区域进水中的硝酸盐氮浓度NO3N0通过进水硝氮仪获取；
XHi-1，即XH0，为氧化沟曝气区域进水中的异养型微生物浓度；XHi为当前曝气单元，即第一个曝气单元内的异养型微生物浓度，单位为mg/L；氧化沟曝气区域进水中的异养型微生物浓度XH0通过进水COD仪表获取；
XAi-1，即XA0，为氧化沟曝气区域进水中的自养型微生物浓度；XAi为当前曝气单元，即第一个曝气单元内的自养型微生物浓度，单位为mg/L；氧化沟曝气区域进水中的自养型微生物浓度XA0通过进水COD仪表获取；
所述氧化沟曝气区域进水中的溶解性有机物浓度、异养型微生物浓度和自养型微生物浓度满足以下公式：
SCOD0＝CODIn×fScod
XH0＝CODIn×fXcod×XHRatio
XA0＝CODIn×fXcod×XARatio
其中，CODIn是进水仪表监测到的进入氧化沟曝气区域的有机物浓度；
fscod是有机物中溶解性物质的含量，典型取值0.3～0.5；
fXcod是有机物中颗粒性物质的含量，数值上为1-fscod；
XHRatio和XARatio分别是异养型微生物和自养型微生物在颗粒性有机物中的含量，默认可取零；
所述各曝气单元内因生化反应引起的溶解氧浓度随时间的变化率溶解性有机物SCOD随时间的变化率氨氮随时间的变化率硝酸盐氮随时间的变化率异养型微生物XH随时间的变化率和自养型微生物XA随时间的变化率满足以下公式：
其中：
动力学参数：
YH为去除单位有机物消耗的异养型微生物量，即单位生物量/单位去除的有机物；
YA：去除单位氨氮消耗的自养型微生物量，即单位生物量/单位去除的氨氮；
μH：消耗有机物的异养型微生物的单位生长速率，单位：h-1；
μA：消耗氨氮的自养型微生物的单位生长速率，单位：h-1；
KS：异养型微生物的生长饱和常数，mg微生物/L；
KNH：自养型微生物的生长饱和常数，mg氮/L；
KOH：异养型微生物呼吸速率，mg氧/L；
KOA：自养型微生物呼吸速率，mg氧/L；
bH：异养型微生物的衰减速率系数，单位h-1；
bA：自养型微生物的衰减速率系数，单位h-1；
上述参数取值均可沿用模型默认的典型值，并结合模拟结果修正；
模型组分(即模拟结果)：
SCOD,i：当前曝气单元内的溶解性有机物浓度，mg有机物/L；
DO,i：当前曝气单元内的溶解氧浓度，mg氧/L；
NH3Ni：当前曝气单元内的氨氮浓度，mg氮/L；
XH,i：当前曝气单元内的异养型微生物浓度，mg微生物/L；
XA,i：当前曝气单元内的自养型微生物浓度，mg微生物/L；所述曝气单元内因曝气充氧引起的溶解氧浓度随时间的变化率满足以下公式；
其中，θ：温度校正系数，默认值为1.033；
Temp：水温，摄氏度；
AirFlow：当前曝气单元的曝气流量,m3/h；可通过曝气总管安装的气体流量计和划分单元数获得：
其中TotalAirFlow为氧化沟曝气区域的总曝气量，n是氧化沟曝气单元的划分单元数；
EA：曝气装置的氧传质效率，取20％～30％；
ρ：空气中氧气的密度，g/m3；Vol：当前曝气单元的容积，m3；
DOsat,20：20摄氏度水温、一个标准大气压下水面溶解氧的饱和浓度，默认值9.09mg/L；
DOSat,Temp水温为Temp、一个标准大气压下水面溶解氧的饱和浓度；
δ：水深对饱和溶解氧的校准系数，δ＝1+0.0346×d，d是曝气装置浸入水中的深度；
DOi：当前曝气单元的溶解氧浓度，mg/L。
2.一种计算机存储介质，其特征在于，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器执行时，实现如权利要求1所述的预测氧化沟池型AAO工艺溶解氧浓度空间分布的方法。
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