活性污泥系统水力-生物耦合模型建立及其应用研究

摘要

随着水污染的日益严重，水中污染物质的去除得到了高度重视。目前，国内水污染控制中水处理工程的设计以及污水处理厂的建设运行管理都根据过往的调试经验进行，将耗费大量人力物力，因此通过计算机仿真程序对污水处理过程进行模拟从而为污水处理工程的设计以及运行管理提供优化方案是大势所趋。当前污水处理工程的主要方法为活性污泥法。国际上有包括国际水协ASM课题组、UCT课题组以及EAWAG、TUDP等多个课题组致力于活性污泥模型的研究。EAWAG、TUDP分别推出的ASM3 Bio-P模型和TUDP模型都可以模拟营养物质全去除过程，比较具有代表性，但这些模型都属于均质模型，无法反应污染物质随水流方向的变化趋势。 为了更符合污水处理实际情况，本研究基于ASMs模型和TUDP模型，根据微生物耦合机理，改进生物模型，添加抑制形式的开关函数，耦合其他模型的较优部分得到ATCM(ASMs TUDP CouplingModel)模型。通过对水力场的推导，建立水力场控制方程和边界条件，将水力模型与生物模型耦合，得到水力,生物耦合模型HBCM(Hydraulic Biological Coupling Model)。 采用数值解法中的有限元法对HBCM模型进行求解。使用MATLAB语言建立活性污泥系统AAO工艺的模拟程序。该程序可模拟AAO工艺的厌氧池、缺氧池、好氧池的生化反应和污染物质随流场一维方向的改变，并可直观地通过图形看到污染物质随时间和空间的变化过程。本研究中HBCM模型的校核工作是基于德清县狮山污水处理厂AAO工艺的工艺参数、水质参数的基础数据开展。AAO工艺的工艺参数由污水处理厂设计资料以及管理资料提供。同时，本研究在德清污水处理厂开展了连续三十日的水质监测工作。模型参数沿用国际推荐的默认值。经过校核，数值模型与实际情况较吻合。 将校核后的模型应用于德清狮山污水处理厂污水处理过程优化运行管理的研究，改变不同工艺参数、流量和进水水质参数，模拟污Z物质去除过程，预测污水出水水质，提出德清污水处理厂污水处理过程优化运行的改进方案。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

第一节研究背景意义

一、研究背景

二、研究意义

第二节国内外研究进展

一、微生物机理研究进展

二、活性污泥系统生物均质模型研究进展

三、活性污泥系统多场耦合模型研究进展

四、活性污泥模型在我国的应用

五、现有活性污泥模型存在的问题

第三节研究内容与研究方案

一、研究目标

二、研究内容

三、研究方案

四、难点与创新点

第二章活性污泥系统水力-生物耦合模型建模研究

第一节活性污泥系统生物耦合模型建模

一、活性污泥系统生物耦合模型建立基础

二、活性污泥系统生物耦合模型建立思想

三、活性污泥系统生物耦合模型ATCM

第二节活性污泥系统水力流场模型的建立方法研究

一、活性污泥系统水力流场模型控制方程推导

二、水力流场模型边界条件和初始条件

第三节活性污泥系统水力-生物耦合模型建模

一、活性污泥系统水力-生物耦合模型建立

二、活性污泥系统水力-生物耦合模型AAO工艺的应用

第四节本章小结

第三章活性污泥系统水力-生物耦合模型求解与模拟程序开发

第一节HBCM模型数值模拟优化算法研究

一、数值方法原理

二、有限元法

三、三对角线方程组的追赶法

第二节HBCM模型数值模拟程序开发

一、模型数值模拟程序语言介绍

二、模型数值模拟程序编写流程

三、水力-生物耦合模型主程序

第三节本章小结

第四章活性污泥系统水力-生物耦合模型校核研究

第一节活性污泥系统水力-生物耦合模型校核过程

一、模型校核研究步骤

二、模型数据的获取

第二节水力-生物耦合模型校核结果分析

一、HBCM模型模拟程序参数校核结果

二、HBCM模型模拟结果分析

第三节本章小结

第五章活性污泥系统水力-生物耦合模型应用研究

第一节德清狮山污水处理厂AAO系统的实际运行工况的监测

一、德清狮山污水处理厂AAO系统概况

二、德清污水处理厂AAO系统运行工况分析

第二节德清污水处理厂运行工艺优化数值模拟研究与分析

一、工艺参数对处理效果的影响研究

二、水质参数对处理效果的影响研究

第三节德清狮山污水处理厂优化运行工艺的改进建议

一、污水处理厂工艺参数调整

二、污水处理厂水质参数调整

第六章结论与建议

第一节结论

第二节建议

参考文献

附录

致谢