[发明专利]一种活性污泥污水处理的多维、多相、多过程耦合模拟方法

说明书

技术领域

本发明属于废水生物处理技术领域，涉及一种活性污泥水处理中的物理、化学、生物过程耦合模拟方法。

背景技术

目前，我国水污染的状况十分严峻。据环境部门的监测结果显示，我国七大水系中一半以上河段水质受到污染，全国1/3的水体不适于鱼类生存，1/4的水体不适于灌溉，90%的城市水域污染严重，50%的城镇水源不符合饮用水标准，40%的水源已不能饮用，主要污染物为氨氮、COD_Mn、BOD、挥发酚和石油类物质。因此严格控制污水达标排放、有效改善水环境现状已成为水资源保护的当务之急。

人类日常生活产生的生活污水排放量大，含有机物以及氮、磷等营养物质多，已经成为水体的重要污染源。《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中提出了严格的有机物、氮、磷等污染物的排放标准，要求污水处理厂出水达到一级A排放标准，因此寻找能耗低、运行效率高的优化控制策略成为了城镇生活污水处理厂共同关注的焦点。

数学模型是一种描述污水处理厂中物理及生化反应过程的有效手段，它能预测不同运行工况下的出水水质，指导污水处理厂的升级改造。因此，污水处理厂数学模型的研究近年来得到了快速发展。

然而，目前的数学模型往往将生活污水处理厂中的活性污泥视为污水中的一部分，将活性污泥归为液相中的组分，致使这些模型无法反映活性污泥与污水间的相间物理作用，进而也无法描述活性污泥在反应器中的淤积现象等，最终影响到合理反映污泥与污水间的相间生化作用，以及不能准确预测污水厂的出水水质。有关研究（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，活性污泥无论是在密度，还是在粘度上都与水有着本质的区别，污水厂中活性污泥往往以絮团或是颗粒态的形式存在，活性污泥应该被归为具有较高含水量的固相来处理。同时，曝气也是污水处理环节中至关重要的一步，曝气通过向活性污泥反应器中充入空气或者氧气，为活性污泥的好氧反应提供了充足的溶解氧，因此从这个角度上看，曝气过程实际上是发生在气相与液相间的相间作用过程，但目前还没有发现将气液相间传质过程耦合进模型中的报道。

针对以上问题，本发明将污水、活性污泥及空气分别视为液相、固相及气相，采用多相流运动方程描述污水处理厂中三相的运动特征及相间物理作用；进一步结合氧传质方程和污染物迁移转化方程，将污水与空气间发生的氧传质过程及活性污泥与污水间所发生的生化反应以源项的形式耦合进多相流运动方程中，进而能够准确地预测系统中溶解氧的分布特征、污染物的迁移转化特征以及相间的生化作用特征。该方法能准确合理描述污水处理厂中污水、活性污泥及空气间的相间物理及生化作用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种耦合物理及生化过程的活性污泥水处理全过程模拟方法。该方法与传统活性污泥模型侧重描述活性污泥的生物转化过程不同，本发明基于多相流理论，将活性污泥视为固相，将曝入活性污泥系统中的空气（气泡）视为气相，将污水视为液相，首次采用多相流运动方程描述污水处理系统中泥-水-气的运动特征及相间物理作用，从而准确地预测了活性污泥在系统中的物理运动特征；进一步结合氧传质方程和污染物迁移转化方程，将污水与空气间发生的氧传质过程及活性污泥与污水间所发生的生化反应以源项的形式耦合进多相流运动方程中，能够准确地预测系统中溶解氧的分布特征、污染物的迁移转化特征以及相间的生化作用特征。

本发明是通过下述过程加以实现的：

一、方法建立的假设

（1）污水为液相，活性污泥为固相，空气为气相。

（2）可溶性的溶解氧、化学需氧量（COD）、氨氮、硝氮及溶解性有机氮为液相中的组分，自养菌、异养菌及颗粒态的COD、颗粒态有机氮、微生物衰减产物为固相中的组分，氧气及氮气为气相中的组分。