环境数模课程设计报告说明书.pdf
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1、-2016?环境数学模型?课程设计说明书1.1.题目题目活性污泥系统生化反响器中底物降解与微生物增长数学模型的建立2.2.实验方法与结果实验方法与结果2.1.2.1.实验方法实验方法2.1.1.2.1.1.工艺流程与反响器工艺流程与反响器本设计采用的工艺流程如下列图所示:图 2-1 活性污泥系统工艺流程图本设计工艺采用活性污泥法处理污水,工艺的主要反响器包括生化反响器和沉淀池。污水通过蠕动泵恒速加到生化反响器中,反响器活性污泥和污水在机械搅拌设备和鼓风曝气设备的共同作用下充分接触,并在氧气充足的条件下进展反响。经处理后,污泥混液通过管道自流到沉淀池中,在里面实现泥水别离。别离后的水通过溢流堰从
2、周边排出,直接被排放到下水道系统,沉淀下来的污泥那么通过回流泵,全部被抽回进展回流。系统运行过程中,进出水流量、进水质量、污水的停留时间、生化反响器的容积、机械搅拌设备转轴转速、鼓风曝气装置的曝气风量气速、污泥回流量等参数在系统运行的过程中都保持不变。待系统持续运行一周稳定后再取样进展分析。实验的进水为实验室配置的污水,污水分别以葡萄糖、尿素、磷酸二氢钾为碳源、氮源和磷源,其中 C:N:P=100:40:1浓度比,TOC 含量为 200mg/L。生化反响器污泥混液的容量为 12L,污水停留时间为6h。系统运行时间为两周,第一周是调适阶段,第二周取样测试,测得的数据作为建模的原始数据。表 2-1
3、 污水中各营养物质的含量营养物质含量mg/L葡萄糖C500200尿素N8540磷酸二氢钾P8.771-.word.zl-2.1.2.2.1.2.取样方法取样方法每隔 24h 取一次样,通过虹吸管取样。每次取样时,先取进水和出水水样用于测水体的COD 指标,其中进水直接取配得的污水溶液,出水取沉淀池上清液。取得的水样过膜除去水中的悬浮固体和微生物,保存在5ml 玻璃消解管中,并在 4下冷藏保存。取完用于测 COD 的水样后,全开污泥回流泵,将沉淀池中的污泥全部抽回生化反响器由于实验装置的原因,沉淀池排泥管易堵,污泥易积聚在沉淀池中,为更准确测定活性污泥的增长情况,在此实验中将泥完全抽回后再测定,
4、待搅拌均匀后,取 5ml 污泥混液于干净、衡重的坩埚中,待用于测污泥混液的SS。2.1.3.2.1.3.分析方法分析方法本实验一共分析进出水 COD 和污泥混液 SS 两个指标。其中 COD 采用?水质 快速消解分光光度法?HJ/T 399-2007方法进展分析,SS 采用?水质 悬浮物的测定 重量法?GB11901-89方法进展分析。准确取 2ml 经过膜处理的水样于 5mlcod 消解管中,以重铬酸钾为氧化剂,硫酸银-浓硫酸为催化剂,硫酸汞为抗氯离子干扰剂,按一定比例与水样混合均匀。将消解管放在COD消解仪中,在 150条件下消解 2h。待经消解的溶液冷却后,以空白样为参比液,在 COD分
5、析仪上读出待测水样的COD 值,记录数据。将装在已衡重称重的坩埚中的污泥混液放在烘箱中,在 105温度下烘 3h 以上,保证污泥中的水分被充分除去。坩埚冷却后衡重称重,记录干污泥的质量,求得活性污泥的SS。实验过程的所有样品都设置两个平行样,最后结果取平行样的算术平均值。2.2.2.2.实验结果实验结果2.2.1.2.2.1.实验数据实验数据实验测得数据如下表:表 2-2 活性污泥系统水质分析结果时间DAY 1DAY 2DAY 3MLSS mg/L 进水 CODmg/L出水 CODmg/L0075消耗 COD mg/L22345319942016102260223453273-.word.zl
6、-DAY 4DAY 52.2.2.2.2.2.数据分析数据分析25805880547414660482414根据表中数据,混合液悬浮固体 MLSS 的浓度随着活性污泥系统运行时间的延长而增大,对于同一活性污泥系统,MLSS 浓度与活性污泥量成正比,MLSS 的变化在一定程度上反响系统的活性污泥量的变化,系统中的活性污泥量随时间的延长而呈增长趋势。在本设计中,活性污泥系统生化反响器处于稳定状态,底物充足且浓度根本不变。微生物在营养物质充足、曝气充分的条件下得以快速生长繁殖。实验测得的结果与现实规律一致。本设计配的营养液中葡萄糖浓度为0.5g/L,对应的理论 COD 值为 533mg/L。实际测得
7、的进水 COD 值普遍低于 533mg/L,这是由于葡萄糖非常容易被微生物降解利用。实验所用营养液暴露在空气中,可以被空气中的微生物利用,使得实际测得值偏低。另一个可能原因是实验所用的 COD 消解仪由于使用年限较长,工作性能下降,不能消解充分,进而使得实验结果偏低,且实验结果偏差较大。进水中碳源葡萄糖为溶解性有机物,容易被微生物利用。进水COD 含量不算高,停留时间长达 6h,根据已有的经历,出水COD 值应该为 0 或接近 0。但表中 DAY 3 和 DAY 4的出水 COD 高达 66-75mg/L。这是由于人员操作失误,在测 COD 时没有进展空白样的参比,由此致使出水 COD 值比其
8、他时期的要高。3.3.数学建模数学建模3.1.3.1.模型假设与前提模型假设与前提为了简化实际问题,方便研究问题,在建立底物降解与微生物增长数学模型时对反响系统作出如下假设:(1)生化反响器处于完全混合状态,所有生物反响均在恒定温度下进展;(2)进水中的微生物浓度与曝气池中的活性污泥微生物浓度相比很小,可以忽略;(3)系统处于稳定状态;(4)二沉池中没有微生物的活动,没有污泥累积,泥水别离良好;(5)生化反响器曝气充足,污泥混液氧含量为常数,不存在微生物的厌氧代;-.word.zl-(6)反响系统的 PH 维持在适宜微生物生长代的水平,PH 为常数;(7)反响系统的氮含量很低,与以溶解性可生化
9、有机物的代相比,微生物的氨化作用、硝化作用、反硝化作用以及有机氮的水解作用水平很低,可以忽略。(8)不考虑颗粒态有机物因吸附作用而从反响体系中被除去。(9)颗粒态有机物质的生物网捕瞬间完成。(10)微生物的衰减与电子受体的形式无关。3.2.3.2.模型工艺流程与反响器模型工艺流程与反响器为了使建立的数学模型更符合实际实验情况,建立模型采用的工艺流程尽量接近实际情况。基于这样的考虑,本设计采用的模型工艺流程与反响器如下列图所示:模型处于稳定运行的理想状态,进出水流量相等。污水从进水管流入生化反响器,经生化反响器的活性污泥代处理后,进入沉淀池。污泥和处理水在沉淀池中完全别离,污泥全部回流到生化反响
10、器中,回流流量为进水流量的50%。经处理后的净水从沉淀池中被排出系统。3.3.3.3.生化反响模型生化反响模型模型的建立是基于活性污泥1 号模型 Activated Sludge Model No.,简称 ASM1 建立。ASM1 采用了 Dold 等人 1980 年提出的死亡再生理论对单级活性污泥系统的碳氧化、硝化和反硝化三种主要生物学过程中的相关速率进展了定量描述。模型中采用Monod 比生长速率动力学来解释自养菌或异养菌的生长,与生长速率有关的单个过程中各组分之间的数量关系用化学当量系数描述。为简化单位的换算,模型对全部有机组分和生物体统一采用COD当量来表示。ASM1 从呼吸过程中电子
11、受体的角度将活性污泥体系划分为8 个过程,包括异养菌的好氧和厌氧生长、自养菌的好氧生长、异养菌和自养菌的衰减、可溶性有机氮的氨化以及网捕性有机物、有机氮的水解。-.word.zl-本实验中,在实验假设前提下,生化反响器充分曝气,不存在厌氧代,不考虑氮磷的影响,故仅存在异养菌的好氧生长、异养菌的衰减和网捕性有机物的水解三种反响过程。另外由于忽略生化反响器中 PH 的变化和氮对过程微生物生长的影响,本设计的模型方程式与ASM1 存在差异,两者的动力学方程式比照方下表。表 3-1ASM1 方程式与本实验模型方程式比照反响过程异养菌的好氧生长速率异养菌的衰减速率网捕性有机物的水解速率ASM1 方程式本
12、实验模型方程式HSSKSSSSOKO.HSOXB.HHSSKSSSSOKO.HSOXB.HbHXB.HkhXSbHXB.HKO.HKXXB.HXSXB.HSOKO.HSOHKO.HSOSNOKNOSNOXB.HkhXSKXXB.HXSXB.HSOKO.HSOXB.H3.4.3.4.变量与常数变量与常数3.4.1.3.4.1.模型的变量模型的变量本模型围绕底物降解对微生物生长的影响建立,过程包括的变量有:溶解性底物浓度SS、异养菌生物量 XBH、微生物衰减产生的颗粒性产物含量 Xp、慢速可生物降解基质 XS、系统的运行时间 t。3.4.2.3.4.2.模型的常数模型的常数对于 ASM1,模拟的反
13、响过程常数主要可分为三种类型:化学计量常数、动力学常数、反响器常数。对于本设计模型,涉及异养菌的好氧生长、异养菌的衰减和网捕性有机物的水解三种过程,设计的动力学常数包括:异养菌最大比增长速率H、异养菌版饱和系数 KS、异养菌的氧半饱和系数 KOH、异养菌衰减系数 bH、最大比水解速率 Kh、慢速可生化降解基质水解的半饱和系数 KX,化学计量常数包括:生物量中可转化为颗粒性产物的比例 fp、异养菌产率 YH,反响器常数包括反响器的体积 V。另外,在实验假设前提下,模型在常温下运行,反响器充分曝气,生化反响器中污泥混液的溶解氧含量也为定值,各常数参数的具体取值如下表。表 3-2 本设计模型常数的取
14、值动力学常数H(d-1)6.0KS(mgCOD/L)KOH(mgCOD/L)20.00.10bH(1/d)0.40Kh(1/d)2.21KX(g/g)0.15-.word.zl-化学计量常数fp g 细胞残渣/gCOD(生物体)0.08溶解氧含量 So/(mgCOD/L)7.5YH gCOD(生物体)/gCOD(利用)0.67体积常数生化反响器/L12进水流量 Q/(L/d)沉淀池/L24484.4.计算机实现计算机实现4.1.4.1.建模软件建模软件本设计采用 AQUASIM2.0 作为建模软件,AQUASIM 是一个被广泛应用于水系统辨析与过程模拟的电脑程序,不同版本的AQUASIM 的根
15、本功能一致。启动程序后,进入的AQUASIM 界面如图 4-1 所示。除了一般软件常有的翻开文件、保存文件等功能外,AQUASIM的主要编辑功能包括:编辑系统、计算、敏感度分析、参数估值、查看计算结果、关闭对话框等,上图中编号 1-6 对应的菜单栏按钮依次对应控制上述六种编辑功能。图 4-1 AQUASIM 2.0 程序界面4.1.1.4.1.1.编辑系统功能编辑系统功能选按钮 1 编辑系统(edit system),AQUASIM 界面就会出现如图 4-1 的四个窗口:编辑变量(Edit Variation)窗口、编辑过程(Edit Processes)窗口、编辑组件(Edit partme
16、nts)窗口和编辑联-.word.zl-结(Edit Links)窗口。这四个窗口编辑的容最终构成了整个模型构造的主要因素。图 4-2 构成模型的主要因素之间的关系图4.1.1.1.编辑变量窗口编辑变量窗口用于编辑输入模型的设计参数和设计变量。变量类型包括状态变量(statevarible)、程序变量(programvarible)、常数变量(constantvarible)、真值数列(real listvarible)、变值变量(variable listvarible)、方程变量(formulavarible)、调查变量(probevarible)。在建模中用得比拟多的是状态变量、常数变量
17、、真值数列和方程变量。各种类型变量代表的含义如下表所示。表 4-1 变量类型及其代表的含义变量类型state varible typeprogramvarible typeconstantvarible typereal listvarible typevariable listvarible typeformulavarible typeprobevarible type4.1.1.2.编辑过程窗口编辑过程窗口主要用于编辑模型反响的过程,包括反响的速率方程式、反响组分的化学计量关系。编写反响速率方程所用的变量表达式必须与编辑变量窗口变量的表达式一样,这样才能将设置的变量与速率方程式联系起来。
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