活性污泥系统生物场-水力场-温度场耦合模型(FCASM3-Hydro-Temp)Ⅱ:模型校验

以采用AAO工艺的德清县狮山污水处理厂作为生物场-水力场-温度场耦合模型校验的现场试验基地.针对AAO工艺的特点,按照物料平衡原理分别对厌氧池、缺氧池、好氧池等各反应池内物质变化关系进行数学表征,建立了AAO工艺生物场-水力场-温度场耦合模型(FCASM3-Hydro-Temp)以及生物场-水力场耦合模型(FCASM3-Hydro).以若丹明B作为示踪剂于该厂进行了现场示踪实验,测得厌氧池、缺氧池和好氧池的水力弥散系数.依据试验所得数据,实现了对FCASM3-Hydro耦合模型以及FCASM3一Hydro-Temp耦合模型的现场模拟校验.校验结果表明,FCASM3-Hydre-Temp耦合模型能够实现活性污泥系统污染物质生物去除与水力场和温度场耦合变化过程的动态模拟.     

全耦合活性污泥模型(FCASM3)Ⅱ:模型校验

以采用AAO污水处理工艺的德清县狮山污水处理厂作为全耦合活性污泥模型(FCASM3)校验的现场试验基地,分别进行了常规水质指标测定和进水水质特征分析等试验研究,依据现场试验结果,完成了对活性污泥系统生物去除营养物质细观机理模型FCASM3的校验工作,动态校验结果表明,FCASM3模型可以对AAO连续流工艺系统实现较准确的细观模拟,营养物质生物去除过程的动态数值模拟结果与实测结果相一致.     

活性污泥系统生物场-水力场-温度场耦合模型(FCASM3-Hydro-Temp)Ⅰ:模型建立

由活性污泥系统内生物场、水力场和温度场之同相互影响关系分析以及活性污泥系统多场耦合模型研究现状可知,当前亟需建立既能准确反映活性污泥系统污染物质去除过程.同时又充分考虑水力及温度作用的多场耦合模型,基于活性污泥系统内生物场、水力场和温度场之间相互影响关系的研究,以全耦合活性污泥模型(FCASM3)为新平台,采用一维对流-弥散方程的形式建立了活性污泥系统生物场-水力场-温度场耦合模型(FCASM3-Hydro-Temp),该模型充分考虑了生物场、水力场和温度场三者之间的相互作用.     

全耦合活性污泥模型(FCASM3) Ⅲ:AAO工艺最佳运行工况数值模拟

利用新建立的全耦合活性污泥模型(FCASM3),在完成FCASM3对德清县狮山污水处理厂现场模拟校验研究的基础上,分别模拟分析了溶解氧浓度、污泥停留时间和混合液回流比等单因素作用以及多因素共同作用对该厂AAO系统污水处理效果的影响.研究结果表明,溶解氧浓度是一个影响脱氮除磷效果十分重要而敏感的因素,低溶解氧浓度有利于系统内的脱氮反应朝着短程硝化-反硝化的方向进行,利用FCASM3模拟多因素正交试验的结果并进行了方差分析,得到了德清县狮山污水处理厂AAO系统的最佳运行工况:维持好氧池内平均溶解氧浓度为0.3g·m-3,污泥停留时间为20d,混合液回流比为5,在该条件下,该厂既可以实现达标排放,又可使污水处理系统发生短程硝化-反硝化作用,节约了运行成本.最大限度的降低了能耗,提高了资源利用率.     

A/O工艺污水处理厂FCASM3-Hydro耦合模型及现场校验

在全耦合活性污泥模型(FCASM3)基础上,考虑生物场与水力流场的相互作用,建立了A/O工艺污水处理厂FCASM3-Hydro耦合模型.通过Matlab/Simulink软件平台进行数值模拟,将A/O工艺污水处理厂FCASM3-Hydro耦合模型分别与已报道的生物场一水力场耦合模型(Lee -Hydro)以及FCASM2-Hydro耦合模型进行数值模拟对比研究.结果表明,FCASM3-Hydro耦合模型对出水中COD、NH4+-N、Nox--N、PO43--P等污染物质变化趋势的动态模拟比Lee-Hydro耦合模型更符合实际.在对出水COD的模拟上,FCASM3-Hydro与FCASM2一Hydro耦合模型的模拟值完全一致;在对出水NH4+-N和PO43--P的模拟上,FCASM3-Hydro耦合模型的动态模拟结果比FCASM2-Hydro耦合模型更贴近实测变化趋势.     

活性污泥法污水处理厂生物-水力耦合建模及校验研究

为了考察生物反应器中水力流场对污染物质生物去除效果的影响以及研究生物代谢模型对生物除磷效果模拟的情况,在FCASM1模型的基础上,结合Delft磷代谢机理模型的思想,建立完全耦合活性污泥2号模型(Fully Coupled Activated Sludge Model No.2,简称FCASM2);并通过一维纵向对流-弥散方程与生物场耦合,建立了生物场-水力流场耦合新模型--FCASM2-Hydro耦合模型.污水处理厂模拟结果表明,生物场-水力流场耦合模型(FCASM2-Hydro)比非耦合模型对污染物质去除过程的描述更符合实际情况.在对30d的污水处理动态模拟结果中,FCASM1和FCASM2两个模型对磷酸盐的模拟结果与实测结果趋势一致,而且FCASM2的模拟值比FCASM1的模拟值更符合实测结果;在3d的污水处理动态模拟结果中,这2个模型对磷酸盐的模拟结果与实测结果趋势基本一致.     

全耦合活性污泥模型(FCASM3) Ⅰ:建模机理及数学表征

在充分分析活性污泥系统中生物反应机理的基础上,建立了活性污泥系统生物去除营养物质的细观机理模型--全耦合活性污泥模型(Fully Coupled Activated Sludge Model No.3,简称FCASM3).FCASM3将系统中微生物划分为8类菌群,包含31种组分、72个子过程;该模型的主要特点是将活性污泥系统中的微生物进一步细化,充分考虑了系统中微生物间的相互作用.FCASM3引入了硝化-反硝化过程中的中间产物亚硝酸盐.实现了对两步硝化-反硝化过程的模拟;FCASM3不仅包含聚糖菌的有关生物反应过程,而且还考虑了聚磷菌(非反硝化聚磷菌和反硝化聚磷菌)以及聚糖菌的厌氧维持过程,为直接体现温度对生物反应的影响,FCASM3将温度作为一个变量直接耦合到生物反应速率方程中.     

基于降解-渗流-温度耦合模型的渗滤液回灌数值模拟

渗滤液回灌能加速生化反应器填埋场的稳定,而回灌参数决定了回灌加速效果.为研究不同回灌条件下填埋场的稳定化进程以选择最佳回灌参数,在考虑含水率、VFA浓度和温度对垃圾降解影响的条件下,基于COMSOL Multiphysics 5.0建立了二维降解-渗流-温度耦合回灌模型并进行了验证;并采用本模型模拟单次回灌量为4 L的点源回灌,回灌频率分别为1、2、3 d·次-1,结果显示2 d·次-1的回灌条件下填埋场最先达到相对稳定状态;对比分析VFA浓度、垃圾降解速率、甲烷菌浓度的变化趋势,结果表明高回灌频率更有利于填埋场加速进入甲烷化阶段,而在确保含水率低影响的情况下低回灌频率更有利于进入稳定化阶段,因此实际工程中要综合考虑以选择合适的回灌参数.     

全耦合活性污泥模型(FCASM3)在A+A2/O工艺污水处理厂中的数值模拟应用

基于FCASM3建立了杭州市某污水厂A+A~2/O工艺模型.首先测定该污水处理厂的进水水质组分,以及不同阶段污染物浓度的变化和活性污泥中微生物动力学参数;然后,利用该厂2017年上半年的运行数据对模型进行校核.校核结果显示,该模型能够很好地模拟出系统中各物质的转化情况.最后,利用校核完成的工艺模型对该污水厂的主要工艺参数,包括溶解氧、污泥回流比和混合液回流比,进行多因素正交模拟试验.试验结果表明,该污水处理厂的最佳运行工况为:当A+A~2/O系统的好氧池氧传输速率(Oxygen Transfer Coefficient,KLa)、污泥回流比和混合液回流比分别控制在2 h-1、75%及250%时,好氧池TN出水浓度下降1.28 mg·L~(-1),脱氮效率提高了15.91%,同时该厂污水处理能耗降低.     

反硝化型甲烷厌氧氧化(DAMO)系统温度耦合模型研究

对Anammox-DAMO系统、Nitrite-DAMO系统、Nitrate-DAMO系统进行基质降解动力学研究,建立了3个DAMO系统温度耦合模型,并对建立的温度耦合模型进行拟合分析.结果表明,二级基质降解动力学能更好地描述Anammox-DAMO系统脱氮动力学行为,半级基质降解动力学能更好地描述Nitrite-DAMO系统和Nitrate-DAMO系统脱氮动力学过程.在15～50℃条件下,3个系统脱氮效率均在35℃时达到最高,对脱氮动力学的评估表明,3个系统反应动力学均符合Arrhenius方程.根据动力学模拟得出,Anammox-DAMO系统受高温影响更明显,而另外两个系统则受低温影响更明显.     

基于微生物相互作用机理的完全耦合活性污泥模型研究

根据微生物生长机理,推导出微生物的耦合作用机理并在该机理的基础上改进了ASM3 Bio-P模型.假设活性污泥系统中有机物氧化过程、生物硝化过程、生物反硝化过程、生物除磷过程可同时存在,在ASM3 Bio-P模型上添加相关的开关函数,推导出完全耦合活性污泥模型(FCASM).基于计算机程序进行数值模拟,并将FCASM模拟结果与实测值以及ASM3 Bio-P模型模拟值进行对比.结果表明,完全耦合活性污泥模型对氨氮模拟的稳态出水值为1.90 g·m-3,ASM3 Bio-P模型模拟的氨氮稳态出水值为0 g·m-3,而实测的氨氮稳态出水值为1.50 g·m-3,完全耦合活性污泥模型的结果更接近真实值.     

水温变化对EBPR系统除磷效果响应机制的数值模拟研究

大量研究表明,水温变化会影响聚磷菌和聚糖菌之间的竞争关系,是造成EBPR系统除磷效果波动的重要因素.温度的逐步升高导致聚磷菌在强化生物除磷(EBPR)系统中逐渐失去优势直至系统崩溃.然而,有关如何利用物理模拟和数值模拟手段恢复升温破坏后的EBPR系统除磷效果及其响应机制的研究甚少.本文基于全耦合活性污泥数学模型(FCASM3),对EBPR系统进行数值建模和模拟试验,研究温度变化对EBPR系统的影响,旨在用模型预测及验证水温变化对EBPR系统除磷效果响应机制及适宜聚磷菌生存的极限条件,通过升温破坏及温度恢复的试验与模拟研究,进一步分析不同温度对EBPR系统中聚磷菌和聚糖菌的影响.通过对比FCASM3与国际水协的除磷代谢模型ASM2d在不同运行温度(20℃,25℃,30℃,35℃)下,对EBPR系统出水COD、PO43--P等污染物质的模拟变化趋势,结果表明FCASM3能更好地模拟EBPR系统中聚磷菌和聚糖菌的行为,且随着温度的升高,EBPR的除磷效率下降.在水温升高和恢复的过程中发现,温度升高到35℃,会导致EBPR的崩溃,短时间内不能恢复升温前的除磷效率.