环境工程仿真模拟第一章建模与仿真

1环境工程仿真与控制第一章建模与仿真2第一章建模与仿真守恒定律（一进一出一反应）单位时间单位体积系统内物质（或其它量）的积累量，等于进入该系统的物质减去离开该系统的物质，加上（或减去）系统内的该物质反应生成量或消失量。其它量包含：COD、电荷、能量、动量等1.1简单系统建模,,,,,ddjvinjinvoutjoutjnVqqVrt以物质数量模型为例3第一章建模与仿真守恒定律（一进一出一反应）1.1简单系统建模,,,,,ddjvinjinvoutjoutjnVqqVrt式中：V——反应器体积；ρj——组分j的质量浓度；qv,in、qv,out——分别是流入或流出V的液体流量；ρj,in、ρj,out——分别是组分j在进水和出水中的浓度；rj,n——第n个反应中组分j生成或消失时浓度变化的速率。4第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.1液槽水量模型例1.2带溢流堰液槽液位模型例1.3调节池水质模型例1.4曝气池溶解氧浓度模型例1.5污泥耗氧速率模型例1.6污泥生长及氮的消耗模型例1.7异养菌好氧生长与有机碳消耗模型1.1简单系统建模5第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.1液槽水量模型（无反应）minmoutoutinddmmtM0ddtMoutinmm＝式中：min——进水流量，kg/s；mout——出水流量，kg/s；M——储水量，kg。储水量不变时（稳态）1.1简单系统建模6第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.1液槽水量模型（无反应）outinddmmtM进水流量阶跃上升出水流量同步阶跃上升1.1简单系统建模7第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.2带溢流堰液槽液位模型（仅考虑水量）从溢流堰流出的水量计算公式为（Francis堰）：510151ddinoutin.HAMnL.mmmtM5.1out015.1nLhm＝HAMh＝式中：——流体密度；n——溢流堰数量；L——溢流堰长度；h——溢流堰上方液面高度；A——液槽面积；H——溢流堰高度。1.1简单系统建模8第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.2带溢流堰液槽液位模型（仅考虑水量）进水流量阶跃上升出水流量非同步上升510151ddinoutin.HAMnL.mmmtM1.1简单系统建模9第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.3调节池水质模型（考虑浓度稀释）qV,in,SinqV,out,SoutV，Soutout,inin,ddSqSqtSVVV式中：Sin——进水基质浓度；Sout——出水基质浓度。1.1简单系统建模10第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.3调节池水质模型（考虑浓度稀释）outout,inin,ddSqSqtSVVV进水基质浓度阶跃下降出水基质浓度非同步阶跃下跌1.1简单系统建模11第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.4曝气池溶解氧浓度模型（传质改变浓度）)(ddoso,Louto,out,ino,in,oSSaKVSqSqtSVVV)(ddoso,aaouto,outino,inoSSqKVSqSqtSVCWso,so,)(SSCWLL)(aKaK式中：So,in、So,out——进、出水溶解氧浓度；So,s——曝气池饱和溶解氧浓度；KLa——溶解氧传质系数；(KLa)CW——纯水中溶解氧传质系数；(So,s)CW——纯水中溶解氧饱和浓度；、——比例常数；Ka——与曝气装置有关；qa——空气流量。1.1简单系统建模12第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.4曝气池溶解氧浓度模型（传质改变浓度）)(ddoso,aaouto,outino,inoSSqKVSqSqtSV空气流量阶跃上升出水溶解氧浓度非同步阶跃上升1.1简单系统建模13第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.5污泥耗氧速率模型（反应改变浓度）将等量污泥分别置于一系列试瓶中，密封后经不同时间间隔依次测定各瓶中的溶解氧浓度，将反应时间对溶解氧浓度作图，可得如图所示曲线。05101520253002468TimeinhoursDOinmg/l05101520253000.10.20.30.40.5TimeinhoursRespirationRateinmg/l/h1.1简单系统建模14第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.5污泥耗氧速率模型（反应改变浓度）05101520253002468TimeinhoursDOinmg/l05101520253000.10.20.30.40.5TimeinhoursRespirationRateinmg/l/hooomaxoddSKSrtS式中：rmax——污泥最大耗氧速率；KO——溶解氧半饱和常数。1.1简单系统建模15第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.6污泥生长及氨氮的消耗模型（双耦合反应）boutb,outinb,inbddrVXqXqtXVbnhnhnhbXKSSr式中：Xb——微生物浓度；V——反应器体积；qin、qout——进、出水水量；Xb,in、Xb,,out——进、出水微生物浓度；rb——微生物反应速率；Snh——氨氮浓度；Snh,in、Snh,out——进、出水氨氮浓度；rnh——氨氮反应速率；Yb——微生物相对氨氮质量的变化系数；μ——微生物最大比生长速率。1.1简单系统建模16第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.6污泥生长及氨氮的消耗模型（双耦合反应）nhoutnh,outinnh,innhddrVSqSqtSVbnhnhnhbnh1XKSSYr式中：Xb——微生物浓度；V——反应器体积；qin、qout——进、出水水量；Xb,in、Xb,,out——进、出水微生物浓度；rb——微生物反应速率；Snh——氨氮浓度；Snh,in、Snh,out——进、出水氨氮浓度；rnh——氨氮反应速率；Yb——微生物相对氨氮质量的变化系数；μ——微生物最大比生长速率。1.1简单系统建模17第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.6污泥生长及氨氮的消耗模型（双耦合反应）二个组分浓度相互关联1.1简单系统建模18第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.7异养菌好氧生长与有机碳消耗模型（三耦合反应）boutbh,outinbh,inbhddrVXqXqtXVsouts,outins,insddrVSqSqtSV)(ddoso,Loouto,outino,inoSSaKVrVSqSqtSV式中：Xbh——异氧菌浓度；qin、qout——进、出水水量；Xbh,in、Xbh,,out——进、出水异氧菌浓度；rh——异氧菌反应速率；Ss——易降解有机碳浓度；Ss,in、Ss,out——进、出水易降解有机碳浓度；rs——易降解有机碳反应速率；So——溶解氧浓度；So,in、So,out——进、出水溶解氧浓度；ro——溶解氧反应速率。1.1简单系统建模19第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.7异养菌好氧生长与有机碳消耗模型（三耦合反应）根据Monod方程,异养菌生长速率(rb)G为:异养菌在生长的同时也会发生衰减,衰减速率(rb)D为:可得异养菌净生长速率方程为:bhho,oosssb)(XKSSKSSrhGbhb)(XbrhDbhbhho,oosssbXbXKSSKSSrhh1.1简单系统建模20第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.7异养菌好氧生长与有机碳消耗模型（三耦合反应）异养菌生长与易降解有机碳的消耗有关，用生长系数Yh表示。易降解有机碳在微生物生长中的消耗速率(rs)C为：异养菌衰减会产生易降解有机碳，其增长速率(rs)P为：bhho,oossss1)(XKSSKSSYrhhCbhs)1()(XbfrhpP1.1简单系统建模21第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.7异养菌好氧生长与有机碳消耗模型（三耦合反应）易降解有机碳在微生物生长中的消耗速率(rs)C为：异养菌衰减会产生易降解有机碳，其增长速率(rs)P为：可得易降解有机碳净变化速率方程为:bhho,oossss1)(XKSSKSSYrhhCbhs)1()(XbfrhpPbhhphhXbfXKSSKSSYr)1(1bhho,oossss1.1简单系统建模22第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.7异养菌好氧生长与有机碳消耗模型（三耦合反应）异养菌作用下有机碳好氧氧化的半反应方程有3个：细胞合成反应Rc：溶解氧氧化反应Ro：有机碳还原反应Rd：异养菌:C5H7O2N；有机碳:C10H19O3N--+-2345722(1/5)CO+(1/20)HCO(1/20)NH+H+e(1/20)CHON+(9/20)HO+-22(1/4)O+H+e(1/2)HO-++-101932234(1/50)CHON+(9/25)HO(9/50)CO+(1/50)HCO+(1/50)NH+H+e1.1简单系统建模23第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.7异养菌好氧生长与有机碳消耗模型（三耦合反应）反应器内溶解氧浓度与异养菌生长相关。若异养菌相对于有机碳的生长系数为Yh，则溶解氧相对于有机碳的生长系数为(1-Yh)，则有：bhho,oossso1XKSSKSSYYrhhh1.1简单系统建模24第一章建模与仿真简单系统建模举例例1.7异养菌好氧生长与有机碳消耗模型（三耦合反应）三个组分浓度相互关联1.1简单系统建模25第一章建模与仿真活性污泥反应池数学模型复杂系统（多相、多组分、多尺度、多目标）-描述活性污泥过程反应机理-可与过程进、出部分构成完整模型-1987年由IAWPRC（国际水协会IWQ）发布-学习环境工程仿真技术的良好范例-活性污泥过程分析软件（如EFOR）的基础1.2复杂系统建模26第一章建模与仿真活性污泥反应池数学模型ASM系列模型1982年ASM课题组成立（国际水污染控制与研究协会IAWPRC）1987年ASMNo.1（IAWPRC）1995年ASMNo.2（IAWPRC，IAWQ）1999年ASMNo.2D（IWA）1999年ASM3（IWA）ASM系列模型的出现，是活性污泥过程模型化工作的重要里程碑，反映了对活性污泥过程认识的不断深化。1.2复杂系统建模27第一章建模与仿真ASM1模型ASM1概述采用Dold等人1980年提出的死亡-再生（Death-regeneration）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行了定量描述。它采用了矩阵结构的表达方式，将污水中的组分依据生物反应特性划分为13项，并将微生物的增长、衰减及水解等过程从呼吸过程中电子受体的角度划分为8个过程，对每一个过程的速率描述采用双重Monod模式。模型结构简单、速率表达清晰、化学计量关系准确。1.2复杂系统建模28第一章建模与仿真ASM1模型ASM1概述ASM模型建立的八个步骤：1-模型假定、2-系统分割、3-建立子过程基本反应速率方程、4-建立子过程相关反应速率方程、5-建立单一组分总反应速率方程、6-建立单一组分总速率方程、7-统一单位、8-确定参数。A.T进水出水废弃污泥空气1.2复杂系统建模29第一章建模与仿真ASM1模型1、模型假定（1）曝气池内pH及温度正常；（2）池内微生物种群和浓度正常；（3）池内污染物浓度可变，但成分及组成不变；（4）微生物营养充分；（5）二沉池无生化反应，仅作固液分离。1.2复杂系统建模30第一章建模与仿真ASM1模型2、系统分割异养菌好氧生长异养菌缺氧生长自养菌好氧生长异养菌衰减自养菌衰减可溶有机氮的氨化被吸着缓慢降解有机碳的“水解”被吸着缓慢降解有机氮的“水解”8个子过程水解氨化微生物衰减微生物生长1.2复杂系统建模31第一章建模与仿真ASM1模型2、系统分割13个