本发明涉及膜生物降解有机污水技术领域，尤其涉及一种基于格子boltzmann算法的膜生物降解有机污水的模拟方法。
背景技术：
由于人类活动的多样性及工业化程度的加快，大量的生活及工业污水产生，其严重威胁到人类健康并破坏生态环境的平衡。这种严峻的形势促进了各种污水处理方法的产生。传统的污水处理主要依赖于化学法处理技术，它能耗高且不环保。为了紧跟国家形势，落实国家提出的节能减排政策，膜生物法已被广泛应用到有机污水处理工艺中，它是一种高效，节能且环保的污水处理技术。
生物膜是膜生物法处理有机污水的基础。生物膜的生长经历三个阶段：悬浮细菌在固体基质表面的吸附及大量菌体之间的聚集、细菌群落的形成及繁殖生长、细菌群落的生长扩展，形成成熟稳定的生物膜。其中，光合细菌是一种利用太阳能来降解有机污水中的有机物供其自身生长，并产生氢能的微生物。将光合细菌应用到膜生物法有机污水处理中可以同时实现降解有机物和产生清洁能源的双重作用，达到技能减排的目的。生物膜的生长条件直接影响生物膜的内部结构，进而影响生物膜内外物质的传输及生物降解过程。因此对生物膜结构特性及反应器内有机物降解性能的研究尤为重要。
目前对膜生物法的研究主要基于实验研究，研究其宏观外界条件（如光强、ph、底物浓度等）对膜生物反应器内降解性能的影响。而对于反应器内，特别是生物膜内部物质的传输渗透机理的研究还很少。生物膜是一种具有微纳米尺度孔隙的多孔结构，其物理边界较为复杂，用传统的数值计算方法难以真实的反映内部的微细观传输过程。实验研究受可视化、实验设备及精度的限制，因此就需要借助于数值研究，研究结果对有机污水处理工业具有较好的预测和指导性意义。
技术实现要素：
本发明克服现有技术的不足，基于格子boltzmann算法，构建一种膜生物反应器的传质模型，模拟计算生物膜反应器内的有机降解过程，研究生物膜结构特性对降解性能的影响，预测指导膜生物法有机污水处理工艺。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
基于格子boltzmann的膜生物降解有机污水模拟方法，包括以下步骤。
1）建立膜生物反应器的物理模型。
2）用数学模型对建立的物理模型进行描述并计算。
3）改变数学模型中的相关参数，模拟不同工况下生物反应器内的生化反应过程，获得宏观参数。
4）对计算获得的宏观参数进行分析，获得相应参数下反应器内流场及浓度场分布。
5）根据宏观参数获得反应器内的降解性能，进而预测实际工艺结果。
所述的数学模型是通过建立双分布函数的三维格子boltzmann传质模型，得出平衡态密度分布函数和组份浓度分布函数，用于求解反应器内流场及浓度场分布。
所述的宏观函数包括反应器内物质的密度、速度和浓度。
优选的，是将所述的数学模型通过计算机语言编写程序代码进行计算，将计算结果利用数据处理软件进行处理分析，获得相应参数下的流场及浓度场分布。
为了提高计算效率，所述的数学模型是将双分布函数的三维格子boltzmann传质模型与多块模型耦合，附着有生物膜的反应器底部采用细网格模块，主流区采用粗网格模块，利用非平衡态外推格式处理生物膜的固液相界面的边界，用于求解反应器内流场及浓度场分布。
本发明与现有技术相比具有如下列有益效果：
通过对膜生物反应器内流动传输过程的数值计算，模拟计算影响生物膜内部物质输运及生物降解性能的关键因素，进而为膜生物降解有机污水的实际工程应用提供一定的指导和预测；本方法不受可视化、实验设备及精度的限制，能够方便灵活的将不同反应器引入模型并避免人为因素造成的物理失真。
附图说明
图1为实施例中将数学模型通过计算机语言编写程序代码的流程图。
图2为实施例中膜生物反应器内生物膜的数值重构图。
图3为实施例中膜生物反应器内的浓度分布图。
具体实施方式
下面结合实施例详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
1）建立膜生物反应器的物理模型：降解污水中的有机成分，污水中有机成分通过渗流扩散作用传递进入生物膜内被光合细菌降解。
2）用数学模型对建立的物理模型进行描述并计算：
底物及产物的反应源项分别为：
式中，cx，yx/s，ks，β分别为细胞密度（kgm-3），细胞得率，饱和常数（kgm-3）和产氢动力学常数（h-1）。i0为光照强度，(i0)opt为最佳光照强度，(i0)opt=6000lx，c1为局部底物浓度。
建立双分布函数的三维格子boltzmann传质模型(d3q15)，其方程如下。
平衡态分布函数分别为。
宏观参数密度、速度、浓度求解如下。
此外，为了提高计算效率，格子boltzmann传质模型与多块模型耦合，附着有生物膜的反应器底部采用细网格模块，主流区采用粗网格模块，粗细网格比例为2。对于生物膜的固液相界面的边界处理，均采用非平衡态外推格式。
生物膜为一种多孔介质，其内部结构利用四参数随机生成法数值重构获得，如图2所示。将生成的多孔参数p=0为液相，p=1为固相，即微生物，代入格子boltzmann传质模型进行计算。
将上述数学模型通过计算机语言编写程序代码，其流程如图1所示。
通过模拟计算，并利用数据后处理软件对模拟结果进行处理绘制得到膜生物反应器内的浓度分布图，如图3所示，给使用者提供了便捷直观查看结果的方式。可通过调整相关参数模拟得到不同的结果，从而获知不同的工况下的有机物降解性能，为实际工艺运行和优化提供参考。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。