一种ASM-CFD耦合模型的建立方法及其应用

本发明涉及活性污泥数学模型仿真，具体涉及一种asm-cfd耦合模型的建立方法及其应用。

背景技术：

1、污水处理是一项关键的环境保护措施，旨在去除污水中的有害物质并净化水体，以保护人类健康和生态系统的可持续发展。由于城市污水的复杂性和多样性，需要有效的处理方法来解决水质问题。而污水处理过程极其复杂，传统污水处理方法通常基于经验和半经验的工艺设计和运行方法。它们依赖于多年的实践经验，这些方法可能无法充分考虑实际污水特性的波动性和复杂性，导致设计与运行中出现偏差，传统方法通常需要耗费大量时间和资源来进行试验、调整和优化。这使得处理厂的建设和运行成本较高。由于传统方法无法准确预测流态的不均匀性和反应的完全性，可能导致设备的混合效果不理想，降低了处理效率。经过不断探索与开发，污水处理数学模型技术愈发完善，它在国内外污水厂提标改造工程中也获得了广泛的应用。asm-cfd仿真模型技术可以提供精确的信息以及全流程分析，能够综合污水厂实际运行情况，分析各处理单元处理现状与潜力，更富有针对性的提出优化改造重点。将全流程分析与数学模型相结合应用，能够帮助评估不同方案的效果，提供决策支持，同时减少实验的时间和成本，这在污水处理领域发挥着至关重要的作用，该应用前景也值得瞻望。

2、biocos工艺(生物联合系统，biological combined system)，是在传统活性污泥法基础上的改进，由一个曝气池(b池)和两个循环沉淀池(su池)组成。b池为传统的曝气池，好氧缺氧交替运行，su池用于污泥沉淀、污泥循环及强化脱氮。b池连续进水，两个su池交替排水，泥水混合液通过b池与su池间的孔洞交替排入两个su池中。su池有排水(a段)工序、污泥回流(s段)工序、泥水混合(u段)工序及沉淀(v段)工序四个阶段。各工序实现的动力由曝气风机提供，省去污泥回流泵及搅拌机。典型的运行周期为2.5h，昆明某水厂设计中运行周期定为1.5h。su1池进行污泥回流工序、泥水混合工序及沉淀段工序时，su2池进行排水工序，两个su池交替运行。b池在污泥回流及泥水混合工序不曝气，在沉淀阶段根据设计及运行情况可调整曝气时间。

3、目前，活性污泥法是我国大多数污水处理厂采用的主要处理手段，但在工艺设计和运行等方面却主要采用经验或半经验的方法。而实际污水的水质水量是剧烈波动的，这使得基于经验模型的工程设计存在着诸多缺陷，如流态不均匀，反应不完全等问题。

4、在污水处理过程中，流体是物质和能量传递的主要载体，构筑物的水力特性直接影响反应器的混合过程，制约着污水处理效果。因此，从构筑物内部流态优化考虑，利用计算流体力学(cfd)的方法研究优化构筑物内部的水力特性，也是污水厂提质增效需要考虑的一个角度，可以为污水厂提质增效优化设计提供一条新的途径和方法。此外，通过添加稀物质反应过程的模拟能更精确地描述污水处理过程中稀释液、气体、气泡、微生物等稀物质的传递和运动方式，帮助优化处理装置的设计和运行参数。这有助于更全面地理解污水处理过程中物质的行为和变化规律。

5、综上，建立基于asm-cfd模拟模型建立方法，可以有效地满足污水处理厂提质增效需求，实现污染物的达标排放。本发明针对污水处理厂提供了一种低成本、高成效的提质增效研究方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种asm-cfd耦合模型的建立方法及其应用，用于进行biocos工艺污水处理系统的优化；通过对结构参数和操作参数进行数值模拟及优化，实现污水生物处理单元的稳定运行。本耦合模拟方法能够最大限度发挥污水厂现有构筑物的作用，实现进水碳源的充分利用，保证稳定的出水水质，节省能耗，降低运行成本，减少药剂损耗。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、一种asm-cfd耦合模型的建立方法，包括以下步骤：

4、s1：首先根据昆明实际运行biocos工艺的水厂，以其cad施工图为基础，建立三维几何模型；

5、s2：其次根据模拟对象选择添加多物理模型，并对组件和内容物进行材料填充，得到第一模型；

6、s3：然后设置边界条件，以确定模拟的区域和界面的交互作用；接下来需要定义入口、出口，给定相应的已知条件(如压力、流速和分散相浓度、稀物质扩散系数和反应速率等)，得到第二模型；

7、s4：将第二模型与水接触的墙面、折板表面采用软件内置的标准壁函数，垂直壁面速度为实际流速，入口输入量为流速、压力及分散相浓度，出口输入量为压力，得到第三模型；

8、s5：最后，是划分网格、设置求解器，将重要部位进行网格加密，现有的商业软件都有成熟的算法，一般可以根据需求直接选用设置，求解结果可以通过给定表达式进行输出，得到第四模型。

9、进一步的，步骤s1中所述三维几何模型的构建与biocos工艺污水生物处理系统的结构相似，建立完整的污水处理构筑物的内部结构；

10、步骤s1中所述三维几何模型的建立方法包括：根据污水生物处理系统各构筑物尺寸以及位置分布，使用软件几何部分建立三维几何模型；

11、其中，所述关键部分为biocos工艺施工图为准，与实际相结合；

12、进一步的，步骤s2中所述三维几何模型的建立方法包括：根据污水生物处理系统各构筑物尺寸，使用软件几何部分建立三维几何模型；所述组件和内容物进行材料填充包括池体采用混凝土，内容物为水，水的各项参数值采用污水值。

13、物理场选择湍流气泡流。湍流气泡流采用euler-euler方法，把气体作为拟流体，并且将气体和液体当作共同存在并且相互渗透的连续介质，对于物理场中的气液两相都有对应的动量方程和连续性方程，分别计算气相与液相的方程，最后进行耦合。

14、进一步的，步骤s3中湍流、水体的模拟采用k-ε湍流模型，k为湍流动能，ε为能量耗散率，其具有求解简单快捷、结果准确的特点，其他所有方程均采用模型预设方程；

15、其中步骤s3具体包括：设置液体进出口和气体进出口，设置气体入口为气体的速度入口，出口为气体的压力出口，设置液体进口为曝气池实际进口速度，压力为一个大气压，其余边界为无滑移壁面条件，并确定流体的物理性质(混合液流动特性，气泡直径等属性)，作为流体模拟之前的边界条件。

16、进一步的，步骤s4中所述流速采用设计流速，质量传递模型选用双层膜模型；全局设置g＝9.8m/s2的重力场。

17、进一步的，步骤s4中若所述各参数模拟结果不满足要求，则通过调整第二模型的各项参数重复步骤s1至s4，使流态数值模拟结果满足流态要求；

18、其中，所述第二模型的各项参数包括待优化污水生物处理系统各构筑物的污水生物处理构筑物的局部尺寸、进出水口径、曝气器以及搅拌桨的水深、角度、转速以及直径。

19、进一步的，步骤s4中所述稀物质浓度单位应统一。步骤s4中所述稀物质反应浓度要求包括待优化污水生物处理构筑物内部浓度不存在负浓度。

20、进一步的，步骤s4中若所述浓度数值模拟结果不满足要求，则通过调整第四模型的各项参数重复步骤s1至s4，使浓度数值模拟结果满足变化范围要求；

21、其中，所述第三模型的各项参数包括待优化污水生物处理构筑物中稀物质扩散系数、反应速率。

22、进一步的，步骤s5中所述求解结果可以通过给定表达式进行输出；

23、所述流场可以通过彩虹图输出流速大小；

24、所述操作模式包括出水计算，过程流场和构筑物断流死区以及产生的涡流现象。

25、另一方面，本发明提出上述方法在优化biocos工艺污水处理系统的应用。

26、本发明的有益效果：

27、细化污水处理过程：本技术方案基于asm-cfd耦合模型，能够对污水处理过程进行细致的模拟和分析。通过建立三维几何模型以及添加多物理模型，可以准确描述污水处理系统中的水力特性、质量传递和化学反应等关键过程。这样可以更全面地理解污水处理过程中各种物质的行为和变化规律，为优化设计和运行提供科学依据。

28、高效提升污水处理效率：传统的污水处理方法通常基于经验和半经验的工艺设计和运行方法，存在流态不均匀和反应不完全等问题。而通过asm-cfd耦合模型的建立方法，可以精确预测流场的分布和反应的完全性，在设计和运行中实现最佳流态以及优化处理装置的参数。这样可以提高污水处理的效率和质量，达到更好的水质净化效果。

29、降低试验成本和风险：传统的污水处理方法通常需要大量的试验和实验室测试来验证设计和优化方案，投入大量的时间和资源。而利用asm-cfd耦合模型进行仿真模拟可以减少试验的时间和成本，降低实验风险。同时，仿真模拟可以对不同处理方案进行预测和评估，降低了实际试验的依赖性，提供了更快速和经济有效的决策支持。

30、优化污水处理工艺设计：本技术方案通过建立asm-cfd模型，可以对污水处理工艺的各个环节进行优化设计。通过调整污水生物处理构筑物的尺寸、进出口口径以及曝气器和搅拌桨等参数，可以最大限度地提高处理效果。同时，通过对稀物质的传递和运动方式进行模拟和优化，可以改善处理装置的设计和运行参数，进一步提高处理效率和减少能耗。

31、提供科学决策支持：本技术方案通过模拟仿真可以预测不同处理方案的效果，帮助决策者进行科学决策。可以通过输出流速大小、涡流现象和产生的涡流等结果来评估系统的运行情况，并为优化设计和改进提供指导。这样可以帮助决策者选择最优方案，提高污水处理效率和性能。

32、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。