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水厂快滤过程动态模型的建立与识别 ＊ 佟庆远 陈吉宁 孙 傅 清华大学环境工程与科学系, 北京 100084 摘要 作为构建国家饮用水安全风险评估框架的一部分, 开发了一种用于风险评估的水厂快滤过程动态模型。 该模 型通过对扩散、生物降解、吸附、脱附和反冲洗等过程的概化, 建立了可模拟不同污染物的普适性水厂快滤动态模型。 本模型以实际水厂的现场监测数据为依托, 以 CODMn、氨氮 、浊度和微生物为例对模型进行了率定。 结果表明模型较 好地吻合了实际快滤过程。 该模型将可有效地应用于评估不同过滤过程去除各种污染物的风险, 以及识别饮用水安 全风险关键控制点的工作。 关键词 模拟 快滤过程 CODMn 浊度 氨氮 ＊自然科学基金项目 50238020 1 引言 滤池作为常规水处理过程的重要操作单元,是整 个用水安全风险评估和控制的关键环节 。本研究作 为构建国家饮用水安全风险评估框架的一部分,尝试 开发一种用于风险评估的动态快滤模型 。 本研究开发的非稳态快滤模型涵盖了扩散、 生物 降解、 生物沉积、吸附、脱附和反冲洗等过滤过程机 理。与以往模型不区分污染物类型相比 ,它是普适性 的。它将污染物划分为不溶和可溶物两种,以解决吸 附、 脱附机理和生物降解机理的并行。模型的验证是 通过模拟有机物 、 氨氮、 浊度和微生物进行的 ,这些污 染物基本反映了我国目前饮用水水质安全的核心问 题。与以往模型使用实验室数据率定不同,该模型选 用了现场监测数据来率定 ,使其更真实地反映是否适 于模拟实际的快滤系统。 2 模型原理 2. 1 过滤过程机理 过滤的基本过程应包括 1 不溶性可生物降解 物质在液膜和介质上的吸附 ; 2 可生物降解物质的 反混 ; 3 溶解性的可生物降解物质通过液膜的扩散; 4 溶解性的可生物降解物质在过滤介质表面的生物 膜中被微生物降解 见图 1 。模型的概化包括以下 假设 1 流体从上至下通过过滤介质; 2 液膜和形 成的生物膜均匀分布; 3 不溶性可生物降解物质仅 发生液膜和介质的吸附; 4 可溶性可生物降解物质 的生物反应仅发生在过滤介质表面形成的生物膜中; 5 可溶性可生物降解物质的液膜扩散阻力可以 忽略 。 图 1 过滤过程机理 模型的输入包括污染物和微生物在进入过滤床前 的浓度,以及过滤速度; 模型的输出包括污染物和微生 物浓度随时间的变化量,生物膜由于生长 、 死亡和吸附 等作用后的变化量,以及反冲洗后的生物膜变化量。 2. 2 物料衡算方程 将污染物分为不溶性污染物 Si 和溶解性污染 物 Sd 两部分 ,不溶性和溶解性污染物微元物料平衡 方程分别为 QSiDi d Sidx dx A Q SidxDi d Si dx A Adx Si t Adx aG ε 1 QSdDd d Sddx dx A Q SddxDd d Sd dx A Adx Sd t Adx aJ ε 2 不溶性可生物降解物质在微元内前后两个时刻 的物料衡算为 Sfdt Adx a εSfAdx a ε Si-Sdx v A dt 3 式中 Sf 吸附在介质上的不溶性的可生物降解 物质的浓度 。 将以上方程写成连续的方程的形式, 则由方程 67 环 境 工 程 2005年 4 月第23 卷第2 期 1 得 Si t Di 2S i x 2-v Si x -G a ε 4 假设液膜和介质对不溶性的可生物降解物质的 吸附是一个可逆线性过程 ,则 G k1Sf-k2Si 5 由方程 3 得 a ε dSf dt -v dSi dx 6 由方程 2 得 Sd t Dd 2S d x 2-v Sd x -J a ε 7 J ENb 8 式中 E 为扩散阻力项 ,由经验公式得到 E 2 1 B MB [ B -ln 1 B ] 1 2 9 上式中 M k4Lf 10 式中 Lf 附着在介质上的生物膜厚度。 B k5Sd 11 式中 Nb为单位面积上的反应通量 Nb k3LfSd 1 k5Sd 12 Xsusp t -v Xsusp x aX fσ εLf -ak6Xsusp ε 13 式中 Xsusp 悬浮微生物的浓度 ; σ 微生物水头剪切损失系数 。 方程右边的各项反映了推流、水头剪切损失和吸 附的影响 。 Lf t YJ Xf k6Xsusp Xf-σ Lf 14 式中 Y 微生物生长系数 。 生物物质由于水头的剪切力吸附在生物膜上, Peyton 和 Characcklis 于 1993 年 改 进 了 Speitel 和 DiGiano 在 1987 年提出的吸附模型, 其中剪切损失常 数由下式给出 σbsbs′ μg 15 式中 μg 生长率 ; bs 剪切损失系数; bs′ 无因次损失系数,由试验获得 。 反冲洗过程主要考虑生物膜的变化,如下式表示 Lf post-BWLf pre-BW 1 -REM 16 式中 post-BW 冲洗后 ; pre-BW 冲洗前; REM 生物膜损失率。 上述方程对于模拟不同的污染物,将会有不同的 形式 。例如氨氮作为可溶性污染物 ,上述诸方程中仅 可溶性污染物的方程被使用; 而浊度的模拟仅使用所 有用于不溶性污染物的方程。CODMn是反应可溶性 有机物和不溶性有机物的综合指标 ,对于可溶性有机 物的去除主要是因为生物反应。对于不溶性有机物 的去除过程为吸附在生物膜上然后生物降解的过程。 考虑到给水处理中过滤周期比较短 ,因此在实际模拟 不溶性有机物的过程中仅计算不溶性有机物在生物 膜上的吸附过程 。 3 模型参数率定 为了检验模型的实用价值 ,本研究采用了某水厂 48～ 72 h 的监测结果 2～ 3 个周期 来率定该模型, 然后用24～ 48 h 1～ 2个周期 的监测结果进行检验。 图2、 3、 4 是对 3 种污染物实测值和最优模拟值的比 较。从图 4～ 6 可以看到率定和验证结果均较好地吻 合了实验结果, 说明了所建立的模型在结构和参数上 的可靠性。 图 2 NH3- N 模拟结果 图 3 浊度模拟结果 图 4 CODMn模拟结果 4 结论 本研究建立了一种新的用于水厂饮用水水质安 下转第 66 页 68 环 境 工 程 2005年 4 月第23 卷第2 期 焦作市大气 SO2常规监测点只有总工会、平光厂 和李万 3 处 ,由于李万处于人口相对稀疏、远离大型 SO2污染源的高新技术开发区 ,SO2污染相对较轻 ,所 以该区域一直是大气环境监测的清洁对照区。但随 着高新区的开发 ,人口密度、 交通流量越来越大,同时 一些企事业单位也逐渐搬迁至该地区, 所以李万处的 监测值已不再适合作为背景值 。为了解决这个问题, 研究尝试性地将面源污染产生的浓度贡献转化到背 景值中进行计算, 根据 1996 ～ 2000 年的监测数据经 反复拟和, 计算出线性参数 k ,将李万处的监测值乘 以线性参数 k 作为中心城区的面源污染引起的 SO2 浓度贡献值与背景值的总和。 结合公式 1 和 2 可以方便地由研究区 8 个主 要污染源的燃煤量预测出大气中SO2的浓度。 3. 3 模式验证及应用 利用该数学模型 ,对总工会监测点处的 SO2浓度 进行反复模拟, 并与实测结果进行对比 ,结果见表 3。 表 3 S O2模拟结果 年份 年 模拟结果 mgm- 3 测点实测值 mgm- 3 绝对误差 10- 3 相对误差 19960. 07490. 0765- 1. 6- 2. 09 19970. 04990. 0604-10. 5-17. 38 19980. 04230. 044- 1. 7- 3. 86 19990. 02830. 0262. 38. 85 20000. 02920. 0272. 28. 15 由表中数据可知 ,SO2的模拟浓度与实测浓度的 相对偏差的平均值为 -6. 33, 其绝对值平均为 8. 07, 且其变化趋势一致 。同时, 根据本预测模型 对研究区大气环境质量状况进行了验证性预测,预测 结果见表 4。由此说明该模拟数据与实测数据吻合 较好 ,该数学模式符合研究区的实际情况。 表 4 2001～ 2004 年焦作市大气 SO2预测结果mg m3 年份 年SO2预测结果 20010. 033 20020. 035 20030. 029 20040. 042 4 结论 首次研究了焦作市城区大气 SO2污染与燃煤量 的关系 ,建立了数学模型 ,对大气扩散模型进行了合 理的修改, 建立了适合于焦作市大气环境的扩散方 程,为焦作市的环境管理和可持续发展提供了科学依 据。该模式可进而推广应用于 NOX、 CO 等大气污染 物的扩散状态研究和计算 。 参考文献 1 世界资源研究所. 世界资源研究所称世界十大污染城市中国占九. 管理科学文摘,1999. 4 封二. 2 胡斌, 高彩玲, 郑继东等. 焦作市煤炭资源利用与大气 SO2环境容 量配置模型研究. 焦作工学院学报, 2001. 20 6 422～ 424. 3 郑继东, 李东艳, 胡斌等. 焦作市资源利用与大气环境保护. 辽宁工 程技术大学学报,2004. 23 1 141～ 144. 4 叶文虎, 栾基胜. 环境质量评价学. 北京 高等教育出版社, 1994. 120～ 137. 5 焦作市环保局. 河南省焦作市“九五”环境质量报告书. 2001. 6 郑继东, 李东艳, 胡斌等. 基于 GIS 的大气环境系统分析与模型. 焦 作工学院学报 自然科学版 , 2003. 22 2 133～ 135. 7 林肇信. 大气污染控制工程. 北京 高等教育出版社, 1991. 94～ 128. 8 国家环境保护局. 中华人民共和国环境保护行业标准, HJ T2. 1～ 2 . 393. 环境影响评价技术导则. 北京 中国环境科学出版社, 1994. 19～ 37. 作者通讯处 王海邻 454159 河南焦作市 河南理工大学资源与 环境工程系 E -mail whlhpu. edu. cn 2004- 05-13 收稿 上接第 68页 全风险评估的快滤动态模型, 该模型可以用于模拟快 滤过程中不同污染物的去除情况 , 是考虑了扩散、生 物降解 、 吸附 、脱附和反冲洗的非稳态机理模型。与 以往的快滤模型相比 ,该快滤模型在保证一定精度的 前提下,可以模拟各种不同的污染物。而且该模型使 用现场数据对模型进行率定, 这使得该模型对于水厂 水质安全评估更加可靠。为了便于计算 ,该模型使用 了较以往模型更少的参数, 这使得其应用更为方便, 适用范围增大。通过对模拟值的分析表明,该模型能 够较好地模拟过滤过程, 模型的假设是基本合理的。 该模拟结果将可用于两个方面 过滤过程去除各种污 染物的风险评估; 饮用水安全风险关键控制点的确 定。后者可用于为了满足饮用水水质卫生安全标准 的技术战略制定 。 作者通讯处 陈吉宁 100084 清华大学环境工程与科学系 电话 010 62772045 2004- 05-11 收稿 66 环 境 工 程 2005年 4 月第23 卷第2 期 and abroad. The fly ash of CFB is not utilized effectuarlly at the present time. This paper introduces the s of exciting the activity of CFB fly ash and experimental study on producing masonry cement by CFB fly ash. Keywords CFB flyash, alkali excitation, activity and masonry cement UATION ON POTENTIAL ECOLOGICAL RISK OF HEAVY METAL POLLUTION OF SEDIMENTS IN HAIHE RIVERWang Shengqiang et al 62 Abstract Through analyzing the contents of typical heavy metal pollutants Cu, Pb, Zn, Cd and Cr in sediments of Haihe River, adopting the index number techniques of single factor andHakanson ecological risk, the quality statusof these sedimentswere uated; the pollution of the sediments by heavy metals and the potential ecological risk of Haihe River were determined quantitatively . Keywords Haihe River, sediment, heavy metals and ecological risk RESEARCH ON MODEL OF RELATION BETWEEN THE UTILIZATION OF COAL RESOURCES AND SO2POLLUTION OF ATMOSPHERE IN THE URBAN AREA OF JIAOZUO CITY Wang Hailin et al 64 Abstract Firstly the relation between the utilization of coal resources and SO2pollution of the urban area atmosphere of Jiaozuo City was researched. The diffusing model of SO2pollution applying to the urban area atmosphere of Jiaozuo City was set up. In the model the contribution from area pollution sources was calculated by transing it to the background concentration, so the model was greatly simplified. By which SO2 concentrations from 1996 to 2000were also calculated and compared with the monitoring data, it is found that the model is suitable for the actual conditions of the test zone.Based on which, SO2concentrations in this area were forecasted. Keywords pollution sources of coal utilization, SO2pollution, diffusing model of atmosphere pollution and prediction of atmosphere pollution MODEL DEVELOPMENT AND IDENTIFICATION OF RAPID FILTRATION PROCESSES Tong Qingyuan et al 67 Abstract This paper is part of a national framework for systematically assessing water safety risks, yet with focus only on the simulation of the rapid filtration process. The filtration process is described by a dynamic and conceptual model, represented by partial differential equations, and the simulated components include CODMn, NH3-N,turbidity and microorganisms.The simulated sub -processes included diffusion, biodegradation, sediment, adsorption, desorption and backwash. The model is calibrated by a set of field data from a large waterworks in the south of China,where contamination of drinking water resources is notable. The results reveal that the model fits the observed data quite well and is satisfactory for its future application. Keywords simulation, rapid filtration process, CODMn, turbidity and NH3-N A NEW BIOLOGICAL PROCESSSTUDY ON NITROGEN REMOVAL MECHANISM OF BI- CYCLIC TWO-PHASE BICT PROCESSPan Yang et al 69 Abstract Under the operational condition, synthetic wastewater was used in the experiments to investigate the perance of nitrogen removal by the BICT of the reactor. The results of the experimental study can be concluded as follows. The nitrogen removal mechanism of BICTP is sequential nitrification and denitrification. A separte attached-growth reactor was adopted to enhance the function of nitrification and increase the efficiency and the stability of nitrogen removal process. Under suitable conditions, the removal rate of TN total nitrogencan reachover 80, and the effluent concentration of TN can be controlled below 15 mg L. Keywords activated sludge, nitrification, denitrification and nitrogen removal NUMERICAL SIMULATIONANDCOAGULATIONEFFICIENCYOFFLOWFIELDFOR RECIPROCATING BAFFLED FLOCCULATION TANKZhuJiaolin et al 72 Abstract In this paper, the numerical simulation is applied to the flow field for a reciprocating baffled flocculation tank. Based on the characteristic of flocculation tank an analysis of the influence of the flow field on flocculation is carried out. The conclusion indicates the optimum value of A1 A2is from 1. 2 to 1. 5,where A1is the area of the wetted cross-section in the corner and A2is the area of the wetted cross -section in the gallery. The coagulation efficiency in the tank is relatively perfect if designed it according to the optimum value of A1 A2. Keywords reciprocating baffled flocculation, flow field, A1 A2andANSYS SYNTHESIS OF CIRCULATING COOLING WATER TREATMENT AGENT FIT FOR FRIENDLY ENVIRONMENTZhang Yanhe et al 75 Abstract A newly biodegradable copolymer was synthesized by aconitic acid and a small quantity of acrylic acid, and citric acid was 5 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol. 23, No. 2,Apr. ,2005