污水處理的數學模型的構建

A. 污水污染物的組分

合理的識別污水中污染物的組成對於系統的設計以及運營維護有特別重大的意義。

污水中的主要成分可以氨氣來源分，按其性質分，按其特點分。在國際水協會IWA建立活性污泥數學模型ASM1的時候推出了污水處理過程中的十三個組成部分，後續其它的模型中也會引入不同的參數。

為了便於交流，公認的污水組分表達的notation包括

S-Soluble material, 這個一般指可以通過0.45um膜的組分，但也有用別的類型的膜進行過濾測試的，因此一定要搞清楚當我們說Soluble時候的Soluble的cutoff 是什麼。

X-Suspendid solids.這可以表示水中的顆粒性即不能通過過濾膜的成分，也用來表達水中各種微生物組分。

I-Inert 表示惰性部分

另外C-Colloidal也經常會被用來表示水中呈膠體裝台的污染物或者組分。

由於城市污水管網差異，當地氣候條件，居民生活條件的差異，一般來說很難對污水成分進行概述，但也會有一些數值被拿來作為典型城市污水的特點。

不管怎麼講以及在什麼時候，采樣以及分析的樣品的代表性是非常重要的。不管是利用當前監測數據或者是類似場地項目數據的時候一定不能忘記預測未來的發展變化，這些發展變化不僅僅是水量，也包括各種因素引起的水質發生變化。

書上說過去利用mg/L 這種方式表示水質情況在21世紀來說已經過時了，大家應該多用the constituent mass discharge rate on a per capita basis.這種當量表達的方式相對來說比濃度來預測要簡單一些。

下面的表格在學習水處理原理及技術的時候非常的不重要，但涉及到具體的工程實踐實際的時候，這些背景值一定要作為參考資料，這樣才能有效的評價我們自己的數據的有效性。

Per capita Mass constituent Discharges in The United States (the total mass of waste discharged per person per day （dry weight basis) from indivial residences. 

在污水處理廠設計過程中，以下指標的具體濃度值得關註：

1.碳組分含量Carbonaceous constituents

2. 含氮組分,Nitroghenous compounds

3.含磷組分Phosphorus compounds

4.固體組分, Total and volitaile suspended solids

5. 鹼度。一般會轉換為CaCO3的濃度來表示。

在進行污水處理過程中，常有如下的一些指標被用以描述污水。

Carbonaceous constituents

                                                        

                                                        

                                                         

BOD

BOD  一般使用5日生化需氧量

sBOD 溶解性五日生化需氧量

UBOD  生化需氧量，對於UBOD/BOD值為1.5的市政廢水來說，bCOD/BOD大約為1.6到1.7.

                                                                          

                                                                        

對於典型市政污水來說，UBOD/BOD=1.5,fd=0.15, YH=0.4 bCOD/BOD=1.64

COD

TCOD,CODT， 總化學需氧量

bCOD  可生物降解化學需氧量

pCOD 顆粒型化學需氧量

sCOD 溶解性化學需氧量

nbCOD 不可生物降解需氧量

rbCOD Ss readily biodegradable化學需氧量,可以直接被微生物利用，is assimilated quickly by the biomass，rbCOD對於微生物的動力學參數以及工藝運行有直接的影響。這一部分COD濃度高會提高硝酸鹽還原速率，在除磷系統中可以很快轉化為VFA然後為PAOs使用。准確的測量rbCOD對於強化生物除磷系統的模擬及預測很重要。但是rbCOD依然還有除了VFA以外的成分。對於活性污泥系統來說，較高濃度的rbCOD以為著菌膠團細菌可以得到更多的基質，從而有利於絮體的增長，最終形成沉降性能更優的微生物絮體。

bsCOD 可生物降解的溶解性的COD

bcolCOD 可生物降解的膠體態COD,需要被酶水解後以較慢的速度被微生物利用

sbCOD Xs 慢速生物降解COD

bpCOD Xsp  可生物降解的顆粒態的COD，需要被酶水解後以較慢的速度被微生物利用

nbpCOD Xi  不可生物降解的顆粒態COD.這部分的COD依然是有機物，盡管不能被微生物利用，但會成為揮發性懸浮固體物質的成分。

nbsCOD Si 不可生物降解的溶解態COD

Nitrogen

TKN  總凱氏氮，包括氨氮和有機物中含的氮,進水中大約60%到70%的凱氏氮都是氨氮。

bTKN 可生物降解的TKN

sTKN 溶解性的TKN

ON   有機氮含量，有機氮包括溶解性的和顆粒態的，其中一部分是惰性的。

NH4-N Snh4  氨氮濃度

bON

nbON  不可生物降解的有機氮，一般來說不可生物降解的有機氮佔VSS（以COD計）的6-7%

pON

bpON   顆粒態的有機氮，由於需要水解以後才可以被微生物利用，因此顆粒態的有機氮的利用速率比較低。

nbpON   不可生物降解的顆粒態有機氮

sON  溶解性有機氮

bsON   可生物降解的溶解性有機氮

nbsON   nonbiodegradable soluble organic nitrogen,濃度一般為1-2mg/L

Phosphorus

TP 總磷

PO4   正磷酸鹽

bpP

nbpP

bsP

nbsP

Suspended solids

TSS

VSS

                                                                                                           

nbVSS  不可生物降解的揮發性懸浮固體，這部分的VSS大致上等於nbpCOD

                                                                                                         

                                                                                                           

                                                                                                           

iTSS 惰性總懸浮固體濃度

上面所列的組分盡管存在這樣的定以，其具體濃度依然受實驗操作及實驗條件等影響。

B. 數學建模污水處理問題

問題1.假設該工廠利用的是類似於沉澱法的處理，即污物處理按二項分布沉澱。有得到處理率為P=10％/小時，剩餘率H=1－P=90%
一天有24小時，則留下（90％）^24的污物＝7.98％
設T時間長度剩餘一半，有H^T=50％，推出T＝6.5788小時
問題2.設其容量為V，為保持池中容量的平衡，流入量始終要等於流出量，即每小時流出的處理水和提取物共100KG
設容器中有水含污物V2，水V1，處理完污物V3（V3+V2+V1=V）,這次排除的量分別為處理完污物V3，水含污物(100-V3)/(V2/(V1+V2)),水(100-V3)/(V1/(V1+V2))，其中V3=(V3＋V2)*10%
每小時流入100KG的污水，增加量中dV1＝100×0.4，dV2＝100×0.6，由於沉澱概率按二項分布，設原容器中有水含污物Q2，水Q1，處理完污物Q3,所以一小時後，V3=Q2*0.1+dV2*0.1,V2=Q2*0.9+dV2*0.9,V1=V-V3-V2
N小時後V2=Q2*0.9^N+dV2*(0.9^(N-1)+0.9^(N-2)……＋0.9^1)
化簡後V2=Q2*0.9^N+dV2*((0.9(1-0.9^(N-1)))/(1-0.9))
數據分析：取lim(N趨於無窮)V2=dV2*9=100*0.6*9=540KG

C. 有關數學建模問題（越詳細越好，答得好的我再加兩百分）

第一問：以B為基準點，經過分析，可以知道，污水處理廠必定建在AC之間，在B以上版設一個點，目標函數為建廠費權用和管道費用之和，在B下設一個點，同樣函數。最終得到一個二次函數，求最優解；
第二問：概率論有這樣的題，可以根據人口、污水排放為對象，進行分攤，按比例；這是簡單的方法，過度到復雜引入相對不公平度，用Q值法進行判斷，即：公平席位分配問題。
第三問：搜索生態方面的知識，搞建模最好的網站不是什麼論壇，而是知網。
其他問題搞定在看第四問，建模抓住一條：如何把別人的東西變為自己的東西，有讓別人不能判為抄襲，這就是高手之所在！祝你好運！

D. 城市污水處理設計從水質水量上選工藝

E. 請問 污水處理站計算怎麼計算

這問題太籠統了，污水處理站的設計首先在於工藝的選擇如果你剛畢業或者還沒畢業，肯定會很困惑，因為大部分書上說的在實際中都用不上，原因很簡單，書上說的要麼強調理論、原理，要麼就是特定場合下的東西。在工程上一個污水處理站針對一種來水水質，很難見到完全一樣的。因此需要活用書本的知識。而且目前污水處理的設計其實理論研究進行的並不完整，基本上還是採用經驗計算。數學模型法目前還沒有特別成功的。所以，如果你是想干這個環境工程行業，還是問問父輩師傅帶徒弟時候是怎麼做的吧。。。。
如果你就是想知道怎麼計算一座污水處理站，方法如下：1、針對來水水質選用合適的處理工藝，比如A/O，厭氧，生物膜，活性污泥等等方法，然後根據相應的工藝的經驗演算法推算池子的大小，溶解氧的需氧量，還要考慮來水中有沒有有毒有害物質，有沒有腐蝕性物質，酸鹼是否需要調整等等，總之核心一句話，你想用微生物處理污水中的廢物，那麼就要給微生物提供所必須的生存條件，溫度，溶解氧，PH，食物，營養鹽，這里是物理化學生物的天下，然後就是的考慮我怎麼讓空氣進到池子里啊？我怎麼讓污水進到池子里啊？於是開始按照計算出的需要的空氣，需要的流量選擇水泵，風機，在考慮我怎麼讓水流走啊，最好少用水泵多自留啊，我怎麼布局池子可以最省錢啊，我怎麼連接池子最能省管道啊，我的管道冬天需要不需要保溫啊，如果活性污泥法處理我每天產生的污泥怎麼處理啊？怎麼運輸啊？我的設備需要供電，那麼怎麼走電纜啊？我的設備需要自動控制，怎麼編寫程序啊？我的儀表需要檢測什麼要素啊？我這個處理站一旦出現事故怎麼解決啊？當你把所有的方面全部都考慮到時候，你會發現你設計的有很多矛盾的地方，那麼就要按照一個優先標准來調整，至於這個有線標准每一次都可能不一樣，也許是佔地面積，也許是價格，甚至是必須工藝、水泵基礎、建築物等等。然後開始改，在開始算，在重復上述過程，當你重復了四五遍後，一座污水站基本就算出來了。前提是，你必須熟練掌握全部的電氣，儀表，自控，環境處理工藝，給排水，暖通，土建，結構，采購專業的全部知識。
因此，你像算著玩兒，那麼就找本書看看很簡單，但是你像自己一個人設計一個污水處理站，那麼你最少要1人做8個資深工程師的工作。所以，別小看任何一個工作啊，如果想吃這碗飯，就守號自己的飯碗。而工程師的飯碗是經驗，同時也是知識。
希望對你的這個問題有幫助。。

F. 幾種污水處理設計計算方法的比較

全世界污水處理已經歷了幾十載的高速發展,而污水處理理論的提出則可追溯到一百多年前。現今全球主流的污水處理工藝從處理形式上分主要以微生物懸浮生長為主的活性污泥法和以微生物附著生長為主的生物膜法兩種。對於現存污水處理廠設計計算,主要是確定污泥齡和污泥生長數量,以及生物反應池的池容和停留時間。對於這幾個重要參數的確定,國內外專家學者提出了很多的方法,現在歸納起來,主要有三種:一是以經驗為主的污泥負荷法,二是以經驗和理論相結合為主的泥齡法,三則是以理論為重點的數學模型法。污泥負荷法污泥負荷法是出現較早的一種計算方法,其中較核心的參數是單位時間單位質量污泥的負荷。這種計算方法簡便易行,十分容易理解,並且在眾多實例工程中已經成功應用,充分說明了它的正確性。污泥負荷法的缺點在於其取值,規范中對於不同情況給出了建議值,然而這些值的取值范圍非常廣泛,上下限的差別達到兩倍,甚至再考慮脫氮除磷的情況時,相差達三倍之多。