一種用于東北嚴寒地區(qū)污水處理的保溫大棚建模方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及用于東北嚴寒地區(qū)污水處理的保溫大棚建模方法。
【背景技術】
[0002] 我國北方城市冬季氣溫低（最低氣溫-42.2°C)且冰凍期漫長(個別地區(qū)可達200 天），污水處理廠置于戶外長期低溫運行，進水負荷波動較大，導致有效生物量降低和生化 代謝活性減弱，使污水廠難以穩(wěn)定運行，出水水質惡化，尤其是氮磷和有機物含量超標。另 外，受低溫影響，物化和生化作用顯著降低，傳統工藝難以有效去除污染物，污水廠運行效 能下降，嚴重影響受納支流或干流水體的水質安全。
[0003] 目前針對低溫季節(jié)污水廠運行效率低的問題，國內外展開了相關研究，并取得了 部分研究成果。北美、北歐等高寒地區(qū)發(fā)達國家在低溫季節(jié)污水防治方面擁有先進的污染 防治技術和管理經驗，通過強化低溫季節(jié)排污點源的治理技術降低水體污染是最常用的方 法。我國在低溫期水體污染綜合防治方面的研究主要集中在東北地區(qū)的科研院校等。提高 低溫污水處理廠的運行效率主要有兩方面。一方面是改造傳統污水廠的運行工藝，增設厭 氧和缺氧段，強化氮磷的去除；另一方面是在污水廠生化池中投加適當比例的關鍵填料，形 成復合式生物處理系統，在原有好氧池營造適當的厭氧菌和缺氧菌生存環(huán)境，強化氮磷的 去除。
[0004] 計算流體力學(Computational Fluid Dynamics簡稱CFD)，將求解區(qū)域離散為許 多小空間和小時間間隔，在這些小空間和小時間間隔內，將微分方程近似的用一系列的代 數方程表示，而這些代數方程可以用計算機進行求解。解的精度取決于所使用的各種計算 工具和離散的方法。計算流體力學是計算力學的一個分支，是為彌補理論分析方法的不足 而與20世紀60年代發(fā)展起來的，并相應地形成了各種數值解法，比如有限差分法(FDM)、有 限元法(FEM)和有限體積法(FVM)，其中有限體積法(FVM)由于其通用性，易于理解是現在最 常用的方法。

【發(fā)明內容】

[0005] 本發(fā)明是為了解決北方城市冬季污水廠難以穩(wěn)定運行以及運行效率低的問題，而 提出的一種用于東北嚴寒地區(qū)污水處理的保溫大棚建模方法。
[0006] -種用于東北嚴寒地區(qū)污水處理的保溫大棚建模方法按以下步驟實現：
[0007] 步驟一:確定物理模型，設曝氣池長為L，曝氣池長寬為B，拱到曝氣池底距離為Η， 曝氣池高為h，拱高為H-h，污水入口溫度為ti，出口溫度為t。，大棚內空氣溫度為t n，周圍環(huán) 境溫度為"，太陽輻射強度為q，設大棚形狀分別為拱形棚和楔形棚；
[0008] 步驟二:將步驟一中的物理模型導入Fluent軟件中，建立數學模型；
[0009]步驟三:根據步驟二建立的數學模型，確定大棚形狀為楔形棚；
[0010]步驟四：確定物理模型，設曝氣池長為L，曝氣池長寬為B，拱到曝氣池底距離為H， 曝氣池高為h，拱高為H-h，污水入口溫度為ti，出口溫度為t。，棚內空氣溫度為tn，周圍環(huán)境 溫度為U，太陽輻射強度為q，大棚膜材料分別為PO、PE、EVA或PVC;
[0011]步驟五:將步驟四中的物理模型導入Fluent軟件中，建立數學模型；
[0012]步驟六:根據步驟五確定大棚材料為P0;
[0013]步驟七:確定物理模型，設曝氣池長為L，曝氣池長寬為B，拱到曝氣池底距離為H， 曝氣池高為h，拱高為H-h，污水入口溫度為ti，出口溫度為t。，棚內空氣溫度為tn，周圍環(huán)境 溫度為U，太陽輻射強度為q，大棚膜材料為P0，大棚拱高分別為2m、2.5m或3m;
[0014]步驟八:將步驟七中的物理模型導入Fluent軟件中，建立數學模型；
[0015]步驟九:根據步驟八確定拱高為2.5m;
[0016] 步驟十:確定物理模型，設曝氣池長為L，曝氣池長寬為B，拱到曝氣池底距離為Η， 曝氣池高為h，拱高為H-h，污水入口溫度為ti，出口溫度為t。，棚內空氣溫度為t n，周圍環(huán)境 溫度為U，太陽輻射強度為q，大棚膜材料為P0，大棚分別為單層膜或雙層膜；
[0017] 步驟^^一:將步驟十中的物理模型導入Fluent軟件中，建立數學模型；
[0018] 步驟十二:根據步驟十一確定大棚膜層數為雙層。
[0019] 發(fā)明效果：
[0020] 針對我國北方城市冬季氣溫低且冰凍期漫長，污水處理廠置于戶外長期低溫運 行，導致的進水負荷波動較大、污水處理廠難以穩(wěn)定運行的問題;本發(fā)明采用大棚保溫技術 強化冬季低溫條件污水廠的運行，通過數值模擬計算、分析以及試驗測試，對冬季保溫大棚 傳熱機理和特性、大棚內空氣吸收太陽輻射熱后溫度的分布和流動特性進行分析和研究， 確定合理的大棚空間尺寸的合理，選擇合適的大棚材料。
[0021] 過對東北嚴寒地區(qū)冬季低溫條件下污水廠利用大棚保溫技術進行數值模擬和實 驗測試，對冬季大棚傳熱機理和特性、大棚內空氣吸收太陽輻射熱后的溫度分布進行分析， 可得到以下效果：
[0022] 1、當冬季環(huán)境溫度達到-22°C時，大棚內空氣平均溫度達到4.0°C左右，曝氣池出 口水溫達到11.1°C左右，這個溫度已接近曝氣池有效工作溫度，可見，大棚保溫對污水處理 的有效運行起到很好的作用。
[0023] 2、選用不同材料對曝氣池出口水溫的影響并不明顯，但對棚內空氣溫度有較明顯 的區(qū)別，P0材料對空氣保溫效果最好，PVC材料保溫效果最差，PE和EVA材料介于之間，二者 保溫性能幾乎差不多。
[0024] 3、曝氣池大棚選用2.5m棚拱高度時的保溫效果較好。
[0025] 4、雙層保溫膜保溫效果優(yōu)于單層膜，而且晝夜溫度波動小。
【附圖說明】
[0026] 圖1為楔形棚示意圖；圖中1為曝氣池，2為污水入口，3為污水出口；
[0027] 圖2為拱形棚示意圖；圖中1為曝氣池，2為污水入口，3為污水出口；
[0028] 圖3為楔形棚和拱形棚曝氣池出口水溫對比圖；
[0029] 圖4為楔形棚和拱形棚曝棚內空氣平均溫度對比圖；
[0030] 圖5為采用四種膜材料時曝氣池出口水溫變化趨勢對比圖；
[0031] 圖6為采用四種膜材料時大棚內空氣平均溫度變化趨勢對比圖；
[0032] 圖7為不同大棚拱高度曝氣池出口水溫變化對比圖；
[0033] 圖8為采用單層膜和雙層膜時大棚內空氣平均溫度變化趨勢對比圖；
[0034] 圖9為采用單層膜和雙層膜時曝氣池出口水溫變化趨勢對比圖；
[0035] 圖10為24小時內棚內空氣平均溫度變化曲線圖；
[0036]圖11為24小時內曝氣池進出口水溫變化曲線圖；
[0037] 圖12為每天8:00時水溫監(jiān)測記錄圖；
[0038] 圖13為每天14:00時水溫監(jiān)測記錄圖；
[0039] 圖14為每天8:00時氣溫監(jiān)測記錄圖；
[0040] 圖15為每天13:00時氣溫監(jiān)測記錄圖。
【具體實施方式】
【具體實施方式】 [0041] 一:一種用于東北嚴寒地區(qū)污水處理的保溫大棚建模方法包括以下 步驟：
[0042]步驟一:確定物理模型，設曝氣池長為L，曝氣池寬為B，拱到曝氣池底距離為H，曝 氣池高為h，拱高為H-h，污水入口溫度為ti，出口溫度為t。，大棚內空氣溫度為tn，周圍環(huán)境 溫度為U，太陽輻射強度為q，設大棚形狀分別為拱形棚和楔形棚；
[0043]步驟二：將步驟一中的物理模型導入Fluent軟件中（Fluent軟件為現有軟件），建 立數學模型；
[0044]步步驟三:根據步驟二建立的數學模型，確定大棚形狀為楔形棚；
[0045] 步驟四：確定物理模型，設曝氣池長為L，曝氣池寬為B，拱到曝氣池底距離為H，曝 氣池高為h，拱高為H-h，污水入口溫度為ti，出口溫度為t。，棚內空氣溫度為tn，周圍環(huán)境溫 度為U，太陽輻射強度為q，大棚膜材料分別為P0、PE、EVA或PVC;
[0046]步驟五:將步驟四中的物理模型導入Fluent軟件中，建立數學模型；
[0047]步驟六:根據步驟五確定大棚材料為P0;
[0048] 步驟七:確定物理模型，設曝氣池長為L，曝氣池寬為B，拱到曝氣池底距離為Η，曝 氣池高為h，拱高為H-h，污水入口溫度為ti，出口溫度為t。，棚內空氣溫度為t n，周圍環(huán)境溫 度為U，太陽輻射強度為q，大棚膜材料為P0，大棚拱高分別為2m、2.5m或3m;
[0049] 步驟八:將步驟七中的物理模型導入Fluent軟件中，建立數學模型；
[0050] 步驟九:根據步驟八確定拱高為2.5m;