（市政工程专业论文）活性污泥数学模型ASM3及其计算机模拟研究.pdf

摘 要 摘要 国际水协开发的活性污泥模型为城市污水生物处理系统的设计优化和运行 提供了一个有价值的工具，并在欧美得到了成功而广泛地应用，但在国内应用相 对较小，尚处于起步阶段。本文将a s m 3 和迁移方程相结合，构建活性污泥模 型。研究内容包括了建模平台的选择、数学模型的建立、模型的校正和验证。 首先回顾了活性污泥数学模型的发展历史，逐一介绍了历史上比较有影响的 机理模型、稳态模型和动态模型，清楚地勾勒出活性污泥数学模型的发展轨迹。 然后在w i n d o w s x p 操作系统上，采用v i s u a lb a s i c6 0 语言编写o 脱氮工 艺模拟器。接着分析了所有化学计量学系数、动力学参数对主要出水指标c o d 、 氨氮和硝氮的灵敏度。灵敏度分析结果表明，只有有限的参数对出水水质有重要 的影响。 水质特性分析是模型应用于实际模拟的前提和基础，本文探讨了水质特性的 测定理论及方法，针对实际的生活污水进行了试验研究和测定。含碳组分的测定 结果表明：水样中西、& 、硌、局占总c o d 的平均比例分别为5 4 7 、1 5 4 3 、 6 4 5 7 和1 4 5 3 。 采用国际水协推荐的参数典型值，运行模拟器，c o d 、氨氮和硝氮的模拟值 与实测值之间存在一定的差距，根据灵敏度分析结果，调整了3 个参数的典型值 以后即f x i 调整为0 2 5 ，m 调整为0 0 3 5 ，心调整为1 0 7 ，使模拟值和实测值 取得了较好的吻合。 最后，将校正后的模拟器应用于实际运行的a o 脱氮工艺，分别对其进行 了稳态和动态模拟研究，并取得了与实测值较为接近的结果，验证了模型的可靠 性。 关键词：活性污泥数学模型，模拟研究，a s m 3 ，a o 脱氮工艺 北京工业大学工学硕士学位论文 a bs t r a c t t h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e l sd e v e l o p e db yt h ei n t e r n a t i o n a lw a t e ra s s o c i a t i o n o f f e rav a l u a b l ei n s t r u m e n tf o rd e s i g n ，o p t i m i z a t i o na n do p e r a t i o no fb i o l o g i c a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s e s ，a n di th a sb e e nw i d e l ya n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e di n e u r o p ea n da m e r i c a h o w e v e r i th a sd e v e l o p e dc o m p a r a t i v e l yl a t ei nc h i n aa n ds t i l l i nt h ei n t i a ls t a r t i n gs t a g e i nt h ep a p e r ，am a t h e m a t i c a lm o d e lf o ra c t i v a t e ds l u d g e s y s t e mw a sc o n s t r u c t e db a s e do na s m 3a n da d v e c t i o n - d i s p e r s i o n 砀er e s e a r c h i n v o l v eal o to fc o n t e n t si n c l u d i n gt h em o d e lp l a t f o r ms e l e c t i o n ，m o d e l tu p ，m o d e l c a l i b r a t i o na n dv a l i d a t i o n a tf i r s tt h ed e v e l o p m e n to fa c t i v a t e ds l u d g em a t h e m a t i c a lm o d e li sr e v i e w e d s o m em e c h a n i s mm o d e l s ，s t e a d y s t a t em o d e l sa n dd y n a m i cm o d e l sw h i c hh a db r o a d i n f l u e n c ei nt h ew o r l dw e r ei n t r o d u c e d t h et r a c ea n df u t u r eo ft h ea c t i v a t e ds l u d g e m a t h e m a t i c a lm o d e la r ei n d i c a t e dc l e a r l y ma s m 3p r o c e d u r eu s i n gv i s u a lb a s i c6 0b a s e do nw 协d o w sx po p e r a t i o n s y s t e mi sp r o g r a m e d 。t h e na n a l y z i n gt h es e n s i t i v i t yo ft h ep r i n c i p a le f f l u e n tt a r g e t s ， i n c l u d i n gc o d ，n h 4 十，a n dn 0 3 。- t h er e s u l t ss h o wt h a to n l yal i m i t e dn u m b e ro f m o d e lp a r a m e t e r si n f l u e n c e dt h em o d e lo u t p u ts i g n i f i c a n t l y w a s t e w a t e rc h a r a c t e r i z a t i o ni st h eb a s eo fa p p l y i n gt h em a t h e m a t i c a lm o d e l m e n s t r u a t i o nt h e o r ya n dm e t h o d so fw a s t e w a t e rc h a r a c t e r i z a t i o na r ei n v e s t i g a t e d ，n 伧 r e s u l t so fm e n s t r u a i n gw a s t e w a t e rc h a r a c t e r i z a t i o ni n d i c tt h a ts ia c c o u n t sf o r5 4 7 p e r c e n to ft o t a lc o d ，s sa c c o u n t sf o r15 4 3p e r c e n to ft o t a lc o d ，x sa c c o u n t sf o r 6 4 5 7p e r c e n to f t o t a lc o da n dx fa c c o u n t sf o r1 4 5 3p e r c e n to f t o t a lc o d r u n n i n gt h es i m u l a t o r 丽也t h ed e f a u l tp a r a m e t e r sr e c o m m e n d e db yi w a ，t h e s i m u l a t i n gr e s u l t ss u g g e s t e dt h a tt h e r ea r ec e r t a i nd i s p a r i t i e sb e t w e e nt h em o d e l i n g v a l u e sa n dt h ep r a c t i c a lm e a s u r e m e n t sf o rc o d ，n h 4 + - n , a n d3 1 0 3 t h es i m u l a t o r i sp r o v e dw e l lc a p a b l eo fd e s c r i b i n gt h eo p e r a t i o ns t a t eo ft h ea n o x i c - o x i cn i t r o g e n r e m o v a lp r o c e s sw i t ha d j u s t m e n to fo n l yt h r e ed e f a u l tp a r a m e t e r s ：a d j u s t 厶t oo 2 5 ， a d j u s t0 局t o0 0 3 5 ，a n da d j u s t 心t o1 0 7 t l l ec h o i c eo fp a r a m e t e r st oc a l i b r a t ei s d o n eo nt h eb a s i so fs e n s i t i v i t ya n a l y s i s f i n a l l y , t h es i m u l a t o ri su s e dt os i m u l a t et h ea n o x i c o x i cn i t r o g e nr e m o v a l p r o c e s s 1 1 l cs t e a d ys t a t es i m u l a t i o nr e s u l t sa n dd y n a m i co n e sc o r r e l a t ew e l lt h e m e a s u r e dv a l u e s ，a n da l s oc o n f u mt h ep r a c t i c a b i l i t y k e yw o 斟d s ：a c t i v a t e ds l u d g em o d e l ，m o d e l i n gr e s e a r c h , a s m 3 ，a n o x i c - o x i c n i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 竖塞王些太堂或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：立蠡近日期：球臼 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j e 塞王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 衅：幽羔妈 第1 章绪论 第1 章绪论 我国水环境污染严重。据中国环境公报( 2 0 0 7 ) 的报道，2 0 0 7 年全国1 9 7 条河流4 0 7 个断面中，i i i i 类、v 类和劣v 类水质的断面比例分别为4 9 9 、 2 6 5 和2 3 6 。2 0 0 7 年，全国废水排放总量为5 5 6 7 亿吨，比上年增加3 7 ： 化学需氧量排放量为1 3 8 1 8 万吨；氨氮排放量为1 3 2 3 万吨【l 】。水环境污染加剧 了我国水资源的紧缺，造成了巨大的经济损失，更影响到公众的饮水安全和水产 品的食用安全，直接威胁民众的健康和生命安全。因此，污水处理作为控制水污 染的重要措施，受到广泛的关注。 活性污泥法是城市污水处理最为有效的方法之一。自2 0 世纪初在英国首次 试验成功后，经过近百年的实践和发展，成为了应用最为广泛的污水处理技术【2 1 。 在国内，8 0 以上的城市污水处理厂采用活性污泥法。活性污泥法的主要缺点是 运行较为复杂，需要有经验的操作人员进行控制；同时由于污水组分的复杂性， 有必要开展活性污泥模型的研究，更深刻地认识所研究的现象和规律。2 0 世纪 8 0 年代以来，数学模型和计算机技术在活性污泥模型中的应用日趋活跃，实现 了以指导活性污泥工艺设计，到以活性污泥工艺的动态过程的控制：并出现了相 应的商业化活性污泥工艺软件【3 4 】。我国在污水处理工艺方面己做了大量研究， 但是在污水处理数学模型以及污水厂自动控制方面的研究相比较国外起步较晚， 研究也很少。 1 1 课题研究目的及意义 目前具有代表性的活性污泥数学模型大多是基于活性污泥l 号模型原理开 发的，活性污泥3 号模型( a s m 3 ) 在国内还没有得到深入的研究和广泛的利用 1 5 , 6 1 。本研究在以前研究的基础上，通过对a s m 3 的研究，确定典型生活污水的 水质特性和模型参数，并以实际a o 脱氮工艺的运行结果对模型参数进行校正， 同时对实际工艺的运行进行指导。为数学模型在我国的使用提供一些依据和基 础，从而逐渐缩小我国在模型使用方面与国外的差距，促进活性污泥数学模型在 我国的应用和发展。 数学模型对于污水生物处理系统的设计和运行管理有着重要意义。准确的活 性污泥数学模型是一种机理模型或白箱模型，建立在微生物去除污染物的生化反 应机理的基础上。相对于一些以进出水数据分析统计为基础的黑箱模型，它不仅 北京工、l k 大学工学硕士学位论文 能够模拟进水出水的相应变化，还能够模拟反应过程中的每一步细微变化，污染 物的沿程降解过程。具体来说，本课题的研究在以下几方面具有实际意义： ( 1 ) 活性污泥数学模型能够帮助专业人士更好地了解活性污泥处理污水的 反应过程，能够使工艺中的各种生物过程之间的相互关系与作用形象化，各种影 响因素如何对最终的处理效果发生影响，水处理的限制步骤等等，从而找到改进 的方法。 ( 2 ) 利用计算机模拟能够充分拓展技术人员的思路和视野，为技术人员提 供广阔的空间进行模拟试验，以极小的代价和最低的风险给出最可行的方案，提 高科研的水平和效率，并有助于对城市污水处理工艺进行深入研究，有利于新工 艺的开发。 ( 3 ) 使用数学模型，有助于实现污水处理厂的自动控制，降低试验经费的 投入，节省人力、物力、财力，提高科研、设计水平与效率，这在我国目前的经 济条件下是可行的。 1 2 课题主要研究内容及技术路线 1 2 1 主要研究内容 本课题研究将建立a o 脱氮工艺活性污泥数学模型，并在此基础上利用模 型对工艺的实际运行进行稳态模拟和动态模拟。研究内容主要包括： ( 1 ) 解析活性污泥3 号模型( a s m 3 ) ，研究模型参数的含义及反应的动力 学过程。 ( 2 ) 分析模型入流组分的水质特性及其分析方法。利用絮凝过滤方法对模 型入流含碳组分进行划分。 ( 3 ) 建立a o 脱氮工艺的活性污泥数学模型。 ( 4 ) 进行模型中主要化学计量系数和动力学参数的灵敏度分析。 ( 5 ) 对实际a o 脱氮工艺的实验结果进行稳态模拟，将模拟结果和实测结 果进行比对分析，并利用灵敏度分析的结果对模型进行校正。 ( 6 ) 利用经校正的数学模型，对各反应器进行沿程稳态模拟。 ( 7 ) 对a o 脱氮工艺试验结果进行动态模拟 1 2 2 技术路线 本课题的技术路线如图1 1 所示。 2 第1 章绪论 j且 r l l 1 广_ 1 l 建立a o 工艺模拟器ia 0 工艺的实验运行l 图1 1技术路线图 f i g 1 一l t h ec h a r to f t e c h n i c a lr o u t o 3 第2 章活性污泥数学模型的发展和应用 第2 章活性污泥数学模型的发展 2 1 有关基本概念 所谓模型就是对实体的特征及变化规律的一种表示或抽象，即把对象实体通 过适当的过滤，用适当的表现规则描绘出的简洁的模仿品。模型的研究方法，就 是用模型来代替实际的系统进行研究。这种代替可以是简单的，也可以复杂的， 这就要看研究的系统所需要的目标或处理的情形而赳7 】。通过模型可以从定性或 定量的角度来刻画实际问题，并为解决现实问题提供精确的数据或可靠的指导。 模型按它的形态可以分为实体模型、模拟模型、数学模型1 7 1 。目前应用最多的是 数学模型。 数学模型是根据研究目的，对所研究的过程和现象( 称为现实原型或原型) 的主要特征、主要关系，采用形式化的数学语言，概括地、近似地表达出来的一 种结构。通过研究事物的数学模型来认识事物的方法，称为数学模型方法。数学 模型的种类很多，而且有多种不同的分类方法，常见的有以下几种类型： ( 1 ) 静态和动态模型。静态模型是指要描述的系统各量之间的关系是不随 时间的变化而变化的，一般都用代数方程来表达。动态模型是指描述系统各量之 间随时间变化而变化的规律的数学表达式，一般用微分方程或差分方程来表示。 ( 2 ) 连续时间和离散时间模型。模型中的时间变量是在一定区间内变化的 模型称为连续时间模型，各类用微分方程描述的模型都是连续时间模型。在处理 集中参数模型时，也可以将时间变量离散化，所获得的模型称为离散时间模型。 离散时间模型是用差分方程描述的。 ( 3 ) 随机性和确定性模型。随机性模型中变量之间关系是以统计值或概率 分布的形式给出的，而在确定性模型中变量间的关系是确定的。 ( 4 ) 参数与非参数模型。用代数方程、微分方程、微分方程组以及传递函 数等描述的模型都是参数模型。建立参数模型就在于确定已知模型结构中的各个 参数。通过理论分析总是得出参数模型。非参数模型是直接或间接地从实际系统 的实验分析中得到的响应，例如通过实验记录到的系统脉冲响应或阶跃响应就是 非参数模型。运用各种系统辨识的方法，可由非参数模型得到参数模型。如果实 验前可以决定系统的结构，则通过实验辨识可以直接得到参数模型。 ( 5 ) 线性和非线性模型。线性模型中各量之间的关系是线性的，可以应用 叠加原理，即几个不同的输入量同时作用于系统的响应，等于几个输入量单独作 用的响应之和。线性模型简单，应用广泛。非线性模型中各量之间的关系不是线 北京工业大学工学硕士学位论文 性的，不满足叠加原理。在允许的情况下，非线性模型往往可以线性化为近似的 线性模型。 2 2 活性污泥数学模型的发展历程 活性污泥数学模型的研究经历了从简单拟合实验数据到采用经典的微生物 生长动力学模型，进而根据废水生物处理过程的特性进行过程动态分析、探索辨 识建模的发展过程【引。 2 2 1 微生物模型 微生物模型描述的是微生物生长和限制生长的基质浓度之间的关系，是活性 污泥数学模型的理论基础【9 1 。 2 2 1 1m i c h a e l i s m e n t e n 方程 1 9 1 3 年，m i c h a e l i s 和m e n t e n 通过大量的动力学实验，建立了纯酶对纯底物 的降解关系，提出了表达底物浓度与酶促反应速率之间关系的m i c h a e l i s m e n t e n 方程【1 0 1 ，见式( 2 1 ) 。因为一切生化反应都是在酶的作用下完成的，所以 m i c h a e l i s m e n t e 方程能够间接说明微生物降解底物速度与底物浓度的关系，在废 水生物处理工程中有广泛的应用。 s 肛y 懈百石 2 - 1 ) 式中：y 酶促反应速率( d 1 ) ； 最大酶促反应速率( d 1 ) ； 卜底物浓度( m g l ) ； 为i - 米式常数( m g l ) 。 对式( 2 1 ) 在两种极限条件下进行推论，可以看出：在底物浓度很高的情 况下，该反应的速率不受底物浓度影响，只与最大酶促反应速率相关；当底物浓 度很低时，反应速率与底物浓度成一级正相关。 2 2 1 2m o n o d 方程 1 9 4 2 年，m o n o d 在以单种细菌对单一底物的培养基上进行了微生物增殖速 率和底物浓度之间关系研究的试验。试验得到一条与活性酶催化的生化反应曲线 类似的曲线，并认为采用直角双曲线方程能足够精确地拟合生长曲线。1 9 4 9 年 发表了在静态反应器中经过系统研究得出的m o n o d 方程【l l 】，见式( 2 2 ) 。虽然 m o n o d 方程是为单一有机基质细菌纯培养系统建立的经验公式，但它仍是得到 6 第2 章活性污泥数学模型的发展和应用 最广泛应用的方程。 s = 一i 再 2 - 2 ) 式中：微生物的比增殖速率( d 。1 ) ；并且 l 鹚 = 夏百( 2 - 3 ) 卜微生物浓度( m g l ) ； l m 肛微生物的最大比增殖速率( d j ) ； s 有机底物浓度( m l ) ； k 饱和常数，也称为半速率常数( r a g l ) 。 对式( 2 2 ) 在两种极限条件下进行推论，可以看出：在有机底物浓度很高 的情况下，微生物生长为零级反应：当底物浓度很低时，微生物生长为一级反应。 2 2 2 传统的活性污泥数学模型 传统的活性污泥模型研究始于2 0 世纪5 0 年代中期，各国的研究者从表示细 胞生长动力学的m o n o d 方程出发，结合化工领域的反应器理论与微生物学理论， 对基质降解、微生物生长等各参数之间的数学关系做定量描述【1 2 】。其中具有代表 性的有e c k e n f e l d e r 等基于挥发性悬浮固体( v s s ) 积累速率经验公式提出的活性 污泥模型、m c k i n n e y 等基于活性污泥全混假设提出的活性污泥模型和 l a w r e n c e m c c a r t y 等基于微生物生长动力学理论提出的活性污泥模型。这些模型 都采用的是“生长衰减”机理。 “生长衰减”机理将有机物的去除表述为两个过程：微生物的生长和衰减。 微生物的生长是指底物作为碳源被合成为细胞原生质的作用和为合成提供能源 的作用，包含有机底物的转化、氧的利用和微生物的增长等过程。微生物的衰减 是指微生物细胞通过自身氧化提供维持能的作用，包含微生物量的减少和氧的利 用等过程，这实际上主要采纳了h e r b e r t 的内源呼吸理论【l3 1 。 2 2 2 1e c k e n f e l d e r 模型 1 9 5 5 年，e c k e n f e l d e r 观察了间歇反应器内微生物生长情况，发现当微生物 处于不同生长期时，微生物增长的速率与有机底物浓度呈现不同的关系【l o 】。 当微生物处于对数增长期时，微生物的增长速率与有机底物无关，为零级反 应，式( 2 3 ) 表示为： _ d x = k l x ( 2 - 4 ) 一= j 俄 当微生物处于减速增长期时，微生物生长主要受有机底物不足的限制，微生 7 北京工业大学工学硕士学位论文 物的增长与基质的降解遵循一级反应关系，用式( 2 5 ) 表示： _ d x - = k xs(2-5) 讲 一 当微生物处于内源呼吸期时，微生物进行自身氧化，微生物量逐渐减少，用 式( 2 6 ) 表示： - - d x ：一墨x ( 2 - 6 ) 一= 一 - 式中：卜微生物浓度( m g l ) ： 卜有机底物浓度( m g l ) ； 局对数增长速率常数( d 。1 ) ；k = “嘣 卜减速增长速率常数( d - 1 ) ：k = 等 k 厂内源呼吸衰减速率常数( d d ) 。 2 2 2 2 m c k i n n e y 模型 1 9 6 1 年，m c k i r m e y 根据推流式曝气池的特点，在完全混合反应池( c s t r ) 模型的基础上进行修正【1 4 】。与e c k e n f e l d e r 模型相比，m c k i n n e y 模型忽略了微生 物浓度对基质去除速率的影响，认为在活性污泥反应器内，与微生物浓度相比， 属低基质浓度，微生物处于生长率下降阶段，代谢过程为基质浓度所控制，并遵 循一级反应动力学，即： 一d x ：一船( 2 - 7 )一= 一 - 、 - 谢 假定有机底物在曝气池内的降解是匀速的，即： ( s o - s , ) ：一k s ( 2 8 ) ， 式中：酪基质降解速率常数( d 1 ) ； 勋一进水的有机底物浓度( m g l ) ； & 一出水的有机底物浓度( m g l ) ； 其他符号同前。 m c k i n n e y 模型首次提出了活性物质的概念，认为活性污泥中只有部分具有 活性的微生物对基质降解起作用。这个概念对活性污泥数学模型的发展起到了促 进作用，并且沿用至今。 2 2 2 3 l a w r e n c e - m e c a r t y 模型 1 9 7 0 年，l a w r e n c e 和m e c a r t y 将m o n o d 方程应用于活性污泥工艺，以微生 物增殖和对有机底物的利用为基础，推出了l a w r e n c e m c c a r t y 模型【1 5 1 。该模型 8 第2 章活性污泥数学模型的发展和应用 采用公式( 2 9 ) 表示反应池中微生物变化速率与基质去除速率的关系。 一d x ：】，塑一尺。x ( 2 - 9 ) 式中：髟衰减常数( d d ) ； y 总产率系数( m g 生物l m g 利用的底物) ； 其他符号同前。 l a w r e n c e m e c a r t y 模型将单位重量的微生物在活性污泥反应系统中的平均 停留时间，定义为污泥龄( 又称生物固体平均停留时间或细胞平均停留时间) ； 以谚表示。l a w r e n c e m c c a r t y 模型的突出点是强调了污泥龄的重要性及其在设 计、运行中的意义，认为这是生物处理设计和运行的统一基础，得到了污水处理 学术界比较广泛的承认。 l a w r e n c e m c c a r t y 模型同时给出了单位底物利用率的定义，即：单位浓度的 微生物对底物的利用率，以g 表示，为常数，用式( 2 1 0 ) 表示： 留= 烈l ( d 出s ) 。 ( 2 一- 。) 留= 烈出。 o ) 式中：q 单位底物利用率( d 1 ) ； ( 鲁) 。微生物对有机底物的降解速率( m g l d 1 ) ； 其他符号同前。 公式( 2 9 ) 两边同时除以微生物浓度x ，可以得到表达污泥龄、微生物产 率、单位底物利用率以及微生物的衰减系数之间的关系式( 2 11 ) ： = r q k 。 ( 2 1 1 ) u 式中：只污泥龄( d ) ； 其他符号同前。 l a w r e n c e m c c a r t y 模型不仅被广泛用于计算反应池的体积、耗氧量、排泥量 等参数，而且认为系统出水水质仅与泥龄有关，通过控制污泥龄就可改变出水水 质，而污泥龄又可以通过剩余污泥的排放量来控制，因此为污水厂的运行控制提 供了快捷的手段。 2 2 3 活性污泥动态模型 传统静态模型具有形式简单、变量可直接测定、方程求解方便和稳态结果基 本满足工艺设计要求等优点，得到广泛的应用。然而，长期实际应用经验也表明， 传统活性污泥数学模式虽然能很好地描述污水中含碳有机物的去除，但未有氮和 磷的去除，而且由于传统的描述活性污泥法机理的数学模型都是静态的，即假定 9 北京工业大学工学硕士学位论文 微生物的生长对电子受体的要求不受限制，这种基于平衡态的模型丢失了大量不 同平衡生长状态间的瞬变过程信息，忽视了一些重要的动态现象，应用到具有典 型时变特性的活性污泥工艺系统中时，带来许多问题。例如：无法解释有机物的 “快速去除 现象：不能很好地预测基质浓度增大时微生物增长速度变化的滞后， 因而无法精确模拟氧利用的动态变化；得出的出水浓度与进水浓度无关的结论与 实际情况不符【9 l 。要解决上述问题，就需要研究更为复杂、详尽的活性污泥动态 模型。 活性污泥动态模型主要有3 种：机理模型、时间序列模型和语言模型。语言 模型主要指专家系统，其研究尚处在初始阶段。时间序列模型又称为辨识模型， 对监测控制系统的要求较高。机理模型目前主要有3 种：a n d r e w s 模型、w r c 模 型、i w a 模型。 2 2 3 1a n d r e w s 模型 a n d r e w s 模型由美国的j e a n d r e w s 等人在2 0 世纪7 0 年代提出。该模型提 出了“贮存- 代谢”机理，此机理将系统中的微生物分为活性生物体、储存物质 和惰性代谢产物3 个部分，从而建立了第一个活性污泥动态模型。它认为在活性 污泥过程中，非溶解性有机物和部分溶解性有机物首先被生物絮体快速吸附，以 胞内贮存物的x s r o 形式被贮存，然后再被微生物利用。这一机理的引入，合理 解释了有机物的“快速去除”现象，很好的预测了实际中观察到的底物浓度增加 时微生物增长速度变化的滞后现象和耗氧速率的动态变化旧。 2 2 3 2w r c 模型 w r c 模型由英国水研究中心( w a t e rr e s e a r c hc e n t e r ) 提出，引入了j o n e s 等人提出的“存活非存活 细胞代谢机理【1 8 】，强调非存活细胞的代谢活性，认 为有机物的降解可以在不伴随微生物( 活性污泥) 增长的情况下完成，存活力并 非生物活性的先决条件，生物活性可因细胞破裂，酶的溢出而得到增强，相当大 程度的生物活性是由这些非存活细胞提供的。非存活细胞的代谢作用使有机物的 降解可以在不伴随微生物量增加的情况下发生，以此解释在应用m o n o d 方程描 述废水生物处理过程中导致细胞浓度预测值高于实际值的原因。 2 2 3 3a s m 系列模型 a n d r e w s 和w r c 模型分别运用不同的机理解释了传统静态模型无法解释的 某些现象，但这类模型仍存在两个问题：一是微生物衰减按内源呼吸理论来描述， 未考虑代谢残留物的再利用；二是只描述了废水中含碳有机物的去除过程，不能 模拟与预测氮和磷的降解。针对a n d r e w s 和w r c 模型存在的问题，1 9 8 2 年原国 际水污染研究和控制协会( i a w p r c ) ( 国际水质协会i w a q 的前身) 组织了南 1 0 第2 章活性污泥数学模型的发展和应用 非、丹麦、美国等五国专家组成活性污泥模型课题组，以d o l d 等人于1 9 8 0 年提 出的“死亡再生 理论【1 9 】( 见图2 1 ) 及内源呼吸理论( 见图2 2 ) 为基础，对 微生物衰减过程进行模型化处理，完成活性污泥处理系统数学模型的研究。分别 在1 9 8 7 、1 9 9 5 和1 9 9 9 年陆续推出了3 套活性污泥数学模型( a c t i v a t e ds l u d g e m o d e l s ) ：a s m l 、a s m 2 和a s m 3 1 5 1 。 0 2 + n i - 1 3c 0 2 + h 2 0 + n 0 3 底物3 l 么合成生物体残留物 +i i 水解 l 一溶解性颗粒有机物 图2 1“死亡再生”机理示意图 f i g 2 - l t h es c h e m a t i cd i a g r a mo f d e a t ha n d r e g e n e r a t i o nt h e o r y 【) 2 + n h 3 c 0 2 + h 2 0 + n 0 3 0 2 c 0 2 + h 2 0 底物3 k z ，一_ 合成生物体3 i z j 残留物 生长衰减 有c o d 损失无c o d 损失 图2 - 2内源呼吸理论示意图 f i g 2 - 2 t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fe n d o g e n o u sr e s p i r a t i o nt h e o r y ( 1 ) 活性污泥l 号模型( a s m l ) 1 5 2 0 活性污泥1 号模型于1 9 8 7 年推出，该模型着重于描述废水生物处理的基本 原理、过程及其动态模拟。不仅包含了含碳有机物的去除过程( 碳氧化过程) ， 还首次描述了通过硝化和反硝化作用对含氮物质的去除。该模型是以物料平衡为 计算基础，用矩阵形式来描述各组分在反应过程中的变化规律和相互关系，并采 用了“开关函数”的概念，用来反映环境因素改变而产生的抑制作用，避免了那 些因为具有不连续特性的反应过程在模拟过程中出现的数值不稳定的现象【2 。 a s m l 模型矩阵共有8 行1 3 列，描述了污水中好氧、缺氧条件下所发生的水解、 微生物生长、衰减等8 种生物化学反应和1 3 种模型组分，行与列的交叉处为组 分对过程的化学计量系数。化学计量系数通过对每一个过程的c o d 、氮和碱度 的平衡计算得到。另外，模型矩阵还给出了各反应的反应速率，反应速率表达式 中包含了相关的动力学参数。a s m l 模型总共包含了1 9 个参数，其中5 个是化 学计量学参数，其余1 4 个是动力学参数。a s m l 推出后在欧美得到广泛应用， 但它未包含磷的吸收和释放过程，无法模拟污水除磷过程，使用受到了一定的限 制。 ( 2 ) 活性污泥2 号模型( a s m 2 ) 2 2 , 2 3 2 4 1 近l o 年的实践证明：a s m l 是一种很有用的工具，目前已发展成为国际上 北京工业大学工学硕士学位论文 污水处理新技术开发、工艺设计方法研究，以及计算机模拟软件开发的通用平台。 但它的主要缺陷是为不包含除磷过程，为此，1 9 9 5 年，在a s m i 的基础上，国 际水质协会( i a w q ) 进一步提出活性污泥2 号模型a s m 2 。该模型沿用了a s m l 的矩阵表述形式和物质平衡计算两大特点，且将生物除磷和化学除磷过程纳入模 型中。a s m 2 不仅增加了生物除磷和化学除磷过程，还增加了厌氧水解、酵解及 与聚磷菌有关的4 个反应过程。它包括了1 9 个组分、1 9 个反应、2 2 个化学计量 系数和4 2 个动力学参数。从a s m l 到a s m 2 最显著的变化是使所描述的生物有 了细胞内部构造，而不再简单地用生物总量来表示。该模型可以对化学需氧量、 氮磷去除的综合处理工艺进行动态模拟。a s m 2 不是生物除磷模型的最终形式， 它介于简单和复杂之间，是许多关于正确的模型应该是什么样子的不同观点的一 个折中方案，它更应该被看作是模型进一步发展的一个概念平台。 1 9 9 9 年，国际水质协会( i a w q ) 对a s m 2 作了进一步完善，推出a s m 2 d 。 它改正了a s m 2 中对聚磷菌的不恰当描述，增加了聚磷菌在缺氧条件下的反硝 化过程，共含1 9 种组分、2 1 种反应、2 2 个化学计量参数及4 5 个动力学参数【2 5 】。 a s m 2 d 解决了a s m 2 中没有解决的与聚磷菌有关的反硝化问题，增加了两个过 程来说明聚磷菌可利用细胞内的有机贮存产物进行反硝化。与a s m 2 相比，在 模拟硝酸盐和磷酸盐动力学方面，a s m 2 d 更加接近实际污水处理工艺和反应过 程。 ( 3 ) 活性污泥3 号模型( a s m 3 ) 活性污泥3 号模型将在第3 章作详细介绍。 第3 章a o 脱氮工艺数学模型的建立 第3 章a 0 脱氮工艺数学模型的建立 以国际水协的活性污泥3 号模型( a s m 3 ) 为开发平台，利用可视化计算机 语言v i s u a lb a s i c6 0 编写程序，建立能用于实际运行的活性污泥污水处理系统数 据模拟的模拟器，实现对a o 脱氮工艺的模拟研究。 3 1 活性污泥3 号数学模型( a s m 3 ) 随着活性污泥l 号模型( a s m l ) 在实际应用中的推广，它的一些缺点也越 来越明显，主要表现在以下几个方面：【5 ，6 ，2 6 】 ( 1 ) 没有考虑氮和碱度的限制对异养生物动力学的影响，这导致在某些情 况下出现负浓度，这就使在不同a s m l 版本上开发的程序难以区分。 ( 2 ) 将溶解性和颗粒性可生物降解有机氮作为其组分，而这些指标不易 贝| 定，从而给a s m l 的使用带来了不必要的复杂性。 ( 3 ) 氨化动力学无法真正量化，且由于这一过程很快，因此几乎不影响模 型的预测。常常通过假设全部有机物的固定组成( 恒定的：c ) 将这一过程 忽略。 ( 4 ) 将惰性颗粒有机物的来源认定为进水和微生物衰减的产物，但在实际 应用中区分这两部分是不可能的。 ( 5 ) 水解作用对预测氧的消耗量和异养微生物的反硝化起主要影响作用， 但实际上这个过程的动力学参数量化是非常困难的。 ( 6 ) 衰减、水解和生长等过程常用来描述内源呼吸的系列反应，如生物体 中的化合物的贮藏、死亡、捕食、衰减作用等，这造成动力学参数在评价上的困 难。 ( 7 ) 在活性污泥处理厂，随着进水易生物降解底物浓度的增加，可观察到 在好氧和缺氧状态下的胞内多羟基及脂类、糖原的贮存。这一过程a s m l 没有 包括。 ( 8 ) 没有区分硝化菌在好氧和缺氧条件下不同的衰减速率。在污泥龄长和 缺氧反应器体积比例较大时，将导致预测最大硝化速率产生偏差。 ( 9 ) 不能直接预测混合液悬浮固体质量浓度( 尬鼹) 。 ( 1 0 ) 在呼吸实验中常得到较高的生物产率。即使仅加入可溶的、易生物降 解的底物，呼吸实验仍显示这种底物包括缓慢生物降解的过程。 北京工业大学工学硕士学位论文 针对a s m l 在实际应用中出现的问题和对有机物贮存试验认识的深化垆j ，国 际水协课题组于1 9 9 9 年推出了活性污泥3 号模型( a s m 3 ) 1 27 1 ，并以此模型的 发展作为未来模拟应用的新标准。a s m 3 涉及的主要反应过程和a s m l 相同，即 以处理生活污水为主的活性污泥系统中的碳氧化过程和硝化、反硝化过程，没有 包括生物除磷过程【l 矾。侧重点也由水解转为有机物的贮存。但它改变了a s m l 中c o d 流向非常复杂、异养菌“死亡再生 循环理论和硝化菌衰减过程的相互 干扰，将两组菌体的转换过程全部分开，将以水解反应为代表的衰减过程改为用 内源呼吸过程来解释，强调细胞内部的活动过程，从而更逼真地展示衰减过程， 使衰减过程更适应环境条件1 2 引。a s m 3 包含1 3 种组分、1 2 个反应过程、1 5 个化 学计量系数和2 1 个动力学参数。 3 1 1 模型组分 a s m 3 包含1 3 种组分，其中溶解性组分7 种，颗粒性组分6 种。溶解性物 质质量浓度用s 表示，颗粒性物质质量浓度用x 表示；其中下标h 表示异养菌， 下标么表示自养菌，下标s 表示有机底物，下标d 表示溶解氧。模型将指数i 分配给每个组份，i = 1 1 3 。活性污泥系统中，假设颗粒性物质与活性污泥相关联 ( 活性污泥上的絮凝物或活性生物体的内含物) 。它在沉淀池中通过沉积作用而 浓缩，而可溶性物质只能通过水来传输，并且只有溶解性物质才可携带离子电荷 1 2 6 】 o 模型选择化学需氧量( c ) 作为基本的有机物计量单位，原因是用c o d 计量可提供有机底物、微生物和氧利用中的电子等价物之间的关联，并且可以在 系统内建立相关物质的物料平衡关系。 3 1 1 。1 溶解性组分的定义【5 , 6 , 1 6 , 2 6 】 ( 1 ) s o 【 ( 0 2 ) 3 】溶解氧，可以直接进行测定，并受到气体交换的影 响。在化学计, 量m 学计算中l ，晶被看作为负理论需氧量。 ( 2 ) s ，【m ( c o d ) l 3 】惰性溶解性有机物质，假定不能被进一步降解。假 设这物质是来源于进水或在颗粒性底物x 。的水解过程中产生。它可以很容易地 通过一个低负荷活性污泥处理厂出水中残留的溶解性c o d 来进行估测。 ( 3 ) s 。 m ( c o d ) l 3 】易生物降解有机底物，可直接被异养菌降解利用。 为简化起见，假定它首先被异养菌吸收，并以x 册的形式贮存。 ( 4 ) 【m ( n ) l 3 】铵+ 氨氮，假设全部为n h 4 + - n 。 ( 5 ) & 【m ( n ) l 3 】氮气，假定为反硝化的唯一产物，亦受气体交换的影 响。另外，进水中所含有的n 2 和气体交换可以忽略不计。 1 4 第3 章a o 脱氮工艺数学模型的建立 ( 6 ) s 忉 m ( n ) l 】硝酸盐氮+ 亚硝酸盐氮，既然亚硝酸盐氮不作为独 立的模型组分，故假设s n 包含硝酸盐氮加亚硝酸盐氮。在所有化学计量学计算 ( 理论需氧量守恒) 中，假设s 0 仅仅是n 0 3 n 。s 0 表现为负理论需氧量。 ( 7 ) s 似 m o l ( h c 0 3 ) l 1 污水碱度，可用于估计离子电荷的守恒，也可 预先判断污水的p h 值是否太低，因为p h 值低时会抑制一些生物反应过程。在 所有的化学计量学计算中，假定s 。，r 中所含的仅仅是碳酸氢盐h c 0 3 。 3 1 1 2 颗粒性组分的定义 5 , 6 , 1 6 , 2 6 ( 1 ) x ， m ( c o d ) l 3 】惰性颗粒性有机物质，假定在活性污泥系统内不 再降解，它附着在活性污泥絮体上，可以是进水的一部分，也可以是在生物衰减 过程中产生的。 ( 2 ) 以【m ( c o d ) r 】慢速可生物降解底物，属于高分子量、可溶、胶 态颗粒性有机物质，必须通过胞外水解作用转化为小分子物质，才能被降解利用。 通常认为，墨的水解产物为易生物降解底物( 文) 或惰性可溶性有机物质(