（环境科学专业论文）与厌氧氨氧化相匹配的高氨氮废水部分亚硝化过程的数学模拟.pdf

北京交通人学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h el a s td e c a d e ，t h et r e a t m e n to fh i g ha m m o n i a c a lc o n c e n t r a t i o ne f f l u e n t sh a s b e c o m eo fg r e a ti n t e r e s t v a r i o u se f f l u e n t sc a nc o n t a i ns o m eh u n d r e dm i l l i g r a m so f n i t r o g e np e rl i t e r ( s u p e r n a t a n t sf r o ma n a e r o b i cd i g e s t i o n ，l e a c h a t e sf r o mm u n i c i p a l l a n d f i l l ，) m a yn e e ds p e c i f i ct r e a t m e n tb e f o r er e c y c l i n gt h e mt ot h ep l a n ti n l e t p a r t i a l n i t r i f i c a t i o np r o c e s sa n da n a m m o xp r o c e s sh a v eb e e nd e v e l o p e dt os o l v et h ep r o b l e m s i n c et h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e lw a sb r o u g h tf o r w a r db yi n t e r n a t i o n a lw a t e rq u a l i t y a s s o c i a t i o ni n19 8 0 s ，a san e wt o o li nt h ed e s i g na n dr e s e a r c ho fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g ya n di nt h eo p e r a t i o no ft h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，t h i sm o d e lh a sb e e n e x t e n s i v e l ya p p l i e di nt h eo p e r a t i o no fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t sa n di nt h er e m o v a l o fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u st h r o u g ht r a d i t i o n a la c t i v a t e ds l u d g et r e a t m e n tt e c h n o l o g y h o w e v e r , r e s e a r c h e so nt h i ss u b j e c tc a nb er a r e l ys e e ni nc h i n a t h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 1c a nh e l pt h ep r a c t i c a lw a s t e w a t e rp l a n t sa n d d e v e l o pt h ep r o c e s s i nt h i sp a p e r , t h ep a r t i a ln i t r i f i c a t i o np r o c e s sh a db e e ni m p l e m e n t e d b a s e do nt h ea s m 1 ，t h ea q u a s i ms o f t w a r ei su s e dt os i m u l a t et h ep a r t i a ln i t r i f i c a t i o n p r o c e s s a l s o ，t h ei n f l u e n t so ft h ep hi nt h es y s t e mh a v eb e e ns t u d i e di nt h ep a p e r t h i s t h e s i su s e dm a t h e m a t i c a lm o d e lt oa n a l y z ed y n a m i c a lp a r a m e t e r so fa c t i v a t e ds l u d g e m o d e la n dt h e i ri m p a c to nt h ew a s t e w a t e rc h a r a c t e r i z a t i o n t h em o d e lf o r e c a s td i f f e r e n tn h 4 + c o n c e n t r a t i o no ft h ef l o wa f t e rt h ep a r t i a l n i t r i f i c a t i o nt r e a t m e n t t h er e s u l t sw e r ea v a i l a b l ea n ds h o w e dt h a tt h em o d e lc a nb e u s e di nt h ep r a c t i c a lo p e r a t i o nm a n a g e m e n t d i f f e r e n td i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o n s i nt h er e a c t o ra r es t u d i e di nt h ep a p e r t h er e s u l t ss h o wt h a td i s s o l v e do x y g e n c o n c e n t r a t i o n sb e t w e e n1 0 2 0 m e g la r et h eb e s tr e a s o n a b l el i m i t s k e y w o r d s ： s b r ，m a t h e m f i t i c a lm o d e l ，p a r t i a ln i t r i f i c a t i o n 、s i m u l a t i o n 北京交通人学硕十学位论文 独刨性声明 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他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。 学位论文作者签名： l 孤 t 签字日期： 1 帕尹年歹月沾日 5 3 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：训 年 晦i 弛 月达日 导师签名 签字日期：q 1 年7 月 致谢 本论文的工作是在我的导师赵宗升教授的悉心指导下完成的，赵宗升教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 赵老师对我的关心和指导。 赵宗升教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向赵老师表示衷心的谢意。 赵宗升教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，李小碉、朱霞、魏小明、崔青松、赵旭东等 同学对我论文中的试验研究工作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 北京交通人学硕+ 学位论文绪论 1 绪论 1 1 课题背景 1 1 1 论文的背景 随着中国经济的高速发展，人民生活水平的迅速提高以及城市化进程的不断 加快，我国城市生活垃圾产量急剧增加，城市中产生了大量的生活垃圾。2 0 0 5 年， 全国6 6 1 座城市中，年清运生活垃圾量达1 5 5 亿吨，共有各类生活垃圾处理厂 ( 场) 4 7 9 座，日处理能力2 5 7 万吨( 年处理能力为8 1 0 8 万吨) ，处理率仅为5 2 5 。 在这些处理设施中，城市生活垃圾卫生填埋场3 6 5 座，年处理能力6 6 7 2 万吨( 占8 2 4 ) ：城市生活垃圾焚烧厂6 6 座，年处理能力1 0 4 6 万吨( 占1 3 0 ) ；城市生活垃圾 堆肥厂4 6 个，年处理能力3 9 7 万吨( 占4 6 ) n 3 。城市垃圾的处理方法有焚烧、堆肥 和填埋等，其中垃圾卫生填埋法由于成本低、技术相对简单、处理迅速，是目前 国内外应用最广泛的垃圾处置方式。我国城市垃圾中有9 0 以上采用填埋法。土 地填埋是城市垃圾处理处置中最经济的途径，但在垃圾填埋过程中，由于厌氧发 酵、有机物分解、雨水冲淋等产生多种代谢物质，形成高浓度的有机废液，即垃 圾渗滤液。渗滤液一旦进入外部环境就会造成严重的二次污染，对生态环境和人 体健康带来巨大危害，一吨渗滤液所含污染物相当于l o o n 屯城市污水的浓度，毒性 比常规的城市污水大得多。所以，在垃圾深滤液进入系统之前一定要及时处理， 但垃圾渗滤液的处理一直是国内外城市垃圾管理系统中的棘手问题瞳卅。 由于垃圾渗滤液中含有高浓度的氨氮，在处理渗滤液时一定要应用合适的方 法。传统的污水脱氮方法为污水生物脱氮在微生物作用下，将污水中含氮化合物 转化为氮气的过程，其中包括硝化和反硝化两个过程。硝化反应是由一群自养好 氧微生物完成的，它分为两个阶段，分别由亚硝酸菌和硝酸菌完成。第一步是由 亚硝酸菌将氨氮氧化为亚硝酸盐氮，亚硝酸菌包括亚硝酸盐单胞菌属和硝酸盐球 菌属；第二步是由硝酸菌将亚硝酸盐氮进一步氧化为硝酸盐氮，硝酸菌包括硝酸 盐杆菌属、螺旋菌属和球菌属。亚硝酸菌( 又称氨氧化菌) 和硝酸菌( 又称亚硝 酸氧化菌) 统称为硝化菌，这类细菌的生理活动不需要有机性营养物质，主要从 北京交通大学硕士学位论文绪论 c o ：获取碳源，从无机物的氧化中获取能量畴3 。 硝化反应方程式可表示为： n h ；+ 3 2 0 2 专n 0 2 一+ 2 h 十+ h 2 0 ( 1 1 ) n o ；+ 1 2 0 2 n o ； ( 1 2 ) 反硝化是由一群异养型兼性厌氧微生物完成的，它的主要作用是在无氧或低 氧条件下，将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还原为氮氧化物或氮气。广义上讲，微生物 将硝酸盐氮或亚硝酸盐氮还原为低价态氮的过程统称为生物反硝化，它包括同化 还原和异化还原。在溶解氧浓度极低的环境中，反硝化菌( 如变形杆菌、假单胞菌、 小球菌、芽饱杆菌、无色杆菌、嗜气杆菌和产碱杆菌) 可利用亚硝酸盐和硝酸盐中 的氧作为电子受体，同时有机物作为电子供体被氧化而提供能量，将硝酸盐或亚 硝酸盐还原为氮气，反应方程式为： 5 c ( 有机碳) + 2 h 2 0 + 4 n o ；旦鸟2 n 2 + 4 0 h 一+ 5 c 0 2 ( 1 3 ) 反硝化反应一般以有机物为碳源和电子供体，但是当反应体系中缺乏有机物 时，无机物! t f l h 2 ，h 2 s 等也可作为反硝化反应的电子供体，微生物还可以通过消耗 自身细胞进行内源反硝化，反应式可表示为： c 5 h t n 0 2 + 4 n o ；一5 c 0 2 + n h 3 + 2 n 2 + 4 0 h 一 ( 1 4 ) 传统的硝化反硝化工艺存在以下缺陷： 1 ) 硝化菌群生长较慢，反应器内难以维持较高的生物浓度，造成系统水力停留时 间长，容积负荷率低，基建投资大。 2 ) 硝化过程产酸，反硝化过程产碱，均需酸碱中和，易造成二次污染，这在高氨 氮废水脱氮时表现得更为明显。 3 ) 反硝化反应需要电子供体，特别是对于低c n l 匕废水，则常需加额外碳源物质， 外加有机碳源会增加运行费用。 4 ) 传统的生物脱氮工艺在处理高氨氮废水时由于高的游离氨浓度抑制了硝化细菌 的活性，导致出水难以达标排放。 垃圾渗滤液中含有高浓度的氨氮，对传统的生物脱氮方法提出了挑战，而新 型的脱氮方式给我们带来了曙光。1 9 9 7 年荷兰d e l f t 工业大学提出并成功开发了 s h a r o n 工艺，它是一种新型的废水生物脱氮工艺1 。该工艺的核心是利用硝酸细菌 2 北京交通入学硕十学位论文绪论 与亚硝酸细菌在较高温度( 3 0 。c 4 0 。c ) 下，硝酸细菌的生长速率明显低于亚硝酸 细菌的生长速率。通过控制温度和污泥龄，将硝酸细菌自然淘汰，使反应器中的 亚硝酸细菌占绝对优势，从而使氨氧化控制在亚硝酸盐阶段，之后再通过反硝化 脱氮。s h a r o n t 艺存在着明显的优势口3 ：短程硝化和短程反硝化被放置在一个反 应器内实施，工艺流程短；反应器内不持留活性污泥，装置结构简单；只需 提高温度和p h 脱氮率就可以达到9 0 处理效果好；借助于反硝化作用调控酸碱 度无需投加碱中和，初期投资低。 1 9 9 5 年，k u e n e n 等发现某些细菌在反硝化反应中能利用n 0 。一或n o ：一作电子受体 将n h 4 + 氧化成n ：和气态氮化物m 1 ：s t r a o u sm 等( 1 9 9 7 ) 用生物固定床和生物流化床反 应器研究了a n a i 删o x 污泥的特性，结果表明氨氮和硝态氮的去除率可分别高达8 2 和9 9 阳1 。j e t t e n 等( 1 9 9 9 ) 对a n a m m o x 的进一步研究揭示：在缺氧条件下，氨氧化菌 可以利用n h 4 + 或n h ：0 n 作电子供体将n 0 。一或n 0 ：一还原，并提出了其可能的两种酶系反应 途径n 0 1 。 厌氧氨氧化( a n a n o x a n a e r o b i ca m m o n i u mo x i d a t i o n ) 是指在厌氧条件下， 微生物直接以n h 4 + 为电子供体，以n 0 。一或n 0 ：一为电子受体，将n h 4 + 、n 0 。一或n o ：一转变成 n 。的生物氧化过程n 卜1 4 1 。 a n a m m o x 发生的反应一般写为： n h + 4 + n o - 2 一n 2f + 2 h 2 0 3 5 8 k j m o ln h 4 +( 1 5 ) 根据化学热力学理论，上述反应的a g o ，说明反应可自发进行。厌氧氨氧化 过程是一个产生能量的反应，从理论上讲可以提供能量供微生物生长。因此，可 以假定厌氧反应器中存在微生物，它可以利用氨作为电子供体还原硝酸盐，或者 说它可利用硝酸盐作为电子受体来氧化氨。 j e t t e n 等人从上述发现a n a m m o x - e 艺的反硝化流化床反应器中分离并经富集 培养后获得了一种优势自养菌，它以n o ：一为电子受体，并称之为a n a m m o x 细菌n 纠引。 j e t t e n 等还在a n a m m o x 富集培养物中发现有好氧亚硝化菌n i t r o s o m o n a s e u r o p a e a 的存在，但他们又认为这些好氧亚硝化菌在厌氧氨氧化过程中所起的作 用不大，在厌氧条件下它们最大的氨氧化速率仅为2 n m o l ( m i n - m gp r o t e i n ) ，而 真正的厌氧氨氧化细菌的最大亚硝化速率可达到5 5 n m o l ( m i n m gp r o t e i n ) ，同时 也发现这种厌氧氨氧化细菌的生长速率非常低，仅为0 0 3 h 一，即其倍增时间为1 l d 。 北京交通人学硕十学位论文绪论 可见，能进行高速厌氧氨氧化的细菌是a n a m m o x 细菌。 a n a m m o x i 艺具有以下特点：需氧量低，运转费用低。不需要外加碳源。 由于实现a n a 删o x 过程的微生物为自养菌，因而无需传统硝化反硝化工艺中反硝化 菌( 异养菌) 所必需的碳源。原水中无足够的n o 一：可供利用时需* f n n o 一：。 s h a r o n a n a m m o x 悬浮系统l hs t r o u s 等人开发用于处理高浓度氨氮废水，该工 艺s h a r o n 反应器与厌氧氨氧化工艺组合而成n7 j 。但是由于a n a m m o x 需要严格厌氧条 件下运行，所以对工艺运行条件要求较高。此外，低生物产量需要系统能够有效 的控制污泥停留时间，因此系统启动期较长。 由此可见，利用a n a m m o x t _ 艺处理高氨氮废水是一种新型的、具有经济性的可 行工艺，而且必将成为未来水处理中十分重要的组成部分。 m u l d e r n 8 1 等( 1 9 9 5 ) 在荷兰的g i s t - - b r o c a d e s 公司处理工业废水的中试流化床 中发现氨氮的消失与亚硝酸的消失同时发生，且成一定的比例，他们认为反应器 内氨氮与亚硝酸盐同时发生的反应，产物为氮气，并将此命名为厌氧氨氧化 ( a n a e r o b i ca m m o n i ao x i d a t i o n a n a m m o x ) 。v a nd eg r a a f n 明等( 1 9 9 5 ) 通过一系 列研究证明厌氧氨氧化过程是生物过程，并随后证明参与厌氧氨氧化反应的微生 物是自养型细菌，富集培养实验证实参与厌氧氨氧化的细菌为格兰氏阴性。厌氧 氨氧化的发现对于开发高效新型的废水生物脱氮工艺具有重要意义 ( k h i n & a n n a c h h a t r e ，2 0 0 4 ) 。因此，国内外学者一方面致力于用普通活性污泥启 动厌氧氨氧化反应器，另一方面继续探讨厌氧氨氧化菌的特性和运行条件。 厌氧氨氧化菌与其它脱氮菌的联合作用 在自然界和人工生态系统中，氨和亚硝酸是厌氧氨氧化菌的营养基质。有氧 条件下，氨很容易被亚硝化细菌氧化生成n o g 而在缺氧条件下厌氧氨氧化菌以n h 4 + 为电子供体，将n o p 反硝化生成n 2 。s h a r o n ( s i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o na n d d e n i t r i f i c a t i o n ) 和a n a m m o x 组合工艺就是在这2 种菌的协同作用下开发出来的， 即s h a r o n 反应器中包括氨和亚硝酸盐的混合物，当流向a n a 删o x 反应器时，在厌氧 条件下转变成n 。( j e t t e n ，1 9 9 7 ) 跚3 。2 0 0 2 年荷兰d e l f t 工业大学的s l i e k e r s 等( 2 0 0 2 ) 提出了一种新型的生物脱氮工艺c a n o n i 艺，就是运用这2 种菌的作用。f u r u k a w a 等( 2 0 0 6 ) 运用s n a p 反应器，通过厌氧氨氧化菌和好氮氨氧化菌共存于固定不动的 污泥上共同发挥脱氮作用。g a l la 乜等( 2 0 0 6 ) 成功地在实验室稳定运行了新的生物 4 北京交通人学硕七学位论文绪论 脱氮过程d e a m o x ( d e n i t r i f y i n ga m m o n i u mo x i d a t i o n ) ，就是通过反硝化菌和厌氧 氨氧化菌的联合作用。 无疑，新型的污水和废水脱氮工艺的日益成熟为我们提供了很好的平台。而 今，厌氧氨氧化工艺继续已经逐渐完善，并将成为未来脱氮技术的主要处理工艺。 所以，进一步研究厌氧氨氧化技术非常必要。 在实际工艺中研究污水和废水处理技术的同时，我们还应注意到污水处理工 艺和污水处理厂的管理和运行。数学模型能够实现我们的愿望。数学模型的建立 对污水生物处理工艺来说具有很大帮助和辅助作用，可以全面地应用于工程实践 与试验研究。 数学模型已经逐步成熟，并已经由最初的学术研究发展到工程研究领域。数 学模拟表面上是对污水和废水处理过程的数字化模拟，实际上，成熟的模拟技术 对污水和废水处理方案比较、工艺流程设计以及工艺运行优化和新工艺研发等方 面都是一种高效的工具。目前欧美、日本等国家已经有很多工程技术公司开始广 泛应用模拟技术研发新工艺，变“小试中试应用”传统研发模式为“小 试模拟应用 的现代研发模式。在研发模式的转变过程中，我们很可以 很明显地看到，对中试环节的跨越所带来的经济和时间上的节省，从而节约成本， 达到利润的最大化。 同时，数学模型还可以应用在技术研发的首端与末尾，而且还可以应用在污 水厂运行与管理中，这是其它技术不能比拟和代替的，数学模拟技术不失为一种 超级辅助工具。因此，如何充分地学习数学模型并开发模拟软件，将数学模型应 用到我国污水与废水处理中，使其在工艺方案比较、工艺流程设计、工艺运行优 化以及新工艺研发等方面发挥作用，为我国水处理事业作出贡献是亟待解决的重 大难题。 1 1 2 论文的意义 水和废水处理工程最初是为了解决大城市的市政卫生问题而发展起来的。卫 生标准至今仍是水工业进一步发展的驱动力之一，今天我们的饮用水标准远远高 于水工业发展之初。随着市场的竞争和人们对环境质量要求的提高，都需要污水 北京交通大学硕士学位论文绪论 处理从传统的粗放型向集约型转变。s b r 工艺及其改良工艺由于处理效率的高效 和操作上的灵活性在世界各范围内都得到了广泛的应用，也适合中国的国情。就 从目前污水处理厂水质排放标准的管理来看，大体有两种管理方法。一种是比较 极端的方法，即管理者凭“感觉”测量，“试探性”决策，靠“经验 来执行。另 一种做法是使用相当高级的复杂的化学分析仪器进行测量，用基于模型的优化算 法来决策，通过自动化系统来执行并及时的调整决策，使被控过程向既定的目标 前进。 社会在不断进步，在社会的发展过程中离不开水。随着我国国内生活水平的 提高，生活污水的排放量在逐年地增加，再加上工业废水大量的产生，使我国的 江河湖海等生态资源环境受到了极大的污染，水资源将成为制约我国经济发展最 重要的瓶颈。值得庆幸的是我们己经掌握了很多对水污染进行治理的方法和理论。 现实中虽然说污水处理设施的建设和运行是我国中小城市当前控制的重点。与此 同时，污水处理厂的运行、设计等还没有形成十分成熟的模式。如何能够在水处 理工艺运行时，保证良好的运行状况是我们亟待解决的问题。 在我国大约有9 0 以上的城市污水厂采用活性污泥法，应用活性污泥数学模 型进行设计和管理污水厂是提高我国污水厂设计、运行和管理水平的必然需要。 具体来说，本论文的研究课题在以下几方面具有实际意义： 1 数学模型不但有助于新建系统的设计和优化运行管理，同时对于现有生物 处理系统的处理能力或功能扩展也很重要，例如以去除含碳有机物为主的 普通活性污泥系统扩展到同时具有脱氮除磷能力的系统。 2 使用数学模型，设计者可以从各种处理工艺中很快筛选出最经济可行的方 案，并可在保证处理效果的前提下，确定各构筑物的大小及各种关键运行 参数。若污水厂已建，则可利用数学模型预测进水水质和水量变化的影响， 以及适应这些变化所需采取的运行措施；若污水厂运行不够理想，则可通 过模型寻求解决方案，如改善水质、控制曝气量、改变污泥排放量等。 3 使用数学模型，能够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。 总之，有效地应用、开发、推广活性污泥数学模型，对于提高我国在该领域 内计算机应用的水平及科研设计的精度与效率，实现与国际接轨，具有重要意义。 6 北京交通人学硕+ 学 ) = 论文绪论 1 1 3 论文的目的 活性污泥系统是一个多因素相互作用、多过程相互耦合的复杂系统，且受一 定环境因素的影响。由于活性污泥系统的复杂性，我们可以通过一些假设对复杂 系统进行合理的简化并简历数学模型。数学模型有助于描述和理解活性污泥系统 的反应过程，对设计提供理论的指导；模型有助于模拟活性污泥系统的动态变化 和各项水质指标的影响，可以指导实际的生产运行；将模型与自动控制结合起来， 达到优化运行的目的。 传统模型具有形式简单，变量测定方便，动力学参数确定和方程求解方便， 稳态结果基本满足工艺要求等优点，在污水处理厂系统设计和运行管理中曾得到 了广泛的应用。 模拟出与厌氧氨氧化相匹配的部分亚硝化工艺过程，得到影响这个过程的工 艺控制条件及其最优值，使整个过程最优化，更好地实现为后续厌氧氨氧化提供 合格的进水，并对高浓度的氨氮进水的污水和废水处理做出预测，最终更经济、 更方便地对高氨氮废水脱氮处理。 1 2 论文的研究内容 西方发达国家应用活性污泥数学模型从事污水处理工艺开发、辅助设计及实 现污水处理厂运行管理的精确控制已相当普遍，而我国在活性污泥数学模型应用 方面还很滞后。为了达到在城市污水厂中应用活性污泥数学模型来达到实现 a n a m m o x 工艺脱氮的目的，要从以下几个方面开始工作。 通过整理文献，选择模型。国内外学者从污水处理的不同机理出发，研究成 了不同的数学模型。在了解国内外已有的活性污泥数学模型的基础上，分析比较 它们的异同，了解数学模型发展的方向。本文将深入地探讨模型组分和参数的测 定方法，通过分析，了解和学习模型发展的特点来选取个合适的模型作为本研 究的发展平台。 改进不足，发展模型。到目前为止，还没有一个最终的活性污泥数学模型， 每一个模型都存在不足，表现在：采用的生化反应机理可能不合理，对复杂反应 机理的简化可能不合理，模型过于复杂难于应用。 7 北京交通大学硕士学位论文绪论 模型参数的选择。每一个活性污泥数学模型都包含许多的模型参数。这些参 数的取值直接关系到模型模拟的准确性，它们都具有生化反应机理的意义，其取 值范围可以在相关文献上获取，它们的取值并非模型本身的内容。事实上它们的 值也并不固定，需要模型的使用者根据实际情况调整。模型参数的校正过程非常 复杂，本文将针对参数做出灵敏度分析，将复杂的参数调整简单化、重点化。 模型应用。数学模型研究的最终目的还是要体现在应用上，本研究将通过示 例说明如何将模型用于污水厂的模拟，如何将模型用于污水厂的自动控制以及如 何将数学模型的应用体现在对污水厂现有设施及工艺节能的改造上，提出问题解 决的优化方案。 北京交通人学硕士学位论文活性污泥数学模型的发展 2 活性污泥数学模型的发展及研究现状 2 1 活性污泥数学模型的发展 传统模型从建模思想来看，它实际上只是一个笼统的黑箱模型，不能动态地 反映活性污泥法的典型工艺特点，也无法描述系统的瞬变响应特性，因而其应用 范围受到了限制，尤其是不能被有效地用于系统的动态运行研究。 针对这一问题，国际水污染研究与控制协会( i a w p r c ) 于1 9 8 2 年成立了活 性污泥法设计和运行数学模型课题组，并于19 8 7 年推出了活性污泥1 号模型2 2 1 。 该模型的推出引起了强烈的反响，并迅速成为活性污泥过程模型研究和相关软件 开发的基础。 2 2 国内外研究现状 在过去三十多年中，建立在活性污泥生物动力学基础上的有关数学模型的研 究、开发和应用己成为污水处理实践的一个重要环节。从第一个最简单的用于去 除有机物和氨氮的活性污泥稳态模型于1 9 7 6 年由南非开普敦大学开发出来以来， 目前已经可以得到各种能用于去除有机物( c o d ) 、氮( n ) 和磷( p ) 的活性污泥动力学 模型，如国际水协( i w a ) 推荐的活性污泥系列模型( a s m s ) 和荷兰代尔福特理工大学 生物除磷代谢模型( d e l f t 模型) 或t u d 模型等。这些模型借助于许多计算机软件已广 泛用于活性污泥系统工艺设计、运行优化与自控、定向试验等领域，成为污水生 物处理技术中一种普遍工具。 国际上数学模型这些成功的理论与实践经验在我国虽然还是一种“新生事 物”，但这些经验在不久的将来无疑会影响我国城市污水生物处理工艺的运行优 化，为逐步实现污水处理厂数字化管理奠定技术基础。 i w a 活性污泥模型在我国尚处于起步阶段。 汪慧贞【2 3 】等人搜集北京高碑店污水厂、北小河污水厂以及上海曲阳污水厂的 运行数据，利用美国c l e m s o n 大学根据a s m l 编制的s s s p 程序进行稳态模拟，验证 了活性污泥l 号模型，肯定了s s s p 程序在我国污水处理厂的适用性。模拟过程发现， 除了y a 、ba t mf p 、ix 、ik 、k s o 、l 幻a 等8 个参数由于变化较小不需要测定外，其 9 北京交通人学硕士学位论文活性污泥数学模犁的发展 他的参数则应试验后确定。并建议污水厂在使用s s s p 程序之前，先测定适应于本 厂污水特性的参数值，以提高模拟的准确性。 陈立口4 1 对i w a 活性污泥数学模型进行了应用性研究，即利用e f o r 程序对某城市 污水处理厂奥贝尔氧化沟工艺设计进行了负荷波动的动态模拟。结果表明，经过 适当的修正，活性污泥模型能够比较真实地模拟活性污泥工艺；运用活性污泥模 型能够使复杂环境条件下的复杂变化明朗化。i w a 模型作为开展污水处理新技术开 发、工艺设计、计算方法研究和计算机模拟软件开发的通用平台，适合我国的国 情，具有实用价值，值得推广。 黄勇瞳副等在进行活性污泥过程模型化研究中，通过对国内外现有成果改进和 强化，提出了建模的系统化方法，采用了结构化模型图示表达生物反应动力学的 概念模型，以模型矩阵表述了模型中的定量信息。 施汉昌瞳6 1 等i w a 数学模型基础上开发出城市污水处理厂( 活性污泥工艺) 运行 模拟、预测专家系统软件，并采用实际的运行、化验数据模拟了曝气池的运行状 况，对曝气池出水的c o o 日变化值和改变曝气池进水条件下的出水水质变化趋势及 运行达到稳定所需时间进行了预测。结果表明，该软件能够比较准确地预测出： 曝气池出水c o d 的f 1 变化情况和改变曝气池进水条件时的出水变化情况及达到稳 定运行所需时间，最终能够比较好地反映污水处理厂实际运行状况。 季民乜7 3 等人根据国内典型活性污泥法污水处理厂的工艺状况，对i w a 活性污泥 模型作了适当简化，在w i n d o w s 操作平台上用m a t l a b 数学软件开发出的一套适用于 普通推流式活性污泥工艺的数学模型模拟系统。由于模型仅考虑异养菌好氧条件 下的碳氧化过程和颗粒性有机物质的水解过程，而对其他过程暂时不予考虑，因 此，该模型称之为活性污泥工艺模拟系统之碳氧化篇，简称为a s p s 0 0 模拟系统。 用a s p s o o 模拟系统模拟天津市纪庄子污水处理厂的实际运行表明，模拟结果与 实测数据吻合较好，证明a s p s 刈0 是基本可行的。 郝晓地f 2 踟等采用t u d 模型与a q u a s i m 模拟软件对某大型市政污水处理厂倒置 a o 工艺的运行问题进行诊断，同时提出优化运行方案并进行了模拟预测。结果表 明，进水中的碳源特别是挥发性脂肪酸( v f a ) 不足和厌氧水力停留时间( h r t ) 太短 是导致脱氮除磷效果不佳的主要原因。 针对这两大问题，提出了曝气池分区重组、外加碳源、总进水超越仞沉池、 l o 北京交通大学硕士学位论文 活性污泥数学模型的发展 u c t 改造以及结合磷回收等优化运行和工艺改造方案，并通过模拟预测了各种改造 方案可能出现的较好运行效果。 杨青啪3 等利用a s m l ，对采用a o 工艺的上海某城区污水处理厂的碳化、硝化、 反硝化过程进行计算机动态模拟。模拟过程中假设a 段和0 段分别为两理想的推流 式反应器。结果表明，出水中的t o d d 、t n 与污水处理厂的出水基本吻合。根据模 拟结果建议该厂运行过程中应降低a 段的溶解氧。杨青等还将a s m 3 应用于上海某城 区污水处理厂的改造中。首先利用a s m 3 对该污水厂的处理工艺进行计算机动态模 拟，模拟结果表明出水中c o d 、b o d 、氨氮的模拟值与实测值基本吻合。说明a s m 3 对城市污水处理厂进行模拟是可行的。然后应用a s m 3 动态模拟选择最佳的处理工 艺，为污水厂节省了改造投资及中试费用。 张代钧啪3 等人针对重庆市某污水处理厂脱氮除磷效率低的情况，利用经校核 和验证的a s m 2 模型，采用计算机模拟的方法，模拟该厂除磷改造方案，寻求每一 种方案的最佳运行控制参数。探讨在不加大基建投资条件下，通过运行方式的改 变，将原系统改造成a o 、a 2 o 和倒置a 2 o 工艺的可能性，并利用活性污泥模 拟程序寻找混合液内回流比r 、厌氧区、缺氧区和好氧区体积比r v 以及缺氧区溶 解氧浓度的最佳组合，在保证出水c o d 达标的条件下，使t n 和t p 的去除效率最 高。研究表明活性污泥模型应用于污水厂的改造实践，能够尽可能多地减少对污 水厂正常运行的影响。 2 3 模型应用中存在的问题 由于模型中涉及的组分较多，而且不能由常规水质分析指标直观表述，需要 设定常规监测数据与模型参数的转换方案。如果考虑污水脱氮则要测定进水构成 中c o d 、氮等物质的溶解性和非溶解性、惰性和非惰性物质各自的含量，测定的 内容比目前常规的水质化验多出很多，而且具体的测定方法还未规范化，有些还 有待于进一步研究解决。 模型中一个重要的“瓶颈”就是模型校核问题，因此需要寻找一个更直接和 实用的方法来校核模型。而且，要将模型的可靠性具体化，进一步明确出模型在 何种条件和何种目的下可适用。另外，在校核评估过程中，不仅要对模型进行细 北京交通人学硕士学位论文 活性污泥数学模型的发展 化，同时还要研究模型简化和模型工艺性能提高的可能性。 虽然i a w q 提出了模型中各参数的参考值，但使用中有些参数会随环境的变 化而改变，必须根据实际工作条件对其进行校正。但在具体操作中，每次校正仅 可改变一个参数，那么在进行新建、改建污水厂时，先期工作就至少需要1 个月 的时间。另外，从控制理论上看，a s m l 和a s m 2 模型的可识别性较差，常常根 据同实测数据会得到不同的估计参数组合，因而增加了过程模拟的不确定性。 1 2 北京交通大学硕士学何论文基于a s m l 的硝化过程活性污泥数学模型的建立 3 基于a s m l 的硝化过程活性污泥数学模型的建立 3 1 模型平台的选择 早在1 9 8 2 年，国际水污染控制协会就成立了活性污泥法涉及和操作数学模型 攻关研究课题组，并于1 9 8 7 年推出活性污泥1 号模型，引起了强烈的反响。随着 对活性污泥法机理研究的深入、分析测试水平及计算能力的提高，这些年来，该 模型也在不断地发展。国际水协相继于1 9 9 5 年推出了活性污泥2 号模型，1 9 9 8 年 推出了活性污泥3 号模型，这些都极大地推动了活性污泥法数学模型的研究。 a s m l 包括了碳氧化、硝化和反硝化过程，描述了污水中好氧和缺氧条件下所 发生的有机碳水解、微生物生长和衰减等8 个反应过程，模型还包含1 3 种组分和 1 9 个参数。复杂的模型结构和众多的参数在一定程度上限制了模型的应用。限于 污水处理厂的设计、运行水平和现场仪器仪表的水质检测能力，直接应用整套模 型进行污水处理过程的系统仿真具有一定的困难。因此在实践中研究者往往基于 一些合理化的假设，对a s m 系列模型进行简化，简化后的模型能够利用污水处理 厂的历史数据，对活性污泥工艺的主要反应过程进行离线模拟，在工艺检测和控 制方面取得了较好的成绩。 本论文中主要研究与厌氧氨氧化相匹配的高氨氮废水部分亚硝化的研究，主 要是应用活性污泥模型中的脱氮过程，因此论文选用a s m l 作为模型平台进行模 拟。本文将a s m l 中的脱氮过程进行扩展，把硝化细分为两部分，即氨氧化过程 和亚硝酸盐氧化过程。 3 2a s m l 模型介绍 3 2 1a s m l 的组分分类 a s m l 将污水处理系统中的1 3 种物质分为两类：可溶性组分和颗粒型组分。 为了统一符号，使用国际水污染和控制协会( l a w p r c ) 的命名法( g r a ue ta 1 ，1 9 8 2 ) ， 以x 表示不可溶性组分，s 表示可溶性组分，下标b ，s ，o 分别表示微生物、底 物、氧。在活性污泥系统中，假定颗粒型组分和活性污泥有关( 絮凝到活性污泥 北京交通人学硕士学位论文基于a s m l 的硝化过科活性污泥数学模型的建立 上) ，它们可在沉淀池中通过沉淀、浓缩来测定浓度，而溶解性组分只在水中进行 迁移。 所有组分都假定是均匀地分布在整个系统中，其中颗粒型组分必须是中性的 ( 不带电荷) ，而溶解性组分可带电荷。 可溶性的组分有7 种，分别为： s 厂溶解性惰性有机物 s s - _ 易生物降解物质 s o 一溶解氧 s n o 一硝酸盐与亚硝酸盐氮 s n h 一氮 s n d 广溶解性可生物降解有机氮 s a i k 一碱度 颗粒性组分有6 种，分别是： x 厂颗粒惰性有机物 x s 一慢速可降解物质 x b h _ 一异养性活性生物量 x b , a - - - 自养性活性生物量 x l 广由生物量衰减而产生的颗粒型产物 x n d 广颗粒性可生物降解有机氮 a s m l 的组分说明 s i 和x i 没有包含在任何转化过程中，因此，它们不含有任何化学计量系数。 然而，它们包含在模型中，因为它们对过程的运行起着重要的作用。可溶性惰性 有机物是进水c o d 的组成部分。颗粒状惰性有机物在活性污泥系统中成为挥发性 悬浮固体的一部分。 s s 在好养或缺氧条件下由异养菌的生长取出，由水解生物絮体诱捕的颗粒状 有机物生成。 1 4 北京交通人学硕+ 学位论文基于a s m l 的硝化过程活性污泥数学模型的建立 x b h 代表异养菌，x b a 代表白养菌。异养微生物可以在好氧或缺氧条件下生 长形成。衰减引起破坏。自养菌只能在好氧条件下生长，也是由衰减破坏。 x p 是由异养菌和自养菌的衰减形成，但不被破坏。然而，由于降解速率太低， 实际上在活性污泥系统的泥龄内，它可看作是惰性的。在模型中加入这个组分， 是来解释这样一种现象，即在活性污泥系统中并不是所有的微生物都是活性的。 组分列在模型矩阵表的头行，现分别介绍如下。 溶解惰性有机物( s i ) ：这部分物质是指可溶但不能被细菌吸收利用的惰性有机 物。 易生物降解有机物( s s ) ：s s 由一些简单有机物组成，比如挥发性脂肪酸( v f a ) 和低 分子量的碳水化合物，在好氧或缺氧条件下由异养菌的生长去除，由缓慢生物降 解有机物的水解产生。 颗粒性隋性有机物( x i ) ：这部分物质在整个活性污泥系统中不被水解，在系统中被 活性污泥絮体吸附并成为活性污泥中挥发性组分的一部分。 缓慢降解有机物( x s ) ：x s 由高分子化合物组成，其构成有可溶性、胶体和颗粒物。 这些物质的共性是不能通过细胞膜，需经水解成低分子化合物后被细胞吸收氧化。 模型中它由水解作用转化为易生物降解有机物而去除。 异养菌( x b h ) ：此类细菌可利用有机物作为电子供体，在模型中它通过好氧生长和 缺氧生长，以易生物降解有机物为底物合成，通过异养菌的衰减转化为颗粒有机 物。 自养菌( x b a ) ：此类细菌可利用无机物、氢、硫体氢、亚硝酸盐或氨等作为电子供 体。在模型中它只能在好氧条件下生长，由微生物的衰减破坏。 微生物衰减的颗粒性产物( x p ) ：是由异养菌和自养菌的衰减形成，但并不降解转 化为其它形式的有机物。实际上它们并不完全呈惰性，只是由于降解速率太低， 在实际活性污泥系统的泥龄内，可看作是惰性产物。 溶解氧( s o ) ：表示的是系统中溶解氧的浓度，这也是好氧生长的电子受体。模型 矩阵表显示，氧的利用只和异养菌及好氧菌的好氧生长有关，和微生物的衰减无 关。 硝酸态氮( s n o ) ：模型中的另一类电子受体，由自养菌的好氧生长产生，在异养菌 的缺氧生长中作为电子受体而被去除。 北京交通人学硕十学位论文基ra s m l 的硝化过程活性污泥数学模型的建立 氨氮( s n h ) ：它是离子( 铵) 和非离子( 氨) 形态的总和，由溶解的生物降解有机氮氨化 时生成，通过微生物的生长去除，主要的转化途径是作为自养菌好氧生长的能源， 而在细胞合成过程中也结合了小部分的氨。 o 溶解性易生物降解有机氮( s n d ) ：它是由颗粒状有机氮水解生成，通过氨化作用转 化为的氨态氮。 o 颗粒性可生物降解有机氮( x n d ) ：由以下几个部分组成：可溶快速水解有机氮、难水 解颗粒态有机氮和废水中的生物体。 o 总碱度( x a l k ) ：污水的h c 0 3 一碱度，模型将碱度包含进来，可以提供测p h 的不规 则变化信息。 a s m l 的1 4 个动力学参数 异养菌的氧气半饱和系数k o n 、自养菌的氧气半饱和系数k o a 、异养菌的硝酸盐 氮半饱和系数k n o 、自养菌的氨半饱和系数k n h 、异养菌半饱和系数融、缓 慢生物降解底物水解的半饱和系数k x ，这六个半饱和系数控制着模型过程反应 式中的开关函数。 自养菌最大比增长速率队，和异养菌最大比增长速率“h ：这两个参数表示自养菌 和异养菌在不受系统条件限制情况下，以最大增长速率进行生长时，单位生物量 的增长速率。2 0 中性环境下的模型默认值分别为o 8 d - 1 和6 0 d 。 自养菌的衰减系数b a 和异养菌的衰减