（模式识别与智能系统专业论文）asm3水质特性参数测定及其ao工艺模拟研究.pdf

l ， 0 独创性声明 4 1 1 l i i 肌 y 17 8 7 9 7 8 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 e 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。 关于论文使用授权的说明 本人完全了解j 垦塞王些太堂有关保留、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) 日期：竺21 皇 7 。l 摘要 摘要 本文阐述和分析了活性污泥数学模型的应用现状和发展，在活性污泥数学3 号模型( a s m 3 ) 的基础上，使用v b 6 o 计算机语言编程，建立活性污泥0 脱 氮工艺模拟器；然后利用实验室实际运行数据，验证了模型的适用性和准确性。 通过模拟不同运行控制参数下的o 工艺，从而达到对工艺优化控制的目的。 首先，深入分析了a s m 3 的模型机理，论述了模型中的各种组分、反应过 程和参数。利用呼吸计量实验和絮凝过滤实验测定入流组分水质特性参数。比较 分析了以呼吸计量实验为主的组分测定结果及以絮凝过滤为主的组分测定结果 对模拟的影响。含碳组分的测定结果表明：水样中西、恐、* 占总c 的 平均比例分别为9 4 、2 3 1 、5 6 3 和11 3 。 其次，活性污泥处理过程变化是由于多种因素和多个参数共同作用引起的。 本研究通过对参数进行多因素分析，考察了几个模型参数同时变化时对系统模拟 输出结果的影响，从而提高模型的实用性。在证实了模型的准确性的基础上，通 过对稳态入流水质各组分模拟值的分析，研究污染物微观的沿程降解规律。得出 a s m 3 中c o d 各组分趴& 、凰、局的沿程降解速率的变化规律。 再次，利用校正后的模拟器，对实际运行的实验室o 反应器连续多日运 行状况进行动态模拟，结果表明，出水d 、氨氮、硝氮的模拟值与实测值比 较接近，大部分模拟值的相对误差控制在3 0 之内。经计算：c d d 模拟值相对 误差的变化范围是o 4 1 3 4 2 1 ；氨氮模拟值相对误差的变化范围是2 6 6 5 0 7 4 ；硝氮模拟值相对误差的变化范围是8 9 4 4 2 6 8 ，相对误差平均值 为2 1 9 l 。 最后，通过多因素的动态模拟得出结论模拟数据初始值的输入对模拟结果的 准确性有较大的影响；实测数据的连续性对模型的较正有很大的帮助；模型抗冲 击负荷方面及对运行工况中的不稳性因素方面的适应性还有待改进。 关键词：活性污泥数学模型，a s m 3 ，o 脱氮工艺，入流组分，运行控制 北京t 业大学工学硕士学位论文 摘要 a bs t r a c t t h ed e v e l o p m e n ta n d 印p l i c a t i o no ft h ea 以v a t e ds l u d g em o d e l sa r er e v i e w e d 锄di n 仃0 d u c e di nt h i sp a p 既t 1 1 e od “缸d g e l l a t i o np m c e s ss i m u l a t o ri se s t a b l i s h e d ， w l l i c hu s e dt l l ev b 6 0c o m p u t e rp r o 黟e s sl a n 磬l a g eo nt ：h eb a s i so fa c t i v a t e ds l u d g e m o d e ln o 3 a f i e r c o m p 鲫e dm ed i 保：r e n c e sb 咖e e l lt h el 籼r a t o 巧a c n 埘 肼：r f 0 n n a n c ed a t a 趾ds i m u l a t e dd a t a ，t l l er e s u l t sc o l n f i m e d n l ev a l i d i t ) ra n d p r a c t i c a b i l i t yo ft h es i m u l a t o l1 1 1 r d u g hs i m u l a t i n gt h ea op r o c e s si nd i 岱：r e l l tc o n t r o l p a r a m e t e r s ，t h es t u d ya ( h i e v e dt h eg o a lo fo p t i m u mc 0 n t r o lt om ep r o c e s s f i l l s t l y ，m em e c h a l l i s mo fa s m 3m o d e l i s 锄a l i z e dt l l o r o u 曲1 yi 1 1t h i sp a p a s w e l la sm ec o p o m e n t s 、r e a c t i o np r o c e s s e sa n dp a r 锄e t e r so ft h em o d e l t h es t u d y c o m p a r e sm ei 1 1 n u e n c eo ft w od i 伍：r e n tc h 撇c t e r i z i n gm e t h o d s ，、h i c ha r eo u r r e s p i r o m e t r i ce x p c r 妇e n t 锄dp h y s i c a l c h e i i l i c a lm e t h o dr c s p e c t i v e l y o nt h er e s u l t so f s i m u l a t i n g t h er e s u l t so fm e 嬲u r 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 t 研、 恐锄d 蜀a c c o u n tf o rt h ep e r c e i i to f t o t a lc o da r e9 4 、2 3 1 、5 6 3 a n d1 1 3 r c ：s p e c t i v e l y f u n h e m l o r 岛1 ea c t i v e ds l u d g eb i 0 1 0 百c a lw a s t e w a t e r 仃e a 仃n e n ti sac o m p l e x s y s t 锄i i lw h i c _ har a n g eo fp h y s i c a l ，c h e i i l i c a la 1 1 d b i o l o 百c a lp r o c e s s e so c c u r m u l t i p l e 蠡c t o r ss e n s i t i v 毋锄a l y s i si sc 枷c do u tt os h o wt l l o s ep 觚衄e t e r s i i l n u e l l c e o ns i m u l a t i n g a r e rc 0 n m m c dt h ev a l i d i t ) r 锄dp m c t i c a b i l i t yo ft h es i m u l a t o r s t e a d y s t a _ t es i m u l a t i o ni sc 枷e do u tt o s t l l d yt h ed e 舀a d a t i o nr u l eo fo d dc o m p o m e n t s a l o n g 0r e a c t o r s ，a n dt h ed e 黟a d a t i o nn 1 1 e so fc o n l p o m e i l t so fc o d ，m a ti s 研、呙、 题、五，a r e p r e s e n t e d m t h i s p 印 h la d d i t i o n ，t h el ( i n e t i cs i m u l a t i o ni sc a r r i e do u tw i t l lt 1 1 es i m u l a t o r t h eo v e r a h t 即d e n c yo fc o d ，n h 3 一na n dn 0 3 一ns i m u l a t e dv a l u e 锄dm e a s u 似lv a l u ea l m o s t c o n s i s t e n t m o s to ft h er e l a t i v ee r r o r so ft l l i ss i m u l a t i o na r eb e l o wt l i r t yp e r c e n t n l r o u g hc a l c u l a t i n g ，n l er e l a t i v ee r r o ro fc o d i sw i t h i nt h er a n g eo fo 41 3 4 2 1 ； t h er e l a t i v e 黜ro fn h 3 - ni sw i t h i nt h er a n g eo f2 6 6 5 0 7 4 ，t h er e l a t i v ee r r o r o fn 0 3 一一ni sw i t h i nt h er 锄g eo f8 9 4 4 2 6 8 a i l dt h ee v e r a g er e l a t i v ee r r o ri s 2 1 9 1 l a s t l y t h es t u d ys u m m 撕z e dt h ef o l l o w i n gc o n c u l u s i o n s ：t h ei n p u to fi n i t i a l v a l u eo ft h es i m u l a t i o nd a t ah a st r e m e n d o u si n f l u e n c eo nt h es i m u l a t i o na c c u r a c y t h e c o n t i n u i t yo fm e a s u r e dd a t a sw o u l db eh e l p 龟lf o rr e c r e c t i n gt h em o d e l h o w e v e r t h e n l o d e ls h o u l db ei m p 玎o v e do nt h ea s p e c to f a n t i s h o c k l o a d i n ga n dt h ea d a p t a l b i l i t yf o r u n s t e a d vf i a c t o r s 北京t 业大学工学硕士学位论文 k e yw o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g em o d e l ，a s m 3 ，趾o x i c - o x i cn i t r o g e n 砌n o v a lp r o c e s s ，c h a r a c t 嘶s t i co fw a s t e w a t e r o p t i m u mc 0 n 仃o l i v 目录 目录 摘要一i a b s t r a c t i i i 目录v 第1 章绪论1 1 1 活性污泥数学模型的发展1 1 1 1 模型理论基础1 1 1 2 模型发展历程4 1 1 3 模型软件的发展6 1 1 4a s m 系列模型的比较。7 1 2 国内外研究现状8 1 2 1 国外研究现状8 1 2 2 国内研究现状。9 1 3a s m 模型应用中存在的问题1 0 1 4 课题研究目的及意义1 1 1 5 课题主要研究内容及技术路线1 1 1 5 1 主要研究内容1 1 1 5 2 技术路线12 第2 章o 工艺数学模型的建立1 3 2 1 活性污泥数学模型a s m 3 描述13 2 1 1 引入a s m 3 的基础1 3 2 1 2 模型假设、限定和局限1 5 2 1 3 模型组分15 2 1 4 模型反应过程18 2 1 5 模型化学计量参数19 2 1 6 典型参数范围、默认值2 3 2 2 污水处理o 工艺流程一2 5 2 3 基于a s m 3 的o 工艺数学模型2 6 v 北京丁业大学工学硕士学位论文 第3 章基于a s m 3 模型的模拟器的建立及校验2 7 3 1 模拟器的总体设计2 7 3 1 1 模拟器的开发环境2 7 3 1 2 模拟器程序结构图2 7 3 1 3 模拟器程序计算流程图2 8 3 2 o 脱氮工艺模拟器的求解2 9 3 2 1 污染物迁移方程2 9 3 2 2 差分方程的线性化：3 1 3 2 3 模型的边界条件和稳定性31 3 3 模拟器的界面3 2 第4 章模型组分测定方法比较研究3 5 4 1 含碳组分的划分j 3 5 4 1 1 快速降解有机物s s 3 5 4 1 2 溶解态惰性有机物s i 3 9 4 1 3 慢速可生物降解有机物x s 3 9 4 1 4 颗粒性惰性有机物蜀4 0 4 1 5 异养菌胞内储存产物x 鲫d 。4 0 4 1 6 含碳组分水质特性分析结果。4 1 4 2 典型o u r 曲线区域划分方案4 2 4 3 物化法与生化法组分测定的比较分析4 6 4 3 1 理论分析4 6 4 3 2 两种方法测定的c o d 四种组分的比较。4 7 4 4 其他入流组分的确定4 8 第5 章模型应用及对o 工艺运行控制分析4 9 5 1 参数较正4 9 5 1 1 稳态模拟组分输入4 9 5 1 2 多因素参数调整5 0 5 2 模型污染物各组分降解规律分析5 3 5 3 两种组分测定方法对模拟的影响分析5 6 5 3 1 呼吸计量法测各组分的降解规律5 6 5 3 2 絮凝实验各组分的降解规律5 7 5 3 3 两种组分测定方法对模拟影响比较5 8 5 4 模型应用于o 工艺运行控制分析6 0 目录 5 4 1 单因素控制分析6 0 5 4 2 多因素控制分析6 l 结论6 7 参考文献6 9 攻读硕士学位期间所发表的学术论文7 3 致谢7 5 v i i 第1 章绪论 第1 章绪论 在当前污水处理技术领域中，活性污泥法是应用最为广泛的技术之一。在活 性污泥处理系统中，有机污染物从污水中去除的过程就是有机污染物作为营养物 质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程，也就是所谓的“活性污泥反应” 的过程。这一过程的结果是污水得以净化，微生物获得能量合成新的细胞，使活 性污泥得到增长。“活性污泥反应的过程是由物理、化学、物化及生物化学等 反应过程所组成【1 1 。 活性污泥系统是一个多因素、多过程相互作用的复杂系统，受到各种环境因 素的影响，目前对其理论研究的深度还不够，与之相关的数学模型研究也不够， 所以很有必要开展对数学模型的研究【2 1 。 a s m 模型自推出以来，广泛地应用于科研和实际工程中，在欧美等国家的 城市污水厂的设计和运行中应用效果非常显著，我国研究者也逐渐进行了生物处 理系统模拟预测和控制方面等基础性应用研究。然而，由于a s m 模型对水质组 分及生物化学反应过程进行了详细划分，从而引出如有机组分浓度、化学计量系 数以及动力学参数等众多需要确定的问题。但是，由于当前监测、分析的方法和 手段的限制，许多量还不能直接和准确的测定，影响了模型的推广【3 1 。 因此，有效地开发、应用和推广活性污泥数学模型，对于提高该领域内计算 机应用的水平、科研设计的精度与效率及活性污泥系统控制策略的设计和管理都 具有重要意义。 1 1 活性污泥数学模型的发展 1 1 1 模型理论基础 ( 1 ) 维持理论 0 2 + n h 3c 0 2 + h 2 卜n 0 3 。 底物 合成生物体 维持 图卜l 维持理论示意图 f i g 1 1t h es c h e m a t i cd i a g r a mo fm a i n t e n a c et h e o f y l 北京丁业大学工学硕十学位论文 维持理论( m a i n t e l l a i l c et h e r o v ) 是早期的污水处理领域概括的模型理论。 该理论认为微生物将污水中的污染底物一部分用来合成自身的机体，一部分用来 维持微生物的生命活动。其理论示意图见图l 一1 。 ( 2 ) 内源呼吸理论 内源呼吸理论( e n d o g e n o u sr e s p i r a t i o nt h e o r ) r ) 是为了进一步解释污水中微 生物的生长过程而提出的，是得到比较广泛认同的一个理论基础。 内源呼吸理论中，微生物的衰亡过程可用下式表示： 微生物+ 电子受体一c o ，+ 电子受体的还原产物+ 营养物+ 残留物 这一过程的c o d 化学计量表达式如下： 生物量c o d + 一( 1 一) 电子受体当量乞生物残留物。 式中：微生物衰亡时形成残留的比例，一般为o 2 0 。 0 2 时叮h 3c 0 2 + h 2 饼- n 0 3 。 0 2c 0 2 + h 2 0 l 底物3 l 么合成生物体k 么r - 残留物 生长衰减 有c o d 损失无c o d 损失 图1 2 内源呼吸理论示意图 f i g 1 - 2 1 1 1 es c h 锄a t i cd i a g r a mo fe i l d o g 饥0 u sr e ；p i m t i t l l e o 叮 ( 3 ) 死亡一再生理论【4 】 死亡一再生理论认为，微生物的衰减可以使微生物转化为溶解性颗粒性产物 ( 慢速生物降解的) 和惰性生物残留物，这一过程无c o d 的损失，而传统的内 源呼吸理论认为此过程具有氧的消耗和补偿的c o d 损失。模拟这一生物过程的 示意图如下，这一过程的化学计量表达式如下： 生物量c o d 叫( 1 一f n ) 颗粒有机物c o d + f n 微生物残留物c o d 0 2 扑m 3c 0 2 + h 2 0 + n 0 3 一 、严 底物3 合成生物体残留物 l i 水解 l 一溶解性颗粒有机物 图1 3 “死亡再生”机理示意图 f i g 1 - 3 t h es c h 锄a t i cd i a g r 锄o fd e a t ha n di - e g e n e r a t i o nt h e o d r 死亡一再生理论的引入是为了可以描述当微生物衰亡时发生的不同反应过 程，而传统的内源呼吸理论仅仅描述了当微生物维持生命活动时造成的机体质量 的消耗。但是，实践经验证明，在兼氧和好氧交替运行状态下系统运用内源呼吸 模型常常不能达到满意的结果，因为内源呼吸模型不能解释这种条件下，当兼氧 2 第1 章绪论 阶段结束，好氧阶段开始后发生的氧的快速吸收现象。在死亡一再生现象中，衰 亡的细胞物质是通过溶胞过程释放的，释放出的可生物降解机质可以通过水解过 程变成微生物可利用的一部分，所以就可解释上述的现象，由于兼性阶段内微生 物的衰亡而造成了可生物降解物质浓度的积累【3 ，5 1 。 表l l 活性污泥过程模型的理论基础及发展历科5 】 t 拍1 - lt h et l l e o f e t i c a lb 舔i s 锄dd e v e l o ph i s t 0 i yo f 、a s t e 、张t e rp r o c e s s sm o d e l s 3 北京工业大学t 学硕士学位论文 1 1 2 模型发展历程 早期对活性污泥过程的设计和运行管理主要靠经验数据，随活性污泥处理工 艺的推广，人们对它的认识也不断深入，其设计也逐步从简单应用经验数据发展 到使用数学模型【销】，由此也带动了活性污泥法数学模型的发展。 自活性污泥数学模型应用于污水处理领域开始，众多研究者对其机理及模型 进行了探讨。活性污泥法数学模型的发展经历了从简单的拟合实验数据，到采用 经典的微生物生长动力学模型，直至现在的根据生物处理自身的特性进行过程分 析和辨识的过程【9 ，1 0 1 。 ( 1 ) m o n o d 模型：1 9 4 2 年m 0 n o d 提出以米门公式为基础的m o n o d 方程， 指出微生物的生长速率与微生物的浓度及某些限制性底物浓度之间的相互关系 【i l 12 1 ，m o n o d 方程如下： su 2 面 式中： 一微生物的比增殖速率( d 1 ) ；双一微生物的最大比增殖速率( d d ) ； s 一有机底物浓度( m l ) ；k 饱和常数，也称为半速率常数( m l ) 。 ( 2 ) 静态模型：2 0 世纪5 0 年代后期，e c k e n f e l d e r 、m c k i l l i l e y 、l 删c e 和m c c 哪等人以m o n o d 方程为基础【1 3 】【1 4 1 ，引入化工领域的反应器理论及微生 物学的生物化学理论，将基质降解、微生物生长及各参数之间的数学模型来表示， 建立有代表性的e c k e l l f e l d e r 、m c k i n n e y 和l 蝴c e - m c c a r t ) ，活性污泥传统静态 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 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 同平衡生长状念间的瞬变过程信息，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。 ( 3 ) 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、1 w a 模型【b 】。 a n d r e w s 模型：该模型由美国的j f a n d r e w s 等人在2 0 世纪8 0 年代提出。 4 第1 章绪论 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，以胞内贮存物的题m 形式被贮存，然后再被微生物利用【9 ，l6 1 。 w r c 模型：该模型由英国水研究中心( w a t e rr e s e a r c hc e i l t e r ) 提出，引入 了j 0 n e s 等人提出的“存活非存活 细胞代谢机型 】，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。 国际水质协会在1 9 8 3 年组织南非、日本、美国、丹麦、荷兰等5 国专家成 立活性污泥通用模型国际研究小组，致力于新的活性污泥数学模型的开发，并于 1 9 8 7 年、1 9 9 5 年和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 【18 1 。 a s m l 模型：该模型着重于污水生物处理的基本原理、过程及其动态模拟， 首次将氮的去除纳入模型。a s m l 采用了d o l d 等人提出的死亡一再生的模型化 方法，体现了对代谢残余物的再利用。a s m l 模型可以写成矩阵形式，模型矩阵 公有8 行1 3 列，表示活性污泥过程的8 种生物化学反应和1 3 种模型组分，行和 列的交叉处为组分对过程的化学计量学系数。此外，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【i9 1 。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。 a s m 2 模型：1 9 9 5 年，在a s m l 的基础上，国际水质协会( 认w q ) 进一步 提出活性污泥2 号模型a s m 2 【2 0 _ 2 3 1 。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。同时还增加了 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。1 9 9 9 年，国际水质协会( 认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 个动力学参刻2 4 】。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。 a s m 3 模型：在1 9 9 9 年，i a w q 还同时推出了活性污泥3 号模型( a s m 3 ) ， 北京工、i k 大学丁学硕士学位论文 其是在总结和修正a s m l 模型缺陷的基础上提出的，采用了内源呼吸理论，a s m 3 中同样包括有机物氧化、硝化和反硝化，而没有包括生物除磷【2 5 1 。 2 0 0 1 年，为了完善3 号模型，瑞士联邦环境科学与技术研究院( e a w a g ) 还 提出了与3 号模型结合使用的生物除磷模型，即e a 、凇gb i o p 模型，这个模型 建立在a s m 3 基础上，采用了a s m 2 d 的一些观点，但省略了易降解基质的发酵 过程，生物体的衰减过程与3 号模型相统一，以内源呼吸代表之。在a s m 3 的 基础上增加了生物除磷的过程，但磷沉淀过程在e a 、a g 生物磷去除模型中没有 被考虑【2 6 】【2 7 1 。 1 1 3 模型软件的发展 1 9 8 8 年，美国c l 锄s o n 大学将a s m l 模型编成计算机应用程序s s s p ( s i n m l a t i o no fs i n 西es l u d g ep r o c e s s ) ，成为公认的第一个活性污泥工艺软件。此 后发展迅速，又出现了e f o r 软件、s t o a t 软件、s a s s p r o 软件、d s p 软件和 g p s x 软件等。 活性污泥工艺软件的主要应用于4 个方面：( 1 ) 用于科学研究，开发新工艺； ( 2 ) 用于辅助设计，进行工艺方案选择；( 3 ) 用于污水处理厂的运行管理，如 确定不同负荷条件的最佳运行策略、进行改造和扩建的可行性研究等；( 4 ) 用于 专业教学，形象表征活性污泥工艺中生物过程的相互作用与联系【2 8 1 。 表l - 2常用商业化活性污泥模拟软件 t a b 1 - 2n ec o m m o n l yu s e da c t i v e ds l u d g es i i n u l i t a t i o ns o r w 暑鹏 6 第1 章绪论 1 1 4a s m 系列模型的比较 a s m 诸多版本的共同特点是它们的应用理论主要是建立在m o n o d 方程的基 础上，在表达上都是多维的对底物降解及微生物增殖的描述，并包含大量的动力 学参数和化学计量系数，均以矩阵的形式描述生物反应过程【2 9 1 。 如今计算机速度与容量已不再是限制复杂模型应用的瓶颈，所以1 号模型因 结构简单而存在的一些缺陷便同渐凸显。在此情形下，建立在1 号模型基础上的 3 号模型应运而生。3 号模型与l 号模型的主要区别是将异养菌与自养菌的代谢 路径截然分开，并且引入细胞内基质储存的概念，以淡化l 号模型中基质水解的 概念。这意味着，a s m 3 模型避免了a s m l 模型中c o d 从一组细菌流向另外一 组细菌而产生的生长交叉影响问题。 在1 号模型描述碳氧化、硝化、反硝化的基础上，需要有一个模型将生物除 磷也包括在内。这就导致2 号模型的出现。2 号模型以l 号模型为基础，仅仅将 严格好氧的除磷细菌( p a o ) 作用包括在内。而随后的大量事实表明，在除磷细菌 中也包含着一类可以进行反硝化的细菌，被称之为反硝化除磷细菌( d p b ) 。这就 产生了扩展2 号模型的需要，包括了严格好氧除磷细菌与反硝化除磷细菌在内的 a s m 2 d 模型因此应运而生。 在以数学模型描述生物磷去除方面，存在两种表达方法。一种是以细胞外“可 观测 到的化合物为主来构建动力学方程及转换系数，a s m 2 与a s m 2 d 模型便 采用的是这种方式。然而，对于代谢机理较为复杂的生物除磷过程来说，仅仅靠 描述“黑匣子”的方法很难准确把握真实的除磷过程。况且，模型在应用时受动 力学与转换系数因水质和工艺条件变化的影响很大。在此情形下，荷兰代尔夫特 工业大学u y v c r 生物技术实验室从除磷细菌内部代谢的微观角度入手，在弄清 内部代谢物质生化转换机制的前提下，建立了一个只用一套与内部计量参数有关 的生物除磷( 包括反硝化除磷) 代谢模型，可以使模型在应用中变得极为简单，一 般不需应对变化的水质和工艺参数进行模型参数的调型3 0 l 。 北京工业大学工学硕十学位论文 图1 4a s m l 和a s m 3 模型中c o d 的反应流程图1 & 3 1 】 f i g 1 _ 4r e s p o n s ef l o wo f c o di i l a s m l 柚d a s m 3 在a s m l 中，c o d 反应流程非常复杂。异氧菌的死亡( 衰减) 、再生循环， 与硝化菌衰减的相互影响作用非常强烈。这两种衰减过程在反应细节上差异很 大，这导致了a s m l 中两种衰减速率意义的差异，且容易混淆。而在a s m 3 中， 对这两组生物体的所有转换过程都进行了清晰的区分，并以相同的模式进行描 述。在a s m 3 中，反应过程的重点由水解转到了有机底物的贮存。包含了胞内 贮存物质。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 国外研究现状 自从队w q 推出a s m 系列后，数学模型在国外得到了很大的发展，特别在 微生物反应机理、模型的实际运用及软件的开发等方面的研究积累了大量的宝贵 经验。 j p p e s s o n 【3 2 】通过不区分溶解性c o d 和颗粒性c o d 等假设的情况下，在 a s m l 模型上推出了r e d u c e do r d e r m o d e i 模型。 h v u n o k 鼬m 等人【3 3 ，3 4 】提出了a s m 2 模型的简化线性模型( s l m 模型) 用来 模拟s b r 工艺中基质去除过程，该模型预测了s b r 工艺中释磷和摄磷、硝化作 用、氨化作用和反硝化作用的动力学过程。 k o c hg 等人【3 5 ，3 6 】将a s m 3 模型用于瑞士诸多城市污水处理厂，在应用试验 中得出l 套动力学参数和化学计量系数，通过这些参数对模型进行校正。结果表 明，校j 下后的a s m 3 能够很好地模拟污泥产量和反硝化能力，而对于除磷速率 的预测结果很不确定，这与系统除磷速率较低及工艺复杂性有关。 y o oc k 等【3 7 3 8 】人用a s m 模型非线性多参数模糊分析连续流反应器，通过 第1 章绪论 对污水的动态模拟，校准模型中反应参数值。结果表明，其实验数据与理论预测 非常吻合。 j f 翎贺a 等【3 9 】利用自行开发的软件对污水处理厂进行了动念模拟，结果表 明，该软件对设计、优化和模拟城市污水处理厂有相当好的模拟效果，为模型软 件的开发做出了贡献。 b 崩m e ra 【4 0 】采用了修正的a s m 2 模型对s b r 工艺进行动态模型研究和参数 灵敏度分析，将a s m l 中认为一步完成的硝化反应修正为亚硝酸盐化和硝酸盐 化2 个阶段，引人了硝酸盐化的开关函数，并采用最小二乘法对模型进行优化控 制。研究结果表明，修正后的模型能更好地模拟废水处理实际结果。 m i k o s ej 等应用了s i m w b d ( 软件对某污水处理厂的运行进行了模拟，使 在低温( 必薯矗g_ggojn墨旨写qimolo 一口气、进更求强要：，t进嵌捌基扑sg n 窆 寸n 啭 寸n q 1 芦 科倒g剥辎扑黎枘h o i 褂n 躲 北京t 业大学硕士学位论文 表2 5化学计量系数表达式 t a b 2 5s t o i c h i 0 玎1 e t r i cc o e 伍c i e l l t se x p d 鼯s i o 潞 z ! 生! ：塑室坦! h = i n ，x s j s i i n ，s l 1 3 l 一九) i n s sy 2 = i n ，s sy 3 2 i n 。s s y | = t n b my s = n ? 8 m y b = i n ? b 一f l i n j x l y 12 l n 。b m j l l n x t ， 乃o = 一l 匕一k 肼 见= 0 h i = i n 删一 l i n x 1 = 0 y t 2 = i n 删一i n 。x i 众所周知，缺氧呼吸产生的生化能( a t p ) 比好氧呼吸产生的少，因此，好 氧产率系数( k ，d 2 和巧，d 2 ) 大于缺氧产率系数( 乓m ，慨和巧，慨) 。假定缺氧 生长能是好氧的7 0 ，有以下能量关系式： 挚：氧掣，砘氧掣 协3 ， 1 s m ，d 2 1 s m ， 1 d 21 m 如 a s m 3 中去除每单位的所产生的异养生物量肠，如公式( 2 4 ) 所示： e 甜，d 2 = ，d 2 ，d 2 ，艺订，帔2 乓m ，崛，暇 ( 2 4 ) 第2 章or t 艺数学模型的建立 2 1 6 典型参数范围、默认值 a s m 3 的典型化学计量系数及组分参数值见表2 6 ，a s m 3 的典型动力学参 数值见表2 7 。 表2 6 a s m 3 典型化学计量系数及组分参数值 1 a b 2 6 i 如i c a ls t o i c h i o m e t f i cc o e f i i c i e n t 锄dc 伽叩0 n e n tp a r a m e t e rv a l u ei na s m 3 表2 - 7 a s m 3 的典型动力学参数值 t a b 2 7 t i p i c a lv a l u e so fk i i l e t i c sp a r a m e t e r sf o ra s m 3 二_ 垄