（系统工程专业论文）活性污泥模型ASM2的简化及优化控制策略研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 活性污泥法是当前最常用的一种污水处理方法，国际水协会( i w r a ) 针对活 性污泥法提出了a s m 系列机理模型。a s m 系列中的a s m 2 模型包含了活性污 泥过程的去除c o d ，b o d 和脱氮除磷的机理过程，比较完整的描述了活性污泥 过程的污水处理机理，广泛应用于工业和市政污水处理。因此基于a s m 2 模型 研究污水处理过程模型简化及优化控制策略具有重要的理论研究意义和实际应 用价值。 本文综述了活性污泥法模型的研究现状和活性污泥法应用于工业控制的现 状，描述了污水处理的a s m 2 模型，并以一个典型的污水处理工艺a 2 o - v 艺处理 过程作为背景，将a s m 2 模型应用于a 2 o 过程中，建立起a 2 o 过程的整体系统的 机理模型；分别采用时标分解算法和聚类及p l s 算法，对a s m 2 模型进行简化研 究，由时标分解方法得到一个较为简化的非线性模型，由聚类和p l s 算法对模型 进行简化得到一组适用于模型预测控制的多线性模型；然后，以溶解氧浓度和污 泥回流量作为操作变量，以出水的硝态氮和氨氮的浓度作为输出变量，将多线性 模型作为预测模型，采用广义预测控制算法对该a 2 ，o 工艺过程的出水水质进行设 定点控制和区间控制；最后，结合大量国内外文献中的资料，得出了一种衡量典 型污水处理过程的经济性能指标，并将该经济性能指标融入广义预测控制的目标 函数中，得到一个双层的优化过程，上层对出水水质进行区间控制，得到的输出 作为约束加入到下层的考虑经济性能指标的预测控制中，最后得出输入变量的序 列。从仿真结果可以看出，考虑了经济性能指标的预测控制在经济成本上较为节 约，并能达到水质标准，从而达到在满足出水水质要求的前提下尽量减小能耗。 关键词；活性污泥法，时标分解，聚类，预测控制，经济性能指标 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t i nt h ew 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 ，t h ea c t i v a t e ds l u d g em e t h o di sam o s t l y u s e f u lm e t h o d t h ea c t i v a t e d s l u d g em o d e ls e r i e s ，w h i c h a r cp r o p o s e d b y i 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 , a r ct h em e c h a n i s mm o d e l sc o r r e s p o n d i n gt ot h e a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s i nt h es e r i e s , a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 2 ( a s m 2 ) d e s c r i b e st h ed y n a m i cp r o c e s s e so fc o d ，b o d ，n i t r o g e na n dp h o u r o s p h e rr e m o v a li n t h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s t h e r e f o r e , t h ea s m 2i sa b r o a d l yu s e di nt h ei n d u s t r h l a n dm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t f i r s t l y , t h es t a t u sq u oo f t h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e la n dt h ei n d u s t r i a la p p l i c a t i o no f t h ea c t i v a t e ds l u d g em e t h o di ss u m m a r i z e d s e c o n d l y , t h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e l n o 2 ( a s m 2 ) i sd e s c r i b e dd e t a i l e d l y , a n db a s e do ra s m 2 aw h o l em e c h a n i s mm o d e l o fat y p i c a l 0t r e a t m e n tp r o c e s si se s t a b l i s h e d t h i r d l y , t h er e d u c t i o no fa s m 2i s r e s e a r c h e d i na l l u s i o nt ot h em u l t i - s c a l eo fa s m 2 w ea p p l yt h et i m e - s c a l e d e c o m p o s i t i o nm e t h o dt og e tar e d u c e dn o n l i n e a rm o d e l - - - ag r o u po fd i f f e r e n t i a l a l g e b r ae q u a t i o n s a st 0n o n l i n e a r i t yo fa s m 2 w ei n t r o d u c et h ec l u s t e r i n ga n dp l s a l g o r i t h mt og e tm u l t il i n e a rm o d e l ss u l m b l ef o rm o d e lp r e d i c t i v ec o n t r 0 1 f o u r t h l y , t h eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ( g p c ) a l g o r i t h mi sa p p l i e di nt h ea ：op r o c e s s ，i n t h ep r e d i c t i v ec o n t r o l ，d i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o na n ds l u d g er e f l u c o c ea r eu s e d a sm a n i p u l a t e dv a r i a b l e s ，t h ea m m o n i aa n dn i t r a t ec o n c e n t r a t i o ni nt h ee f f l u e n ta r e u s e da so u t p u tv a r i a b l e s ，a n dt h em u l t im o d e l sf r o mt h et h i r ds e c t i o na r eu s e da st h e p r e d i c t i v em o d e l l a s t l y , b a s e do nm a n yc o r r e l a t i v ep a p e r s ，a r ti n d e xm e a s u r e st h e e c o n o m i cc a p a c i t yo f t h ea 2 op r o c e s si so b t a i n e d t h ei n d e xi st h e na b s o r b e di nt h e o b j e c t i v ef u n c t i o no ft h ep r e d i c t i v ec o n t r o l ，a n dt h eo b j e c t i v ei sc h a n g e di n t ot h e e n e r g yc o s ts a v i n gw h e nt h ee f f l u e n tq u a l i t yi su pt op a r t h eo b j e c t i v ef u n c t i o ni s c o n s t i t u t e do ft w ol e v e l s ：t h eu p p e rl e v e li sa b o u tt h ee f f l u e n tq u a l i t y , a n dt h e a p p r o p r i a t eo u t p u ti st h e nu s e da sac o n s t r a i l ro ft h el o w e rl e v e lw h i c hi sa b o u tt h e e c o n o m i cc a p a c i t y t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w st h a tt h ep r e d i c t i v ec o n t r o lc o n s i d e r i n g e c o n o m i cc a p a c i t yh e l p st 0s a v et h ee n e r g yc o s ti nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c c $ $ w h i l et h ee f f l u e n tq u a l i t y a c c o r d i n gw i t hs t a n d a r d k e y w o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g em e t h o d , p r e d i c t i v ec o n t r o l ，e c o n o m i cc a p a c i t y n 浙江大学硕士学位论文 第一章绪。论 1 1 引言 我国的水资源总量约为2 8 万亿立方米，居世界第六位，但人均占有水量仅 为世界人均占有量的l 4 ，且我国实际能利用的水资源只有8 0 0 0 - 9 0 0 0 多亿立方 米。随着社会经济的进一步发展，用水量还会不断增加。我国水资源的利用率相 对来说也是较低的，每一立方米的水能生产出的工业生产总值大约是世界平均水 平的1 5 ，一般工业用水的重复利用率大概是6 0 左右，而发达国家可以达到8 5 以上。在城市用水方面，有很多城市的输水管网和用水器具漏损率就超过2 0 。 另外，我们国家在污水处理回用，在海水利用，在雨洪资源的利用方面水平也是 比较低的。我国己被联合国列为1 3 个水资源贫乏国家之一由此可见，我国的 水资源相当紧缺，当务之急是加大污水处理的力度，建设更多污水处理厂，并提 高污水处理的效率，使更多的污水得到回用。 早期的污水处理方法以去除污水中的悬浮物和固体颗粒的物理方法为主。随 着水质净化标准不断提高，污水处理逐渐发展成为以生物处理为主的二级处理方 法。现阶段的污水处理方法有很多，有物理处理法( 过滤、离心、沉淀分离、 上浮分离等) ，化学处理法( 化学混凝法、化学混凝沉淀法、化学混凝气浮法、 中和法、化学沉淀法、氧化还原法等) ，物理化学处理法( 吸附、离子交换、电 渗析、反渗透、超过滤等) ，生物处理法( 好氧生物处理、活性污泥法) ，组合工 艺处理法( 物理+ 化学、物理+ 生物、物理+ 好氧生物处理、物理+ 厌氧生物处 理、化学+ 物化、化学+ 生物等) 。其中，最为普遍采用的是活性污泥法。 所谓活性污泥法是指微生物以污水中的有机物为食科，进行代谢和繁殖，降 低污水中有机物含量的一种污水处理方法。该方法于1 9 1 3 年在英国试验成功， 至今已有近百年的历史。活性污泥法有较好的处理效果且管理方便，因而在城市 污水处理中得到广泛应用。据1 9 9 3 年不完全统计，我国已建及在建的二级污水 处理厂中有8 0 以上采用活性污泥法的工艺。 活性污泥法污水处理过程是一个强藕合的多输入多输出动态系统，机理复 杂，具有高度非线性、时变、不确定性和时滞等特点，过程建模较为困难。国外 浙江大学硕士学位论文 学者在2 0 世纪6 0 年代开始污水处理过程建模的研究，8 0 年代后期随着a s m ( a c t i v a t e ds l u d g em o d e l ，活性污泥模型) 系列数学模型1 1 j 阐的出现，进入了污 水处理过程建模研究的高峰，美、英和南非等国的研究走在世界前列。与国外的 发展形势相比，国内关于活性污泥系统模型方面的研究起步较晚，自8 0 年代起国 内一些学者做了一些工作，但其侧重点在于介绍国外模型理论、具体工艺过程的 动力学分析及模型的局部应用方面，对我国城市污水的水质特性了解甚少，对模 型参数的基础研究较少。目前，国内学者越来越重视活性污泥模型的模型机理研 究，许多学者通过对活性污泥法的机理进行深入研究，或在活性污泥a s m 系列 模型基础上进行简化以使模型更好的应用于污水处理厂的实际运行或控制。 2 0 世纪8 0 年代以前，城市污水处理主要以去除b o d 和s s 为目标，随着水 体富营养化现象的日益严重，氮、磷等营养物质的去除被纳入净化目标，并逐渐 成为污水处理的重点。这使得新建城市污水处理厂必须考虑营养物质的去除问 题。本文中的仿真就是主要以营养物质( 氨氮和硝态氮) 的含量为考虑对象的。 1 2 活性污泥数学模型研究现状 对于污水处理的方案选择、工艺设计和运行管理中出现问题的分析和解决， 建立实用的数学模型是一种很有用的工具。自从活性污泥法应用于污水处理以 来，许多学者致力于其机理的研究。早期对于污水处理过程的设计和运行管理等 主要依靠经验数据，随着活性污泥处理工艺的推广和发展，人们对于它的认识也 不断深入，其设计也逐渐从简单采用经验数据发展到开始使用数学模型。 最初人们提出的活性污泥模型是静态模型。1 9 4 2 年m o n u d 提出了以米一门公 式为基础的m o n o d 方程，说明了微生物的生长速率与微生物浓度及某些限制型底 物浓度之间的相互关系。2 0 世纪5 0 年代后期，国外一些学者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关 系用数学模型来表示，其中最有代表性的有e c k e n f e l d e r 等基于v s s ( 挥发性悬浮 固体) 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。这三种不同的模型都源i 刍m o n o d 方程。由于这些传统静态模型具 有形式简单，变量可直接测定，动力学参数测定和方程求解较方便，得出的稳态 结果基本满足工艺设计要求等优点，曾得到广泛应用。 浙江大学硕士学位论文 然而，长期实际应用经验也表明，这种基于平衡态的传统的静态模型丢失了 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，在应用 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：如无法解释有机 物的“快速去除”现象；不能很好的预测基质浓度增大时微生物增长速度变化的滞 后。此外, m o n o d 方程本身并不能预测有机物浓度降低时活性污泥过程的瞬变响 应。因此，传统的活性污泥模型虽然参数求解和计算过程相对简单，但无法精确模 拟氧利用的动态变化和描述微生物的动态生长。只注重稳态特性的研究方法是造 成传统模型局限性的重要原因，要突破这种局限，就必须建立动态模型。 2 0 世纪7 0 年代中后期，南非的m a r a i s 提出除碳、氮、磷的动态活性污泥 数学模型，但由于结构非常复杂而使其应用受到限制。8 0 年代，美国的j f a n d r e w s 提出了a n d r e w s 模型【7 0 j 。随后，英国水研究中一t = l , ( w a t e r r e s e a r c h c e n t e r ) 提出了w r c 模型。这些动态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主要问题：一是微生物衰减过程按内源 呼吸理论来描述，未考虑代谢残余物的再利用；二是只描述了废水中含碳有机物 的去除过程，无法模拟预测氮和磷的降解。 为了解决上述动态模型存在的主要问题，1 9 8 3 年国际水污染研究控制协会 ( 认w q ，现更名为r w h ) 组织五国专家组成的专家组，经两年多研究于1 9 8 7 年推 出了活性污泥法l 号模型( a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 1 ，简称a s m l ) 1 捌。此模型 不仅包含了含碳有机物去除过程，还描述了通过硝化和反硝化作用对含氮物质 的去除。随后，i a w q 于1 9 9 5 和1 9 9 9 年又分别推出了a s m 2 4 1 和a s m 3 5 3 模型 对a s m l 进行改进和补充。a s m 系列模型以矩阵的形式随活性污泥水处理过程 内部组分及反应过程进行表述。目前，a s m 系列模型已被广泛应用于污水处理 模型研究和过程仿真，很多专门的污水处理过程设计和仿真软件都是以它们为基 础的。 i a w q 的a s m 系列主要特点是以c o d 物料平衡为计算基础，用矩阵形式 描述个有关组分浓度、各反应速率、反应动力学参数和化学计量学参数之间的关 系。而水研究中，t ) , ( w a t e r r e s e a r c h c e n t e r ) 也推出了称为a s a l 的活性污泥模型， 但其以b o d 作为物料平衡的基础。所以两者在污泥产率方面的模拟存在不同。 此外还有w e n t z e l 推出的活性污泥的动力学模型。由于其它各种模型或者以 i a w q 模型为基础，或者与之相类似，因此a s m 是目前世界上活性污泥模型研 浙江大学硕士学位论文 究的主流。 i w a 推出的3 套模型在形式和功能上都较以前的模型有了较大突破，有效指 导了活性污泥法新工艺的开发、污水处理厂的设计、改造和运行管理，得到世界 的充分肯定，是当今活性污泥模型研究的主流。但是，由于微生物生长过程的复 杂性，活性污泥系统中微生物种类和污染物质的多样性，导致人们对某些机理认 识不清、使得模型中还存在一些问趔蚓： 1 ) a s m 系列活性污泥模型对水质组分及生物化学反应过程进行了详细划 分，从而引出众多的组分浓度、化学计量学以及动力学参数值需要确定的问题。 但是，由于当前监测、分析的方法和手段的限制，许多参数还不能直接或准确测 定，影响了模型的推广。 2 ) a s m 系列活性污泥模型包含了碳氧化和反硝化过程，起作用的微生物均 为异养菌。但至今仍不清楚是只有部分异养菌有反硝化能力，还是全部异养菌都 有反硝化能力。故模型中对这两种异养菌未加以区分，只是认为缺氧过程速率更 小而引入缺氧减速因子。 3 ) 为了能够对现代污水处理厂的设计和运行管理给予全面有效的指导，活 性污泥模型必须包括除磷过程，但目前对生物除磷机理还不完全清楚，尤其是发 酵和厌氧水解过程对聚磷菌超量摄磷的影响还需作进一步研究。 4 ) 具有代谢活性的微生物量的准确度量对模型预测结果的精确性起到很关 键的作用。长期以来，在活性污泥系统中，微生物的量一直以m l s s 或m l v s s 来计量。事实上，早在2 0 世纪6 0 年代，m c k i n n e y 就曾指出，对处理生活污水 的活性污泥，m l s s 只含有3 0 0 , 4 到3 5 活的微生物体，w e l d d l e 和j e n k i n s 也通 过试验表明异养微生物只占m l v s s 的1 0 0 , 4 到1 5 。j o n e s 等人提出非存活细胞 代谢活性的学说，他们认为细胞破裂溢出的酶也可以降解有机物，则具有代谢活 性的物质量就不仅仅是活的微生物，还牵涉到具有代谢作用的非存活细胞的计 量。 1 3 活性污泥法污水处理工艺 活性污泥法污水处理可用于多种污水处理工艺，典型的污水处理工艺如下 【3 习： ( 1 ) 氧化沟工艺： 浙江大学硕士学位论文 脱氮除磷的氧化沟是将氧化沟和其它的脱氮除磷工艺结合起来，用氧化沟来 实现本应由多个反应器来承担的任务，使脱氮除磷工艺更加紧凑，氧化沟的功能 更加强大。如卡鲁塞尔d e n i t la 2 c 卡鲁塞尔2 0 0 0 工艺，就是一种将a 2 0 i 艺 与氧化沟结合在一起的脱氮除磷的新工艺。工艺流程如图7 所示： 厌氧区缺氧区好氧区 图1 1 卡鲁塞尔d e n i t l r ac 工艺流程图 该工艺的最大特点是利用氧化沟原有的渠道流速，实现硝化液的高回流比， 以达到较高程度的脱氮效率，同时无需任何回流提升动力。前置厌氧池，又达到 了同时脱氮除磷的目的。 ( 2 ) s b r 工艺 s b r 工艺是在同一反应器内完成脱氮除磷。通过对进水、曝气、沉淀、排水、 等待、排泥等的操作，在时间序列上实现厌氧、缺氧、好氧的组合。通过改变运 行方式，合理分配曝气和非曝气的时间，创造交替厌氧、缺氧、好氧条件实现脱 氮除磷。 与其他工艺相比，s b r 工艺性能较良好，操作灵活。 ( 3 ) v i p 工艺 出水 余污泥 图1 2 、，】p 工艺流程图 工艺特点：v 口工艺反应池采用分格方式，将一系列体积较小的完全混合式 反应格串联在一起，这种形式形成了有机物的梯度分布，充分发挥了聚磷菌的作 用，提高了厌氧池中磷的释放和好氧池中磷的吸收速度，因而比单个大体积的完 全混合式反应池具有更高的除磷效果。缺氧反应池的分格使大部分反硝化反应都 浙江大学硕士学位论文 发生在前几格，有助于缺氧池的完全反硝化，这样在缺氧池的最后一格硝酸盐的 量极少，基本上没有硝酸盐通过缺氧池的回流液进入厌氧池，保证了厌氧池严格 的厌氧环境。 与u c t 工艺相比，此工艺采用高负荷运行，混合液中活性微生物所占的比 例较高，且污泥龄短，因而运行速率高，除磷效果好。 ( 4 ) a 2 o 工艺 a 2 0 工艺是厌氧、缺氧、好氧生物脱氮除磷工艺的简称，是由七十年代初 南非和美国等国家研究开发的废水生物处理新工艺。由于该工艺在去除废水有机 物的同时具有良好的脱氮除磷效果，因此八十年代开始在国外得到很快的发展和 广泛的应用。 图1 3a 2 ，o 工艺流程图 厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境条件及不同功能的微生物菌群的有机配合 协作，是a 2 ，o 工艺流程的主要特点，它可以同时达到去除有机物、脱氮、除磷 的目的，而且工艺流程较简单。 1 4 活性污泥模型简化策略现状 限于污水处理厂的设计、运行和水质检测的水平，且a s m 系列模型结构复 杂，具有高度非线性，变量之间相互耦合，在实际污水处理中直接应用整套模型 有一定的困难。在实践中国内外许多学者又推出了许多以a s m 模型为基础的简 化模型模拟活性污泥工艺的主要反应过程，希望得到仿真结果与原a s m 模型误 差相差不大，能较好的模拟活性污泥污水处理过程，且能降低其复杂性或非线性 的简化模型。 ( 1 ) 污水处理模型简化最常用的方法是对污水处理的环境进行假设，主要 考虑模型中提到的某些过程，忽略一些在假设的环境条件下不重要的过程，从而 可以简化掉一些组分的动态过程，达到模型简化的目的。 j c p p s s o n 在a s m l 模型的基础上推出的r o m 模型【1 2 3 ，假设：溶解氧( d o ) 浓 度恒定，相关的生长速率表达式不受d o 的限制，但d o 的物质平衡关系仍然是预 浙江大学硕士学位论文 测耗氧速率和呼吸速率的基础：不考虑快速吸附现象，将溶解性物质和贮存物质 结合在一起讨论微生物吸收和生长问题；可生物降解有机碳、氨态氮、硝态氦和 进水流量可以在线检测；不区分溶解性c o d 和颗粒性c o d ；氨态氮可被检测， 但其形成机理不予考虑；异氧菌和自养菌的衰减物质直接形成有机质和氨。 z h a o 在a s m 2 基础上推, , - e s p m 1 3 , 1 4 ，简化和假设如下：原有的1 9 个组分简化 为5 个主要组分( p 0 4 3 。s , x m a , n i - h + , n o x ) ，来描述反应动力学过程，一些组分 如自养菌、异养菌和p a o 被看作是生物催化剂，没有在模型中验证；进水中乙 酸盐s a 的浓度近似与总c o d 成比例，比例系数视废水组成而定；自养菌、异养 菌和聚磷茵的浓度近似与m l s s 的浓度成比例，比例系数取决于微生物的特性； d o 的浓度在曝气阶段达到饱和，所以氧的开关函数近似等于1 ；聚磷菌反应过程 中聚磷菌体内的内聚物p p 的含量足够高，m o n o d 公式中对p p 的限制忽略不计；氮 在转化过程中只发生硝化反应和反硝化反应，对于有机氮的其它反应如n h 4 + 转 化为微生物、有机氮的氨化反应均忽略不计。 k i m 在a s m 2 模型的基础上推出的s l m 模型嘲，简化与假设如下：删除一些 不直接参与生化反应的惰性组分；曝气阶段d o 的浓度过于饱和，反硝化作用可 恢复部分碱度，因此忽略s o = ，s a l z 对反应的影响；s 0 2 和s a l k 半饱和系数k o = 和k a l x 的数值在a s m 2 中很小；因微生物浓度在1 个运行周期中变化不明显，假定其不 变，删除了相关的莫诺德公式；s b r 系统在沉淀期和排水期不发生任何生化反应； 每个反应速率表达式中的非线性双曲线系数作了线性简化，利用变量叩代替。 s l m 中仍保留了各主要组分的一级反应速率表达式。 刘芳，顾国维对r o m ，s l m ，s p m 模型都进行了验证【6 ”，验证结果显示这三 个模型都能较好的模拟活性污泥实践过程。 z h a o 等人提出了一个简化的a s m l 模型来描述在一个交互式活性污泥过 程中的n 的动态性能，该模型由一系列s m l 和s n o 的动力学方程式表示，s n e 和s n o 都是可测量的项。 j e p p s s o n 和o l s s o n 基于物理背景降低t a s m i 的复杂度【1 2 】。首先，溶解氧的 动态过程被简化，因为可以假定溶解氧由一种常规控制进行控制。第二，忽略快 速的动态性能。最后，在1 4 个状态中仅有5 个被保留：x c 0 1 ) s n n ，s n o ，x b h 和x b a 。 所得的模型作为一个分层控制结构和一个积分部分成为操作和控制的目标。在评 估降阶模型的可观性时，a y e s ae t a l 采用了j e p p s s o n 和o l s s o n 的简化模型【捌。 浙江大学硕士学位论文 在国内方面，王磊提出了t j m 机理模型f 5 0 1 t j m 机理模型是以i a w q 的 a s m 2 和a s m 3 为基础构造的针对城市污水厂的数学模型，以此模型为基础编制 的程序能够比较好的对实际污水厂的运行进行稳态模拟。考虑到各种不可避免的 误差，该程序的测试经过表明，其能够比较预测出实际污水厂的出水c o d 和 i n 的趋势，相对误差在4 0 以内。但是m r 和t p ( 总磷) 的相对误差较大。 刘芳等人提出了a s m c n 模型【6 2 】，模型以a s m l 为简化基础，只考虑了碳氧 化和硝化过程，不考虑反硝化过程；忽略了氨化反应，假设微生物的衰减可形成氨 氮；不考虑颗粒性有机氮的水解过程，同时取消颗粒性有机氮和溶解性有机氮两 种组分；采用一级反应方程表示水解过程；将代谢惰性颗粒有机物和进水中的惰 性颗粒有机物合并成为惰性颗粒有机物，以x ，表示。经过合理的简化后, a s m c n 模型只包含1 0 个组分和5 个反应过程，可以减小模型参数测定的工作量和模拟中 的计算量，从而提高了该模型在城市污水厂中的实用性。 ( 2 ) 对于活性污泥模型的非线性特性，很多学者也试图通过模型简化解决。 c h e r u g - 等x 0 u 用线性高斯微分等式描述了状态动力学，该微分等式由在期望 操作环境周围的三个线性化项得出。相似的，i l s e y s m e t s 等人引入了一个多模 型方法【2 1 来识别基于时变设备数据的全局有效模型，对a s m l 模型进行线性化【2 1 。 r o s a n a 和k t o m i t a 等用p c a ( 主成分分析) 的方法对a s m l 模型进行简化【捌， 从原本考虑的1 2 个耦合的初始物质变量中提取出3 个主成分，第一个辨识出的主 成分代表细菌衰减得到的微生物组织和惰性颗粒物质，第二个与基质和流率有 关，第三个解释的是关于p h 引起的变化。这三个主成分对系统的动态变化可以 给出较为全面的解释。 ( 3 ) 根据国际水质协会的介绍，a s m l 中的溶解性组分和颗粒性组分到达 稳定态所需的积分时间不同，颗粒性组分约为1 0 分钟级，而溶解性组分为1 分钟 级，气态组分溶解氧仅为1 秒级，a s m 2 模型中也有类似特点。这就展现了活性 污泥模型中组分变化的快慢不同，即模型的多时标特性。针对活性污泥过程的多 时标特性，一些学者也提出了简化的模型 i b a a c $ 提出了几个用于生物除氮、除磷系统控制的模型【7 1 】。每一循环有4 或 6 阶段，每一控制和模型步长是一阶段，每一阶段的时间刻度大概为数分钟。三 种基于模型的控制策略被测试，分别是：外部碳增益控制( e c a c ) ，溶解氧设 定值控制( d o s p c ) 和循环长度控制( c l c ) 。每个控制器有一个相对模型和一 浙江大学硕士学位论文 个预测模型，预测模型分别用于计算一个阶段中的反硝化率、硝化率和循环长度， 用最b - 乘法算出模型参数。 s t e f f c n s 等人提出了一种简化复杂生物污水处理系统的系统化的方法【9 】。他 们介绍了一种状态关联的特征值的技术，可以量化状态的速率，该信息随后被用 来通过奇异摄动分析来简化模型。k a b o u r i s 和g e o r g a k a k o s 证踞系统的多速率特 性的合并到积分和离散化方案，提高了计算效率，这是一个最优化控制和不确定 传播算法成功执行的先决条件。 k e s s m a n c t a l 分析了需氧生物讲解过程中的内源呼吸作用【1 0 1 。在一个内部阶 段没有外部基质被增加，则a s m i 模型简化为s s ，x s ，) 【b h 和x p 的物料平衡方程， 经由奇异摄动分析可将前面两个组分分为快的状态，后面两组分分为慢的状态。 再次的分离提高了计算机仿真效率。 由于a s m 数学模型的复杂性，将其完整的模型直接应用于污水厂的设计、 模拟、运行控制是不现实的，这就需要根据具体条件将其适当简化。但值得注意 的是，模型的简化虽然是必要的，但也是相当危险的。如果简化不当，将导致应 用的彻底失败。因此，在模型应用于某一特定污水厂之前，必须充分了解污水水 质特性、工艺的水力学特性以及生物反应过程和机理。在此基础上，分析各变量 和参数对系统模拟的敏感性，忽略不敏感因素，仅考虑对系统影响较大的因素， 从而达到简化的目的。模型简化的结果是矩阵中变量和生物反应过程及其相关参 数的减少，或是非线性模型的线性化。简化后的模型必须经过校正方可使用，而 校正过程的难点便集中于参数的调整。 1 5 活性污泥模型控制策略研究现状 污水处理是一个生物过程，具有机理复杂，高度线性化等特点，因此，为了 0 保证污水处理过程的良好运行和提高出水水质，控制策略的精心设计就显得尤为 重要。具体来说，在污水处理过程系统中应用过程控制主要存在以下难点： 1 ) 反应过程复杂。整个处理过程由多个操作单元组成，在统一单元内又发 生多个性质完全不同的反应，包括化学反应，物理反应和生物反应等； 2 ) 许多影响系统特性的参数难以控制。如瞬间流量，有机物输入变化，有 毒物质的输入和进行水温度等； 3 ) 系统高度动态化，并且很少在稳态情况下运行，缺乏一个有效和精确描 浙江大学硕士学位论文 述过程动态的数学模型； 4 ) 污水处理系统的目标是使出水水质达到国家排放标准的前提下尽量降低 成本和环境影响，而不像其他工业控制中给出一个精确的控制目标值； 5 ) 多数信息非量化。定量的指标如出水的气味和颜色、微生物质量等等对 于操作人员至关重要的信息不能在常规的控制技术中使用。 就控制量而言，污水处理的控制主要可以分为以下几种【5 7 1 ： 1 ) 进水流量控制。进水流量大小决定了有机污水在系统中的平均滞留时间 的长短，而有机污水同曝气池中微生物之间的新陈代谢话动，主要在水力滞留时 间内发生，即水力滞留时间很大程度上决定了曝气池中反应进行的程度，故进水 量的变化往往会使系统中所有的变量都受到影响；另外细菌对污水中底物的浓度 阶跃变化非常敏感因此，为了缓和曝气池中进水量的变化而使细菌有一个适应的 过程，需要采用一定的策略对进水流量进行控制 2 ) p h 值控制。曝气池中好氧菌的繁殖对p h 值大小有一定的要求，同时p h 值也会影响污水中氧化分解反应的速度。一般要求p h 值的范围保持在7 左右 3 ) 溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n ，d o ) 浓度控制曝气池中氧气不足和过量都会导致 污泥生存环境的恶化。当氧气不足时，一方面由于曝气池中丝状菌会大量繁殖， 最终产生污泥膨胀；另一方面由于其他细菌的生长速率降低而引起的出水水质下 降。而当氧气过量( 即过量曝气) 则会导致悬浮固体沉降性变差，同时使能耗过高。 d o 控制目的主要是通过对输入的空气量( 或氧气量) 的控制，使曝气池中的浓度保 持在一定的范围之内。 4 ) 二沉池中污泥高度控制。对二沉池中污泥高度控制的作用有两个，一是 通过污泥回流保持曝气池中生物固体浓度在一定范围内；二是防止其过高产生溢 出，使出水中的由s s 产生有机物含量增加，导致b o d ( c o d ) 浓度增加使水质下 降。 5 ) f mf f o o d m i c r o o r g a n i s m ) 控制。也有文献采用m l s s ( m i x e dl i q u i d s u s p e n d e ds o l i d ) 控制来代替。f n 订一般用进入曝气池内的b o d s 量和曝气池内 v s s ( v o l a t i l es u s p e n ds o l i d ) 来表示。当f m 比过低时，细菌的生产率将下降，泥龄 增加，系统易受到有机底物峰值输入的影响：反之，则会使大量沉降性不是很好 的活性污泥进入二沉池中，同时增加排放污泥量，使得污泥处理费用增加。当采 用b o d s 来表示时，f m 的设定范围一般在0 0 8 - 0 2 5 左右 浙江大学硕士学位论文 除了上述几种控制以外，也有学者提出了污泥泥龄控制、出水s s 浓度控制 等其他控制方法。 。 污水处理的控制策略，常用的有常规控制，最优控制，智能控制，自适应控 制，预测控制等。其中，模型预测算法( m p c ) 是2 0 世纪8 0 年代初开始发展起来 的类新型计算机控制算法，该算法直接产生于工业过程控制的实际应用，在很 多过程控制中取得了很好的效果。在现时的工业过程控制应用中，模型预测控制 对操作变量的未来行为有4 种控制方式：定值，区间，参考轨迹和漏斗。其中， 区问控制是比较重要和要求较多的一种。这是因为多数工艺上的操作变量并无苛 刻的设定值控制要求，其次，实现区间控制可以增加系统的自由度，优化操作变 量，提高控制的抗干扰能力和控制系统的鲁棒性。 1 6 污水处理过程的节能降耗研究 为适应不同污水处理的要求，在处理过程中，工程师们需要调整控制工况。 如何根据不同工况点进行控制调整，工况调整后系统反应灵敏度以及反馈变量如 何确定均属于控制策略研究范围。采用目前设计模型参数虽然有时在一定的范围 内可达到系统动态稳定，但无法达到整体最优化。例如：在出水水质各项指标均 达标的前提下，对系统剩余污泥量控制的最优化、对处理系统运行成本的最优化 等。污水处理的节能降耗就是要在保持出水水质符合标准的前提下使污水处理的 经济成本达到最优化。 b r d y s 提出了污水处理的分层结构来构造一个控制系纠2 6 ，2 7 捌。控制目标视保 证设备的生物反应持续性，实现对出水水质参数的合法限制，使得排出污泥负荷 的总务然最小，而且节约污水处理系统的能耗。 j e p p s s o n 在进行b e n c h m a r k 项目 3 2 , 3 3 , 3 4 中，提出了泵和电机的能量损 耗公式。在污水处理的成本核算中，约( 4 0 6 0 1 电能消耗在泵和风机上，故泵 和风机的损耗大致可以代表污水处理的总能耗。 1 7 本文研究内容和章节安排 本文主要研究内容如下： 第一章是绪论，主要介绍我国污水处理的现状，活性污泥法模型的研究现状 和活性污泥法应用与工业控制的现状； 第二章描述了本文研究的污水处理的a s m 2 模型，并以一个典型的污水处 1 1 浙江大学硕士学位论文 理工艺a 2 o 工艺处理过程作为背景， 起a 2 ，o 过程的整个系统的数学模型； 将a s m 2 模型应用到a 2 ，o 过程中，建立 _ + 第三章研究了针对a s m 2 模型的模型简化方法，首先应用时标分解算法对 第二章得到的系统的数学模型进行简化，降低原模型的复杂度，减小原模型的计 算量；再用聚类及p l s 算法对得到模型进行简化，最后得到简化的多线性模型； 第四章研究了针对a s m 2 模型的预测控制算法。将上一章得到的多线性模 型作为预测模型，编制广义预测控制程序，对出水水质进行控制； 第五章根据b e n c h m a r k 项目提出的经济性能计算公式得出污水处理过程中 电耗的经济成本的计算公式，并设计出融入了经济性能指标的预测控制器。用此 控制器对污水处理过程进行控制，并与未考虑经济性能的预测控制器的控制结果 进行了比较。 浙江大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章a s m 2 模型和a 2 o 工艺描述 污水的活性污泥法生物处理，由于具有处理效果好、运行成本低等特点而成 为现今控制环境污染的主要方法。到目前为止，大部分的集中式城市污水厂都采 用活性污泥法处理工艺。 近十多年来，活性污泥法有了很大的发展，不仅包含了去除有机碳的过程， 还包含去除营养物质氮和磷的动态行为。由于污水组分和活性污泥法过程的复杂 性，通过数学模型的研究有助于描述和理解活性污泥系统的反应过程，不仅对设 计提供理论上的指导，而且有助于模拟活性污泥系统的动态变化及其出水水质的 影响，还可以指导实际的生产运行；将模型和控制理论及方法结合起来，就可以 按处理水质的要求，达到优化运行的目的。因此，数学模型是一个具有理论意义 和实用价值的重要工具。 a s m l 模型使用时间较长，但是其主要缺点是没有包含活性污泥的除磷过 程。a s m 2 模型全面描述了活性污泥系统的碳氧化、硝化、反硝化、生物除磷和 化学除磷等生化过程，解释了众多组分之间的大量反应。同时a s m 2 在污水处 理厂中的使用较为广泛，也得到了众多实践者的认可。故本文选择a s m 2 模型 作为研究对象，建立基于a s m 2 模型的a 2 ，o 工艺过程的系统模型。 h e n z e m e ta l1 9 9 9 年 6 指出由于至今对生物除磷的机理还未完全了解， a s m 2 的应用还存在一些限制： 1 ) 温度应控制在1 0 2 5 摄氏度之间； 2 ) p h 值应在6 3 7 8 范围内； 3 ) 污水中必须又足够的m 9 2 + 和k + 以保证生物除磷的正常进行； 4 ) 未考虑亚硝酸盐和一氧化氮对生物除磷过程有抑止作用。 活性污泥法最基本的活性污泥二级处理工艺的流程图如下： 浙江大学硕士学位论文 i圈 图2 1 活性污泥基本二级处理工艺 活性污泥法处理过程的主要设施是曝气池和二沉池。在曝气池中，有机物与 活性污泥形成“混合液”，并进行人工曝气。曝气过程中池中的微生物( 主要是细 菌) 利用胞中酶或胞外酶是废水中的有机物被水中溶解氧氧化成较小分子，获得 能量，并进行细胞合成。 2 2a s m 2 模型描述 a s m 2 不仅包含污水中含碳有机物和氮的去除过程。还引入聚磷微生物 x p a o ，包含了生物除磷过程 1 4 1 。a s m 2 沿用了a s m l 的基本思想，以物料平衡 为计算基础，用矩阵来描述各有关物质浓度、反应速率、反应动力学参数及化学 计量系数之间的关系，这样，使用者能同时看出各种反应对各种物质浓度变化的影 响。 2 2 1a s m 2 的组分 a s m 2 中共有1 9 个组分，1 9 个生化反应过程、2 2 个化学计量系数和4 2 个 动力学参数。模型将系统中的组分分为两大类：溶解性的“s ， 和颗粒性的x ，。 在污水处理系统中，假定颗粒性组分x ，和活性污泥有关，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s ? 只在水中进行迁移。 溶解性组分有9 个，列举如下： 蜀发酵产物，假设为醋酸盐 m ( c o d ) l 4 】； 污水的h c o - 3i j j u 变 m o l ( h c 0 4 ) l 。】； 品可发酵的易生物降解有机物，是异养菌的直接食料 m ( c o d ) l 4 】； 蜀隋性可溶有机物，由进水带入系统及水解产