（环境工程专业论文）传统活性污泥过程及其生物脱氮除磷改造的动力学模拟研究.pdf

摘要 摘要 国际水协开发的活性污泥模型( a c t i v a t e ds l u d g em o d e l ，a s m ) 作为污水处 理工艺设计、污水处理厂运行管理和污水处理新技术、新工艺的研究开发等的新 工具，自2 0 世纪8 0 年代中后期以来已在国外得到大量运用，但国内尚未见相关 报道，还十分缺乏。本文基于m a t l a b 平台和活性污泥2 号模型开发了活性污泥过 程模拟与仿真程序( m o d e l i n ga n ds i m u l a t i n gp r o g r a mf o ra c t i v a t e ds l u d g em o d e l n o 2 ，m s p a s m 2 ) 并对重庆市唐家桥污水处理厂( w w t p ) 的运行和脱氮除磷改 造进行了动态模拟研究，以期为该厂的运行管理和改造提供参考资料。 为解决活性污泥模型中微分方程求解问题，开发了基于m a t l a b 平台的活性污 泥2 号模型模拟程序( m s p a s m 2 ) ，还开发了灵敏度分析程序，分析了主要出水 指标( c o d 、t n 、t p 、n h 4 - n 和n 0 3 - n ) 对所有化学计量学系数、动力学参数 和进水c o d 中快速降解基质和慢速降解基质之比值( ( s a + s f ) x s ) 的灵敏度。 灵敏度分析结果表明，有3 个参数灵敏度的绝对值大于1 0 ，占7 5 ；有1 1 个参 数灵敏度的绝对值大于0 5 ，占2 7 ，5 ；剩下7 2 5 的参数灵敏度的绝对值小于o 5 。 采用国际水协推荐的参数典型值作为初始值运行模拟程序，t n 和t p 的模拟 值与实测值基本一致，而对于c o d ，两者之间存在较大的差距。根据灵敏度分析 结果，在调整了3 个参数的典型值以后，即水解速度常数k 的值由3 o o d - 1 调整为 2 8 5 d 1 ，x s 的饱和系数k 的值由0 1 0 9 c o d g 。c o d 调整为o 1 3 9 c o d g - 1 c o d ，异 养菌衰减速度常数b 。的值由o 4 0d 1 调整为o 4 8d - 1 ，使模拟值和实测值取得了较 好的吻合。校核后模型的连续多日运行状况的动态模拟结果表明，a s mn o 2 能 够很好的模拟唐家桥w w t p 的运行状态。利用经校核和验证的模型，预测了唐 家桥w w t p 运行条件( 流量q 、进水c o d 浓度、曝气池溶解氧浓度d o 和温度) 变化时出水水质情况，为污水厂的日常管理提供了参考。模拟结果同时表明该厂 尚有一定的污水处理潜力未能得到利用。 针对唐家桥w w t p 现有单一好氧工艺脱氮除磷效率低的实际情况，希望在 不增加大的基建投资的前提下，研究了通过运行方式的改变( a o ( a n o x i c o x i c ， 缺氧好氧) 生物脱氮工艺和a 2 0 ( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ，厌氧一缺氧一好氧) 同时 脱氮除磷工艺) 来提高其脱氮除磷效果。运用所开发的程序模拟预测各种方案的 处理效果，寻求最佳运行控制参数，包括混合液内回流比r 、缺氧区溶解氧浓度 d 0 1 和各区体积比。结果表明：( 1 ) 将现有曝气池前端1 4 控制为缺氧而形成a o 工艺，缺氧区溶解氧浓度为0 1 0 m g l ，混合液内回流比为1 0 0 ，可以使t n 去 除率由原来的3 4 2 上升到5 8 6 ，提高2 4 个百分点，c o d 仍能达标，t p 基本 不受影响；( 2 ) 将现商曝气池前端1 2 控制为厌氧区，2 4 控制为缺氧区，缺氧 u i 重庆大学硕士学位论文 区溶解氧浓度为o 1 0 m g l ，混合液内回流比为1 0 0 ，可以使t n 去除率由原来 的3 4 2 上升到6 2 1 ，提高约2 8 个百分点，t p 去除率由原来的4 1 7 上升到 7 8 3 ，提高3 7 个百分点。( 3 ) 倒置a - i - 艺与常规a 2 o 工艺的出水水质基本 相当，但倒置a 2 0 工艺在工程实践中更易于实现。 研究结果表明，基于m a t l a b 平台开发的活性污泥2 号模型模拟与仿真程序 ( m s p a s m 2 ) 能够很好地模拟城市污水处理厂传统活性污泥过程的运行，能够 为传统活性污泥过程的生物脱氮除磷改造提供具有重要价值的参考资料，值得在 我国进行进一步的深入研究和推广应用。 关键词：活性污泥2 号模型，程序开发，传统活性污泥过程改造，生物脱氮除磷 模拟与仿真 a b s t r a c t a b s t r a c t a san e wt o o l ，t h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 2 ( a s mn o 2 ) d e v e l o p e db y t 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 ( i w a ) h a sb e e na v a i l a b l ei nt h ed e s i g n ， p e r f o r m a n c ea d m i n i s t r a t i o n ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lu p g r a d i n ga n d t h ed e v e l o p m e n to fn e ww a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g ya n dp r o c e s s ，w h i c h h a sb e e nw i d e l yu s e di nm a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e s h o w e v e r ，t h i sh a dn o t b e e nr e p o r t e di no u rc o u n t r y t h i sp a p e rd e v e l o p e dm o d e l i n ga n ds i m u l a t i n g p r o g r a m sf o ra c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 2 ( m s p a s m 2 ) ，w h i c hw a su s e dt o d y n a m i c a l l ym o d e la n ds i m u l a t et h eo p e r a t i o ns t a t eo fw w t pt a n g ji a q i a oi n c h o n g q i n g ，a n dt os t u d y i t s u p g r a d i n gm e t h o d sf o rb i o l o g i c a ln u t r i t i o n r e m o v a l i no r d e rt os o l v et h ed i f f e r e n t i a le q u a t i o n si nt h em o d e l ，ac o m p u t e rp r o g r a m w a sd e v e l o p e db yt h ea u t h o rh i m s e l fo nt h eb a s i so fm a t l a b5 3 ，ak i n do f c o m p u t e rl a n g u a g em a i n l yu s e d i n e n g i n e e r i n g c a l c u l a t i o n a l s oe n o t h e r c o m p u t e rp r o g r a mw a sd e v e l o p e df o ra 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 l e f f l u e n t t a r g e t s ，i n c l u d i n gc o d ，t n ，t p , n h 4 一n a n d n 0 3 - n ，t o a l l s t o i c h i o m e t r i ca n dk i n e t i cp a r a m e t e r sa n dt h er a t i oo fr e a d i l yb i o d e g r a d a b l e s u b s t r a t et os l o w l yb i o d e g r a d a b l es u b s t r a t e t h er e s u l ts h o w e dt h a to n l ya l i m i t e dn u m b e ro fm 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 r u n n i n gt h em o d e l i n gp r o g r a mw i t ht 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 y i w a ，t h em o d e l i n ga n ds 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 ew a sag o o d a g r e e m e n tb e t w e e nt h em o d e l i n gv 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 r t na n dt p , b u ti tw a sn o tac a s ef o rc o d a s mn o 2p r o v e dw e l lc a p a b l eo f d 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 ew w t pt a n g ji a q i a ow i t ha d ju s t m e n to f o n l y t h r e ed e f a u l t p a r a m e t e r s ，n a m e l y ，h y d r o l y s i s r a t ec o n s t a n tk hf r o m 3 0 0 d 1t o2 8 5d s a t u r a t i o nc o e f f i c i e n tf o rx sf r o m0 1 0g c o d g 。1 c o dt o 0 13 9 c o d g c o d ，r a t ec o n s t a n tf o rl y s i so fh e t e r o t r o p h i co r g a n i s m sb hf r o m o 4 0d 一1t oo 4 8 d 。t h ec h o i c eo fp a r a m e t e r st oc a l i b r a t ew a sd o n eo nt h eb a s i s o fs e n s i t i v i t ya n a l y s i s ac o n t i n u o u sd y n a m i cs i m u l a t i o nf o rt h eo p e r a t i o n s t a t ei ns e v e r a ld a y sw a sd o n ei no r d e rt ov a l i d a t et h em o d e l su n i v e r s a l i t y a v e r y s a t is f i e d a g r e e m e n t b e t w e e nt h e m o d e l i n g v a l u e sa n d p r a c t i c a l m e a s u r e m e n tv a l u e sw a so b t a i n e d t h ee f f l u e n tq u a l i t yw a sp r e d i c t e db yt h e c a l i b r a t e da n dv a l i d a t e dm o d e lw h e nt h ec o n d i t i o n sa r ec h a n g e d 。s u c ha s v 重庆大学硕士学位论文 i n f l u e n tv o l u m e ，i n f l u e n tc o dc o n c e n t r a t i o n ，t h ed 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 na n dw a s t e w a t e rt e m p e r a t u r ei nt h ea e r a t i o np o n d t h er e s u l t s c o u l dp r o v i d eav a l u a b l er e f e r e n c ed a t af o rt h ea d m i n i s t r a t i o no fw w t p t a n g j i a q i a o a i m i n ga tt oi n c r e a s et h ee f f i c i e n c yo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a li n w w t pt a n 自i a q i a o s o m eu p g r a d i n gs c h e m e sw e r es t u d i e db yo n l yc h a n g i n g t h ep a t t e r no fp e r f o r m a n c ew i t h o u th i g hc o n s t r u c t i o nc o s t s s ot w op r o c e s s e s w e r ec o n s i d e r e d ：a o ( a n o x i e o x i c ) ，ab i o l o g i c a ln i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s ， a 2 o ( a n a e r o b i c a n o x i c o x i c ) ，as i m u l t a n e o u sb i o l o g i c a ln i t r o g e n a n d p h o s p h o r u sr e m o v a lp r o c e s s t h ee f f i c i e n c yo fe a c hs c h e m ew a se v a l u a t e d t h r o u g hs i m u l a t i n g w i t hm s p a s m 2 t h eo p t i m u mc o n t r o lp a r a m e t e r s ， i n c l u d i n g t h ei n n e r c y c l e r a t i oo fm i x e d l i q u i d ，t h e d i s s o l v e d o x y g e n c o n c e n t r a t i o ni na n o x i cz o n ea n dt h ev o l u m er a t i oo fe a c hz o n e ，w e r e o p t i m i z e dt h r o u g ht h em o d e l i n ga n ds i m u l a t i n go ft h es c h e m e s t h er e s u l t s s h o w e dt h a t ：( 1 ) t h ee f f i c i e n c yo ft nr e m o v a lc o u l db ei n c r e a s e df r o m3 4 2 t o5 8 6 b ya op r o c e s s ，i f1 4o ft h ee x i s t i n ga e r a t i o np o n dw a sc h a n g e da s a l la n o x i cz o n e ，t h ed i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o nw a s0 t0m g li n 。t h e a n o x i cz o n e , a n dt h ei n n e rc y c l er a t i oo fm i x e dl i q u i dw a s10 0 m e a n w h i l e ， t h ee f n u e n tc o ) c o n c e n t r a t i o nc o u l da l s om e e tt h es t a n d a r da n dt h et pw a s h a r d l yi n f l u e n c e d ( 2 ) t h ee f f i c i e n c yo ft h et nr e m o v a lc o u l db ei n c r e a s e d f r o m3 4 2 t o6 2 3 a n dt h et pf r o m4 1 7 t o7 8 3 i na 2 op r o c e s s ，i f 12 o ft h ee x i s t i n ga e r a t i o np o n dw a sc h a n g e da sa na n a e r o b i cz o n ea n d2 4 a sa na n o x i cz o n e ，t h ed i s s o l v e do x y g e nc o n c e n t r a t i o nw a s0 10m g li nt h e a n o x i cz o n e ，t h ei n n e rc y c l er a t i oo fm i x e dl i q u i dw a s1 0 0 ( 3 ) t h ee f f e c to f t h er e v e r s ea 2 op r o c e s sw a sa l m o s ts a m et ot h ea 2 op r o c e s s ，b u tt h ef o r m e r w a sm o r ee a s i l yr e a l i z e di np r a c t i c e i tw a ss u g g e s t e dt h a tt h em s p a s m 2c o u l dm o d e lt h ep e r f o r m a n c ea n db eu s e d i nd i r e c t i n gt h eb i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lu p g r a d i n go f e x i s t i n gw w t p s ，a n di ti sw o r t h yo fc a r r y i n go u taf u r t h e rr e s e a r c h 。 k e y w o r d s ：a s m n o 2 ，p r o g r a md e v e l o p m e n t ，u p g r a d i n go fa c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s ，b i o l o g i c a ln i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l ，m o d e l i n g a n ds i m u l a t i n g 1 总论 1 总论 活性污泥法废水生物处理技术自t 9 1 3 年在英国试验成功以来，历时百年而方 兴未艾。它有较好的处理效果而且管理方便，因而在城市污水处理中得到广泛应用。 据1 9 9 8 年不完全统计，我国已建及在建的二级污水处理厂共有1 8 7 座，其中8 0 以上采用活性污泥法。随着活性污泥法处理工艺的推广，人们对它的认识也不断深 入，其设计及运行管理从简单采用经验数据发展到使用数学模型，并与计算机技术 相结合，给该领域带来了跨时代的变革。 数学模型对污水生物处理系统的设计和运行管理及科学研究均有着重要意义。 在污水处理厂的设计和运行管理中，利用数学模型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上百次的模拟试验，以极小的代价和最低的 风险系数，获得晟可行的设计方案，从而达到提高设计水平和工作效率的目的。对 于现有污水处理厂，可用模型来预测进永水质和水量变化对处理效果的影响，以及 寻求为适应这些变化所需采取的运行措施：对于运行不够理想f i 勺污水处理厂，可通 过模型模拟来发现存在的问题，从而提出解决问题的办法；另外，还可用模型来指 导普通污水处理厂的改造：例如，对于一个以去除有机物为主的普通活性污泥法污 水处理厂，要改造为具有脱氮或同时脱氮除磷功能的污水处理厂，可以用模型来预 测拟采取的各种改造方案的可行性及各方案的优劣比较：模型用于优化污水处理厂 的运行管理，确定最佳运行参数等；上述这些工作，自2 0 世纪8 0 年代中后期以来 已在一些发达国家中得到了应用。然而，相关报道在我国还十分缺乏。最后，将模 型用于废水处理新技术的研究与新工艺的开发，可以提高科研水平和效率。 1 。1 活性污泥法数学模型的发展 1 1 1 静态模型 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，在以米一门公式为基础的m o n o d 方程的基础上，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，其中最有代表性的是e c k e n f e l d e r 、 m c k i n n e y 和l a w r e n c e - - - 4 1 c c a r t y 活性污泥法模型。m c k i n n e y 模型与e c k e n f e l d e r 模型公式相比，仅缺少了微生物浓度( x ) 项。m c k i n n e y 认为在一般城市污水处理 厂中微生物浓度已足够大，超过去除基质所需要的量，不再是影响基质去除速度的 因素。1 9 7 0 年，l a w r e n c e - - m c c a r t y 模型被推出。与以往模型不同的是，它突出了 泥龄这一参数，认为系统出水水质仅与泥龄有关，而泥龄可以通过污泥的摊放柬控 重庆大学硕士学位论文 制，使该模型更具实践意义。尽管这些模型对实际系统和过程机理作了很大简化， 但所导出的稳态结果基本满足工艺设计的要求，具有模型变量可直接测定、动力学 参数测定及方程求解比较方便等特点，所以得以在环境工程领域内长期广泛的使 用。 1 1 2 i w a 的活性污泥法动力学模型 虽然传统静态模型能满足工艺设计要求并得到了应用，但大量的试验和运行数 据证实，这类过于简单的模型不能很好的体现活性污泥法的许多典型工艺特点，无 法描述系统的瞬变响应过程，而且它们只考虑了污水中含碳有机物的去除，使其适 用范围受到限制，尤其是不能有效地用于系统的动态模拟和运行控制研究。另外， 为了满足日益严格的出水氮磷标准的要求，新建污水处理厂要考虑脱氮除磷，已建 污水处理厂也要进行改造，对用于污水厂设计和运行指导的活性污泥法数学模型提 出了新的要求。为适应这种需要，原国际水污染研究与控制协会i a w p r c ( 曾改名为 国际水质协会，i a w q ；现改名戈国际水协，i w a ) 从1 9 8 3 年起组织了丹麦、瑞士、 荷兰、南j i 和日本等多个国家的专家成立了废水生物处理厂设计运行数学模拟国际 工作组，对活性污泥模型进行开发研究，分别于1 9 8 6 、1 9 9 5 和1 9 9 9 年陆续推出了 3 套模型。i w a 活性污泥模型最显著的特点是用矩阵的形式来描述污水中各组分的 变化与各生物学过程之间的化学计量学与动力学关系，使活性污泥系统中复杂的生 物化学反应过程更加直观；对于每一个过程都应用了物质平衡原理建立了碳、氮、 磷、t s s 和碱度的平衡，大大减少了建模所需的参数。这两大特点也为计算机技术 的引入和相关软件的开发奠定了坚实的基础，并因此拓展了模型的适用空间，提高 了模型的实际应用价值。 ( 1 ) i w a 活性污泥法1 号模型o 3 经过历时四年的研究，i w a 于1 9 8 6 年在已有各种污水生物处理数学模型的基 础上提出了活性污泥法l _ 号数学模型a s mn o i ( a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 1j 。 a s mn o i 主要适用予污水生物处理的设计和运行模拟，着重于生物处理的基本过 程、原理及其动态模拟，包括了碳氧化、硝化和反硝化作用等8 种反应过程，包含 了异养型和自养型微生物、硝态氮和氨氮等1 2 种物质及5 个化学计量系数和1 4 个 动力学参数。a s mn o 1 的特点和内容体现在模型的表述方式、污水水质特性参数 划分、有机生物固体的组成、化学计量学和动力学参数等四个方面，见表1 i 。 ( 2 ) i w a 活性污泥法2 号模型。“” 自a s mn o 1 推出之开起1 0 多年的实际应用表明，它是一种很有用的工具，在 欧美得到了广泛的使用，但它的主要缺陷是未包含除磷过程。为防止水体富营养化， 各国对磷制定了越来越严格的排放标准，因而，a s mn o 1 的功能缺陷与实际应用需 1 总论 求之问的矛盾日益突出。为实现对除磷过程的动态模拟i w a 的专家们把目光投向了 a s mn o 1 的升级改造，并在a s mn o 1 推出9 年之后，于1 9 9 5 年正式推出了活性 污泥法2 号模型( a s mn o 2 ) 。a s mn o 2 沿袭了a s mn o 1 的矩阵形式和物质平衡 两大特点，引入积磷微生物( p h o s p h o r u sa c c u m u l a t i n go r g a n i s m s ，p a o s ) ，将生 物除磷过程包括在模型中，使其成为一个能够同时模拟c o d 、n 和p 去除过程豹动 力学模型。众所周知，磷的去除需要厌氧环境的存在，由此使a s mn o 2 增加了厌 氧水解、酵解及与p a o s 有关的4 个反应过程。鉴于生物除磷机理的复杂性，a s mn o 2 比a s mn o 1 更加庞大，共含有1 9 种组分、1 9 个生物化学反应过程、2 2 个化学计 量系数及4 2 个动力学参数。1 9 9 9 年推出的a s mn o 2 d 是对a s mn o 2 的完善”1 ，增 加了反硝化除磷过程。 ( 3 ) i w a 活性污泥法3 号模型 i w a 于1 9 9 9 年推出活性污泥法3 号模型( a s 6 f 【n o 3 ) 。a s mn o 3 是在a s mn o 1 的基础上发展而来的，仍然不包括生物除磷过程，共含有i 3 种组分、1 2 个过程。 a s mn o 3 不以水解作用为重点，减弱了水解对耗氧速率( 0 u r ) 和反硝化速率的控 制作用；以内源呼吸理论为基础，强调了转换系数和细胞内贮存物质的重要性，对 细胞内过程进行了更为详尽的描述，允许衰减过程更适应环境条件，将溶解性和固 形物有机氮的降解合并到水解、生长和衰减过程中。但a s mn o 3 的正确性和适用 价值还有待通过大量实验进一步验证。 重庆大学硕士学位论文 i k 王 i o 音隧 d +专 i k ，_ - 、 ) v k ，= 0 - - ( 4 2 ) 其中： v 一物质i 在第j 反应过程中的化学计量系数； k ，一物质i 对指标c ( c o d 、n 、p 、电荷、总固体) 的转换系数( 表4 1 ) 重庆大学硕士学位论文 得到的化学计量系数矩阵见表4 2 。由表4 2 可以看出，化学计量系数是转换 系数k 一和化学计量常数( y 。、y 。、y 。、厶。等) 的函数，将这些参数值代入表 达式就可得到化学计量系数的具体值。 表4 1 守恒方程的典型转换系数 t a b l e4 t t y p i c a lc o n v e r s i o nf a c t o r sf o rc o n s e r v a t i o ne q u a t i o n c 指标c o dnp 电荷质量 i 物质 k c i l d ，1 ( g c o d ) k n ， ( g n ) k p ( g p ) k 自* ， ( m o l + ) k t 舔 ( g t s s ) s m ( g o ：) s r ( g c o d ) s 一( g c o d ) s w ( g n ) s 一( g s ) s p 0 ( p ) s l ( g c o d ) s w ( m o t c 0 3 ) s ( g n ) x t ( g c o d ) x s ( g c o d ) x h ( g c o d ) x p a o ( g c o d ) x n ( g p ) x ( g c o d ) x 啊( g o o d ) x b ( g t s s ) 一1 1 1 6 4 1 4 l l 断 1 1 1 n s i 1 p s f 1 1 p s l 1 “【 l 鲰s 1 删 1 哪 ! 1 日 一1 6 4 1 1 4 1 1 4 1 5 3 l 一1 1 t 僦i 1 t 黜： 1t h 1 1 s s 8 v 3 2 3 0 6 0 l t 一1 丰注：c o d 甲衡用于计算s s s s 。和k 的化学计量系数：n 平衡用于计算s 洲的化学计量系 数：p 平衡用于计算s 聃的化学计量系数；电荷平衡用于计算s 眦的化学计量系数；x 憎的平 衡系数根据c o d 和p 对t s s 的转换因数来计算。 2 4 船雕_ 啊 d - 吖， ， 2 一 2 3 4 5 6 7 8 9n地嵋h垢坞 4 模拟程序开发 妄 垂 i 州 t 壬 一 星 爿i瘴 墓 h 一 垫象 、一 一一 荟 罄 望 广1 正 一 h l 女 l hj 基 一 基 u 至 一 i 瘴瘴 ，、 墨 要h 一 一 一 撬 2 v d一 ! 女 l hhh l 扣 l 营 女 d hr 叫 女 塞 o_ 一 一 k、一 差 一 、 剥j 丫 f 羡慕善襄溢 谨 !杆 楚 琏 齄 亟 堪 虫型 群 乓* 士h懈 生 s 襞盛琏 ? 掣 x薹蠢运蠡运 剿 主 性 邕 薹蚓 ix矗 妥妥* 瓣癣蓐；f 连望 蝥 虫：苍毯 no卜j一口。墓锄蜘3_【可p州pu上p qo寸廿p_【，ur幛qpcm叫u叫ou口叫hpeoh上u叫ou耻lll n，寸【d时、l 巅帐删#扑晕g哥辎咿嚼蛉掣蜒g习袜基nq擗 重庆大学硕士学位论文 溶解性 1 一：sz 中磷含量( g p g c o d ) lp s f ：s f 中磷含量( g p g c o d ) o o o 0 0 1 磷 l ：x l 中磷含量( g p g c o d ) 0 ，0 1 颗粒性l m ：x s 中磷含量( g p g c o d ) 0 0 1 l 一：x “、x u t 、x 一中磷含量( g p g c o d ) 0 0 2 1 , s s x ；t s s 与x i 的比值( g t s s g c o d ) 0 7 5 总悬浮固体 1t 一，：t s s 与x s 的比值( g t s s g c o d ) 0 7 5 1 t 5 s t s s 与x h 、x u t 、x 的比值( g t s s g c o d ) 0 9 0 异养菌 y h ：异养菌产率系数( g c o d g c o d ) o 6 3 f n ：生物质自溶产生的惰性c o d 比例( g c o d g c o d ) 0 1 0 4 2 程序设计 4 2 1 程序预期功能 根据研究需要，初步开发的模拟程序应具有以下几个主要功能： 1 )计算：包括较大型的矩阵运算和微分方程组的数值求解： 2 )模拟和预测：对废水处理的微生物过程进行动态模拟，预测不同条 件下的出水水质； 3 )结果可视：能够以柱壮图、折线图等形式反映结果； 4 模拟程序开发 4 )参数可调：可根据实际情况对模型内部参数进行调整。 4 2 2 程序设计语言n 9 3 们 本文开发的程序主要用于科学计算( 主要是矩阵) ，要求结果可视，能 够进行动态模拟。因此，选择以矩阵为数据单位、主要用于工程和科学计 算、同时具有模拟、仿真等功能的m a t l a b 作为程序开发语言。 本文采用的是m a t l a b5 3 版本，该版本采用了全新数据类型和面向 对象编程技术，采用了新控制流和函数结构，推出了全新的符号计算工具 包，增添了世界顶级的微分方程数值解软件组：为方便编程、调试、程序 优化、图形对象最佳可视、“用户应用界面”制作等提供了各种友善的交 互式操作工具，还为加快程序运行和产生独立应用程序提供了编译器。 4 2 3 程序设计方法 采用模块化的程序设计方法，即把程序划分为若干个模块，每个模块 完成一个子功能，把这些模块集总起来组成一个整体，可以完成指定的功 能。采用模块化原理可以使程序结构清晰，易于设计和理解。因为程序错 误通常局限在有关模块及其接口中，所以模块化使程序容易测试和调试。 因为变动往往只涉及少数几个模块，所以可以提高程序的可修改性。同时 还注意加强模块的独立性和相互关系的简单性。主要功能模块及调用关系 见图4 1 ，详细程序见附录a 。 重庆大学硕士学位论文 图4 1 模拟程序的主要功能模块及其相互关系 f i g 41 t h em a i nf u n c t i o nm o d u l e sa n dr e l a t i o na m o n gt h e m 5 典型活性污泥过程的模拟和预测 5 典型活性污泥过程的模拟和预测 5 1 重庆市唐家桥污水处理厂简介 重庆市唐家桥污水处理厂坐落于重庆市江北区华新村，嘉陵江畔，是重庆市 城市规划中的第一座现代化污水处理厂( 图5 1 ) 。总投资1 2 亿元人民币，设计 规模为6 万吨天。占地面积9 7 亩( 其中一期建设占地5 5 亩) ，服务面积8 2 7 公 顷，服务区域为江北区观音桥和周围地区，服务人口2 0 多万人。处理后的生活污 水水质达到国家一级排放标准。 唐家桥污水处理厂的二级污水处理技术采用传统的活性污泥法，污泥处理采用 厌氧二级消化法，每天外运泥饼达1 0 吨，工艺流程见图5 2 。全部设备控制采用 自动化程度较高的集中和分散控制方式，操作方便，控制灵活，便于发现故障和 及时维修。污水在处理环节中重力自流，既节约能源，减少设备，又降低了生产 成本。 图5 1 重庆市唐家桥污水处理厂鸟瞰图 f i g5 il a y o u to f t h ew w t pt a n g j i a q i a o 重庆大学硕士字位论又 城市生活污水 泥饼达标外运 图5 2 唐家挢污水处理厂工艺流程图 f i g 5 2 t h ep r o c e s ss c h e m eo f r t pt a n g j i a q i a o ( i ) 污水进厂 市政下水道管网中的城市生活污水自流入厂，入口处为溢流槽。当进水流量超 过9 0 0 0 0 吨日时，污水溢流入排洪沟。污水经溢流槽后，通过两台粗格栅机和两 台圆弧形机械细格栅机，用于捞去污水中较大的污渣。 ( 2 ) 曝气沉砂除油池 该池为三组钢筋混凝土锥底矩形池，长2 7 m ，宽6 5 m ，高4 6 m ，每组容积3 7 0 m 3 ， 每纽池中有2 7 个扩散器用于鼓风曝气。平均流速对，污水在曝气沉砂除油池里停 留3 3 1 分钟，曝气后，浮油被移动桥上的刮油机刮至池端除去，沉砂被移动桥上 的真空泵吸入砂石分离器，送到污渣斗内外运。吸出泥砂和刮去浮油在移动桥移 动时同步进行。 ( 3 ) 计量分配堰 又称巴歇尔槽，用于测量水流量，宽1 2 2 m ，所测流量包括从内部泵回的污水 量。槽内采用超声波流量计进行计量，数据传送到主控室，由计算机进行累计和 监控。经计量的污水均匀分配到两个初次沉淀池。 ( 4 ) 初次沉淀池 5 典型活性污泥过程的模拟和预测 每池为直径4 2 m ，深2 6 m 的钢筋混凝土圆形水池，有效容积为3 6 0 0 m 3 ，池底 呈漏斗形。当污水平均流速为0 7 m h 时，在初沉池中停留约3 6 h 。辐流式进水， 池边v 形堰均匀出水，水中的污泥靠重力自然分离沉淀。污水在初次沉淀池中生 化需氧量8 0 d ；去除率达2 5 3 0 ，固体悬浮物s s 去除率6 0 。每个初沉池上装有一 台半桥式周边驱动刮泥机，斜板式刮板将分离沉淀的污泥刮至污泥斗外运。 ( 5 ) 曝气池 初沉池出水在混合池里与回流污泥混合后进入曝气池。曝气池为两组矩形池， 每组长5 3 m ，宽1 6 m ，水深6 5 m ，每个容积为5 5 0 0 m 3 ，最大流量时污水滞留5 5 h 。 每组靠三台( 两用备) 鼓风机经微孔曝气头向曝气池连续供给充足的空气，使 污水含氧量保持在2 m g l ，创造微生物生长繁殖的有利环境。 ( 6 ) 二次沉淀池 每池直径4 2 m ，周边水深3 5 m 的钢筋混凝土圆形水池。污水由二沉池中心均 匀进水，周边v 形堰均匀出水，水中污泥靠重力自然分离沉淀。沉淀下来的污泥 由移动桥上的真空泵提升，可手动调节吸筒高度控制污泥提升浓度。污泥提升后 经回流泵送回混合曝气池继续参与污水曝气处理，剩余污泥则由泵送至计量分配 堰与进水污水重新进行分配进入初沉池。 ( 7 ) 出水排放 经二沉池沉淀处理后的污水已达到或优于国家一级污水处理排放标准： b o d s 2 0 m g 1 ，s s 2 0 m g l ，c o d 6 0 m g 1 。小部分处理后的污水回流用作脱水机房的 清洗，大部分排放到嘉陵江。 本文所要模拟的是由该厂的曝气池和二次沉淀池所组成的二级污水处理系统。 其流程如图5 3 。 初沉出水 = 沉池 蚓5 3 本研究所模拟的工艺流程 f i g5 3 t h ep r o c e s ss c h e m em o d e l e di nt h i sp a p e r 出水 5 2 化学计量学和动力学参数的确定 完整的a s mn o 2 有6 0 多个化学计量学和动力学参数，模型应用研究一个重 要的前期工作是确定这些参数值。要对每一个参数都进行实验测定，不仅费时费 重庆大学硕士学位论文 力，还会受到实验条件的限制。i w a 给出了这些参数在2 0 和1 0 ( 2 的典型值( 见 表3 3 ) 。典型值是大量实验研究数据的统计平均结果，具有很好的代表性，而且， 化学计量学和动力学参数在一定条件下有相对稳定性。因此，现在国际上通行的 做法是以典型值作为模拟的初始值代入模拟程序进行计算，根据模拟结果与实测 结果的差距对参数进行校核。这已经被许多研究成果证明是一种行之有效的方法： 有的只需调整3 个参数，有的需调整6 个参数，有的甚至不需做任何调整。 因此，本研究采用这种方法，所不同的是引入温度系数对典型值进行温度校 正。 5 3 组分初始浓度的确定 活性污泥模拟程序的运行首先要有模型组分初始浓度的输入，而模型中的组 分只是从理论上进行定义的，这比实际污水厂的常规测定项目要细致而且复杂。 i w a 给出了一般城市污水的典型组成：荷兰也开发了一套标准程序专门用于该国城 市污水组分浓度的确定。然而，在国内该研究尚处起步阶段，还没有标准方法。 黄勇等人曾通过测定系统溶解氧d o 、氧吸收速率o u r 、混合液及溶解性c o d 的动 态变化过程，采用适当的数据处理技术实现对一部分组分的测定。朱明权在利用 c o d 指标进行硝化和反硝化的活性污泥法的设计时，对进水c o d 组分分配也作了初 步探讨o “。 由于实验条件有限，不可能测定模型中的每一个组分，而只能根据已收集的 唐家桥污水处理厂长期运行参数( 表5 1 ) ，包括进出水总c o d 、总n 和曝气池中 的m l v s s 浓度数据，从原始数据与模型组分之间的关系及各组分的转化规律着手， 通过对报道的试验结果的统计分析和经验系数来对组分加以定量化。 5 3 1c