（市政工程专业论文）AO脱氮工艺的模拟系统研究.pdf

摘要 摘要 活性污泥工艺在城市污水处理厂中应用广泛，但污水厂的相关设计和运行 管理还十分依赖于经验。国际水协( i n t e m a t i o n a lw a t e r a s s o c i a t i o n ，简称i w a ) 为此开发了活性污泥数学模型系列( a c t i v a t e ds l u d g em o d e l s ，a s m s ) ，以数学 方法更深刻地描述了污水处理过程中的现象和规律，成为污水处理领域一个具 有重要理论意义和实用价值的工具。 本文首先回顾了活性污泥数学模型的发展历程，选取目前应用较为成熟的 a s m i 作为建模平台，运用国际水协的建模思想，以v i s u a lb a s i c 计算机语言编 制了a o 脱氮工艺的模拟系统。通过第三方数据对模型进行了验证，结果表明 建模方法的可行性。 对模型涉及的化学计量学参数和动力学参数的灵敏度分析表明，不同参数 对不同模拟指标的灵敏度相差很大。化学计量学参数中的异养菌生长速率系数 y h 最敏感，对好氧池中。s s 和c o d 的灵敏度分别达到1 4 1 2 3 和1 3 7 2 1 ： 动力学参数中的自养菌衰减系数b a 和自养菌最大比增长速率队对氨氮的灵敏度 最大，分别为1 0 8 9 7 和- 1 0 7 3 9 。对总氮影响最大的是最大比水解速率h 和 自养菌最大比增长速率i ia ，灵敏度分别为- 4 5 6 4 、掣5 4 0 。约一半的参数对 模型结果影响较小，模型模拟时可直接取a s m i 报告中的推荐值。 采用间歇o u r 呼吸计量法对泗塘污水厂初沉池出水组分和好氧池污泥的 y h 进行了测定。y h 的测定结果为0 7 2 ，略大于i w a 报告中的典型值结果，结 果稳定性较好。泗塘污水厂初沉池出水的总c o d 约为2 0 0 m g l ，其中x s 所占 比例最大，占总c o d 的4 0 6 0 左右；x l 波动较大，约为总c o d 的l o 4 0 ；s s 约占总c o d 的1 0 2 0 ；s i 约占总c o d 的6 1 2 。 结合泅塘污水厂实测出水数据对模型进行了校正，并用校正后的模型对该 厂实际运行进行了稳态模拟研究，验证了模型的可靠性。 关键词：活性污泥数学模型，a o 脱氮工艺，间歇o u r 呼吸计量法，模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si sf r e q u e n t l yu s e di nm 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 p l a n t s ，b u tt h ed e s i g na n do p e r a t i o no ft h ep l a n t s a l es t i l l h i g h l yd e p e n d e n to n p e r s o n a le x p e r i e n c e b a s e do nt h i sr e a s o n ，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 ( i w a ) p r o p o s e da c t i v a t e ds l u d g em o d e l s ( a s m s ) w h i c hd e s c r i b e dt h ep h e n o m e n aa n d e s s e n c eo ft h er e m o v a lp r o c e s sm u c hd e e p l y a s m sa r ei m p o r t a n tt o o l si na c a d e m i c s t u d ya n da p p l i c a t i o ni nw a s t ew a t e rt r e a t m e n tf i e l d f i r s t l y , w ec h o s ea s m lw h i c hw a su s e ds u e c e s s f u i l ya st h em o d e lp l a t f o r m a f a rl o o k i n gb a c kt h eh i s t o r yo ft h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e l s t h i sr e s e a r c hs e tu pa s i m u l a t i o ns y s t e mo fa n o x i e - o x i cn i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s sw i t hm o d e l i n gm e t h o d s o fi w aa n dv i s u a lb a s i cc o m p u t e rs o f t w a r e b yc o m p a r i n gt ot h i r d - p a r t yd a t a , t h e s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a tt h em o d e l i n gw a sc r e d i b l e 1 1 l es e n s i t i v i t ya n a l y s i so fr e l a t e dp a r a m e t e r so nc h e m i c a ls t o i c h i o m e t r i c sa n d o nb i o c h e m i c a lk i n e t i c sd e m o n s t r a t e dt h a tt h es e n s i t i v 时o fd i f f e r e n tp a r a m e t e r s v a r i e dg r e a t l y a m o n gs t o i c h i o m e t r i cp a r a m e t e r s ，y uw a sm o s ts e n s i t i v et ot h em l s s a n dc o do fa e r o b i ct a n k a d d e du pt o1 4 1 2 3 a n d1 3 7 2 1 t h es e n s i t i v i t yo fb a a n di r at on 1 3 _ np e a k e da t1 0 8 9 7 a n d1 0 7 3 9 ，w h i l et h es e n s i t i v i t yo f l ( 1 ia n d ! t t x t ot np e a k e da t - 4 5 6 4 a n d - 4 4 5 4 t h e r ew e r ea b o u th a l fo ft h ep a r a m e t e r s w h i c hw e r ei n s e n s i t i v et os i m u l a t i o nr e s u l t s ，t h e r c f o r ec h a r a c t e r i s t i cp a r a m e t e r sc o u l d s u b s t i t u t ef o rt h e s ep a r a m e t e r sw h e ns i m u l a t i n g b a t c ho u r r e s p i r o m e t r i ce x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt od e t e r m i n et h ee f f l u e n t o fp r i m a r yc l a r i f i e ra n dy ho fa e r o b i ct a n k ss l u d g ei ns i t a n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n ti ns h a n g h a i t b es t a b l ev a l u eo fy hw a s0 7 2w h i c hw a sab i tb i g g e rt h a nt h e c h a r a c t e r i s t i cv a l u e c o do fp r i m a r yc l a r i f i e ri ns i t a n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t 、e r ea b o u t2 0 0 m g l a b o u t4 0 6 0 o ft h ec o dw e r ex s ；a b o u t1 0 4 0 o f t h ec o dw e r ex 1w h i c hv a r i e sf r e q u e n t l y ：a b o u tl o 2 0 o ft h ec o dw e r es s ； a b o u t6 1 2 o f t h ec o dw e r es i e x p e r i m e n t a ld a t ao fs i t a n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tw e r eu s e dt oc a l i b r a t e t h em o d e l ，t h ec a l i b r a t e dm o d e lw a sa p p l i e dt os i m u l a t es t e a d y - s t a t eo ft h ea o p r o c e s si ns i t a n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t , a n dt h ep r a c t i c a b i l i t yw a sc o n f i r m e d 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 n o x i e - o x i cn i t r o g e nr e m o v a lp r o c e s s ，b a t c h o u r r e s p i r o m e t r i cm e t h o d ，s i m u l a t i o n m 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 奶堙 ，易年 月，, f i 神移 ，牛月， 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：呻勿衫 斜年；月f 。日 第1 章绪论 1 1 课题来源及背景 第1 章绪论 我国是一个人均水资源贫乏的国家。随着我国人口的增加，经济的发展和 城市化进程的加快，我国水资源形势更为严峻，因此提高我国污水处理水平非 常迫切。 活性污泥法在目前城市污水处理厂中应用广泛，我国已建及在建的污水处 理厂中大约有8 0 以上采用活性污泥法。随着对污水厂处理效率、出水水质要 求的提高以及对处理费用和能耗的限制，主要依赖经验数据进行污水处理厂设 计和运行的模式己难于适应快速发展的污水处理事业需要，尤其是对于尚处于 发展中国家行列的我国。在对活性污泥法的认识不断深入的基础上，对活性污 泥法工艺的设计和运行也将由简单的采用经验和规范发展到使用活性污泥数学 模型模拟的模式上。因此，应用活性污泥数学模型是提高我国污水处理厂设计、 运行和管理水平的必然趋势。 本课题正是基于以上原因，旨在开发和研究，o 脱氮工艺的模拟系统。该 课题来源于上海市政工程设计研究总院的科研项目“城市污水处理厂控制技术软 件开发( 编号：k 2 0 0 6 6 ) ”。该项目将开发氧化沟、a ，o 法、s b r 、m b r 等工 艺的控制软件。本论文承担o 脱氮工艺控制软件的开发和校正部分，是该科 研项目核心内容的一部分。 1 2 课题研究目的及意义 本课题的研究目的：开发出一套简单、实用的a o 脱氮工艺的模拟系统， 使其能根据进水水质水量变化及时调整污水厂运行，提高运行的稳定性和可靠 性，促进活性污泥数学模型在我国的研究和应用。 通过本课题的研究，可实现新建污水处理厂的优化设计，提高现有污水处 理厂的处理能力或功能扩增。例如：以去除含碳有机物为主的普通活性污泥系 统扩大到同时具有脱氮除磷能力的系统。利用模拟系统也可预测进水水质和水 第1 章绪论 量变化将对a o 活性污泥系统造成的影响，以制定适应这些变化所应采取的措 施，实现a o 脱氮工艺的长期稳定运行和节能运行。模拟系统大大拓展了数学 模型在污水处理工程中的实际应用，具有重要的意义。 1 3 主要研究内容及技术路线 1 3 1 主要研究内容 本课题的开展是在不断总结国内外活性污泥数学模型的研究基础上，使用 v i s u a lb a s i c 数学软件工具，开发一套针对脱氮要求的a o 脱氮工艺的模拟系统， 并通过对实际污水厂的模拟束验证和完善该系统。 本课题的主要研究内容如下： 1 综述活性污泥反应动力学方程以及数学模型的发展和应用，并探讨a o 脱氮工艺的碳氧化、脱氮特征； 2 确定模型组分和参数； 3 建立o 脱氮工艺的活性污泥数学模型； 4 进行模型反应计量学系数的灵敏度分析； 5 测定实际污水处理厂异养菌产率系数和模型的进水组分； 6 对模型进行校正和确认； 7 对污水厂进行稳态模拟。 1 3 2 技术路线 本课题采用计算机编程结合试验研究的方式进行。技术路线如图1 1 ： 2 第1 章绪论 图1 1 技术路线示意图 3 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 2 1 活性污泥数学模型的发展概述 自1 9 1 2 年英国人克拉克( c l a r k ) 和盖奇( g a g e ) 发现活性污泥能去除水中 污染物以来，基于活性污泥法的污水处理工艺得到了大规模的研究和应用。随 着对污水处理过程的深入研究，学者们提出了很多解释活性污泥去除污染物机 理的理论。这些理论与污水处理的实践互相促进：一方面，理论可以指导污水 处理厂的设计和运行；另一方面，污水厂的应用实践可发现理论的缺陷，促进 理论的完善。 2 1 1 基础模型 维持理论【1 】是污水处理领域最早概括的理论，该理论认为微生物将污染物一 部分用于新机体的合成，另一部分用于维持自身的生命活动。模型主要描述单 一底物的浓度与酶促反应速率以及微生物生长速率之间的关系，是活性污泥法 数学模型的微生物学基础。 ( 1 ) 米门公式 1 9 1 3 年，m i c h a e f i s 和m e n t e n 【2 1 通过大量的试验研究，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闻关系的米门方程，如式 ( 2 1 ) 所示。 s ”y 一丽 ( 2 1 ) 式中：，酶促反应速率( d - 1 ) ； y m a x 最大酶促反应速率( d 1 ) ； s 底物浓度( m g l ) ； 米氏常数( 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 4 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 浓度很低时，反应速率与底物浓度成一级正相关。 ( 2 ) 莫诺方程 莫诺于1 9 4 2 年用纯种的微生物在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，试验所得曲线与米门试验的曲线相同，并 于1 9 4 9 年提出了m o n o d 方程 3 1 ，如式( 2 2 ) 所示。 s 胪i 百 ( 2 2 ) 式中：p 微生物的比增殖速率( d d ) ； 一微生物的最大比增殖速率( d - 1 ) ； s 有机底物浓度( m g l ) ： k 饱和常数，也称为半速率常数( r a g l ) 。 与米门公式类似，在有机底物浓度很高的情况下，微生物的比增殖速率不 受底物浓度的影响，只与其自身最大比增殖速率相关；当有机底物的浓度很低 时，微生物生长呈一级反应。 莫诺方程虽是通过单一底物的纯菌种培养试验而得出，但在模拟多种属微 生物群体的活性污泥处理系统时完全适用，使得莫诺方程成为活性污泥数学模 型的基础。应注意的是，莫诺方程应在其适用条件下对污水系统进行模拟。 ( 3 ) 霍克莱金方程 1 9 5 1 年，霍克莱金通过对污水的生物处理试验，提出了微生物生长和底物 降解之间关系的方程，如式( 2 3 ) ： ( 警) 。y ( 鲁l 一骗眨3 ， 非( 警) 。一微生物的净增殖速率。吼。，； y 产率系数，微生物每代谢l k g b o d s 所合成的m l v s s 量( 以k g 计) ； ( 石d s ) 。有机底物降解速率( m 班d - ，) ； 吃微生物的衰减系数( d 1 ) 。 5 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 工y m l v s s ( m f l ) 。 对污水处理而言，有机底物的比降解速率能实际、直观地描述污水净化的 过程，因而在污水处理领域具有很重要的意义，故该方程被看作是最基本的活 性污泥数学模型。 2 1 2 基于内源呼吸机理的静态模型 1 9 5 3 年，p o r g e s 发现微生物在无有机底物时也耗氧，并由此提出了内源呼 吸理论【4 l ( e n d o g e n o u sr e s p i r a t i o n ) ，如图2 1 所示。 o z + n i t 3h 2 0 + c 0 2 + n 0 3 0 2 c 0 2 + h z o 有c o d 损失无c o d 损失 图2 1 内源呼吸理论示意图 从图2 1 可以看出，内源呼吸机理模型将所描述的活性污泥系统分为两个过 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。这种生长一衰减机理与经典的微生物 动力学方程的描述是完全一致的。 内源呼吸机理模型以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 经验公式提出的模型、m c k i n n e y 等基于污泥全混假设提出的模型和 l a w r e n c e m c c a r t y 基于微生物的生长动力学理论提出的模型为主要代表。 ( 1 ) e 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。 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。此时微生物增长过程可用式( 2 4 ) 表示： 6 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 d x 。尼z d t 1 ( 2 4 ) 当微生物处于减速增长期时，微生物的增长速率与有机底物的降解里一级 反应关系，即微生物的增长主要受有机底物限制。微生物减速增长可由式( 2 5 ) 表示： d x 配船 出 ( 2 5 ) 当有机底物不足，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，该过程可表示为式( 2 6 ) ： d - x 。q x 出 ( 2 6 ) 式中：x 一微生物浓度( m g l ) ； s 有机底物浓度( m g l ) ； k 1 一对数增长速率常数( d 1 ) ； k 厂减速增长速率常数( d 1 ) ； k 3 一内源呼吸衰减常数( d 4 ) 。 由于一般的污水处理系统中，污泥负荷较低，微生物多处于减速增增长期， 故微生物的增长与有机底物呈一级反应。 1 9 7 5 年，g r a u 等人根据进水有机底物浓度对减速增长速率常数的影响关系 进一步完善了e c k c n f c l d c r 模型，见式( 2 7 ) ： 警吗x 斜旺7 ， 百一如五i ij，、 式中：n 一常数，可取1 ； s 广一进水的有机底物浓度( m g l ) ： s 。一出水的有机底物浓度( m g l ) ； 其它符号同前。 ( 2 ) m c k i n n c y 模型 m c k i n n e y 模型是根据推流式曝气池的特点，在完全混合反应池( c s t r ) 模型的基础上进行的修正。r e m c k i n n e y 认为在活性污泥反应器内微生物一直 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 丝d t 一一s ( 2 8 ) 4 () ( s o s , ) t - 一k s ( 2 9 ) 式中：k 广基质降解速率常数( d 。1 ) 。 从式( 2 9 ) 可知，在进出水浓度、曝气池进水量q 己知的前提下，可计算 m c k i n n e y 模型还首次提出活性物质的概念，认为活性污泥由四部分组成： m i i 。活性物质的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 ( 3 ) l a w r e n c e m c c a r t y 模型 l a w r e n c e 、m c c a r t y 接受了莫诺的论点，以微生物增殖和对有机底物的利用 l a w r e n c e m c c a r t y 给出了污泥龄的定义，即：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，并将其改称为生物固体平均停留时间或细胞平 均停留时间，以o c 表示。 l a w r e n c e - m c c a r t y 同时提t o , 了“单位底物利用率”这一概念。即：单位浓度的 微生物对底物的利用率，以q 表示，为一常数，其计算式为： 粤 泣 式中：x a _ 微生物浓度( r a g l ) ： ( 警) - 微生物对有机底物的降解速率。m 叽d 。，； q 一单位底物利用率( d - 1 ) 。 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 l a w r e n c e m c c a r t y 模型是以生物固体平均停留时间及单位底物利用率作为 基本参数，并以第一、第二两个基本方程式表达的。 l a w r e n c e m c c a r t y 第一方程式表达的是生物固体平均停留时间、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。 l a w r e n c e m c c a r t y 模型的第一基本方程式为： 1 一场一髟 ( 2 1 1 ) 式中：0 c 一生物固体平均停留时间( d ) ； y _ 微生物产率； r 单位底物利用率( d - 1 ) ； k 厂衰减系数，即微生物的自身氧化率( d - 1 ) 。 l a w r e n c e m c c a r t y 第二方程式是在莫诺方程式的基础上建立的， 机底物的降解速率等于其被微生物的利用速率，即： 一g 并认为有 ( 2 1 2 ) 式中：v 一有机底物的降解速率( d - 1 ) 。 l a w r e n c e m c c a r t y 第二方程式表达的是：有机底物利用率与反应器内微生 物浓度及微生物周围有机底物浓度之间的关系。 l a w r e n c c - m c c a r t y 第二方程式为： f d s 1 k x o s k d t 憋+ s ( 2 1 3 ) f d s l 式中：d t ，- 微生物对有机底物的降解速率( 1 z i g l d 1 ) ； s - 有机底物浓度( r a g l ) ： 1 0 一单位量的微生物对有机底物的最高利用速率( d - 1 ) ； k 广半速率系数，其值等于q = l 2 k 时的有机物浓度( m g l ) ： ) o 一反应器内微生物的浓度( m g l ) 。 l a w r e n c e m c c a r t y 模型不仅广泛用于计算反应池的体积、耗氧量、排泥量 等设计参数，而且强调了细胞平均停留时间( 0 c ) 在污水厂设计运行中的重要性， 认为系统出水水质仅与泥龄有关。通过控制污泥龄可改变出水水质，为污水厂 9 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 的运行控制提供了快捷的手段。 2 1 3 活性污泥动态数学模型 活性污泥数学模型的发展遵循由简单到复杂、由静态到动态的规律。传统 静念模型具有形式简单、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。但由于传统静态模型未划分水中不同 的组分，致使其无法描述活性污泥处理的某些过程，无法量化各组分间的关系， 亦无法预测各出水组分的结果，这就限制了模型在动态控制方面的作用。要突 破这一限制就必须研究动态模型。如今，动态模型现在仍然在不断完善，比较 有代表的有：a n d r e w s 模型列、w r c 模型 6 1 以及i w a 开发的a s m 系列模型【7 - 1 2 1 。 ( 1 ) a n d r e w s 模型 2 0 世纪8 0 年代美国人j e a n d r e w s 领导的课题组基于“贮存一代谢”机理( 如 图2 2 所示) 提出了a n d r e w s 模型。该模型将活性污泥系统中的生物体划分为活 性生物体、储存物质和惰性代谢物质3 个部分。认为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，以胞内贮存物的形式贮存，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”现象和实际观察到 的底物浓度增加时微生物增长速率变化的滞后现象，并能很好预测耗氧速率的 动态变化。 图2 2 贮存一代谢机理示意图 ( 2 ) w r c 模型 w r c 模型是英国水研究中心( w a t e rr e s e a r c hc e n t e r ) 提出的。w r c 模型 1 0 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 引入了存活一非存活细胞代谢机理( 如图2 3 所示) ，认为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。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，这点可以解 释m o n o d 方程预测污水生物处理过程中细胞浓度偏高的现象。 _ 惰性产物 图2 3 存活一非存活细胞代谢模型 a n d r e w s 模型和w r c 模型分别运用了不同的机理来解释传统静态模型无法 解释的现象，但这些模型仍然有待改进。主要缺陷在于：一是未考虑代谢残留 物的再利用问题；二是未包含氮、磷的去除机理模型。 ( 3 ) a s m 系列模型 1 9 8 2 年，国际水污染研究与控制协会( i a w p r c ，i w a 的前身) 成立了活 性污泥法设计和运行数学模型课题组。该课题组的目标是建立具有脱氮功能、 满足未来发展需要的活性污泥数学模型通用平台。i a w p r c 汇集了南非、丹麦、 美国、荷兰、日本等五国的专家，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。 为了方便讨论，表2 1 列出了各阶段的a s m 系列模型。 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 表2 1 a s m 系列模型 化学计量学参数 模型组分反应过程主要特点 动力学参数 a s m l1 35 1 48 来模拟磷的去除 包含磷的去除，增加了厌氧水解、酵解及与聚磷菌 a s m 21 92 2 4 21 9 ( p a 0 s ) 有关的4 个反应过程 改正了a s m 2 中对p a 0 s 的不恰当描述，增加了f a 0 s a s m 2 d1 9 2 2 4 5 2 1 的反硝化过程。在模拟硝酸盐和磷酸盐动力学方面更 准确 微生物的衰减采用了微生物内源呼吸理论，允许衰减 s 岫1 3 6 2 11 2过程更适应环境条件，重点由水解转到了有机物的胞 内贮存。未包括生物除磷过程 a s m l 采用了d o i d 等【”】提出的“死亡一再生”理论，体现了对代谢残留物的 再利用。a s m l 着重于阐述污水生物处理的基本原理、过程及其动态模拟，首次 把氮的去除纳入模型，在表述上采用矩阵形式，共有8 行1 3 列，分别表示活性 污泥过程的8 种生物化学反应和1 3 种模型组分。此外，a s m l 还给出了各反应 的反应速率。 经过多年的应用研究，已经证实a s m l 对于碳氧化、硝化和反硝化过程有 较强的模拟能力，同时也发现了a s m l 的一些缺陷，主要包括以下几点1 1 4 1 ： 模型动力学方程未考虑氮和碱度对异养微生物生长的限制，导致某些情 况下计算的物质浓度出现负值； 部分氮组分的不易确定给模型应用带来困难； 对耗氧量的预测和反硝化过程具有重要影响的异养微生物的水解动力学 参数很难量化； a s m l 未考虑硝化菌在好氧和缺氧状态下的不同衰减速率。在污泥龄较长 和缺氧区容积较大的情况下，会导致最大硝化速率值的预测偏差。 但是，a s m l 在许多情况下仍是层前对活性污泥系统进行模拟的主要工具， 自推出以来，得到了广泛的应用。目前我国的污水处理软件多数是基于该模型 开发的。在下一章中将对a s m l 进行更详细的说明和分析。 a s m l 由于未包含磷的吸收和释放过程，无法模拟包含除磷的活性污泥工 艺，因而限制了a s m l 的进一步应用。针对此问题，i w a 的专家组于1 9 9 5 年推 1 2 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 出了a s m 2 。 与a s m l 相比，a s m 2 增加了描述生物除磷和化学沉淀除磷的反应过程， 同时生物量具有了细胞内部结构。a s m 2 还对a s m l 的一些过程进行了简化， 将溶解性有机氮的氨化和颗粒性有机氮的水解隐含在了化学计量系数中，有机 磷向可溶性磷的转化也采用了这一方法。此外，a s m 2 引入了总悬浮固体( t s s ) 的概念，用以说明磷酸盐对活性污泥系统的重要作用，以区别于c o d 。 由于对除磷认识的机理还未完全了解，a s m 2 在说明磷的去除机理时作了一 些限制：适用的p h 范围为6 3 7 8 ；温度范围为1 0 2 5 ；发酵及厌氧水解过 程需要进一步研究。因此，a s m 2 还有待完善，为进一步开发生物脱氮除磷的复 合型模型提供一个框架。 在a s m 2 中有一个未解决的问题，即与p a o s 有关的反硝化。a s m 2 d 增加 了两个反应过程来说明p a o s 可利用胞内有机贮存产物进行反硝化。与a s m 2 假定p a o s 仅在好氧条件下生长不同，a s m 2 d 包含了p a o s 的反硝化过程。 随着对有机物贮存认识的不断深化，1 w a 于1 9 9 9 年推出了a s m 3 。该模型 与a s m l 一样不包含除磷过程，解决了异养菌死亡一再生循环过程和硝化菌衰 减过程相互干扰等问题。模型将两组菌体的全部转换过程分开，引进了有机物 在微生物体内的贮藏及内源呼吸，强调了细胞内部的活动过程。同时，模型对 微生物的衰减采用了内源呼吸理论，允许衰减过程更适应环境条件变化，将重 点由水解转到了有机物的胞内贮存。 由于a s m 3 提出较晚，所以仍需要在实践中应用以检验其实用价值。 2 2 活性污泥数学模型的研究现状和软件开发 a s m 系列模型自推出以来，广泛应用于科研和实际过程中，在指导污水厂 设计和运行方面起到了显著的作用。 2 2 1 活性污泥数学模型的研究现状 模型的研究主要包括以下内容：模型进水组分的划分、不同污水厂模型反 应计量学系数的取值、模型反应方程及反应速率的确定、模型组分和参数的测 定等。 1 3 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 国外学者对a s m 系列模型的研究较国内早，并且更深入。v a n v e l d h u i z e n | 1 5 1 等结合a s m l 开发出一个好氧和缺氧生物除磷的机理模型，并用于污水处理厂 的模拟，并分析了部分模型反应计量学系数的灵敏度。结果显示进水特性对模 型的影响非常显著，v a nv e ! d h u i z c n 同时认为模型反应计量学系数的校正应基于 工艺和模型机理，而不是基于灵敏度的分析。 m e i j e r 等【1 6 1 利用生物除磷模型和a s m 2 d 的复合模型来模拟实际污水处理厂 的脱氮除磷过程。复合模型中除磷部分利用3 个储存聚合物对细胞内的8 种生 物过程进行了描述，重点研究了该模型在模拟时动力学参数、化学计量学参数 的取值方法及模型的校正方式。 k o c hg 等【1 7 】将a s m 3 模型用于瑞士诸多城市污水处理厂，用试验得出的一 套动力学参数和化学计量系数对模型进行了校正。结果表明，校正后的a s m 3 能很好地模拟污泥产量和反硝化过程，而对于除磷速率的预测结果很不准确， 这与系统除磷速率较低及工艺复杂性有关。 国内在活性污泥数学模型研究方面起步较晚，且大多是在a s m 系列模型的 基础上加以简化或对某一工艺进行针对性的研究。如朱明权1 18 】利用a s m l 和 a s m 2 提出了活性污泥好氧生物稳定过程的数学模型：孙光伟l ”j 结合s b r 工艺， 将a s m i 模型合理简化，在实际应用中效果良好；黄勇【2 0 l 在活性污泥数学模型 的研究方面做了大量工作，不仅对以往模型进行了综述、总结，还结合试验对 a s m 系列模型进行了简化和参数测定的分析研究。 甘立军i z l 】在实际试验中，从准确性及可行性方面分析比较了各水质组分和 化学计量参数的测定方法，通过试验研究总结了一套准确可行的模型反应计量 学系数的测定方法，为模型的应用提供了基本条件。并在以上工作的基础上， 对上海市一些主要城市污水厂的进水进行了组分划分，得到了上海地区生活污 水的水质特性，为国内的活性污泥数学模型的应用研究提供了支持。 同济大学的王闯【2 2 l 、陈晓龙1 2 3 、周传剧2 4 l 等利用a s m 系列模型建立了包 含沉淀过程的整个工艺流程的模拟程序，系统地研究了模型反应计量学系数的 灵敏度和算法。并结合实测数据或第三方数据对模型进行模拟输出，以验证模 型编程的正确性。 周振【2 5 1 在a s m l 和包括水力学因素的二沉池一维分层模型的基础上，采用 v i s u a lc + + 6 0 计算机编译语言开发了活性污泥工艺系统的通用模拟程序，并结 合前人的研究成果提出了较为完整的活性污泥工艺系统的计算机模拟方案。通 1 4 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 用模拟程序给出了污泥层高度的算法，并提出了一套基于常规水质指标s s 和 s v i 的二沉池参数校核方案。对参数进行的灵敏度分析表明，模型能有效地模拟 二沉池内污泥浓度的分布曲线、污泥层高度、出水以及底流s s 的浓度。 2 2 2 活性污泥数学模型的软件开发 一般模型求解是很复杂且耗时的，所以专业技术人员基于活性污泥法动力 学方程开发出了很多应用软件，应用比较广泛的软件有以下几种： ( 1 ) e f o r 软件i 叫 e f o r 软件是由e f o r a p s 公司和以m o g e n sh e n z e 教授为首的i w a 专家组 联合开发的。基于a s m l 和a s m 2 开发的e f o r 软件能够模拟活性污泥工艺中 的碳氧化、生物除磷、硝化和反硝化过程，获得传统活性污泥工艺分段进水、 交替硝化反硝化、氧化沟及a b 法等脱氮除磷工艺的稳态与动态出水指标。 ( 2 ) w e s t 软件吲 w e s t 软件由比利时h e m m i s 公司所开发，目前最新的版本是2 0 0 6 年5 月更新的w e s t 3 7 3 。w e s t 软件是多功能、开放式的，高级用户通过m s l 数 据库可以实现对模型库的自定义扩展和二次开发。其机理模型中包括i w a 推出 的所有活性污泥数学模型，同时w e s t 软件内置的模型库包括大量的单元模型， 如反应器、沉淀池、分离器、传感器、控制器等组件单元，用户可以使用分级 图形编辑器( h g e ) 构建模拟对象，并建立组件单元间的关联，实现对污水厂 模型的构建。w e s t 软件具有友好的人机对话界面，操作简洁灵活，可以迅速地 组建起各种活性污泥处理工艺。在应用功能上，w e s t 软件开发了多种功能， 除了可对污水厂进行实时模拟外，还可根据参数灵敏度分析的结果进行污水厂 的试验分析，研究敏感性关键参数。软件通过对污水厂各运行参数的正交试验 和网格试验的情景分析，确定高效率低能耗的最佳运行方案。这样就可以用计 算机代替试验，实现工艺的优化设计。 ( 3 ) g p s x 软件【冽 g p s x 是由加拿大h y d r o m a n t i s 公司开发的污水处理过程建模和仿真商业软 件。该软件功能十分强大，为用户提供了通过菜单和图形驱动开发污水处理厂 模型的界面。使用者可通过菜单组件选择不同形式的进水、反应器和二沉池， 组成不同的活性污泥工艺流程，还可以添加控制环节和选择控制方案。工艺选 1 5 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 定后可对系统的参数进行设置。该软件的自动化功能强大，可与m a a b 软件整 合，以检验控制方案是否正确，还可自动校验各传感器，及时诊断各种工艺故 障。 此外，国外应用较多的活性污泥数学模型模拟软件还有瑞典u p p s a l a 大学根 据a s m i 模型用j a v a 语言编写的j a s s 仿真器f 冽；美国c l c m s o n 大学根据a s m l 编制的s s s p 软件1 3 0 l ；瑞士的s w i s sf e d e r a li n s t i t u t ef o re n v i r o n m e n t a ls c i e n c ea n d t c c h n o l o g y ( e a w a g ) 基于a s m l 和a s m 2 编制而成的a s i m 软件【3 l l 等。国内的 清华大学环境科学与工程系于1 9 9 5 年编制了基于a s m l 的污水生物处理模拟软 件佃a s s s ，应用于郑州市污水处理厂的实践表明该软件能够对该厂的运行 管理起到一定的预测和指导作用。天津大学的季民等1 3 2 l 根据我国污水处理具体 情况对a s m 系列模型作了适当简化，用m a a b 数学软件开发出一套适用于普 通推流式活性污泥工艺的数学模型模拟系统一a s p s c o 。并通过实例，阐述了 a 0 模拟系统在污水厂辅助设计中的具体应用方法，并针对a o 模拟系统的主要 功能，进行了界面设计。总的来说，国内的活性污泥数学模型软件开发处于起 步阶段，进水组分的测定方法、机理研究等方面还需要不断的完善。 1 6 第3 章a s m l 的求解方法及a o 脱氮工艺的建模 第3 章a s m l 的求解方法及a 0 脱氮工艺的建模 a s m 系列模型自1 9 8 7 年首次推出以来，引起了强烈反响。目前活性污泥数 学模型的模拟软件大多是基于此基础上开发的。a s m l 由于推出相对较早，研究 也较为深入，目前已得到了普遍的认同，并广泛作为模型进一步完善的平台。 a s m 2 、a s m 2 d 以及a s m 3 由于反应速率方程过于复杂，模型参数的测定工作 存在困难，现在在应用方面还存在一些问题，放本课题选择以a s m l 为研究的 理论基础。本章将对a s m l 作全面的分析和说明。 3 1a s m l 的提出方法 在开发模型的过程中，首要的任务是定义模型的主要反应过程；其次是以 何种方式简明地表达该反应过程；最后是如何为每个过程选择合适的反应计量 学和动力学表达式。 对于模型的主要反应过程，i w a 在总结已存在模型的基础上，首先考虑的 是异养微生物在好氧环境下利用溶解性底物以获得碳源和能源并生长。其中包 含两个基本过程：生物量通过细胞生长而增加和因细胞衰减而下降。模型至少 应考虑三种组分：生物量、底物和溶解氧。i w a 为了统一符号，以x 表示不可 溶性组分，以s 表示可溶性组分，下标b ，s ，o 分别表示微生物、底物和溶解 氧。 在p c t c r s o n 工作的基础上，i w a 推导出矩阵格式来描述模型。矩阵格式能 够表达尽可能多的信息，是最好的解决问题的办法。表3 1 描述了在两个基本过 程中结合了三种组分的模型矩阵。 1 7 第3 章a s m l 的求解方法及a o 脱氮工艺的建模 表3 1 异养微生物好氧增长过程的