（环境工程专业论文）双循环两相bict生物处理工艺的建模方法研究.pdf

苏州科技学院硕+ 论文 摘要 摘要 双循环两相( b i c t ) 生物处理工艺通过设置两套污泥系统，实现不同种群微生物 的分相强化培养，从而达到对氮、磷的高效稳定去除，由生物选择区( 厌氧) 、主反 应区s b r 、沉淀池和生物膜硝化区组成。构建适用的b i c t 工艺综合系统模型有利于 更好地研究其工艺特性、加速工程化进程，本论文着力于研究b i c t 工艺系统模型的 构建方法。 本文的主要研究内容包括：建模平台的选择及相应重构、探讨b i c t 工艺中连续 运行系统和间歇运行系统各自的建模方法、各单元模型的衔接。 首先，在回顾活性污泥数学模型、沉淀池模型和生物膜模型的基础上，结合b i c t 工艺本身的特性，选择合适的建模平台。本文以a s m 2 作为b i c t 工艺中活性污泥系 统( 生物选择区和s b r ) 模型的构建平台，即采用a s m 2 来描述生物选择区和s b r 内的生化反应过程。并对a s m 2 进行了如下重构：不考虑化学除磷过程、不考虑生 化反应池中组分x t s s 的变化、忽略s a l k 对系统的影响、引入阿累尼乌斯公式考虑了 温度对动力学参数的修正，重构后的a s m 2 考虑了1 7 个反应过程和1 7 种组分。 其次，探讨连续流系统的建模方法。生物选择区不考虑溶解氧和硝酸盐的影响， 将其视为绝对厌氧环境，建立物料衡算方程组；应用固体通量理论，以t a k a c s 沉淀 池模型为基础，建立b i c t 工艺沉淀池一维分层沉淀模型；生物膜硝化区选用简化的 一级反应动力学进行数学描述。 第三，研究间歇运行系统的建模方法。认为b i c t 工艺中四个s b r 的生化反应过 程和运行控制方式是完全一致的，每个s b r 的一个运行周期划分为“进水+ 曝气”、 “反应+ 回流、“后曝气+ 沉淀和“排水 四个阶段，每个阶段的运行时间相等， 沉淀和排水过程不发生生化反应。在s b r 的一个运行周期内，通过分别对每个阶段 生化反应特性、水力流量输送等的分析，建立单个s b r 在一个运行周期内囊括溶解 性组分、溶解氧、颗粒性组分和混合液体积四项的物料衡算方程组。在此基础上，设 置恰当的时间周期函数建立单个s b r 连续周期运行的模型。 最后，实现各单元模型的连接。通过四个运行周期时间的设置来实现四个s b r 相互之间的切换，实现四个s b r 之间t 4 时间的滞后。在此基础上，从以下两个方 面来完成单元模型的衔接工作：一是生物模型和沉淀模型颗粒性组分量纲的转换；二 是连续流系统和间歇运行系统之间水力流量的连接。 关键词：b i c t ，a s m 2 ，连续系统，间歇系统，建模方法 m a s t e rd i s s e r t a t i o no fs u z h o uu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h eb i c t ( b i o c y c l i ct w o p h a s e ) b i o l o g i c a lp r o c e s s ，d i f f e r e n tm i c r o o r g a n i s m s a r ei n t e n s i f i e di nd i f f e r e n tr e a c t o r sw i t ht w os l u d g es y s t e m ，s ot h ec o n f l i c t sb e t w e e nt h e m c a u s e db yd i f f e r e n tm e t a b o l i s mc o n d i t i o n sa r er e d u c e d ，t h e r e b yt h en 、pc a nb er e m o v e d e f f e c t i v e l ya n ds t e a d i l y t h ep r o c e s si sc o n s i s t e do fab i o l o g i c a ls e l e c t o r ( a n a e r o b i c ) ，a m a i nr e a c tr e g i o n ( s b r ) ，a l li n d e p e n d e n tb i o f i l mr e a c t o ra n das e a l i n gt a n k d e v e l o p i n g a na p p r o p r i a t ea n di n t e g r a t i v eb i c ts y s t e m a t i cm o d e li sp r o p i t i o u st os t u d yi t si d e n t i t i e s m o r ed e e p l ya n da c c e l e r a t ei t s e n g i n e e r i n gp r o c e s s i nt h i sd i s s e r t a t i o n , i tf o c u s e so n s t u d y i n gt h es y s t e m a t i cm o d e l i n gm e t h o d t h ed i s s e r t a t i o n sm a i nc o n t e n t si n c l u d e ：s e l e c ta n dr e - d e v e l o pt h em o d e lp l a t f o r m ， d i s c u s st h em o d e l i n gm e t h o do fc o n t i n u o u ss y s t e ma n di n t e r m i t t e n ts y s t e mi nb i c t r e s p e c t i v e l y , t h e nc o n n e c ta l lt h eu n i tm o d e l s f i r s t l y , b a s e do nr e v i e w i n gt h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e l s ，s e t t l i n gt a n km o d e l s ，a n d b i o f i l mm o d e l s ，c o m b i n i n g 谢mb i c ti d e n t i t i e s ，a n dt h e ns e l e c ta na p p r o p r i a t em o d e l p l a t f o r m h e r e ，a s m 2i ss e l e c t e da st h em o d e lp l a t f o r mf o rt h ea c t i v a t e ds l u d g es y s t e m ( b i o l o g i c a ls e l e c t o ra n ds b r ) i nb i c t , a n ds o m er e - d e v e l o pm e a s u r e sa r ea d d e d ，s u c h a s ： n e g l e c tc h e m i c a lp h o s p h o r u sr e m o v a l ，n e g l e c tt h ed y n a m i cc h a n g i n go fc o m p o n e n tx t s s d u r i n gb i o l o g i c a lr e a c t i o n s ，n e g l e c tt h e i n f l u e n c eo fs a l k ，a n di n t r o d u c ea r r h e n i u s e q u a t i o nt oq u a n t i f yt e m p e r a t u r e se f f e c t st ok i n e t i c sp a r a m e t e r s a f t e rr e - d e v e l o p i n g ， a s m 2c o n s i s t so f17r e a c tp r o c e s s e sa n d17c o m p o n e n t s s e c o n d l y , d i s c u s st h ec o n t i n u o u ss y s t e mm o d e l i n gm e t h o d t h eb i o l o g i c a ls e l e c t o ri s r e g a r d e da sa b s o l u t ea n a e r o b i cc o n d i t i o n , a n dt h e nd e v e l o p t h em a t e r i a lb a l a n c ee q u a t i o n s ， w h i l en e g l e c t i n gt h ep r e s e n c eo fd i s s o l v e do x y g e na n dn i t r a t e i nt h es e a l i n gt a n k m o d e l i n g ，b a s e do ns o l i df l u xt h e o r ya n dt a k a e sm o d e l ，ao n ed i m e n s i o nm a t h e m a t i c a l m o d e lf o rs e a l i n gt a n ki nb i c ti sd e v e l o p e d i n t r o d u c i n go n e - o r d e rr e a c tk i n e t i c st o m a t h e m a t i c a l l yd e s c r i b et h er e a c t i o n si nb i o - f i l mr e a c t o r t h i r d l y , d i s c u s st h ei n t e r m i t t e n ts y s t e mm o d e l i n gm e t h o d i nb i c tp r o c e s s ，t h e b i o l o g i c a lr e a c t i o n sa n dc o n t r o lm a n n e r so ff o u rs b r sa r ei d e n t i c a l i nt h i sd i s s e r t a t i o n ， s b r so n er u nc y c l ei sd i v i d e di n t o “f i l l i n g & a e r a t i o n ， r e a c t i o n & r e t u r n - f l o w ，“l a t t e r a e r a t i o n & s e a l i n g ”a n d “d i s c h a r g i n g p h a s e s t h er u nt i m er a n g eo fe a c hp h a s ei se q u a l ， a n dt h e r ei sn ob i o l o g i c a lr e a c t i o n sd u r i n gs e a l i n ga n dd i s c h a r g i n g i no n er u nc y c l e ， t h r o u g ha n a l y z i n gt h eb i o l o g i c a li d e n t i t i e sa n dw a t e rf l o wc o n d i t i o n so fe a c hp h a s e ，a n i i m a s t e rd i s s e r t a t i o no fs u z h o uu n i v e r s i t yo fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y a b s t r a c t s b ro n ec y c l em o d e li sd e v e l o p e d 1 1 1 em a t e r i a lb a l a n c ee q u a t i o n sa l ec o n s i s t e do f d i s s o l v e dc o m p o n e n t s ，d i s s o l v e do x y g e n , p a r t i c u l a t ec o m p o n e n t sa n dm i x e dl i q u i dv o l u m e b a s e do nt h i s ，a ns b rc o n t i n u o u sm o d e li sd e v e l o p e dv i ai n t r o d u c i n ga na p p r o p r i a t et i m e c y c l ef u n c t i o n f i n a l l y , c o n n e c ta l lt h eu n i tm o d e l s s e t t i n gd i f f e r e n tr u nc y c l et i m er a n g e so ff o u r s b 黜t os w i t c ho n es b rt oa n t h e ra n di m p l e m e n t “t 4 ”t i m el a gd u r i n gf o u rs b r s t h e n ， c o n n e c tt h eu n i tm o d e l sf r o mt h ef o l l o w i n gt w oa s p e c t s ：c o n v e r s i o no ft h ep a r t i c u l a t e c o m p o n e n t s d i m e n s i o n sb e t w e e nb i o l o g i c a lm o d e l sa n ds e t t l i n gm o d e l s ；c o n n e c t i o no f w a t e rf l o wc o n d i t i o n sb e t w e e nc o n t i n u o u ss y s t e m sa n di n t e r m i t t e n ts y s t e m k e y w o r d s ：b i c t , a s m 2 ，c o n t i n u o u ss y s t e m ，i n t e r m i t t e n ts y s t e m ，m o d e l i n g m e t h o d i i i 苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经 发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 ：黝应眺芗一日 学位论文使用授权书 苏州科技学院、国家图书馆、中国科学技术信息研究所的中国学位论文全文数 据库等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复印件和电子文档，允许论 文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保存、使用学位论文的规定， 即：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，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存汇编学位论文；同意学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不 同媒体上公布论文的部分或全部内容。 ( 保密论文在解密后遵守此规定) 鬣。攀黧等二篙 指导教师签名：摊日期：工尹五月弗h 日 苏州科技学院硕+ 论文 第一章绪论 1 1 课题研究背景 第一章绪论 在众多的污水处理工艺中，活性污泥法凭借其良好的处理效果和方便的运行管 理，在城市污水处理厂中得到了广泛应用。开发活性污泥法处理城市污水的数学模型 能够很好地满足城市污水处理厂模拟、预测和设计等方面的需要，在众多城市污水处 理厂建设和管理中发挥作用，节约污水厂的投资和运行费用，并保证污水厂的正常运 行。 成熟的模拟技术对污水处理工艺方案比较、工艺流程设计、工艺运行优化、新工 艺开发等而言是一种高效的工具。具体来说，活性污泥数学模型在城市污水处理中的 优越性主要体现在： ( 1 ) 活性污泥数学模型有助于城市污水厂的优化运行管理 利用数学模型可以预测进水水质和水量变化带来的影响，以及适应这些变化所需 采取的运行措施；若污水厂运行不理想，则可以通过模型的手段更好地了解各种影响 因素如何对最终处理效果发生影响，更好地了解水处理的限制步骤从而找到解决方 法，如改善水质、控制曝气量、调节污泥排放量等等【l j 。此外，活性污泥模型对于现 有污水厂的改造也很重要，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 j 。 数学模拟的方法可以很大程度上弥补传统试验研究周期长、实验方案有限难以得 到最佳的解决方式、花费较大的缺陷，工程师在计算机上就能够方便快速的计算大量 的试验方案，并估计处理效果和相关费用，不必受时间和费用的制约。最终选取少数 几个方案进行实验验证，可以使试验周期最短，花费最省，而且实验结论也非常有效。 ( 2 ) 活性污泥数学模型对新建污水厂的设计具有良好的指导作用 传统的污水厂工艺设计方法本身固有局限性，因为简化米门公式视有机底物降 解遵循一级反应，与真实污水处理情况误差较大。另一方面，工艺设计完成后不太可 能预测实际运行后的水质，往往只有等污水处理厂建成并运行后方能检验设计方案的 正确与否。如果说保守的设计只是带来无谓的投资的话，那经验不足的设计便会导致 完工后无法补救的缺憾。 借助于数学模拟，传统设计中的不足均能事先弥补，无论是出水水质、污泥浓度， 还是回流污泥与内循环量等都能根据不同反应池体积，不同工艺条件定量表示。另外， 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 利用数学模型，设计者能够在较短的时间内、较低的费用条件下比较不同设计方案的 处理效果，从而在各种污水处理工艺中很快筛选出最为经济可行的方案。针对一定进 水水质水量、依据相应的排放标准条件，数学模型可以帮助设计人员在缺乏试验数据 的情况下确定各构筑物的尺寸大小比例及各种关键的控制运行参数，从而找到经过优 化的设计方案。 ( 3 ) 活性污泥模型有助于新工艺的研发 国际上对数学模拟技术的应用目前正方兴未艾，数学模拟技术已从原本学术范畴 上升为工程与研究领域。欧美、日本等国家不少工程技术公司已广泛开始应用模拟技 术研究新工艺，变“小试一中试应用 传统研发模式为“小试一模拟一应用”这一 现代研发模式【引。仅仅对中试环节的跨越所带来的经济与时间上的双重节省，便可看 出数学模拟技术的诱人之处。 ( 4 ) 活性污泥数学模型和在线监测的结合为水厂的高级自动控制提供了可能 目前大多水厂的自动化还停留于数据自动记录，液位、溶解氧等简单变量的直接 反馈控制，自动化程度较低。活性污泥数学模型和在线仪表、电动机械的结合为水厂 的高级自动控制提供了可能( 4 】。活性污泥数学模型能够通过在线仪表的测试数据模拟 水处理系统的全程效果，依据预先设定的目标发出相应指令调整运行方式。这样的自 动控制比目前的人工控制更加及时有效。 在世界范围内，利用数学模型对活性污泥工艺进行模拟已成为当今污水厂设计和 运行控制的重要内容。目前，活性污泥数学模型整合了当今有关活性污泥法污水处理 技术的大部分研究成果，其发展跟活性污泥法处理技术工艺及机理的研究与发展，是 污水处理领域研究立论与技术的集成。自从国际水协会( i n t e r n a t i o n a lw a t e r a s s o c i a t i o n ，i w a ) 推出a s m ( a c t i v a t e ds l u d g em o d e l ) 系列t 5 】后，数学模型在国外 得到了很大的发展，已经有许多大型污水处理厂在设计、改造和运行过程中应用数学 模型，在微生物反应机理、模型的实际运用及软件开发等方面的研究积累了许多宝贵 的经验。我国在活性污泥模型方面的研究起步较晚，相对于国外发展情况，在数据 分析和积累、实际应用上还比较滞后。 但活性污泥模型作为一种必须工具普遍用于实际污水处理厂仍然有一段差距【6 j 。 主要原因：( 1 ) 进水水质的分析和测定方法还未全部规范化，甚至有些组分不能直接 测定，因此不能保证模拟结果完全准确；( 2 ) 实际污水生化反应十分复杂，活性污泥 处理过程中一些生化反应机理不太清楚，还有待进一步研究和完善；( 3 ) 随着活性污 泥工艺的深入研究，其数学模型会越来越复杂，而目前模型中参数的测定手段远远滞 后于模型的发展，寻求可靠的实验过程来获取模型参数是一个严峻的挑战；( 4 ) 模型 2 苏州科技学院硕+ 论文 第一章绪论 参数的校正需要耗费大量的人力和物力。 1 2 课题的立论依据 1 2 1b i c t 工艺流程及基本原理 黄勇等人【7 】f 8 】分析了常规活性污泥系统脱氮除磷的限制性因素，并在改进c a s s 工艺的基础上提出了双循环两相生物处理工艺( b i c y c l i ct w o p h a s eb i o l o g i c a l p r o c e s s ，简称b i c t ) ，研究者认为，设法将硝化菌和异养菌分开培养是解决问题的 关键。所谓双循环即污泥循环和上清液循环；两相即主反应器的悬浮污泥相和生物膜 硝化区的附着污泥相。b i c t 工艺主反应器是序批式反应器，整体上则是具有两套污 泥系统的双泥工艺。图1 1 为b i c t 工艺示意图，它由按序批式运行的悬浮生长主反 应器、生物膜硝化反应器( 好氧) 、生物选择区( 厌氧) 和沉淀池四个主体单元构成。 e 清液圈流 1 、集水井2 、前置厌氧反应器( 生物选择区) 3 、序批式反应器4 、沉淀池5 、膜法硝化区 图1 - 1b i c t 工艺流程图 f i g 1 1p r o c e s sf i o wd i a g r a mo fb i c t 原水由集水井1 经泵提升后与沉淀池4 的回流污泥一起进入前置厌氧反应器2 中，由于前置厌氧反应器存在较高的浓度梯度，可选择出絮凝性良好的微生物，同时 前置厌氧反应器内一直保持厌氧环境，一方面微生物可将进水中易降解有机物水解成 短链脂肪酸( s c f a s ) ，另一方面聚磷菌利用s c f a s 合成聚羟基脂肪酸( p h a ) 并 释放出体内的聚磷。 经生物选择器后的混合液进入s b r 反应器3 中。s b r 反应器由一组( 一般撕 座，视s b r 运行周期而定，本研究中以4 个s b r 为例) 以序批式运行的反应器组成， 每座运行周期为舡6 h ，分为进水、反应、沉淀、撇水4 个阶段。在s b r 的各个运行 阶段可分别完成有机物降解、磷的过量吸收、回流硝化液中硝态氮的反硝化、固液分 离等功能。生物膜法硝化区5 的上清液回流至处于缺氧搅拌的s b r 池中，使富含硝 态氮的上清液在s b r 池中进行反硝化，达到去除总氮的目的。由于上清液的进入， 使该池中原有的未经硝化的废水被逐步驱赶至沉淀池4 中，在沉淀池经固液分离后， 3 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 上清液进入生物膜法硝化池中硝化，沉淀污泥一部分作为富磷剩余污泥排放，实现磷 的净去除；另一部分回流至前置厌氧反应器内进行选择和释磷。这样可将处于缺氧搅 拌期的s b r 池中的污泥逐步转移至处于进水曝气期的s b r 池，使进水曝气期的s b r 池以高浓度的微生物去除有机物及过量吸磷。处于沉淀期的s b r 池由于上一周期中 的污泥转移，较大幅度地降低了污泥浓度，减小沉淀压力，有利于固液分离。处于撇 水阶段的s b r 池进行排水，有机物、氮、磷等均被有效去除，该池排出的是经处理 后的最终出水。按此方式循环操作，则整个系统可实现连续进水，达标排放。 b i c t 工艺优势在于一l ： ( 1 ) 采用独立的生物膜硝化区可以为硝化菌提供适宜的生长条件，从而筛选出硝化 细菌，进一步强化硝化作用，其运行不受s b r 运行工况的影响。同时，由于不要求 在s b r 中完成硝化作用，因此可提高s b r 的充水比和容积利用率，同时可减少回流 污泥中的硝态氮含量，为聚磷菌厌氧释磷提供了有利条件。 ( 2 ) s b r 中污泥的泥龄得以缩短。由于不要求在s b r 中完成硝化作用，因而可将 s b r 运行的泥龄缩短至3 5 天。这有利于进一步改善污泥的沉降性能和提高除磷效率， 并进一步提高s b r 的容积利用率。同时由于采用了短泥龄，使系统剩余污泥排放量 得到较大幅度的增加，为系统除磷能力的提高创造了极为有利的条件。 ( 3 ) 采用前置厌氧反应器可有效地提高污泥的沉降性能，沉淀池的设置为污泥的分 相培养和活性污泥的转移创造了条件，有利于提高s b r 的负荷和容积利用率。 ( 4 ) b i c t 工艺中间歇反应器与连续流反应器的特殊组合方式使污泥在各s b r 反应 池问转移，污泥被即时送到需要的地方。这种污泥转移的实现，使系统在反应阶段能 保证较高的污泥浓度从而获得较高的污染物去除效率；而沉淀撇水阶段污泥浓度较 低，反应器能达到较好的沉淀分离效果，对增大充水比、提高容积负荷非常有利。 1 2 2b i c t 工艺的前期研究情况 b i c t 的前期研究结果表明【i o 】【i l 】【1 2 】【3 1 1 1 4 1 ，该系统对有机物、氮和磷的去除效果稳 定高效；生物膜硝化区的独立设置不仅大大提高了硝化反应速率，而且使主反应器在 采用较短泥龄改善除磷效果的同时，能够保证良好的反硝化脱氮效果；b i c t 工艺的 主要脱氮机理为序列硝化反硝化，两种作用分别通过硝化区和主反应区得以实现；主 要的除磷机理为厌氧释磷和好氧吸磷，两种作用分别通过生物选择区和主反应器得以 实现。 b i c t 工艺脱氮除磷的优越性、理论和实践研究的完整性为其今后进一步的推广 应用奠定了良好的基础。但作为一种运行操作方式灵活、运行工况多变的双污泥工艺， b i c t 还存在一些反应特性有待进一步发掘与研究，而相对于试验研究的繁琐，构建 4 - 苏州科技学院硕十论文 第一章绪论 合适的b i c t 模型能够较方便较全面系统地研究其反应特性。另外，为了更好地将 b i c t 工艺应用到实际工程中，模型的构建就显得尤为重要。通过模型的构建可以较 为便捷地预测温度、c o d 负荷、进水水量变化对出水c o d 、t n 、n i - h - n 、n 0 3 - n 、 v o ? 。的影响；可以在一定的水质水量、温度、出水所要求标准等条件下给出较为合 适的设计、运行控制参数。由此可见，模型的构建对b i c t 工艺的实际应用具有良好 的指导意义。 但是，目前国内外还尚未见有关双泥工艺模型构建方面的报道，b i c t 作为一种 复杂的双泥工艺，其建模过程包含了连续运行系统建模、不连续运行( 间歇) 系统建 模( s b r ) 、活性污泥系统建模、生物膜系统建模、沉淀池建模以及系统之间的连接 等等问题，这些流动、混合、反应和连接等方面问题的探讨和解决是b i c t 工艺系统 模型构建的必要前提和基础。 本课题就是在此基础上提出的，着重探讨和研究并解决b i c t 工艺系统模型构建 过程中涉及的种种问题。 1 3 研究目的和意义 所要构建的b i c t 工艺系统模型是一种机理模型、白箱模型，建立在微生物去除 污染物的生化反应机理的基础之上，能够定量地描述各种因素对b i c t 工艺处理效果 的影响。相对于一些以进出水数据分析统计为基础的黑箱模型，其不仅能够模拟进出 水水质的相应变化，更重要的是它还能够模拟污染物的沿程降解过程。由此，我们不 仅可以了解b i c t 的最终处理效果，还能通过过程变量了解为什么会是这样的处理效 率，了解反应各阶段对污染物去除贡献的比例，了解反应过程中b i c t 工艺处理效率 的限制因素，从而可以非常明确地对控制运行方式进行调整。 本课题主要从如何构建b i c t 工艺系统模型的角度出发，形成整个建模的方法体 系，为后续模型的构建和模拟研究奠定了坚实的基础。 具体来说，构建实用的b i c t 模型在以下几方面具有实际意义： ( 1 ) 反应特性研究 利用构建的b i c t 动态模型，我们能够比较方便地调节其控制运行参数，灵活改 变运行工况，进一步探讨b i c t 的运行反应机理。 ( 2 ) 优化运行控制 采用b i c t 工艺动态模型，我们能够更好地了解b i c t 处理污水的反应过程；更 好地了解各污染物组分随时间的沿程降解规律；更好地了解各影响因素如何对最终的 处理效果产生影响；更好地了解污水处理的限制因素进而找到改善方法。 5 苏州科技学院硕士论文 第一章绪论 ( 3 ) 指导设计 通过对b i c t 的模拟研究，设计者可以从b i c t 的各运行控制条件中很快筛选出 最有效的方案，在保证处理效果的前提下，确定生物选择区、主反应区、沉淀池和生 物膜硝化区的大小尺寸及其各种关键运行参数。可利用b i c t 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；可通过模型寻求处理效 果不佳的解决方法，如改善水质、控制曝气量、调节污泥回流比、上清液回流比等等。 1 4 研究内容和技术路线 1 4 1 研究内容 为了开发出一个准确适用的数学模型使其能较好地模拟b i c t 生物处理工艺，本 课题详细介绍了b i c t 工艺系统模型构建的方法体系。具体来说，主要有以下几个方 面的研究工作。 ( 1 ) 通过文献阅读及整理，选择合适的模型构建平台 由于b i c t 工艺系统中包括活性污泥系统( 生物选择区和s b r ) 、生物膜反应系 统( 硝化区) 和沉淀池，各反应器及其生化反应类型不同，需要分别选择合适的模拟 开发平台。 国内外对活性污泥数学模型己经有了较多的研究进展，并且产生了不少数学模 型。本研究的第一部分内容就是了解国内外己有的活性污泥数学模型、生物膜模型和 沉淀池模型，分析比较它们的异同，综述了各类模型的发展及其在污水生物处理过程 控制中的应用情况。通过这些工作，进而选取合适的模型作为本模型构建平台。 ( 2 ) b ic t 整体工艺系统描述 宏观介绍b i c t 工艺各组成部分的主要功能，同时从建模的角度说明各部分建模 过程中涉及的主要问题。其中各个构筑物需要考虑的侧重点不同。比如：生物选择区 侧重描述磷的释放和有机物的水解；s b r 侧重描述有机物的降解、磷的吸收和反硝 化；沉淀池侧重描述颗粒性物质的迁移；生物膜硝化区主要描述自养菌的硝化作用。 ( 3 ) 探讨b i c t 各部分建模的问题、解决方法及数学实现方式 从连续运行系统和间歇运行系统两种类别分别探讨各反应器的建模方法。 b i c t 的建模包括生物选择区的建模、主反应区s b r 的建模、沉淀池的建模、生 物膜硝化区的建模以及各部分模型的衔接耦合，最终生成b i c t 工艺系统模型。其中， 生物选择区、沉淀池和生物膜硝化区属于连续运行系统，而主反应区是四个s b r 间 6 苏州科技学院硕十论文 第一章绪论 歇交替运行系统；生物选择区和s b r 属于悬浮活性污泥系统，而生物膜硝化区是附 着活性污泥系统；另外，沉淀池还具有其独特的沉淀描述方式。以上这些种种问题， 是本论文的讨论重点和核心内容。 1 4 2 技术路线 本文研究的技术路线如图1 - 2 。 图1 - 2 技术路线 f i g 卜。2t e c h n o i o g i c a ir o u t e - 7 - 苏州科技学院硕士论文 第二章污水处理系统数学模型的发展及应用 第二章污水处理系统数学模型的发展及应用 污水处理系统一般包括悬浮生长活性污泥法和附着生长生物膜法。长期以来，活 性污泥法受到了污水处理界很大的青睐，但同时也认识到其存在一些问题，如：聚磷 菌和反硝化菌对碳源的竞争、回流污泥中硝酸盐对厌氧释磷的影响、自养菌和异养菌 混合生长的泥龄矛盾等等。近年来，活性污泥生物膜共生复合式生物反应器受到越 来越多的重视，在一定程度上能够有效解决传统污水处理存在的问题，b i c t 就是一 个典型的双泥工艺。据此，本章分别介绍了活性污泥模型、沉淀池模型和生物膜模型 的发展和应用现状。 2 1 活性污泥模型的发展 活性污泥数学模型从表示细胞生长动力学方程出发，结合化工领域的反应器理论 与微生物学理论，对基质降解、微生物生长等各参数之间的数学关系做定量描述。 活性污泥模型经历了从简单拟合实验数据到采用经典的微生物生长动力学，进而 根据废水生物处理过程的特性进行过程动态分析、探索辨识建模的发展过程，实现了 从以指导活性污泥工艺设计，转变为研究活性污泥工艺的动态过程，并以实现系统的 高效率低能耗运行为主要目的。具体来说，活性污泥模型的发展经历了从传统静态模 型、传统动态模型到i w a 及其改进模型的发展历程。 2 1 1 传统活性污泥静态模型| i s j l l 6 1 1 1 7 i 传统的活性污泥模型研究始于2 0 世纪5 0 年代中期，其中具有代表性的有： e c k e n f e l d e r 等基于挥发性悬浮固体( v o l a t i l es u s p e n d e ds o l i d ，v s s ) 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 等基于活性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。这三种模型 所采用的是“生长衰减”机理。 e c k e n f e l d e r 、m i c k i n n e y 、l a w r e n c e m c c a r t y 模型具有共同的特点，即将系统区分 为两种组分：以b o d 5 等综合指标测定的可生物降解的有机物和以v s s 测定的活性微 生物体。这类模型都可用图2 1 所表示的生长衰减机理来描述。 静态模型将所描述的生物反应机理表示为两个过程：微生物的生长和衰减。生长 过程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而被氧化的作 用，因而包含了底物转化为微生物、氧的利用和微生物的增长等组分间的相互转化关 系；衰减是指微生物细胞通过自身氧化提供维持能的作用，包含了微生物量的减少和 氧的利用等转化关系。这实质上是采纳了h e r b e r t 提出的内源呼吸理论。这种生长- 衰 8 一 苏州科技学院硕士论文 第二章污水处理系统数学模型的发展及应用 减机理与经典微生物生长动力学是完全一致的。 qh 斜c o , q 2h 2 0 t c 0 2 底物s 生长么名活鞣生衰渚么；代警余 图2 - 1 “生长一衰减”机理示意图 fig 2 - 1 ”q r o w t h - d e c a y ”m e c h a n is i l ldia g r a m 2 1 2 传统活性污泥动态模型l 1 s i l l 6 u 1 7 1 传统静态模型因具有形式简单、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。然而，长期 实际应用经验表明，这种基于平衡态的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，应用到具有典型时变特性的活性污泥系统中时， 带来许多问题：不能解释和描述污水生物处理中常见的有机物“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和基质浓度减小时的瞬变 响应；无法精确模拟氧利用的动态变化；得出的出水基质浓度与进水浓度无关的结论 与实际情况不符；只考虑了有机碳的降解，没有考虑氮素营养物的降解及对耗氧量的 影响；都是对好氧降解过程的描述，没有描述缺氧条件下污染物的降解过程；无法模 拟实际水厂进水水质水量的波动等等。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。 具有代表性的动态模型主要有： 2 1 2 1a n d r e w s 模型 该模型采用“贮存代谢 机理，合理解释了有机物的“快速去除 现象，很好 的预测了实际中观察到的底物浓度增加时微生物增长速度变化的滞后现象和耗氧速 率的动态变化。 2 1 2 2w r c ( w a t e rr e s e a r c hc e n t e r ) 模型 该模型采用存活非存活细胞代谢机理，合理解释传统的m o n o d 动力学根据有机 物的去除预测生物生长时往往高于实际值的现象。 a n d r e w s 模型和w r c 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：一是微生物衰减按传统h e r b e r t 的内源 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。针对这两个问题，国际水污染与控制协会( i w a ) 9 苏州科技学院硕士论文第二章污水处理系统数学模型的发展及应用 于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 、1 9 9 5 和1 9 9 9 年陆续 推出3 套模型。 2 1 3i w a 模型嘲 i w a 系列模型是目前研究和应用最为广泛的活性污泥动态模型。其最显著的特 点是采用矩阵的形式来描述污水中各组分浓度的变化与各微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，方便计 算机编程，提高了模型的实际应用价值。 2 1 3 1 活性污泥1 号模型( a s m l ) i w a 首先于1 9 8 7 年推出了去除污水中碳和氮的活性污泥1 号模型( a s m l ) 。 a s m l 采用了d o l d 等人提出的死亡再生( d e a t h r e g e n e r a t i o n ) 的模型化方法，采用 “死亡再生 机理，体现了对代谢残余物的再利用。其机理如图2 2 所示。a s m l 包括了碳氧化、硝化和反硝化作用，首次把氮的去除纳入模型，以矩阵形式描述了污 水中好氧、缺氧条件下所发生的水解、微生物生长、衰减等8 种反应过程。模型中包 含1 3 种污染物特性组分、5 个化学计量学常数和1 4 个动力学参数。 该模型将水中的有机物划分为易生物降解和缓慢生物降解两大类，并以其存在形 态划分为溶解性和非溶解性底物，认为易于生物降解的有机物是唯一可为微生物生长 过程利用的底物，而非溶解性底物须先经过捕集、机械截留等途径被活性污泥吸附， 然后再在活性污泥细胞外水解成易降解的有机物，才能被生长过程利用。此外，模型 对活性污泥生物絮体的组成也作了定性划分。 缓慢 刀邴 生长 一1 冉。1 1 取1 仞阡 衰减 水解 代谢残余物 ， 1 | 水解 死亡 图2 - 2 “死亡一再生”机理示意图 fig 2 - - 2 ”d e a t h - r e n e w a ble ”h e c h a nis mdia g r a m 2 1 3 2 活性污泥2 号模型( a s m 2 ) a s m l 自推出以来便在污水处理研究各个领域得到了广泛应用，但它的缺陷是未 1 0 苏州科技学院硕士论文第二章污水处理系统数学模犁的发展及应用 包含污水中磷组分的去除。水体富营养化问题的日益突出，各国对磷制定了越来越严 格的排放标准。因而，a s m l 的功能缺陷与实际应用需求之间的矛盾日益突出，因而 限制了a s m l 的进一步使用。 针对此问题，i w a 专家于1 9 9 5 年推出了活性污泥2 号模型( a s m 2 ) ，a s m 2 沿 袭了a s m l 的矩阵形式和物质平衡两大特点，引入聚磷菌( p h o s p h o r u s a c c u m u l a t i n g o 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，包含了磷的吸收和释放，增加 了厌氧水解、酵解及与聚磷菌等有关的4 个反应过程，使其成为一个能够同时模拟 c o d 、n 和p 去除过程的动力学模型。因为生物除磷机理很复杂，所以a s m 2 比a s m l 庞大，它包含了1 9 种污染物特性组分、1 9 种反应过程、2 2 个化学计量系数及4 2 个 动力学参数。 由于后续b i c t 建模的需要，在此对a s m 2 模型作了详细介绍。 ( 1 ) a s m 2 组分的划分和定义 a s m 2 对污水中的有机物、含氮物质和含磷物质进行了详细的划分，模型用c o d 代替传统的b o d 5 来表示污水中有机物的含量和生物固体的含量。c o d 等价于供电 子能力，而电子不会创生也不会毁灭，这就为处理系统的物料平衡提供了可靠的途径。 a s m 2 模型将处理系统中的1 9 个组分分为两类：溶解态“s ，和