（环境工程专业论文）基于计算智能方法的活性污泥系统的模拟、评价和优化.pdf

一 、 1j 、 u 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 yo fc h i n a adi s s e r t a t i o nf o rd o c t o r sd e g r e e simul a t io n ，e v a lua t ionand o p t i mi z a t i ono ft h ea c t i v a t e d s l u d g es y s t e mb a s e d0 n 一 c o m p u t a t iona lin t e llig enc e a u t h o r sn a m e ： s p e c i a l i t y ： 一 叁i u p e r v s o r ： 1 _ o fm i s h e dt i m e ： 一一 f a n gf a n g e n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g p r o f h a n q i n gy u m a y , 2 0 0 9 中国科学技术大学学位论文原创性声明 本人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。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含任何他人已经发表或撰写 过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确 的说明。 作者签名：签字日期：型乏：兰：兰 中国科学技术大学学位论文授权使用声明 作为申请学位的条件之一，学位论文著作权拥有者授权中国科学技术大学拥 有学位论文的部分使用权，即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交 论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅，可以将学位论文编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。本人 提交的电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 口公开熬密( l 年) 作者签名：盘羞 签字日期：趟i ：垄 中国科学技术大学博士论文摘要 摘要 活性污泥法是目前广泛应用的废水生物处理技术。活性污泥系统由于进水水 量以及水质组成的显著变化而具有高度的复杂性和非线性特征，需要合适的方法 用于该系统的设计、控制与优化。本论文利用计算智能方法，并与活性污泥数学 模型相结合，分别建立了活性污泥系统的模拟模型，比较了好氧颗粒污泥与絮体 活性污泥系统的综合性能，构建了活性污泥系统的优化模型，为活性污泥系统的 实际运行提供理论依据和技术支持。主要研究内容和研究成果如下： 1 培养出富含p h b 的好氧颗粒污泥以及富含a o b 的硝化颗粒污泥。控制 进水浓度可以获得沉降性能良好、p h b 产率高的颗粒污泥；接种好氧颗粒污泥 可以快速培养出富含a o b 的硝化颗粒污泥，并实现s b r 反应器中稳定的短程硝 化和亚硝酸盐的积累。 2 建立了两步硝化活性污泥数学模型，确定硝化颗粒污泥中a o b 和n o b 的动力学参数。该模型除考虑硝化反应之外，还将维持过程和颗粒内部的氧气扩 散及基质传质考虑于其中；利用间歇实验得到了硝化颗粒污泥中a o b 和n o b 的动力学参数；该模型不仅可以模拟硝化颗粒污泥中a o b 和n o b 的耗氧速率 和氮转化动力学，还可以模拟基于硝化颗粒污泥反应器的运行工况。 3 基于模糊层次分析法和熵权法，建立了定量评价好氧颗粒污泥和活性污 泥絮体综合性能的数学模型。集合主观权重( 模糊层次分析法) 和客观权重( 熵权法) 的评价结果表明好氧颗粒污泥的综合性能优于活性污泥絮体；但由于颗粒粒径对 颗粒污泥有很大的影响，需要控制合适的粒径，以实现好氧颗粒污泥反应器的脱 氮除磷和长期稳定运行。 4 结合加权的非线性最小二乘法和加速遗传算法，建立了估算活性污泥存 储过程动力学参数的方法。将m o n o d 方程积分后，采用加权的非线性最4 , - 乘 法构建优化目标函数，然后用加速遗传算法优化目标函数，估算出活性污泥存储 过程动力学参数值。验证结果显示该方法可以快速、准确的估算出活性污泥存储 过程中的动力学参数，而且该方法还可用于其他废水生物处理过程动力学参数的 估算。 5 建立集成活性污泥数学模型3 号( a s m 3 ) 、生物磷模型、神经网络模型( n n ) 中国科学技术大学博士论文 摘要 和遗传算法( g a ) 于一体的数学模型用于模拟进水波动较大的污水处理厂运行工 况。即使在进水波动很大的情况下，该模型的模拟结果也与实验测定结果一致。 同a s m 模型和n n 模型相比，该集成模型可以捕捉足够的残差信息用于补偿结 构模型的不准确性，并提高n n 模型的外延能力。 6 基于加速遗传算法( a g a ) 的投影寻踪( p p ) 建立了多指标定量评价模型，用 于评价处理城市污水的正置a 2 0 工艺和倒置a 2 0 工艺。评价结果显示所建立的 评价模型可以定量地比较特定城市污水污水厂的正置a 2 0 工艺和倒置a 2 0 工艺。 该模型是解决多指标评价问题的有效工具。 7 构建了集成a s m 3 、生物磷模型、支持向量机模型( s v m ) 和a g a 算法于 一体的数学模型，用于优化同时脱氮除磷的a 2 0 工艺，获得了最优工艺条件， 使其在满足出水水质的同时可以节能降耗。本研究所建立的集成a s m 、生物磷 模型、s v m 和a g a 于一体的数学模型，是优化复杂生物系统，如活性污泥系统 的有效工具。 关键词：活性污泥；好氧颗粒；计算智能；模拟；评价：优化 u a b s t r a c t t h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si sb e i n g w i d e l yu s e df o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n t i ti s av e r yc o m p l i c a t e da n dn o n l i n e a rp r o c e s sb e c a u s eo ft h e v a r i a t i o n s o fi n f l u e n t w a s t e w a t e rf l o wa n dc o m p o s i t i o n s e s t a b l i s h m e n to fp r o p e rm o d e l si sn e c e s s a r yf o r t h ed e s i g n ，c o n t r o l ，o p e r a t i o na n do p t i m i z a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g es y s t e m s i nt h i s t h e s i s ，b a s e do nc o m p u t a t i o n a li n t e l l i g e n c ea n dc o m b i n e dw i t ha c t i v a t e ds l u d g em o d e l ( a s m ) ，s i m u l a t i o nm o d e l sw e r ee s t a b l i s h e df o rs i m u l a t i n ga c t i v a t e ds l u d g es y s t e m s ； e v a l u a t i o nm o d e l sw e r ed e v e l o p e df o rc o m p a r i n gt h eo v e r a l lc h a r a c t e r i s t i c s0 fa e r o b i c g r a n u l e sa n df l o e s ；a n do p t i m i z a t i o nm o d e l sw e r ea l s oc o n s t r u c t e do p t i m i z et h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n so fa c t i v a t e ds l u d g es y s t e m m a i nc o n t e n t sa n dr e s u l t sa l e 勰 f o l l o w s ： 1 p h b r i c ha e r o b i cg r a n u l e sa n da o b - r i c hn i t r i f y i n gg r a n u l e sw e r ec u l t i v a t e d s u c c e s s f u l l y t h r o u g hc o n t r o l l i n gt h ec o da n da m m o n i u mc o n c e n t r a t i o n si nt h e i n f l u e n t ，t h ep h b - r i c ha e r o b i cg r a n u l a rs l u d g ew i t hag o o ds e t t l i n ga b i l i t ya n da h i g h p h b y i e l dc o u l db eo b t a i n e d t h ed e v e l o p m e n to fa o b - r i c hn i t r i f y i n gg r a n u l e sb y i n o c u l a t i n ga e r o b i cg r a n u l e sc o u l db ea c c e l e r a t e d t h ec u l t i v a t e dg r a n u l e sw e r ea b l e t op e r f o r ms t a b l ep a r t i a ln i t r i f i c a t i o na n da c c u m u l a t en i t r i t ei na ns b r 2 at w o s t e pn i t r i f i c a t i o nm o d e lw a se s t a b l i s h e dt o d e t e r m i n et h e k i n e t i c p a r a m e t e r so fb o t ha o ba n dn o bi nn i t r i f y i n gg r a n u l e s i na d d i t i o nt on i t r i f i c a t i o n r e a c t i o n s ，t h em o d e la l s ot o o ki n t oa c c o u n tb i o m a s sm a i n t e n a n c ea n dm a s sn a n s f - e r i n s i d et h eg r a n u l e s w i t hb a t c he s p e r i e m e n t a lr e s u l t s ，t h ek i n e t i cp a r a m e t e r sw e r e o b t a i n e d t h ed e v e l o p e dm o d e lp e r f o r m e dw e l li ns i m u l a t i n gt h eo x y g e nu p t a k er a t e a n dn i t r o g e nc o n v e r s i o nk i n e t i c so ft h ea o b a n dn o bi nt h en i t r i f y i n gg r a n u l e sa n d l o n g t e r mp e r f o r m a n c eo ft h eg r a n u l e - b a s e dr e a c t o r 3 t h ef u z z ya n a l y t i c h i e r a r c h yp r o c e s sa n de n t r o p yw e i g h ta p p r o a c hw e r e i n t e g r a t e dt oq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t et h eo v e r a l lc h a r a c t e r i s t i c so fa e r o b i cg r a n u l e sa n d a c t i v a t e ds l u d g ef l o e s t h ee v a l u a t i o nr e s u l t sw i t ht h i si n t e g r a t e dm o d e ls h o wt h a tt h e o v e r a l lc h a r a c t e r i s t i c so fa e r o b i cg r a n u l e sw e r eb e t t e rt h a nt h o s eo ff l o c s d u e t o 中国科学技术大学博士论文 a b s t r a c t s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo fs i z eo na e r o b i cg r a n u l e s ，t h ec o n t r o lo fg r a n u l es i z ew a s b e n e f i c i a lt ot h es i m u l t a n e o u sn i t r i f i c a t i o n ，d e n i r e i f i c a t i o na n dp h o s p h a t er e m o v a la n d e s s e n t i a lf o r t h el o n g - t e r ms t a b i l i t yo fg r a n u l e - b a s e dr e a c t o r s 4 t h ew e i g h t e dn o n l i n e a r l e a s t - s q u a r e sa n a l y s i s a n da c c e l e r a t i n g g e n e t i c a l g o r i t h mw e r ei n t e g r a t e dt oe s t i m a t et h ek i n e t i cp a r a m e t e r so fs u b s t r a t ec o n s u m p t i o n a n ds t o r a g ep r o d u c tf o r m a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g e t h ew e i g h t e dl e a s t - s q u a r e s a n a l y s i sw a se m p l o y e dt oc o n s t r u c tt h eo b j e c t i v ef u n c t i o nb yi n t e g r a t i n gm o n o d e q u a t i o n ，a n d t h e k i n e t i cp a r a m e t e r sw e r eo b t a i n e db ym i n i m i z i n gt h eo b j e c t i v e f u n c t i o nu s i n ga c c e l e r a t i n gg e n e t i ca l g o r i t h m t h ev a l i d i t yr e s u l t ss u g g e s tt h a tt h i s a p p r o a c hc o u l de v a l u a t e t h e p r o d u c tf o r m a t i o nk i n e t i c s o fm i x e dc u l t u r e sl i k e a c t i v a t e ds l u d g er a p i d l ya n da c c u r a t e l y , a n di tc o u l db ea p p l i e df o ro t h e rb i o l o g i c a l w 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 5 a n i n t e g r a t e dd y n a m i c m o d e lw a sd e v e l o p e dt h r o u g h c o m b i n i n g a m e c h a n i s t i cm o d e l ，an e u r a ln e t w o r km o d e la n dag e n e t i ca l g o r i t h ma p p r o a c h ，i n o r d e rt os i m u l a t et h ep e r f o r m a n c eo faf u l l s c a l em u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t w i t hs u b s t a n t i a l i n f l u e n tf l u c t u a t i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l t sm a t c h e dt h em e a s u r e d o n e so ft h ep l a n tw e l l ，e v e nu n d e ri n f l u e n td i s t u r b a n c ec o n d i t i o n s c o m p a r e dw i t ht h e m e c h a n i s t i cm o d e la n dt h en e u r a ln e t w o r km o d e l ，t h ei n t e g r a t e dm o d e lw a sa b l et o c a p t u r es u f f i c i e n tr e s i d u a li n f o r m a t i o n t oc o m p e n s a t ef o rt h e i n a c c u r a c yo ft h e m e c h a n i s t i cm o d e la n di m p r o v et h ee x t r a p o l a t i v ec a p a b i l i t yo ft h en e u r a ln e t w o r k m o d e l 6 a ne v a l u a t i o nm o d e lw a sd e v e l o p e dt h r o u g hp r o j e c t i o np u r s u i tm e t h o db a s e d o na g at oq u a n t i t a t i v e l ye v a l u a t et h ea 2 0a n dr e v e r s e da 2 0p r o c e s s e s t h er e s u l t s s h o wt h a tt h ee v a l u a t i o nm o d e lc o u l dq u a n t i t a t i v e l yc o m p a r et h e a 0 a n dr e v e r s e d 心0p r o c e s s e sf o rt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tt h i se v a l u a t i o nm o d e lw a s d e m o n s t r a t e dt ob ea ne f f e c t i v ea n du s e f u lt o o lt oq u a n t i t a t i v e l yr e s o l v et h e m u l t i - f a c t o re v a l u a t i o np r o b l e m s 7 a ni n t e g r a t e dm o d e lt h r o u g hi n c o r p o r a t i n gam o d i f i e dv e r s i o no fa s m 3a n d t h ee a w a gb i o pm o d u l e ，s u p p o r tv e c t o rm a c h i n ea n da c c e l e r a t i n gg e n e t i c a l g o r i t h mw a se s t a b l i s h e dt os i m u l a t ea n do p t i m i z et h es i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sr e m o v a li na na 2 0s y s t e mi naw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t w i t ht h e i n t e g r a t e dm o d e l ，t h eo p t i m a lo p e r a t i n gc o n d i t i o n sw e r ef o u n da f t e rc o n s i d e r i n gt h e e f f l u e n tq u a l i t ya n dc o s t s a v i n g t h ei n t e g r a t i o no ft h em e c h a n i s t i cm o d e l ，s u p p o r t v e c t o rm a c h i n em o d e la n da c c e l e r a t i n gg e n e t i ca l g o r i t h ma p p r o a c he s t a b l i s h e di no u r w o r kw a sf o u n dt ob ea ne f f e c t i v ea n du s e f u lt o o lt oo p t i m i z ec o m p l e xb i o l o g i c a l s y s t e m sl i k et h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s k e y w o r d s ：a c t i v a t e d s l u d g e ；a e r o b i cg r a n u l e ；c o m p u t a t i o n a l i n t e l l i g e n c e ； s i m u l a t i o n ；e v a l u a t i o n ；o p t i m i z a t i o n v 中国科学技术大学博士学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 目录v i 第一章文献综述一l 1 1 废水生物处理1 1 1 1 概j 苤1 1 1 2 活性污泥法1 1 1 3 好氧颗粒污泥4 1 1 4 活性污泥数学模型5 1 2 计算智能方法5 1 2 1 人工神经网络6 1 2 2 支持向量机8 1 2 - 3 遗传算法l o 1 2 4 加速遗传算法l l 1 2 5 模糊层次分析法1 2 1 2 6 投影寻踪方法1 3 1 3 活性污泥系统中计算智能方法的研究现状1 4 1 3 1 活性污泥系统模拟预测的研究现状1 4 1 3 2 活性污泥系统评价决策的研究现状1 5 1 3 3 活性污泥系统建模优化的研究现状1 6 1 4 研究的目的、意义和主要内容1 7 1 4 1 研究目的和意义1 7 1 4 2 主要内容18 参考文献1 9 第二章好氧颗粒污泥的培养、模拟与评价2 5 2 1 概述2 5 2 2 好氧颗粒污泥的培养2 5 2 2 1 富含p h b 好氧颗粒污泥的培养2 6 2 2 2 富含a o b 硝化颗粒污泥的培养3 3 2 3 硝化颗粒污泥的模拟3 8 2 3 1 模型建立3 8 2 3 2 材料与方法4 0 v i 中国科学技术大学博士学位论文 目录 2 3 3 结果与讨论一4 4 2 4 好氧颗粒污泥的评价5 2 2 4 1 评价模型的建立一5 2 2 4 2 结果与讨论5 9 2 5 小结6 4 参考文献6 5 第三章活性污泥存储过程的动力学分析及活性污泥系统的模拟7 0 3 1 概j 盎7 0 3 2 活性污泥存储过程的动力学分析7 0 3 2 1 活性污泥存储过程动力学参数估计模型的建立7 0 3 2 2 材料与方法一7 2 3 2 3 结果与讨论7 3 3 3 活性污泥系统的模拟8 l 3 3 1 模型的建立8 l 3 3 2 材料与方法8 4 3 3 3 结果与讨论一9 l 3 4 小结9 7 参考文献9 7 第四章城市污水处理活性污泥系统的评价一1 0 0 4 1 概述10 0 4 2 活性污泥系统评价模型的建立= 1 0 0 4 3 材料与方法1 0 4 4 3 1 污水处理厂1 0 4 4 3 2 分析测试与计算1 0 5 4 4 结果与讨论1 0 5 4 4 1 评价指标的确定1 0 5 4 4 2 评价模型的建立1 0 6 4 4 3 标准评价样本个数对评价模型的影响1 1 0 4 4 4 评价结果11 0 4 4 5 正置a 2 0 工艺和倒置a 2 0 工艺的比较11 1 4 5 小结一1 1 2 参考文献一11 2 第五章活性污泥系统的优化11 4 5 1 概述一“4 中国科学技术大学博士学位论文 目录 5 2 活性污泥系统优化模型的建立1 1 5 5 3 材料与方法l l7 5 3 1 污水处理厂1 1 7 5 3 2 污水性质1 17 5 3 3 分析测试和计算1 2 4 5 4 结果与讨论1 2 4 5 4 1 废水性质1 2 4 5 4 2 结构模型模拟结果1 2 4 5 4 3 操作条件对出水水质的影响1 2 5 5 4 4s v m 模型1 2 7 5 4 5a g a 优化1 2 8 5 5 小结1 3 0 参考文献。1 3 0 第六章结论1 3 2 致谢1 3 4 攻读博士学位期间的学术论文1 3 5 v i i i 中国科学技术大学博士论文 第一章文献综述 第一章文献综述 1 1 废水生物处理 1 1 1 概述 随着工业化进程和人口的不断增加，水污染问题日趋严重，已经成为威胁人 类健康和加速生态恶化的重要因素，越来越引起人们的广泛重视。废水中的有机 物、氮和磷等营养物质是造成水污染最主要的污染物，它们会使水域变质发黑发 臭并造成水体中植物和藻类过度生长，引起水体富营养化。一般来说，生物处理 方法是去除废水中有机污染物最经济和最有效的方法。废水的生物处理是利用微 生物生命过程中的新陈代谢活动，将废水中呈溶解和胶体状态的有机污染物分解 为简单的无机物等无害物质，从而去除水体中的有机污染物，使废水得以净化的 过程【1 翻。 活性污泥法是应用最广的一种城市污水和工业污水生物处理工艺。活性污泥 法自1 9 1 4 年由英国的a r d e r n 和l o c k e t t 创始以来，迄今近1 0 0 年的历史。随着 实际运行经验的积累和科学技术的发展，活性污泥法亦不断地改进和发展。在城 市污水和一些工业废水的处理中，特别是在处理规模较大的场合，活性污泥法已 经成为废水生物处理方法的主体。此外，人们还在其集成上开发了多种更经济、 处理功能更强、运行更为稳定的活性污泥处理工艺【】。 1 1 2 活性污泥法 活性污泥法是采用人工曝气的手段，使栖息有大量微生物群的絮体污泥分散 并悬浮于反应器中，与废水充分接触；在有溶解氧的条件下，微生物利用废水中 所含的有机物，进行同化合成和异化分解的代谢活动。在此过程中，有机物质得 以降解、去除，同时不断合成新的微生物，表现为活性污泥量的不断增长【1 ，4 1 。 活性污泥是活性污泥处理系统中的主体作用物质，在其上面栖息着具有强大 生命力的微生物群体。活性污泥微生物群体以好氧细菌为主，也存在着真菌、放 线菌、酵母菌及原生动物、后生动物等微型动物，这些微生物群体在活性污泥上 中国科学技术大学博士论文第一章文献综述 组成了一个相对稳定的微生态系统。在微生物群体新陈代谢的功能下，使活性污 泥具有将有机污染物转化为稳定的无机物质的活力。普通的活性污泥外观呈黄褐 色絮绒颗粒状，尺寸一般介于o 0 2 0 2m m 之间。活性污泥具有较大的表面积， 有很高的含水率，但其密度比水略大，可以通过重力沉降与水分离，从而得到清 洁的出水【4 】。 活性污泥在曝气过程中，对有机物去除大致可分为初期吸附和微生物代谢两 个净化阶段：在吸附阶段，主要是污水中的有机物转移到活性污泥上去，这种初 期高速去除现象是由物理吸附和生物吸附交织在一起的吸附作用产生的。由于活 性污泥具有巨大的表面积，在其外部覆盖着多糖类的粘性物质，与污水接触时， 污水中呈悬浮和胶体状态的有机物被活性污泥所凝聚和吸附而得到去除。在微生 物代谢阶段，主要是转移到活性污泥上的有机物为微生物所利用。被吸附在微生 物细胞表面的小分子有机物，在透膜酶的作用下，直接通过细胞壁进入微生物细 胞体内；而大分子有机物则在胞外水解酶的作用下，被水解成小分子后进入细胞 体内。进入细胞内的有机物，在各种酶的催化作用下，微生物对其进行分解代谢 和合成代谢，一部分有机物进行氧化分解，最终形成c 0 2 和h 2 0 等稳定物质， 并从中获取合成新细胞物质所需要的能量；另一部分有机物被微生物利用，形成 新的细胞【4 j 。 活性污泥法常见的工艺形式有普通活性污泥工艺、氧化沟工艺和a b 工艺等 常规二级生物处理技术，但是这些工艺多是以去除有机物( c o d 、b o d ) 和悬浮固 体( s s ) 为主 1 ，4 棚。随着新的排放标准对出水氮磷的要求，新的污水处理工艺，如 序批式活性污泥工艺( s b r ) 、厌氧缺氧好氧工艺( a 2 0 ) 等不断涌现，这些工艺在 去除有机物和悬浮固体的同时，也可以达到脱氮除磷的要求【i 6 】。 s b r 是活性污泥法的一种新的运行方式，它是采用间歇曝气方式来运行的 污水生物处理系统，通过主要反应器一曝气池的运行操作实现。曝气池的运行操 作是由进水、反应、沉淀、排放和闲置等5 个工序组成，这5 个工序都在曝气池 这一个反应器内进行实施【l 7 1 。由于s b r 灵活的运行方式，可以实现脱氮除磷的 目的。在进水初期，池内残留的硝酸盐在有机物存在的条件下被还原；在曝气阶 段，在硝化细菌的作用下，污水中含有的氨氮被氧化成亚硝酸盐或者硝酸盐；在 沉降和排水阶段，产生的部分亚硝酸盐、硝酸盐经过反硝化过程被还原成氮气而 2 中国科学技术大学博士论文 第一章文献综述 从系统中去耐8 9 1 。由于s b r 系统可以方便的满足厌氧、缺氧和好氧条件，使得 生物除磷成为可能。在厌氧条件下，聚磷菌会水解体内的多聚磷酸盐，部分形成 a t p 以提供生长所需的能量，另一部分释放到细胞外，在一些产酸菌的作用下转 变成正磷酸盐，从而使自身处于缺磷状态。待进入好氧阶段，处于饥饿状态的聚 磷菌会大量吸收磷，即磷的过量吸收。通过厌氧好氧交替过程中聚磷菌过量摄取 磷形成高磷污泥，以剩余污泥的排放将磷从系统中排出，即可实现除磷功能【9 1 。 此外，由于s b r 间歇进水间歇曝气的运行方式，使得利用s b r 培养富含生 物塑料0 0 l y h y d r o x y a l k a a o a t e p h a s ) 的活性污泥成为可能【1 0 1 1 1 。s b r 反应器中的 微生物处于底物丰富底物匮乏交替循环( f e a s t f a m i n ec y c l e ) 的非稳态生长状态， 当底物充分时，微生物可以在增长的同时将外部碳源以p h a s 的形式存储在微生 物体内，当底物匮乏时p h a s 则被分解以获取能量和碳源【1 2 】。虽然纯种技术生产 p h a s 的产率较高，但是由于需要灭菌消毒，使得其生产成本较高，不具备市场 竞争优势。而采用活性污泥法合成p h a s ，由于原料来自有机废物或者废水，降 低了生产成本，同时还满足了污水处理的要求【1 3 l 。 a 2 0 工艺也是活性污泥法脱氮除磷的典型工艺，一般包括厌氧区、缺氧区、 好氧区以及二沉池。a 2 0 工艺脱氮除磷的基本原理为：从初沉池流出的污水首先 进入厌氧区，系统回流污泥中的兼性厌氧发酵菌将污水中的可生物降解有机物转 化为v f a 等小分子发酵产物，聚磷菌也将释放菌体内存储的聚磷酸盐，同时释 放能量，其中部分能量供专性好氧的聚磷菌在厌氧抑制环境下生存，另一部分能 量则供聚磷菌主动吸收类似v f a 等发酵产物，并以p h a 形式在菌体内贮存起来。 在厌氧区停留足够时间后，污水污泥混合液进入缺氧区。此时，反硝化细菌利用 从好氧区中经混合液回流而带来的大蠡；：硝酸盐，以及污水中可生物降解的有机物 进行反硝化，达到同时去除有机物和脱氮的目的。在好氧区，聚磷菌除了吸收和 利用污水中残留的部分可生物降解有机物外，其主要的反应是分解体内贮存的 p h a 并释放能量，用于菌体生长和主动吸收周围环境中的溶解性磷，这些被吸 收的溶解性磷在聚磷菌体内以聚磷酸盐形式存在。聚磷菌的正常释磷和过量吸磷 的反复使得污水中的溶解性磷浓度大大降低。硝化细菌在好氧条件下将污水中的 氨氮氧化成为亚硝酸盐和硝酸盐。在二次沉淀池之前，大量的回来混合液将把产 生的硝酸盐代入缺氧区进行反硝化脱氮，而在沉淀池絮凝浓缩的污泥，一部分回 中国科学技术大学博士论文第一章文献综述 流至厌氧区继续参与释磷并保持系统活性污泥浓度，另一部分则携带过量吸收磷 的聚磷菌以剩余污泥的形式排出系统【6 ，j 4 】。 倒置a 2 0 工艺是上个世纪九十年代中叶发展起来的一种脱氮除磷工艺，与 传统的a z o 工艺最根本的区别是把缺氧段提前，在碳源上，变优先满足微生物 释磷为优先满足微生物脱氮【1 5 】。倒置a 2 0 工艺的基本原理为：进入生化反应系 统的污水和循环污泥一起进入缺氧区，污泥中的硝酸盐，在反硝化的作用下进行 反硝化反应，将硝酸盐转化为氮气，实现了系统的前置脱氮。在不同进水方式下， 系统进水全部或大部分直接进入缺氧区，优先满足了反硝化的碳源要求，故提高 了处理系统的脱氮效率。污泥经过缺氧反硝化以后进入厌氧区，避免了硝酸盐对 厌氧环境的不利影响。在厌氧区，聚磷菌将污水中的碳源转化为p h a 等储能物 质积聚吸磷动力。倒置a 2 0 工艺好氧区的功能同a 2 0 工艺。由于倒置a 2 0 工艺 中厌氧区和缺氧区互置，使得该工艺的污泥回来系统与混合液内循环系统合二为 一，流程简洁，便于管理，节省了基建投资和运行费用【1 6 - m 。 1 1 3 好氧颗粒污泥 好氧颗粒污泥是生物处理工艺中一种特殊的污泥微生物组织结构形式，它是 活性污泥微生物在好氧环境条件下通过自凝聚作用，最终形成的结构紧凑、外形 规则的生物聚集体 1 8 2 3 1 。好氧颗粒污泥的泥水分离性能较好，在反应器中能实现 较高浓度的污泥截留和多样的微生物种群，从而提高了反应器的容积负荷和抗负 荷冲击能力；优良的沉降性能可以减少剩余污泥量，有效地缩小二沉池的体积， 减少污水处理厂的占地面积；此外，好氧颗粒污泥还具有同时去除有机物和氮、 磷等营养物质的优点【粥5 】。 好氧颗粒污泥呈球形或者椭球形，具有清晰的轮廓【2 1 ，3 6 1 ，其平均直径介于 o 2 5 0m m 之剐3 7 1 。颗粒污泥的容积指数( s ) 一般都低于5 0m l g 3 8 , 3 9 ，颗粒污 泥的沉速与其尺寸和结构密切相关，其值约为3 0 7 0m h 。此外，好氧颗粒污泥 表面呈现的疏水性能促进细胞间的亲和和自固定，进而形成其间联结【删。由于 好氧颗粒污泥微生物的多样性，在不同的操作条件下，针对不同的目标体系，可 以培养出不同微生物种群的好氧颗粒污泥 4 1 , 4 z 。 4 中国科学技术大学博士论文 第一章文献综述 1 1 4 活性污泥数学模型 在众多的废水生物处理工艺中，活性污泥法凭借其较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。经过近百年的发展，活性污泥 法不仅可以去除有机碳，还能去除营养物质氮和磷。由于污水组分和活性污泥法 过程的复杂性，必须开展数学模型的研究，从而更加深刻的认识所研究现象的规 律。数学模型有助于描述和理解活性污泥系统的动态变化和对各水质的影响，可 以指导实际的生产运行，将模型和控制理论与方法结合起来，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重要理论意义和使用价值的重 要工具【4 3 1