（环境工程专业论文）活性污泥数学模型在济南水质净化二厂工艺优化改造中的模拟研究.pdf

【 t 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。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 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：嗌! 当 日期：丝! ! ：! 兰! 鱼 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留或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；本人授权山东大学可以将本学位论 文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：越导师签名： 论文作者签名： 幼：墨缍z 导师签名：日期：之! 竺：! 兰：( ) 三 。 山东人学硕上学位论文 目录 摘! i j 1 第一章绪论1 1 1 研究背景1 1 2 济南水质净化二厂2 1 3 活性污泥数学模型：4 7 3 7a s m 赛列禊垄7 筒分4 7 3 2 国力缈数学镆哩缯蝴4 飞。3 。3 基于a s 柚数学模型开发的商业软件6 1 4 研究目的、意义和内容7 1 4 1 历院且的7 1 4 2 僦莺义7 7 4 3 励嗳髂8 第二章设施评估和分析1 1 2 1 设备检查和评估1 1 2 7 7 勉理r 老勰77 2 7 2 厂- 区掌雕看77 2 7 3 污掀理构耱铹惭一7 2 2 2 历史运行数据2 0 2 3 污水变化预测2 2 第三章数据收集和分析2 3 3 1 数据采集方案和实施方法2 3 3 1 生物反应池内d o & s s 变化趋势初步分析2 3 3 - 7 2 日劳厥拗析2 3 3 7 3 麟群) 复窘及翅燃2 4 3 7 4a b a m 黝粉2 5 3 7 5 长筋塌黝祝2 6 3 7 6 分析方法2 7 3 2 结果分析讨论2 7 3 2 7 帽分析一2 7 3 2 2 石歹毒嬲撕2 8 3 2 3 芏物必理掌元d o ，m s s 分椭分抚3 2 3 2 4 考鬃獗咧鳓黝抚一3 2 3 2 4 1 总进水水质分析3 2 3 2 4 2 厌氧池出水分析3 7 3 2 4 3 氧化沟出水分析3 9 3 2 4 4 二沉池出水分析4 3 3 2 4 5 回流污泥及污泥脱水滤液分析4 6 3 2 5 长筋场璃镁黝祝4 6 3 2 6 a b a m 栅一4 8 山东大学硕士学位论文 第四章建立模型5 3 4 1 模型配置5 3 4 2 模型开发一5 4 4 2 7 黝孚面布重“ 4 2 2 数黝输九5 6 4 2 3 禊望绣谫陷锄站兢5 7 4 2 4 模型黝：5 9 4 2 5 镆嘲牒彩黜61 4 3 模型校准6 2 第五章优化预测6 7 5 1 优化预测方案6 7 5 2 模拟过程控制一7 0 5 2 7 篪墨俐7 0 5 2 - 2 游箨氧控制一77 5 3 模拟过程分析7 2 5 3 7 麟霞甜芗翟变纪7 3 5 3 。2 氧氯嘏变纪一7 3 5 3 3 腧：据变纪7 4 5 4a 2 o 工艺7 4 5 4 11 0 、m l s s5 0 0 0m g l ，i r q3 0 0 。进水量较大。7 5 5 4 21 0 、m l s s5 0 0 0m g l ，i r q3 0 0 ，进水量较平均8 0 5 4 32 0 口，m l s s3 5 0 0m g l ，i r q2 0 0 8 5 5 4 42 0 口，肌s s4 0 0 0m g l ，i r q2 0 0 9 0 5 4 53 0 口，m l s s3 0 0 0m g l ，i r q2 0 0 9 4 5 5m l e 工艺9 8 5 5 飞1 0 、m l s s5 0 0 0m g l 。r a s2 0 0 。进水量较小9 9 5 5 21 0 、m l s s5 0 0 0m g l ，r a s2 0 0 ，进水量较大、0 4 5 5 32 d 、眦s s3 5 0 0m g l ，r a s2 0 0 7d 9 5 5 43 0 口、肌s s3 0 0 0m g l ，r a s2 0 0 口d o 773 5 64 段b a r d e n p h o 工艺( a o a o 工艺) 1 18 5 6 77 d 、m s s4 0 0 0m g l 、i r q2 0 0 779 5 6 22 d 口、m l s s3 5 0 0m g l 、i r q2 0 0 7 2 4 5 6 33 0p 、肌s s3 0 0 0m g l 、i r q2 0 0 7 2 8 5 7 结果对比13 4 5 8 意见及建议13 6 第六章技术总结13 7 参考文献13 9 附录14 3 1 改谢14 6 - 山东大学硕士学位论文 摘要 济南水质净化二厂是中国光大水务投资有限公司在济南以t o t 模式运营的 大型污水处理厂，采用双沟交替式d e 型氧化沟工艺，具有一定的脱氮除磷能力， 处理出水达到国家二级排放标准，并且除总氮外的各项指标基本达到城镇污水 处理厂污染物排放标准( g b1 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的一级b 标准。但是，由于配合南 水北调工作，小清河沿岸的污水排放标准将不断提高，济南水质净化二厂的出水 水质标准也将进一步提高，要达到一级a 排放标准。 针对以上问题，通过调查污水处理厂的设备运行、进水水质、水量、出水水 质、活性污泥降解性能等情况，全面评估污水处理厂目前运行状况。根据调查的 工艺运行参数，在不增加任何基础设施或不扩建生物池的情况下，利用 h y d r o m a n t i s 公司开发的活性污泥2 号模型a s m 2 d 计算机模拟软件g p s x ，为 济南市水质净化二厂目前的处理工艺建立了一套活性污泥模型。 为了提高污水处理厂脱氮除磷功能，使其能够满足一级a 排放标准，将d e 氧化沟工艺进行升级改造。本文主要考虑三种工艺a 2 o 工艺、m l e 工艺和 4 段b a r d e n p h o 工艺的改造研究，并通过数学模型对3 种工艺的运行情况进行了 模拟分析，考虑了不同的温度条件l o c 、2 0 ( 2 、3 0 c ，不同进水量等1 2 种运行 工况。模拟结果表明：( 1 ) 在污水厂现有的进水水量和进水水质情况下，不改变 原有的生物池设施，仅改变处理工艺或运行模式，出水水质不能完全满足一级a 的排放标准。所有工艺模拟方案条件中，t p 的去除均不能满足一级a 或一级b 的排放标准。( 2 ) 济南水质净化二厂如果采用传统的a 2 o 或m l e 工艺运行模 式，在进水水量较为平均的情况下，出水水质除t p 外均能满足一级a 排放标准； s s 、t n 的去除受进水水量影响，波动较大。4 段b a r d e n p h o 工艺仅在高温条件 下，出水水质除t p 外能达标排放。( 3 ) 影响济南水质净化二厂不能达标的关键 因素是t p 去除率低。 本研究将为济南水质净化二厂远期的工艺升级和改造方案提供技术依据，经 过工艺优化，通过模型模拟，使污水厂的出水水质满足新的排放标准，或降低运 行费用，或增加处理水量。 关键词：城市污水处理厂，d e 氧化沟工艺，工艺优化改造，活性污泥2 d 模型， 生物脱氮除磷 a b s t r a c t 砌ps e c o n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti nj i n a nc i t y ，w h i c hi si n v e s t e db y c h i n ae v e r b r i g h tw a t e ri n v e s t m e n tl i m i t e d , i sal a r g ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tt h a t i so p e r a t e di nt o tm o d e l i ta d o p t e dd eo x i d a t i o nd i t c hp r o c e s s ，w i t hac e r t a i n d e g r e eo fn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lc a p a b i l i t i e s t h et r e a t e dw a t e rq u a l i t yi s u pt ot h es e c o n dl e v e lo fn a t i o n a le m i s s i o ns t a n d a r d sw h i l et h ei n d i c a t o r se x c e p tt h e t o t a ln i t r o g e nc a nm e e tt h ed e m a n d so fu r b a ns e w a g et r e a t m e n tp l a n tp o l l u t a n t e m i s s i o ns t a n d a r d s ( 6 b1 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) f o rabs t a n d a r d h o w e v e r , i no r d e rt o c o o r d i n a t es o u t h - t a - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t , t h ee m i s s i o ns t a n d a r d sa l o n g s i d e l i t t l eq s i n gr i v e ri st oi n c r e a s eg r a d u a l l y s ot h ee f f l u e n tq u a l i t yo ft h es e c o n d w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti nj i n a na 纱w i l la l s ob ef u r t h e ri m p r o v e dt oa c h i e v ea l l ae m i s s i o ns t a n d a r d t os o l v et h ea b o v ep r o b l e m ，w ec o m p r e h e n s i v e l ye v a l u a t e dt h ec u r r e n tr u n n i n g c o n d i t i o no fs e w a g ep l a n t , t h r o u g hs u r v e y e dt h es i t u a t i o no fe q u i p m e n to p e r a t i o n ， w a t e rq u a l i t y , w a t e rf l o w , a n dt h ed e g r a d a t i o na b i l i t yo fa c t i v a t e ds l u d g e a c c o r d i n gt o t h es u r v e yp r o c e s so p e r a t i n gp a r a m e t e r s ，w eb u i l ta l la c t i v a t e ds l u d g em o d e lo ft h e c u r r e n tt r e a t m e n tp r o c e s sf o rt h es e c o n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti nj i n a nc i t y w i t h o u ta d d i n ga n yi n f r a s t r u c t u r eo re x t e n d i n gm e a s u r e m e n to f b i o p 0 0 1 i no r d e rt oi n c r e a s et h e e 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 a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ，t h ed eo x i d a t i o nd i t c hp r o c e s sw a sr e t r o f i t t e d ，m a k i n g s u r ei tc a nm e e ta ne m i s s i o ns t a n d a r d i nt h i ss t u d y , w em a j o r l yc o n s i d e r e dt h r e ek i n d s o fp r o c e s sm o d i f i c a t i o n ，m ea 2 op r o c e s s ，m l ep r o c e s sa n db a r d e n p h ot e c h n o l o g y t h eo p e r a t i n gs i m u l a t i o no ft h r e ep r o c e s s e sw a sa n a l y z e db ym a t h e m a t i c a lm o d e l ， a n d t a k i n gi n t oa c c o u n t12k i n d so f d i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n s ，i n c l u d i n g10 ，2 0 ，3 0 ，a n dd i f f e r e n tw a t e rf l o w s i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w e dt h a t ：( 1 ) i nt h ec u r r e n t w a t e rq u a n t i t ya n dw a t e rq u a l i t ys i t u a t i o n ，w i t h o u tc h a n g i n gt h eo r i g i n a lb i o p o o l f a c i l i t i e s ，o n l yt oc h a n g et h et r e a t m e n tp r o c e s so rt h eo p e r a t i o nm o d e ，t h ew a t e r q u a l i t yo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tc a nn o tf u l l ym e e tt h ea na e m i s s i o ns t a n d a r d t pr e m o v a lc a nn o ts a t i s f yao rbe m i s s i o ns t a n d a r di na l lc o n d i t i o n so fp r o c e s s s i m u l a t i o np r o g r a m s ( 2 ) i fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ta d o p tt h ec o n v e n t i o n a la 2 o ， o rm l e p r o c e s s ，t h ew a t e rq u a l i t yi n d e xe x c e p tt pc a nm e e ta e m i s s i o ns t a n d a r d ，i n t h ec a s eo fw a t e ri n f l o wm o r ee v e n l y ；a n dt h er e m o v a lo fs s ，t nw a si m p a c tb yt h e w a t e rq u a n t i t y t h ew a t e rq u a l i t ye x c e p tt po f4b a r d e n p h op r o c e s sc a nm e e ta 2 t - s f - 一一一_ e m i s s i o ns t a n d a r d ，o n l yi nt h eh i g h t e m p e r a t u r ec o n d i t i o n s ( 3 ) t h ek e y f a c t o r sw h i c h m a d et h ew a s t e w a t e rn o tm e e te m i s s i o ns t a n d a r di st h el o w r e m o v a lo f t p t h es t u d yw i l lp r o v i d et e c h n i c a lp r o o f sf o rt h el o n g - t e r mp r o c e s su p g r a d i n ga n d r e n o v a t i o np r o j e c to ft h es e c o n dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t 扬j i n a nc f 秒t h e s e w a g ep l a n te f f l u e n tq u a l i t yw i l lb ea b l et om e e tt h en e we m i s s i o ns t a n d a r d st h r o u g h p r o c e s so p t i m i z a t i o n0 rm o d e ls i m u l a t i o n a d d i t i o n a l l y , i tm a yl o w e ro p e r a t i n gc o s t s o ri n c r e a s et h eh a n d l i n gv o l u m e k e yw o r d s ：m 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 ，d eo x i d a t i o nd i t c h ，o p t i m i z i n g a n d u p g r a d i n go fp r o c e s s ，a c t i v a t e ds l u d g em o d e l sn o 2 d ，b i o l o g i c a lr e m o v a lo f p h o s p h o r u sa n dn i t r o g e nc o m p o u n d 3 fjilfliilljljljlijjijljljlllilllilililili 山东人学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 社会生产的增加、人口的增长和城市化进程的加快，不仅消耗了大量的水资 源，而且还向环境中排放了大量的污染物，从而使水环境呈现出“水资源短缺、 污染严重、浪费惊人”的现状【l 】。水资源条件对一个地区的城市发展规模、城市 功能和城市布局有决定性的影响，水资源不足和水环境恶化已成为经济可持续发 展的严重障碍，是制约城市发展的一个焦点问题【2 一钉。因此，采取有效措施保护 城市可利用的水资源已成为迫在眉睫的问题。 目前，建造污水处理厂被证明是解决城镇水污染的一条有效途径1 5 】。我国多 数城镇均建有污水处理厂进行污水处理，其中8 0 以上的污水处理厂采用活性污 泥法，其余采用一级处理、强化一级处理、生物膜法、稳定塘法及土地处理法等 【6 】。活性污泥法就是水体自然净化的人工强化法，将空气连续输入污水中，经过 一段时间后，水中形成含有大量好氧微生物的絮凝体一活性污泥。活性污泥上 的微生物以有机物为食料，获取能量并不断生长繁殖，从而使有机物得以去除， 污水得到净化【r 7 j 。 但是，传统活性污泥法污水处理厂的设计长期以来大多采用经验或半经验的 方法，要花费相当大的人力、财力和时间进行大量的小试和中试实验。一方面， 由于受生物处理系统复杂易变、多反应过程相互耦合、进水水质水量的波动及实 际的运行控制手段等诸多现实因素的影响，使经验模型不能很好的反映生化反应 过程中各种变量之间的相互关系，因此用这种方法进行设计带有一定的盲目性， 难以经济合理地设计污水厂，也难以预测和指导系统的运行管理【8 】。另一方面， 由于在工程设计中，如果没有足够的设计时间，工程设计人员只能根据自己有限 的工程经验和直觉来进行设计。这种设计的结果是，只能产生少数几个设计方案 用于分析和评估，以致许多好的方案可能被忽略掉【9 】。怎样才能产生多个可以相 互替代的方案，并从中选出最好的设计方案，一直是工程设计人员追求的目标。 随着国家或地区对水环境质量要求的提高，污水处理厂的污水排放标准将不 断提高，特别是对出水氮、磷的要求提高。这使传统污水处理厂必须考虑脱氮除 磷，导致污水厂生物处理工艺变得越来越复杂，仅凭经验来优化系统的设计和运 行已变得非常困难。并且，对多种工艺改造方案进行实际工程比较在经济与时间 上都是不可实现的【l 。 山东大学硕士学位论文 因此，需要深入理解关键的设计参数和系统性能之间的相互关系，避免旧厂 改造和新厂设计过程中人力和物力的浪费，而数学模型在这方面能提供极大的帮 助。活性污泥法数学模型能够进行工艺设计与仿真，不但可以预测出水情况，并 且可作为工艺选择的理论依据，同时可以进行工艺的智能控制，为有效处理污水 提供良好的基础 1 1 】。本课题就是在这样的背景下提出的。 1 2 济南水质；争化二厂 济南水质净化二厂是中国光大水务投资有限公司在济南以t o t 模式运营的 大型污水处理厂。该厂位于济南市兴济河河口、小清河北侧，主要收集济齐路污 水系统中的污水，生化处理部分采用双沟交替式d e 型氧化沟工艺，设计日处理 污水2 0 万吨，主要负责济南西部城区8 0 余平方公里的污水处理和净化后的中水 开发利用，服务人口为3 9 2 6 万人。 d e 型双沟式氧化沟工艺，是传统活性污泥工艺、生物硝化及反硝化工艺及 生物除磷工艺的结合。氧化沟内可交替进行硝化与反硝化，在氧化沟前增设厌氧 池，可以同时达到脱氮、除磷的目的。厌氧池内，聚磷菌释放磷并吸收低级脂肪 酸等易降解的有机物；在缺氧段，反硝化细菌将内回流带入的硝酸盐通过反硝化 作用转为氮气逸出，从而达到脱氮的目的：而好氧段一方面降解有机物，另一方 面将氨氮及由有机氮氨化成的氨氮通过生物硝化作用转为硝酸盐。此外，厌氧段 释放出的磷在好氧条件下被活性污泥吸附并随剩余污泥排放而达到除磷的目的 【1 2 】 o 济南水质净化二厂的进水由截污管网接入，其中生活污水占4 0 ，工业废水 占6 0 。进水分别通过粗格栅、提升泵房、细隔栅、钟式沉砂池后在配水井交汇 后流入生化池，再经二沉池沉淀后排出。处理后的污水达到了国家二级排放标准， 直接流入小清河。图1 1 表示的是济南水质净化二厂在济南市的地理位置图。 2 山东大学硕t 学位论文 图1 1济南水质净化二厂位置示意图 济南水质净化二厂以脱氮除磷为主，目前排放水质基本按照城镇污水处理 厂污染物排放标准( g b1 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 的一级b 标准，但对t n 指标没有要求。 为把小清河改造成南水北调的“清水走廊”，小清河沿岸的污水排放标准将不断提 高，济南水质净化二厂的出水水质标准也将进一步提高。因此，水厂的出水水质 标准将在目前的排放标准上增加对t n 的要求，争取达到一级a 标准，这就对污 水厂的节能降耗和优化运行提出了更高的要求。 表1 1排放标准比较( 单位m g l ) 济南水质净化二厂自2 0 0 2 年经过试运行、调试，现已正式运行多年，管理 人员和现场工程师也在运行生产过程中发现了该厂存在的一些问题。例如，进水 水质、水量的变化情况复杂，出水氨氮指标不稳定等等，这些都给污水厂的达标 排放带来一些困难。另一方面，氧化沟设备运行的能耗较大，如何优化运行的同 时节能降耗，也是技术改进的重中之重。 济南市水质净化二厂作为光大水务公司在济南的t o t 项目公司，一方面需 要进一步提高污水厂处理效率、提高出水水质、处理水量等方面的要求，使污水 处理厂今后的运行更加稳定；另一方面，作为光大水务公司本身技术和运营水平 发展的需要，也希望通过本项目的研究，系统评估济南水质净化二厂目前的运行 3 山东大学硕士学位论文 状况，找出该污水厂处理工艺存在的问题，并提出相应的解决方案。 1 3 活性污泥数学模型 目前，国外关于数学模型在饮用水处理、污泥处置、各种污水处理等工艺中 的应用有很多报道。在活性污泥工艺众多的数学模型中，由国际水质协会( i w a ) 废水生物处理设计与运行数学模型课题组推出的活性污泥数学模型( a c t i v a t e d s l u d g em o d e l ，简称a s m ) 发展最为成熟，应用最为广泛【1 3 1 。 1 。3 1a s m 系列模型简介 为了促进活性污泥数学模型在污水生物处理中的发展，并适应在实际过程中 的设计和操作过程，1 9 8 3 年国际水污染研究与控制协会( 1 w a ) 成立了活性污 泥设计和运行数学模型课题组，组织专家在总结南非的d o l d 和m a r a i s 等工作的 基础上，进行了长达4 年的收集、分析、比较、归纳，于1 9 8 7 年发表了活性污 泥过程的1 号模型a s m l 。该模型可模拟活性污泥过程包括除碳、脱氮在内的动 态性质。a s m l 采用了d o l d 等人提出的“死亡再生”的模型化方法，体现了对代 谢残余物的再利用。a s m l 着重于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，综合了有机物氧化、硝化和反硝化作用，包括8 个反 应过程、1 3 种模型组分。模型采用矩阵的形式表达，直观而简单。 a s m l 自发布以后，在欧美得到了广泛应用，但是a s m l 在实际应用中存在 的一些缺点也越来越明显，尤其是没有包括生物除磷模型。 国际水协会( i w a ) 在活性污泥1 号模型a s m l 中扩展了生物除磷过程， 产生了活性污泥2 号模型a s m 2 。a s m 2 比a s m l 的先进之处在于包含了磷的去 除( 生物除磷和化学除磷) ，增加了厌氧水解、酵解及与聚磷菌( p a o s ) 有关 的4 个反应过程。从进水水质划分来看，a s m 2 增加了聚磷菌及其胞内贮存物和 聚磷酸盐等组分，并把易生物降解有机物细分为发酵产物和可发酵的易生物降解 有机物。a s m 2 无论是在污水厂的设计、运行管理、改造，还是在废水处理技术 的研究和开发方面均有重要的使用价值，在国外己得到了成功广泛的使用。 1 9 9 9 年h e n z e 等对a s m 2 进行了改进，发布了a s m 2 d ，该模型沿用了a s m 2 和a s m l 的概念，作为同时模拟生物除磷和硝化一反硝化的基础。i a w q 又于 1 9 9 9 年推出了a s m 3 ，它不是以水解作用为重点，更深入考虑了胞内存贮过程， 并考虑环境因素对衰减过程的修正，把溶解性、颗粒性有机氮的降解与微生物的 水解、衰减和生长结合在一起，共含有1 3 种组分、1 2 个反应过程【1 4 】。 1 3 2 国内外数学模型的应用 自从i w a 推出a s m 系列后，活性污泥数学模型在国内外得到了很大的发展， 4 山东大学硕士学位论文 特别在微生物反应机理、模型的实际运用及软件开发等方面的研究积累了大量的 宝贵经验，取得了相当大的成就【1 5 】。下面就其在实际应用方面进行评述： 数学模型主要用于实际污水处理厂的设计和管理，这一领域主要分为污水厂 工艺设计、运行诊断和控制三个方面。 ( 1 ) 污水厂工艺设计和改造 目前，国外利用数学模型对污水处理厂进行工艺设计或改造的项目很多，而 国内在这一方面得应用较少，主要停留在中试和研究阶段。这种方式与传统方法 相比较，具有节省基建成本和运行能耗、加快设计进度、提高污水厂的运行负荷 等优点。 美国s o u t hb e r m u d a 污水厂在其处理量从3 万吨天提高到5 万吨天的升级 改造中，采用以a s m 2 d 模型为基础的生物工艺智能优化系统( b i o s ) 进行设 计改造。只增加1 座初沉池、l 座二沉池和相应滤池，并将原调节池改造成生化 反应池，即满足扩容需要。为污水厂节省了大量改造资金，实现了出水达标排放 和曝气节能的双重目的 1 6 1 。 唐建斟1 7 】等利用a s m 2 d 模型对上海市曲阳、松江两污水厂进行了升级改 造。首先对现有处理工艺做优化诊断，主要采用系统分析方法通过现场考察、太 规模数据收集、建立符合污水厂实际运行状况的水质模型，全面评价了两厂目前 的工艺状况和瓶颈所在；然后对几种可能的工艺改造方案进行了定量模拟预测， 提出了几种可行的工艺改造优化方案。为老厂工艺改造提供了一套完整的技术方 案和工作流程，使老厂改造工艺具有脱氮除磷功能，出水水质能稳定达标。预计 工艺诊断优化成果的具体实施可为污水厂节省一次性基建费用的l o 3 0 和运 行费用的1 5 - 4 0 。 ( 2 ) 运行诊断 利用模型可以对污水厂进行水质监控和运行参数控制，分析不同运行参数对 出水水质的影响，降低运行能耗，减少人工操作，增加智能控制水平。 v a nv e l d h u i z e n 等1 8 1 采用好氧和缺氧吸磷代谢模型与a s m l 相结合的模型， 对h o l t e n 污水厂进行模拟，分析了污水厂运行参数( 混合液回流比、污泥回流 比和曝气量) 、进水水质与模型参数等对出水浓度和污泥产率的灵敏度，结果表 明进水水质对模型输出的影响非常显著。 c i n a r o z e r 1 9 1 使用m a u l d i nr o a d 污水厂的运行数据对a s m 2 d 模型进行校 正，修改了其中的6 个动力学和化学计量学参数，校正后的模型再用其他三个污 水厂的运行数据进行验证，最后将模型应用于l o w e rr e e d y 污水厂，结果表明： 5 山东大学硕士学位论文 通过控制反应池内的溶解氧浓度可以提高污水厂的除磷效果。 c a r u c c i a 【2 0 】等在对进水组分、主要动力学参数进行测定的基础上，利用改 进a s m l 模型，对生物反应过程、有机负荷和温度变化对污水厂运行的影响以 及污水厂的整体布局进行模拟。研究结果表明：关闭三个处理系统中的一个，同 时加大其他两个系统的负荷，可以极大的提高污水厂的运行性能。 朱向东【2 l 】等利用a s m 2 d 建立高碑店污水处理厂的模拟模型，以寻求改善和 优化污水处理厂脱氮除磷的方案。模拟结果表明：模型能较好地模拟高碑店污水 处理厂的运行效果。模型研究与校准工作在已有的典型资料基础上进行，包括污 水处理厂的设计和日常运行监测数据，避免了模拟大型污水处理厂的大量前期工 作，节约了时间和资金。校准模型时仅调整了两个动力学参数，即达到模拟效果。 应用表明典型的现有数据可用来进行模型校准，校准和验证后的模型成为一个非 常有用的工具，可用来深入认识和改善污水处理厂的性能。 ( 3 ) 控制 以模型为平台开发软件对污水厂进行智能控制是当前国外模型研究的热点。 m e y eu t 2 2 】等研究者以a s m 模型为平台，利用模糊控制对d o 浓度进行在线 控制，这种运行方式较之传统的恒定d o 浓度运行相比，可以减少2 4 的曝气量， 从而大大的降低了运行成本。 重庆大学张代钧【2 3 】等利用经校核和验证的a s m 2 模型，模拟了重庆市某污 水处理厂除磷改造方案，利用活性污泥模拟程序寻找混合液内回流比、厌氧区、 缺氧区和好氧区体积比以及缺氧区溶解氧浓度的最佳组合，在保证出水c o d 达 标的条件下，使t n 和t p 的去除效率最高。 朱石清【2 4 】等对上海某大型污水处理厂进行了工艺改造和优化设计，建立了污 水厂达标改造和扩建工艺模型。结果表明，高效沉淀池的处理出水应根据具体情 况，部分进入二级生物处理，以达到排放标准；扩建工艺模拟结果表明，应根据 实际进水量和水温情况合理控制d o ，出水水质才能达到排放标准。 目前，我国对生物系统机理方面的研究工作仍然较少，模型参数的测定手段 滞后于模型的发展，模型校正缺乏足够的实测参数和运行数据，利用模型进行设 计工作尚处于摸索、试验的初级阶段，因此，要缩短与国际先进水平的差距，还 有很多研究工作要做陋2 7 1 。 1 3 3 基于a s m 数学模型开发的商业软件 目前，国外基于a s m 系列活性污泥法数学模型所开发的程序和软件很多， 6 山东大学硕士学位论文 主要包括：丹麦水动力研究所基于整个a s m 系列开发的e f o r 模拟软件；美国 c l e m s o n 大学根据a s m l 编制的s s s p ( s i m u l a t i o no fs i n g l es l u d g ep r o c e s s e s ) ： h y d r o m a n t i s 公司开发的g p s x 程序；瑞士e a w a g 基于a s m l 和a s m 2 推出 的a s i m 软件；比利时h e m m i s 公司开发的w e s t ，这些程序和软件十分方便 地用于污水厂的设计，也可用于已有污水厂的稳态、动态模拟以寻求最佳运行状 太【2 8 2 9 】 ，断 o 上述软件普遍采用a s m s 模型为机理模型，不仅具有描述工艺单元特性的 组件模型如二沉池模型、反应器模型等，还具有描述控制器类型的控制模型如开 关控制、比例控制等，此外，这些软件还开发了多种功能，包括灵敏度分析、情 景分析或优化分析等功能；在界面上，都力求工艺单元图像化，有专门的图片库 提供各种工艺单元的图片，直观而形象。 w e s t 软件由比利时h e m m i s 公司开发，软件引入组件单元通过自由组合 搭建成所需要的污水处理厂的工艺流程，后台模型库中提供了大量的组件模型供 选择。同时软件提供了许多典型的污水工艺如s b r 工艺、a 2 0 工艺、氧化沟工 艺等( 最新已经已经加入u a s b 、i d e a 和b a f 等工艺以及污泥浓缩、脱水及焚 烧等处理单元) ，此外，软件为高级用户提供了模型的二次开发平台，通过m s l 数据库可以实现用户对模型库的自定义扩展。 g p s x 于1 9 9 1 年9 月由加拿大h y d n o m a n t i s 公司研制开发，g p s x 所能描 述和模拟的水处理工艺过程非常全面，包括活性污泥法及其各种变形工艺 ( c s t r 、推流式、多点进水等) 、s b r 、h y b r i d 系统( 固定膜和悬浮生长) 、初 沉池、二沉池、生物滤池、膜过滤、厌好氧消化池、生物转盘以及用户自定义 流程。 g p s x 适合于大部分污水处理厂日常运行的模拟和指导新建、扩建、改建 污水处理厂的设计优化，是比较理想和全面的全厂模型化软件。g p s x 曾在 s t c a t h e r i n e s n t a r i o 、m t v e m o n 等多家城市污水处理厂及工业废水处理厂中得到 实际应用，著名的环境咨询公司c h 2 m 也将其作为主要专业软件之一。 1 4 研究目的、意义和内容 1 4 1 研究目的 通过对济南水质净化二厂目前的处理工艺建立数学模型，对各种可能的优化 改造工艺方案进行模拟预测，找到最佳的工艺运行方案。 1 4 2 研究意义 本课题研究的意义在于：通过工艺优化和节能达标项目，能使污水厂处理水 7 山东大学硕士学位论文 质稳定达标，降低运行费用，降低能源消耗，提高企业效益。通过工艺优化分析， 从系统上找出达标排放的瓶颈口，通过模型定量计算，挖出潜力，确定一套工艺 优化提升方案。另外，通过本项目的研究，将国外先进的污水处理技术和管理经 验引入到济南水质净化二厂的运行和管理中，从而提高污水厂的运行和管理水 平。对于污水厂的运营来讲，采用新的技术手段来帮助污水厂节能降耗可直接提 升项目效益，这对未来发展新的水务项目，对污水厂进行系统的评估和建模模拟 也具有重要意义。 1 4 3 研究内容 本课题以氧化沟生化池作为研究重点，主要工作是以现状或改造后污水厂达 标排放为基础，对济南水质净化二厂的运行进行技术方面的评估、分析和模拟， 并进行优化设计。 本课题的研究内容包括以下5 个方面： ( 1 ) 现有工艺的调查和评价 该部分的目的是检查污水厂现有系统的整体性、稳定性，采取措施包括： 组织相关技术人员进行技术交流，了解目前存在的问题； 对济南水质净化二厂设备进行检查和评价，将收集所有可以获得的处理过 程参数，比