（环境工程专业论文）活性污泥2号模型在ano处理中的模拟应用.pdf

摘要 活性污泥法是当前最常用的一种污水处理方法，而基于活性污泥数学模型的 各种模拟软件对污泥处理系统的模拟、优化和设计正发挥着越来越重要的作用。 简要介绍了活性污泥数学模型的发展过程，选择a s m 2 模型作为研究对象， 对南京市江心洲污水处理厂的污水进行了详细水质测定分析，运用w e s t 模型 模拟了污水处理厂的实际运行情况。研究结果表明：使用间歇o u r 呼吸计量法 可得到比较稳定的异养菌产率系数y h 、衰减系数b h 、易生物降解有机物s s 和 慢速生物降解有机物x s ，而对于异养菌最大比增长速率i _ t m a x 而言，测定的值变 化比较大。 将模型中的动力学参数中自养生物的最大比增长速率p a 朋a x 、氨半饱和速率 常数l “h 和p h a 贮存的速度常数q p h a 从推荐值o 9 d 一、i 0 9 n m 3 和 3 0 9 ( c o d ) g ( p a o ) d 】分别调整为0 7 d 1 、1 2 9 n m 3 和2 8 ( c o d ) g ( p a o ) d 】后， 实测值和模拟值拟和较好。在模拟的基础上，利用所建的w e s t 模型对好氧池 溶解氧、污泥回流比等参数变化引起的出水水质变化迸行了三维模拟预测。从仿 真结果可以看出，当好氧池溶解氧浓度为1 4 m g l ，污泥回流比为4 0 时，可以 较好的改善出水的t n ，但出水t p 仍然不能达到一级b 标准。根据计算，每天 投加1 3 6 t 的甲醇即可满足除磷的要求，通过模型模拟验证了这一结论。由于优 化措施降低了溶解氧水平，减少了污泥回流量，可节约污水处理厂的运行成本。 结果表明：国际水质协会推出的活性污泥2 号模型可以用来模拟城市污水处理厂 的运行和管理。 针对本次研究中遇到的问题，对模型在实际污水厂模拟应用提出了一些建 议。 关键词：活性污泥2 号模型水质特性参数模拟与仿真优化运行 a b s t r a c t i nt h ew 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 ，t h ea c t i v a t e ds l u d g em e t h o di sam o s t l y u s e f u lm e t h o d ，w h i l em a t h e m a t i c a lm o d e l i n go fs y s t e mb e h a v i o ri m p l e m e n t e di n v a r i o u ss i m u l a t o r sh a sh a da s i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ed e v e l o p m e n t ，o p f i m u m o p e r a t i o na n dd e s i g np r o c e d u r e so fm o d e lf o ra c t i v a t e ds l u d g es y s t e m s i nr e c e n t y e a r s t h ea u t h o rg a v eab r i e fi n t r o d u c t i o no ft h eh i s t o r i c a lo ft h ed e v e l o p m e n ta n d s t a t u so ft h ec u r r e n tg e n e r a t i o no fm o d e l s a s m 2w a sc h o o s e na sar e s e a r c h o b j e c t t h ec h a r a c t e r i t i o no ft h ew a s t e w a t e rq u a l i t yo fn a n j i n gj i a n g x i n z h o u 硒q 盯p w a sa n a l y z e d t h er e s u l ts h o w e dt h a tt h eh e t e r o t r o p h i cy i e l dc o e f f i c i e n ty h ， h e t e r o t r o p h i ed e c a yr a t eb h ，r 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 es sa n ds l o w l y b i o d e g r a d a b l es u b s t r a t ex sc o u l db ec h a r a c t e r i z e db yt h em e t h o do fb 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 t sa n dt h e yh a das t a b l ed a t a , w h i l eh e t e r o t r o p h i em a x s p e c i f i cg r o w t hr a t ei j t m a xf l u c t u a t si nab i gr a n g e a f t e rc h a n g i n gm a x i m u ms p e c i f i cg r o w t hr a t ef o ra u t o t r o p h i cb i o m a s s ( “a , m a x ) ， a m m o m ah a l f - s a t u r a t i o nc o e f f i c i e n tf o ra u t o t r o p h i cb i o m a s s ( k n h ) a n dd e p o s i t i o n c o e f f i c i e n tf o r p o l y h y d r o a l k a n o a t e s ( q p h a ) f r o m0 9 d 一，1 0 9 n m 3 a n d 3 0 9 ( c o d ) g ( p a o ) - d t oo 7 d 1 ，i 2 9 n m 3a n d2 8 ( c o d ) g ( p a o ) 咖，t h ee x p e r i m e n t a n ds i m u l a t e dd a t a sc o u l db ea c c o r d e dw e l l t h e nt h es i m u l a t o rw a su s e dt oa n a l y z e t h ee f f e c t so f s u c hd i f f e r e n to p e r a t i n gc o n d i t i o n sa sd oc o n c e n t r a t i o ni nt h ea e r o b i c t a n ka n dt h es l u d g er e c y c l er a t et h r o u g h3 - d i m e n s i o n s t h es i m u l a t i o nr e s u l ts h o w e d t h a tw h e nd oi nt h ea e r o b i ct a n kw a s1 4 m g la n dt h es l u d g er a t ew a s4 0 ，t h e e f f l u e n tt nc o u l db er e d u c e dw h i l et h eo t h e rw a t e ri n d e xa c c o r d e dw i t ht h e s t a n d a r d a c e r o d i n gt ot h ec a l c u l a t i o n , w h e n 1 3 6 tm e t h a n o lw a sa d d e dt ot h e w a s t e r w a t e r , t h ee m u e n t r pc o u l dm e e tt h ec r i t e r i o n t h i sw a sv a l i d a t e db yw e s t s o f t w a r e f o rd oa n ds l u d g er a t ew e r ed e c r e a s e db yag r e a td e a l ，t h ee n e r g yc o s tc o u l d b es a v e di nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s r e s u l t so fs t u d yc o n f i r m e dt h a tt h e a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 2p r o m o t e db yt h ei a w qc o u l db ea p p l i e dw i d e l yi nt h e r e a lm a n a g e m e n to f 矿t p f i n a l l y , i no r d e rt od e v e l o pt h es t u d yi nt h ew a t e rm o d e l l i n g , s o m es u g g e s t i o n s w o r em a d ew h i c ha r es t i l lw a i t i n gf o rt h es o l u t i o ni nm u n i c i p a lw a s t e w a t c rt r e a t m e n t p l a n t k e yw o r d s ：a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 2 c h a r a t e r i s t i cp a r a m e t e r so f w a s t e w a t m o d e l i n ga n ds i m u l a t i n go p t i m u mo p e r a t i o n 1 1 1 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工 作的同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 在l 丑沪g 年3 月歪旧 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权 河海大学研究生院办理。 论文作者( 签名) ： 乏 洳p 年；月留日论文作者( 签名) ： 蚌 洳髟年；月搿日 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 1 1 1 我国污水处理面临的问题 城市污水处理厂建设作为城市环境污染防治的重要措施和手段之一，越来越 受到政府和社会各界的高度重视。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，虽然所采用的工艺形式与发达国家很接近，但处理效果却 很难达到发达国家的水平。其原因在于，城市污水厂的设计和运行管理大多是基 于经验进行，运行控制手段简陋，管理水平落后，我们在生物处理理论深度的发 展上做得很不够，过分依赖于物理模型所得出的结果，没有从生化反应机理上抓 住其作用本质。 另一方面，受地域和气候的影响，我国南方城市的生活污水浓度一般都较北 方城市的要低，特别是在南方的雨季，这一问题更为明显。如果进水中不含大量 高浓度工业废水，其b o d s 浓度一般在1 0 0 m g l 左右，也就是全国此类城市污水 处理厂的实际进水水质比以往一贯设计的预测数值低许多。对于低碳源浓度城市 污水的处理而言，有机物浓度往往不能同时满足脱氮除磷的需要，因此如何更有 效地利用污水中的有机物，在低碳源条件下提高除磷脱氮效果，尽可能满足排放 标准要求，成为解决该问题的关键。 1 1 2 活性污泥数学模型在城市污水处理中的应用 随着活性污泥处理工艺的推广，人们对它的认识也不断深入，其设计也逐渐 从简单采用经验数据发展到使用数学模型。活性污泥数学模型研究的目的和用途 直接影响模型的表达形式、复杂程度和性能，对生物反应过程内在机理的认识深 度、过程变量的测试水平和精度以及求解的方法和工具都对模型的发展产生重要 影响。因此活性污泥法数学模型研究经历了从简单拟合实验数据到采用经典的微 生物生长动力学模型，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，现在比较完善的数学模型已经可以用于指导活性污泥工 艺设计、研究活性污泥工艺的动态过程、实现系统的高效率低耗运行。它不仅对 污水生物处理过程的设计和运行管理有重要意义，对控制策略的设计也具有借鉴 意义。只有对模型反应过程的透彻理解，才能建立活性污泥模型，使之可以进行 i f 海人学坝f 。学位论文 稳态及动态模拟，通过对污泥回流比r 、溶解氧d o 等参数的控制实现对南京市 江心洲污水处理过程的优化控制。 1 1 2 1 活性污泥模型的发展过程 ( 1 ) 静态活性污泥模型 1 9 4 2 年m o n o d 1 1 提出以米一门公式为基础的m o n o d 方程，指出微生物的生 长速率与微生物浓度及某些限制性底物浓度之间的相互关系。上世纪5 0 6 0 年 代，国外一些学者在m o n o d 方程的基础上，引入化工领域的反应器理论及微生 物理论，通过基质降解、微生物生长及各参数之日j 的关系建立了各自的活性污泥 法静态数学模型，如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 m c c a r t y l 2 , 3 a 1 提出的活 性污泥数学模型，它们仅仅考虑了污水中含碳有机物的去除，不能很好地预测实 际观察中存在的有机物浓度增加时，微生物增长速率变化的滞后效应，因此，传 统的活性污泥模型虽然参数求解和计算过程相对简单，但无法精确地模拟废水处 理中氧利用的动念变化，因而不能很好地模拟活性污泥系统的动态特性。 ( 玉) e c k e n f e l d e r 模型 该模型是w w e c k e n f e l d e r 对间歇试验反应器内微生物的生长情况进行观察 后于1 9 9 5 年提出的。当微生物处于生长率上升阶段时，基质浓度高，微生物生 长速度与基质浓度无关，呈零级反应： d x ：k + x( i 1 1 ) d t 当微生物处于生长率下降阶段时，微生物生长主要受食料不足的限制，微生 物的增长与基质的降解遵循以下反应关系： d x ：k $ x ( 1 1 2 ) d t 当微生物处于内源代谢阶段时，微生物进行自身氧化： d ( x - x ) ：k ， x( 1 1 3 ) d t 。 式中：x 一微生物浓度： k i ( i = 1 ，2 ，3 ) 系数； s 基质浓度。 ) m c k i n n e y 模型 该模型是r e m c k i t m e y 于2 0 世纪6 0 年代初发表的。与e c k e n f e l d e r 模型相 2 第一章绪论 比，m c k i n n e y 忽略了微生物浓度对基质去除速度的影响，认为在活性污泥反应 器内，与微生物浓度相比，它属于低基质浓度。微生物处于生长率下降阶段时， 代谢过程为基质浓度所控制，遵循一级反应动力学。m c k i n n e y 模型可表述为： i d f = - k $ x ( 1 1 _ 4 ) d t 式中：k 基质去除速率常数： m c k i n n e y 模型首次提出了活性物质的概念，认为活性污泥中只有部分具有 活性的微生物对基质降解起作用。虽然当时还无法直接测定活性物质，但是这一 概念的提出，为活性污泥模型的研究开拓了新的思路。 l a w r e n c e - - m c c a r t y 模型 a w l a w r e n c e 和p l m c c a n y 模型于1 9 7 0 年提出了l a w r e n c e m c c a r t y 模， 最先将m o n o d 方程引入污水处理领域，该模型的基本方程为： 二0 5 y + u k d (11_5)c u = v 。熹 ( 1 1 - 6 ) 式中：0 。污泥龄； y 产率系数； u 基质比去除速率； 衰减常数； v 。x _ 一基质最大比去除速率； s 一基质浓度； k 饱和常数。 该模型的突出之处是强调了细胞平均停留时间( 污泥龄) 的重要性，由于污 泥龄可以通过控制污泥的排放量调节，因此增加了模型在实际应用中的可操作 性。 ( 2 ) 动态活性污泥模型 上世纪7 0 年代到8 0 年代初，由于水体富营养化等危害越来越严重，氮、磷 的去除被列入了污水处理的目标，因此为数学模型提出了新的研究方向。 ( 至) a n d r e w s 模型 j h ，a n d r e w s 最早提出“贮存代谢”机理聊，将系统中的微生物分为活 海人学硕十学位论文 性生物体、储存物质和惰性代谢产物3 个部分，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x s t o 的形式被贮存，然后再被微 生物利用( 如图1 1 1 ) 。 非溶解性基质 吸附一贮存 + 贮存物质x s t o 贮存 溶解性基质 0 2 c 0 2 + h 2 0 活性微生物体 0 2c 0 5 + h 2 0 慰扩 代谢残余物 图1 i - 1“贮存代谢”机理 w r c 模型 j o n e s 等提出了“存活非存活”机理模型【6 】( 如图1 1 2 ) ，认为有机物的 降解可以在不伴随微生物增长的情况下完成，强调非存活细胞的代谢活性，以此 解释在采用m o n o d 方程描述废水生物处理过程导致细胞浓度预测值偏高的原 因。 代 谢 残 余 物 c o s 十h 2 0 i 鳘1 1 1 - 2“存活北存活”细胞代谢机理 上述两种动态模型解释了传统静态模型无法解释的某些现象，但这类模型仍 然存在两个主要问题：一是微生物衰减按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。 南非的m a r a i s 提出了碳、氮、磷去除的动态活性污泥数学模型【7 l ，但模型由 于结构非常复杂而阻碍了它的推广和应用。 4 第一章绪论 i a w q 模型 1 9 8 3 年，国际水污染研究与控制协会( i a w p r c ) ( 国际水质协会i a w q 的 前身) 组织了活性污泥模型国际专家组，在总结已有的各种污水生物处理数学模 型的基础上，于1 9 8 6 年推出了包含去碳脱氮的活性污泥1 号数学模型( a s m l ) 1 5 9 1 ，该模型是活性污泥数学模型发展的新阶段，是在总结了南非m a r a i s 和d o l d 等人研究基础上，以矩阵形式束描述各组分在反应过程中的变化规律和相互关 系，并采用了“开关函数”的概念，用来反映环境因素改变而产生的抑制作用， 避免了那些因为具有不连续特性的反应过程在模拟过程中出现的数值不稳定的 现象。模型中以“死亡再生”理论为基础。污水中的组分被划分为1 3 项， 其中包括7 个含碳有机物、4 个含氮物质、碱度( s a l k ) 和溶解氧( s o ) ，并将 微生物的增长、衰减、水解和氨化等过程从呼吸过程中电子受体的角度划分为8 个反应过程，对每一个过程速率都采用双重m o n o d 模式。a s m l 推出后在欧美 得到广泛应用，但它未包含磷的吸收和释放过程，无法模拟污水除磷过程，使之 在应用上受到了一定的限制。 1 9 9 5 年，i a w q 专家组在a s m l 的基础上提出a s m 2 8 , 1 0 , 1 1 1 模型。a s m 2 不 仅增加了生物除磷和化学除磷过程，还增加了厌氧水解、酵解及与聚磷菌有关的 4 个反应过程。a s m 2 是a s m l 的延伸，沿用了该模型的概念，采用了“死亡一 一再生”理论描述微生物衰减过程，模型采用矩阵的概念描述生物动力学过程。 从a s m l 到a s m 2 ，最主要的变化是生物体具有细胞内部结构。因此，其质量浓 度就不能简单地用分布参数x b m 柬描述。这是在该模型中包括生物除磷过程的 前提。由于a s m 2 包括了作为活性污泥一部分的聚磷酸箍，而聚磷酸盐又不表 现为任何的c o d ，因此模型引进了总悬浮固体( t s s ) 的概念。a s m 2 包含1 9 种物质，1 9 种反应，2 2 个化学计量系数及4 2 个动力学参数。 但是，a s m 2 没有解决好与聚磷菌有关的反硝化过程，所以，1 9 9 9 年，i a w q 推出了a s m 2 d i s , 1 0 , 1 2 1 ，该模型沿用了a s m l 和a s m 2 的概念，是这些模型的进 一步延伸，可作为模拟生物同时除磷和硝化一反硝化的基础。它增加了两个过程 来说明聚磷菌( p a o ) 可利用胞内有机储存产物进行反硝化。与a s m 2 相比，在 模拟硝酸盐和磷酸盐动力学方面，a s m 2 d 更准确。a s m 2 d 模型并非描述生物 除磷过程的最终模型形式，它可被看作进一步研究和发展活性污泥系统脱氮除磷 洲海人学硕i ：学位论文 动力学模型的平台和基础。 随着人们对a s m i 中仍然存在的一些问题的深入研究和对有机物储存机理 认识的深化以及计算方法的进步，专家组在1 9 9 9 年推出了a s m 3l s , 1 3 】。a s m 3 所 涉及的主要反应过程和a s m l 相同以处理生活污水为主的活性污泥系统中 的碳氧化、硝化和反硝化。但是它通过引入胞内储存产物更真实地模拟了细胞过 程，并通过内源呼吸的衰减理论将自养菌与异养菌的c o d 流程截然分开，避免 了两者的互相干扰。a s m 3 没有包括生物除磷过程。该模型包括1 3 个组分，1 2 个过程速率，6 个化学计量参数和2 1 个动力学参数。在化学计量矩阵的基础上 引入了组分矩阵，并增加了可观测的s s 守恒。这种矩阵表达方式，使模型结构 和速率表达清楚明了。 a s m 系列的主要反应流程如图1 1 3 【1 4 1 。 a s m l s o ( b ) a s m 3 ( c ) 图1 1 - 3a s m i 、a s m 2 和a s m 3 的主要反应流程图 1 2 1 2 活性污泥数学模型在国内外污水处理中的应用研究 ( 1 ) 机理研究 a s m 模型虽然存在一定的缺点，如对进水水质的分析和测定以及对模型中 随环境变化的参数的校正是繁琐的过程，但它们仍是活性污泥法数学模型的重大 突破，为活性污泥法数学模型的深入研究建立了平台。 自a s m 系列模型推出十多年来，在科研和实际工程中得到广泛的应用，针 对这些模型已开发出许多程序用于模拟活性污泥系统。这些模型在不断完善过程 中逐步实现商品化，在欧美等国家的城市污水处理厂的设计和运行中应用效果非 6 第一章绪论 常显著。 除了国际水质协会( i a w q ) 推出的a s m 模型之外，很多研究者在此基础 上进行修改提出了一系列新的模型。这些新模型或是对a s m 模型机理进行扩展 ( 如扩展硝化模型【15 1 、反硝化模型【16 】) ，或是引入叛的概念( 如s i p h o r 模型【1 7 1 、 生物吸附模型【1 8 】、x v 模型【1 9 】) 。这些改进模型扩大了a s m 系列模型的适用范围， 极大地推动了a s m 系列模型的应用与发展。 ( 2 ) 模型应用研究 在活性污泥数学模型的应用方面，基于a s m 系列模型的许多产品化、商业 化软件已经被开发出来，其中应用比较广泛的有s s s p ( s i m u l a t i o no fs i n g l e s l u d g ep r o c e s s e s ) 、a s i m ( a c t i v a t e ds l u d g es i m u l a t i o np r o g r a m ) 、e f o r 、b i o w i n 、 s i m b a 、d s p 、g p s x ( g e n e r a lp u r p o s es i m u l a t i o n ) 、w e s t ( w o r l dw i d ee n g i n e f o rs i m u l a t i o n ，t r a i n i n ga n d a u t o m a t i o n ) 等等。这些程序和软件可方便地应用于 污水处理厂的设计，也可用于污水处理厂的运行管理。国外几种常用活性污泥数 学模型软件见表1 1 1 。 表1 1 1 活性污泥数学模型模拟软件 软件名称特点 模拟软件开发机构 基丁a s m l ，能对污水处理厂进行稳态和动态 美圜克莱姆森人学r i c h s s s p 模拟，可以显示4 0 多个变化速率问的关系曲线环境研究实验室 基丁二a s m i 和a s m 2 ，可以对人多数活性污泥 瑞士国家环境科学 a s i m i ：艺进行模拟与技术研究会 基于整个a s m 系列开发的模拟软件，能对儿乎 e f f o r所有的典删城市污水处理j ：艺进行模拟。最新丹麦水动力研究所 版本e f f o r 2 0 0 2 包含了两种形式的生物模型，软件的结构与 加拿大的e n v i r o s i m b i o w i na s m l 类似，但是生物模型状态变量所采埘的 符号与a s m i 有所不同 a s s o c i a t e sl t d 面向对象、模型独立的交互式商业化软件包， g p s x 继承了超过5 0 0 个各类模型，包括了a s m 3 模 加拿大h y d r o m a n t i s 公司 硝、生物除磷v n p 模型等 能模拟现有的典硝城市污水处理t 艺，而且源 w r e s t比利时h e m m i s 公司 程序具有开放性，有利于用户进行二次开发 s s s p t 2 0 1 s s s p 程序由美国c l e m s o n 大学1 9 8 8 年根据a s m l 模型开发成功，这是公 认的第一个活性污泥工艺软件，可对污水处理过程进行稳态模拟和动态模拟。即 使对计算机不很熟悉的人也能使用s s s p 程序，因此大大提高了a s m i 模型的实 7 河海人学硕 学位论文 用价值。目i ；i s s s p 程序在国外已得到广泛应用。 a s i m 2 0 2 1 a s i m 是瑞士环境科学与工程联邦学院基于a s m i 编制而成的，最初主要用 于教学、科研和咨询，该软件可应用于目前存在的大多数生化动力学模型，可对 大多数具有脱氮功能的活性污泥工艺进行模拟。 e f o r 模拟软件2 3 埘】 e f o r 模拟软件是丹麦水动力研究所基于整个a s m 系列开发的，该软件的 功能比较强大，无论污水处理系统多么复杂、是否动态运行，都可以简单地使用 e f o r 软件进行描述和模拟。该软件能够模拟活性污泥法中的碳氧化、硝化与反 硝化和生物除磷过程，包括传统活性污泥工艺、分段进水、交替硝化反硝化、氧 化沟工艺、a b 法及生物化学同时除磷工艺等几乎所有的现有典型城市污水处理 工艺。在e f o r 软件中，参数对应的参考温度为2 0 0c ，当输入的温度不等于此 值时，e f o r 软件会自动调整与温度有关的参数值。e f o r 软件采用的沉淀池模 型的特征如下：默认层高为o 1 m ；迸水高度动态变化；短回路；自然对数沉淀 方程的沉淀速度与温度有关。目前已有许多版本，最新版是2 0 0 2 年推出的 e f o r 2 0 0 2 。 b i o w i n l 2 5 1 b i o w i n 软件是由加拿大的e n v i r o s i ma s s o c i a t e sl t d 推出的，它包含了两种 形式的生物模型，即不包含生物除磷过程的“c n ”模型以及包含生物除磷过程 的“c n p ”模型( 默认模型) 。b i o w i n 软件的结构与a s m i 类似，但是生物模型 状态变量所采用的符号与a s m l 有所不同。此外，b i o w i n 软件定义的速率方程 与a s m l 也稍有不同，使用了一些额外的开关函数。b i o m n 软件使用改进型 v e s i l i n d 模型作为其沉淀池模型。 g p s x 仿真器【2 6 】 g p s x 仿真器是加拿大的h y d r o m a n i c 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。它可以通过组态选择不同形式的进水、反应 器和二沉池，如反应器可以选择连续搅拌型、序批处理型、好氧生物膜型等等； 另外在组态过程中还可以添加控制环节并可选择控制方案，如对d o 浓度进行 p i d 控制，组态完成后可以对系统的参数进行设置。使用者根据需要可以选择稳 8 第一章绪论 态仿真或动态仿真，仿真结果采用图形输出。另外，使用者还可以输入从实际系 统中得到的数据，仿真器可以将该数据与仿真结果进行比较和分析并输出比较曲 线。 h e m m i s 公司推出的w e s t 软件2 7 ，2 引，该软件除能模拟现有的典型的城市 污水处理工艺外，它最主要的优点是不仅界面友善，而且它的源程序是歼放性， 更有利于软件的使用者根据实际情况进行二次开发。本研究在w e s t 软件的平 台基础上，将活性污泥2 号模型( a s m 2 ) 用于南京市江心洲污水处理厂。 ( 3 ) w e s t 软件介绍 w e s t 是由h e m m i s 公司开发，结合当今最新科技的，用于模拟污水处理 厂工艺的高级软件工具。2 0 0 5 年h e m m i s 公司与d h i 公司合作开发及销售 w e s t 软件。 w e s t 软件是一个操作灵活、界面丌放、功能强大的污水处理厂模拟系统， 可用于模拟污水处理厂的各项工艺及构造。如预报和分析污水处理厂的运行性 能，分析不同运行策略及选择性方案设计。w e s t 不但在问题解决、预案检测和 成本估算方面性能卓越，同时也是基层操作者、工程咨询及技术人员不可或缺的 决策支持工具。 w e s t 包括用于模拟污水处理厂工艺中活性污泥池的最新数学模型( a s m l ， a s m 2 ，a s m 2 d ，a s m 3 ，a s m 3 b i o 。p ) ，以及用于模拟滴滤池、砂滤床、沉淀池 和发酵反应器( a d m i ) 等模拟。 w e s t 软件的主要特征： 通过w e s ts i m u l a t o r ( w e s t - s ) ，快速模拟及运行模型； 通过w e s tc o n f i g u r a t o r ( w e s t - c ) 获得无限可能的设计方案； 通过w e s tp a r a m e t e re s t i m a t i o n 模块，评估污水处理厂工艺参数； 工艺参数敏感性分析( w e s t - s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ) w e s t - s c e n a r i oa n a l y s i s 模块，用于评估及优化污水处理厂的工艺及运作； 耦合第三方应用程序( w e s t a p i ) ； 满足自动化实时在线操作的信息交换； 建立模型库； p e t t e r s e nm a t r i xe d i t o r ( 矩阵编辑器) ； 9 州海人学颤i ：学位论文 m s l 语言用于扩大及修改模型库： 中文界面。 w e s t 软件的这些特点使其具有广泛的应用领域： 应用于教学：软件的图象化能够清晰直观地显示各个工艺过程的模型组分 与动力学参数等关系，灵敏度分析等过程也能进一步分析说明复杂的活性污泥机 理模型与反应过程的关系，把理论化的东西转化为实际应用，有助于人们对污水 处理过程的进一步理解与拓宽。 应用于科学研究：软件的二次开发功能不仅可以让研究者把机理研究结果 通过软件进行一定的验证分析，同时也提供了新工艺的丌发与比较平台。 应用于设计：软件可以对不同处理要求的工艺进行模拟分析，而且对相对 复杂且有一定控制要求的工艺如m s b r 等也可实现较理想的仿真，这一点可以 为工艺设计提供较好的依据，同时，软件可以进行工艺优化分析，这样就可以用 计算机代替实验方案比较，以快速了解各种方案与操作条件下的污水处理结果， 确定最佳方案，实现工艺上的优化设计。 应用于污水厂的运行管理：通过软件模拟结果，可以快速预测污水厂的出 水结果，及时得到各种处理信息；通过调节软件中工艺的操作过程，确定最佳运 行策略，实现最优化操作，也可以进行工艺改造与调整的方案比较；在长期的数 据分析积累下，良好的软件模拟甚至可以代替一定程度的参数测量工作。 ( 4 ) 我国研究现状 虽然国外已经提出了不少这类功能强大的污水处理过程仿真软件，并且已经 趋向商业化，但是国内在这一领越的研究却较为落后，目前的仿真多集中在于某 一过程或某一控制的仿真，尚没有一个通用的仿真软件。近年来，我国研究者逐 渐进行了生物处理系统模拟预测和控制方面等基础应用研究。 季民等人【2 9 1 在总结a s m 系列模型的基础上建立了适合于普通推流式活性污 泥法的碳氧化数学模型，用该模型模拟了天津纪庄子污水处理厂的实际运行，得 出的模拟结果与实测数据吻合较好。陈立【3 0 1 利用国外开发的e f o r 软件对我国某 城市污水处理厂的奥贝尔氧化沟工艺进行了动态模拟，结果发现，在复杂的环境 条件下模型本身能够综合考虑各种复杂因素的影响，得出综合影响效果。黄勇等 人【3 13 2 j 3 1 最早开展了活性污泥生物反应动力学模型方面较为全面的研究，提出了 1 0 第一章绪论 建模的系统化方法，同时在废水特性鉴定试验和参数估值的研究中做了大量工 作。汪慧贞畔1 等人利用美n c l e m s a n 大学根据a s m l 编制的s s s p 程序对北京高碑 店污水厂、北小河污水厂以及上海曲阳污水厂进行了稳态模拟，模拟结果与实际 相吻合。王磊1 3 5 l 对城市污水厂模拟和控制方法做了初步的基础性研究，在a s m 系列模型的基础上提出了t j m 机理模型，从稳态和动态方面模拟了污水厂的运行 状况。陈晓龙【3 6 】进行了a s m 2 模型应用与校讵方面的研究，以a s m 2 为基础，建 立了包含除磷过程的g y c 2 应用软件，并对常州污水厂进行了模拟。杨青等人【3 7 l 利用a s m l ，对采用w o i 艺的上海某城市污水处理厂的碳化、硝化、反硝化过 程进行计算机动态模拟，结果表明，模拟的出水中t c o d 、t n 与污水处理厂的出 水基本吻合。陈丽蓉、鞠新华和李志颖编写了活性污泥1 号模型程序1 3 8 j 9 ，4 0 1 ，并 将其应用于拟建城市污水处理厂的辅助设计。张代均等【4 1 a 2 用i a w q 活性污泥2 号模型及自行开发的m a t l a b 程序，对传统活性污泥法的运行过程进行了计算 机动态模拟。甘立军【4 3 1 对a s m i 中的部分水质组分及化学计量系数的测定方法进 行了研究，利用人工配水进行了批量反应器的试验研究，同时对上海市5 个典型 污水处理厂的进水进行了水质组分测定。 郭劲松等人i 删根据人工神经网络理论和方法，针对活性污泥间歇曝气系统 的特点，提出了活性污泥i 日j 歇曝气系统的b p 人工神经网络水质模型。用曝气沉 淀池曝气停曝时段优化试验数据中的2 3 组数据对模型进行了测试，其预测 值与实测值吻合很好。 综上所述，国内对活性污泥系统计算机模拟的研究得到了一定的发展，我国 研究者正逐步认识到活性污泥数学模型在污水处理方面的巨大潜力，有关这方面 的研究正由点及面地展开。但与发达国家相比，我国的研究进展尚存在一定差距， 生物系统机理方面的研究很少，a s m 是一个庞大的矩阵体系，其中包含了大量 的参数。这些参数是否准确，将直接影响模型的预测能力。然而，就目前来说， 无论是污水水质特性参数，还是化学计量学、动力学参数，都没有相应的标准方 法可循，这些缺点在一定程度上制约着数学模型的发展和应用，但又不断地推动 着模型的发展，促使研究者从多个角度展开对模型的深入研究工作。由此可见， 活性污泥系统数学模型的开发和应用已成为污水生物处理领域的一个研究热点 和前沿课题，其应用前景非常广阔。 a 海人学硕f ：学位论义 1 2 研究意义 活性污泥数学模型的研究及应用是当今国际污水处理领域的热点问题，国外 数学模型的研究起步较早，其在城市污水处理厂的运行管理和优化中取得了明显 的成效，目前，将活性污泥数学模型用于脱氮除磷改造过程中有许多实例。 w w u p 5 】等采用了d o l d 模型( 与a s m i 类似) 来模拟m s b r 的运行，在模型中 综合考虑了脱氮和除磷的存在，采用了更为详尽的生物反应阶段的描述，同时引 入了6 种缺氧活性污泥的代谢，其中有一些和a s m 2 d 中的描述一样。模拟结果 表明，系统模拟的相对误差小于3 ；此外，w i c h e mm 等人【稻】在波兰北部选择 了两个大型污水处理厂进行了稳态模拟；l ，l a r r e a 等人1 4 7 悃a s m 2 d 模型对交替 运行和分步进水污水处理工艺的试验研究等，通过对几个关键参数进行校正，所 有预测效果与实际基本吻合，但在国内，数学模型在污水处理厂优化管理的研究 不多。 a s m l 和a s m 2 模型公布较早，已经得到了良好的验证，而在近年来在污水 处理活性污泥法中受到广泛关注，但a s m l 模型中没有考虑生物除磷过程，而 a s m 3 模型修正了a s m l 的部分缺陷，但是同样没有考虑生物除磷过程，并且由 于公布比较晚还没有经过大量试验数据的检验。由于a n o 工艺是一个生物脱氮 除磷的过程，所以在本研究中选择a s m 2 模型作为研究对象。 本研究立足于国际前沿和国内现实，目的就是通过对国际水质协会活性污泥 2 号模型( a s m 2 ) 的研究，结合我国南方城市的低浓度进水水质特性，模拟城 市污水处理厂的运行情况，在此基础上，进行系统设计、预测及诊断分析。通过 实验研究，一方面对水中物质，按水质特性参数划分方法进行区分；另一方面， 帮助加深对污水生物处理过程中的降解机理的认识，了解有机物组分在各构筑物 出水中的分布，使研究人员对污水厂的进水水质有比较直观的认识；从各种处理 工艺中很快筛选出最经济可行的方案，并可在保证处理效果的的提下，确定适合 南京市江心洲污水处理厂的运行条件，使得其出水达标排放，实现经济和环境的 双赢。通过此次研究为我国的活性污泥系统模拟软件的发展提供一些基础和依 据，从而缩小我国在模型使用方面与国外的差距，为我国城市污水处理厂的科学 设计与管理做出贡献。 1 3 研究目的和研究内容 近年来，国内的研究人员对活性污泥数学模型做了初步论述和探讨，然而模 1 2 第一章绪论 型中所需参数的测定手段还远远浠后于模型的发展，模型校正缺乏足够的实测参 数和运行数据。鉴于以上原因，本文将在现成的城市污水厂活性污泥系统数学模 型w e s t 的基础上深入系统地探讨模型组分和参数的测定方法，并对城市污水 厂的实际运行进行稳态动态模拟。 ( 1 ) 以典型的a n 0 工艺为例，以a s m 2 为理论基础，测定南京市江心洲 污水处理厂的入流组分。 ( 2 ) 针对江心洲污水处理厂低碳源的特点( 生化池进水c o d 、t n 、t p 平 均值分别为9 2 6 m g l 、2 0 8 m g l 和2 1 l m g l ) ，出水t p 偏高，不能达到城镇 污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中的一级b 标准，出水t n 也偶 尔超标。本研究试图在利用活性污泥数学模型应用软件( w e s t ) 的基础上对现 有处理工艺进行动态模拟，检验模型软件的实用性，分析稳态和动态下模拟系统 中微生物的含量及出水中氮、磷的含量。 ( 3 ) 根据系统中各参数( 入流组分、溶解氧、污泥回流比等) 对出水水质 的影响以及在系统流量波动时的出水水质变化等，以此来选择最优的系统运行和 控制参数，针对该厂实际情况，寻找出最佳的污泥回流比和好氧池d o 浓度，改 善出水水质，使得出水t n 、t p 达标排放，同时降低运行成本，以实现经济和环 境的双赢。 1 4 技术路线 本研究采用理论与运行管理相结合的方法，先对运行管理建立一个整体的框 架，在此基础上，确定污水处理操作单元的数学模型，对其参数进行估值和修正， 最后通过计算机系统对其运行结果进行模拟。在模拟中将曝气池看作完全混合反 应器。 采用的技术经济路线主要包括( 如图l ，4 一1 ) 。 ( 1 ) 总结国内外活性污泥数学模型的研究现状及应用情况，确定模型组分 和参数的测定方法 ( 2 ) 调研和分析城市污水处理厂设计运行流程 调研 主要包括污水处理厂模型资料的研究 收集的数据主要包括：构筑物体积、流量