（市政工程专业论文）活性污泥1号模型在无锡城北污水厂的应用研究.pdf

摘要 活性污泥模型的应用已逐渐成为国际上废水处理工程领域科学研究、工艺设 计和优化控制的一种重要手段，具有重要的使用价值，在国外已得到了广泛的使 用，我国在这方面起步较晚，相关研究还很缺乏。 本文以活性污泥l 号模型( a s m l ) 为基础，分析研究了模型中入流组分及 模型敏感参数的测定方法，同时对无锡城北污水厂旋流沉砂池的出水进行了模型 组分和参数的测定，并以丹麦水动力学研究所( d h i ) 的w e s t 模型仿真软件为 工具，对无锡城北污水厂的实际运行过程进行了稳态和动态模拟，在此基础上运 用模型对污水厂存在的问题进行了不同工况的模拟分析，通过模拟分析结果，提 出了优化建议。 研究结果表明，本论文中使用的模型组分和参数的测定方法科学可行，采用 批量o u r 法测定异养菌产率系数h 、异养菌最大比增长速率掣和衰减系数 b 片、易生物降解有机物曲和慢速生物降解有机物凰，简便易行，结果稳定可 靠。 应用w e s t 仿真软件，对无锡城北污水j | 现有工艺进行了模拟，结果表明， 采用试验测定与模型校正相结合的方法，对模型参数进行调整，更为准确有效， 模拟值与实测值取得较好的吻合。 在模拟的基础上，通过进行最佳运行工况的三维动态分析，确定了最佳的内 沟混合液回流量和外沟中溶解氧水平的组合运行工况为：内沟混合液回流量 1 0 0 0 0m 3 d ，外沟中溶解氧水平o 2 m g l 。在最佳运行工况下，可以很好改善出 水t n 的浓度，达到排放标准。同时，减少了内沟混合液回流，降低外沟中溶解 氧，可大大地降低污水厂的能耗，节约运行成本。 研究证明，国际水质协会推出的活性污泥数学模型作为城市污水处理厂运行 管理、工艺改造和科学研究是一种有效工具，基于活性污泥数学模型的w e s t 仿真软件能够很好地模拟城市污水处理厂活性污泥系统的运行，能够为优化污水 厂的控制运行提供参考和建议，值得我国进行进一步的深入研究和推广应用。 关键词：活性污泥1 号模型o u r 测定法模型模拟优化运行 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，a c t i v a t e ds l u d g em o d e lh a sg r e a tv a l u ea n dc a nb eu s e dt oi m p r o v e t h es t u d y ，d e s i g na n do p t i m u m o p e r a t i o no f w a s t e w a t e rt r e a t m e n ta r o u n dt h ew o r l d i t h a sb e e na p p l i e dw i d e l yi nt h ew o r l d h o w e v e r ，i ti sp o o r l ye s t a b l i s h e di nt h ea s p e c t o f a p p l i c a t i o no f t h em o d e l i n gi nc h i n a i nt h i sp a p e r ，t h ea p p l i c a t i o na n dc a l i b r a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 1i n t h ep r a c t i c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n th a db e e ni m p l e m e n t e d t h ec h a r a c t e r i z a t i o n a n dp a r a m e t e ro ft h eo u t f l u e n tf r o mt h er o t a t i o n a lf l o wg r i tc h a m b e rh a db e e n m e a s u r e di nw u x ic h e n g b e iw w t pt h ea c t u a lo p e r a t i o np r o c e d u r ei ss i m u l a t e di n c a s eo f b o t hs t e a d ya n dd y n a m i cs t a t u su s i n gas i m u l a t i o ns o f t w a r en a m e da sw e st w h i c hi sf r o md h i w h e r e a f t e rd i f f e r e n ts i m u l a t i o na n a l y s i si sd o n et oa n a l y s e st h e p r o b l e m se x i s ti nt h i sf a c t o r y , a n dh e n c eb a s e do nt h ea n a l y s i sr e s u l t ，t h eo p t i m i z e d s u g g e s t i o ni sa r i s e d t h er e s u l ts h o w st h a tt h em e t h o do fc h a r a c t e r i z a t i o na n dp a r a m e t e ri nt h i sp a p e r c a l li sp r a c t i c a l t 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 t1 i ，h e t e r o t r o p h i cm a xs p e c i f i c g r o w t hr a t e p m h e t e r o t r o p h i cd e c a yr a t eb n ，r e a d i l yb i o d e g r a d a b l es u b s t r a t es sa n d s l o w l yb 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 f b a t c h o u r r e s p i r o m e t r i ce x p e r i m e n t sw h i c hi ss i m p l et oc a l c u l a t e ，a n de s p e c i a l l yt h e o u t c o m ed a t ei ss t a b l e t h ew e s ts o f t w a r ew a su s e dt os i m u l a t et h er e a lo p e r a t i o no f t h en o r t hw w t p i nw u x ic i t y t h er e s u l ts h o wt h a tu s i n gt h ec o m b i n a t i o no ft e s tm e n s u r a t i o na n d m o d e lc a l i b r a t i o n ，g o o ds i m u l a t i o nr e s u l t sw e r ea c h i e v e dt h o u g hc h a n g i n go ft h e m o d e lp a r a m e t e r s t h em o d e l i n gv a l u eo fc o da n dn i - h nw a s p r o v e dt oa g r e ew i t h t h em e a s u r e m e n t 。 t h er e s u l t so fr e s e a r c hs h o w e dt h a t ，t h ea c t i r a t e ds l u d g em o d e lw h i c hw a s p r o m o t e db yt h ei a w qc a l lb eu s e da sau s e f u lt o o li no p e r a t i o nm a n a g e m e n t ， t e c h n i c a l i m p r o v e m e n ta n ds c i e n t i f i c r e s e a r c hi nw w t p s n e v e r t h e l e s sw e s t s o f t w a r ew h i c hw a sb a s e d0 nt h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e lc o u l ds i m u l a t et h e p e r f o r m a n c eo fa c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sa n dp r o v i d ev a l u a b l ea d v i c e sf o rd i r e c t i n g w w t p s ，a n di ti sw o r t h yo fc a r r y i n go u taf u r t h e rr e s e a r c ha n de x t e n s i o ni no u r c o u n t r y 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 1b a t c ho u r r e s p i r o m e t r i cm e t h o d m o d e ls i m u l a t i o n o p t i m u mo p e r a t i o n 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) ：垫叁挞力年归 e l 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) ： 揭盔敬。) 年悄汨 矮性污泥1 号模型在无锡城北污承厂的应用研究 绪论 第一章绪论 1 1 研究背景 随着我国社会和经济建设的巨大发展，我国水环境的污染状况与经济发展的 不平衡产生的负面效应越来越突出。“十五”期间我国将新增城市污水日处理能 力2 6 0 0 万m 3 ，2 0 0 5 年城市污水集中处理率达到4 5 ，5 0 万人口以上的城市达 到6 0 以上，与此同时城镇人口将从现在的2 7 亿人增加到2 0 1 0 年的5 6 亿人， 城镇排污量也将成倍增长，到2 0 1 0 年可能要增加3 0 0 亿吨，从而污水排放总量 达1 0 5 0 亿m 3 f “。面对这种情况，应用新型污水处理工艺，新建、改造和扩建 大批高效率的污水厂已成为必然。 在众多的污水处理技术中，活性污泥法凭借其较好的处理效果、节能和方便 的运行管理，在城市污水处理中得到广泛应用。而且活性污泥法有适合不同水质 和地域的新工艺目前广泛使用的包括s b r 工艺，a b 法，氧化沟工艺和不同工 艺组合的a 2 o 、a o 等新型方法和工艺流程。 但是，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 进行设计和管理，其经验的积累来源于花费相当的人力、财力和时间进行的小试 和中试。由于生物处理系统复杂易变、多反应过程相互耦合、进水水质水量的剧 烈波动及实际的运行控制手段等诸多现实因素的影响，使得经验模型未能反应出 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处理系统，也难以预测和指导当系统发生变化时的 运行管理1 2 】。 面对这些问题，如何在活性污泥法工艺设计和运行过程中，通过对微生物处 理污水的生化机理进行研究，引入活性污泥数学模型，为设计、优化运行、污水 厂改造提供理论指导，避免新厂设计和旧厂改造过程中人力物力的浪费成了摆在 我国水处理专家面前的一个毅课题。 1 2 研究目的和意义 1 2 。1 研究目的 研究污水厂进水的水质特性和模型参数，结合w e s t 活性污泥模型仿真软 活性污泥i 号模型在无锡城北污水厂的应用研究 件，对污水厂进行模拟研究，促进活性污泥数学模型在我国的研究和应用，缩小 与国外的差距。本研究以无锡城北污水厂作为研究对象，对进水组分进行测定分 析，运用国际水协会开发的活性污泥1 号模型，对城北污水厂的运行进行模拟， 分析污水厂存在的问题，寻求解决方案。 1 2 2 研究意义 在我国大约有9 0 以上的城市污水厂采用活性污泥法【2 ，应用活性污泥数学 模型进行设计和管理污水厂是提高我国污水厂设计、运行和管理水平的必然需 要。具体来说，本论文的研究课题在以下几方面具有实际意义： 数学模型不但有助于新建系统的设计和优化运行管理，同时对于现有生 物处理系统的处理能力或功能扩展也很重要，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。 使用数学模型，设计者可以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前提下，确定各构筑物的大小及各种关键运行参数。 若污水厂已建，则可利用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；若污水厂运行不够理想，则可通过模型寻求解决方 法，如改善水质、控制曝气量、改变污泥排放量等。 使用数学模型，能够降低试验经费的投入，节省人力、物力、财力，提 高科研、设计水平与效率，这在我国目前的经济条件下是可行的。 总之，有效地应用、开发、推广活性污泥数学模型，对于提高我国在该领域 内计算机应用的水平及科研设计的精度与效率，实现与国际接轨，具有重要意义。 1 3 研究内容及技术路线 本文将深入地探讨模型组分和参数的测定方法，以无锡城北污水厂为对象， 测定模型参数及入流组分，在此基础上利用数学模型对城市污水厂的实际运行进 行稳态和动态模拟，并针对污水厂目前运行上存在的问题，在模型中进行优化分 析，提出问题解决的优化方案。 主要的研究内容包括： 综述活性污泥数学模型的发展及活性污泥1 号模型的应用前提； 总结活性污泥1 号模型组分与参数的测定方法； 测定无锡城北污水厂的入流水质组分及模型参数； 建立o r b a l 氧化沟的数学模型； 利用活性污泥1 号数学模型对无锡城北污水厂进行稳态和动态模拟； 针对污水厂存在的问题，进行不同工况的模拟分析，提出优化建议。 本研究的技术路线，见图1 1 - 1 。 图1 1 1 研究技术路线图 活性污泥1 号模型在无锡城北污水厂的应用研究 2 活性污泥模型概述 第二章活性污泥模型概述 2 1 活性污泥模型的发展及应用 上世纪5 0 年代后，国外一些学者引入化工领域的反应器理论及微生物学的 生物化学理论，将基质降解、微生物生长和各参数之间的关系用数学模型来表示， 发展了以下一些模型。 2 1 1m o n o d 模型 1 9 4 2 年，m o n o d 发现均衡生长的细菌的生长曲线与活性酶催化的生化反应 曲线类似，1 9 4 9 年发表了在静态反应器中经过系统研究得出的m o n o d 模型 4 1 ： 2 m a x 瓦 ( 2 1 1 ) m o n o d 模型实质上是一个经验式，是在单一微生物对单一基质、微生物处于 平衡生长状态且无毒性存在的条件下得出的结论。大多数实际过程并非如此。 所以，在应用中对适用条件的忽视常常导致m o n o d 模型的失败。 2 1 2 微生物综合模型 针对实际情况总是多基质并存的现象，提出了微生物在混合基质条件下生长 的综合模型。根据微生物对同时存在的基质的利用方式，分为以下几种模式 4 1 ： ( 1 ) 微生物同时利用几种基质： 舻。珥最 ( 2 1 2 ) ( 2 ) 微生物分别利用数种基质： 肛水一蠢j c z 。， 2 1 3 传统静态模型 传统静态模型以2 0 世纪5 0 7 0 年代推出的e c k e n f e l d e ，、m c k i n n e y 、l a w r e n c e m c c a r t y 模型为代表，这些模型所采用的是生长衰减机j 犟f 4 1 ( 图2 1 1 ) 。 0 2 c 0 2 一+ h 2 0 0 2c 0 2 + h 2 0 糨瓷黼￥饼 图2 1 1 生长。衰减机理 ( 1 ) e c k e n f e i d e r 模型 e c k e n f e l d e r 模型是w f e e c k e n f e l d e r j 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 5 5 年提出的1 5 1 。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： i d x ：k i x ( 2 1 4 ) 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一级反应关系： i d x ：k 2 s ( 2 1 5 ) 一= - i ，i 一、i 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 ( 2 1 - 6 ) d t 。 式中：工微生物浓度； 墨一系数： ( 2 ) m c k i n n e y 模型 该模型是由r ：e m c k i n n e y 在2 0 世纪6 0 年代初发表的i “。与e c k e n f e l d e r 模 型相比，m c k i n n e y 模型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，属低基质浓度，微生物处于生长率下降阶段， 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 模型可以表述为： 了d f - k n f ( 2 1 7 ) u l 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，但这一概 念的提出，为活性污泥模型的研究开拓了新的思路。 活性污泥1 号模型在无锡城北污水厂的应用研究2 活性污泥模型概述 ( 3 ) 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 和户三m c c a r t y 4 】于19 7 0 年提出的l a w r e n c e m c c a r t y 模型最先 将m o n o d 方程引入废水生物处理领域，该模型的基本方程式为： 万1 = y u 。一k a u s = v 一若茜( 2 1 - 8 ， 式中：o c 一污泥龄； j ，一产率系数： 一基质比去除速率。 肠一衰减常数； 。一基质最大比去除速率。 & 一基质浓度； 玛一饱和常数； l a w r e n c e - m c c a r t y 模型的突出之处是强调了细胞平均停留时间( 泥龄) 的重 要性，由于泥龄可以通过控制污泥的排放量进行调节，因此增强了模型在实际应 用中的可操作性。 2 1 4 活性污泥法动态模型 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，长期实际应用经验也表明，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 的活性污泥工艺系统中时，带来许多问题1 5 】：无法解释有机物的“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，因而无法精确 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。 ( 1 ) a n d r e w s 模型 a ”d r e w j 模型由美国的j e a ”d r e w s 等于2 0 世纪8 0 年代提出 4 l 。该模型提出 了贮存代谢机理( 图2 1 2 ) 。该机理认为在活性污泥过程中，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m 的形式被贮 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，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。 非溶解吸附- 贮硬贮存物 性基质质x g m 孰 0 2 c o z + h 2 0 0 2迁h z o 溶解性二与z ；括性徽：甚。之代谢残 基质 至畏 生物体 裹减7 余物 图2 1 2 贮存代谢机理 ( 2 ) w r c 模型 w r c 模型是英国水研究中心( w a t e r r e s e a r c hc e n t e r ) 提出的。w r c 模型引 入了存活非存活细胞代谢机理【4 ( 图2 1 3 ) ，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，相当大程度的生物活性是由 这些非存活细胞提供的。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，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【6 1 。 图2 1 - 3 存活一非存活纲匏代谢l 理 2 1 5 国际水协会a s m 模型 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7 1 ：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。针对这两个问题，国际水协会( i n t e r n a t i o n a l w a t e r a s s o c i a t i o n ，i w a ) 于1 9 8 3 年组织南非、日本、美崮、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【4 l 。 活性污泥1 号模型在无锡城北污水厂的应用研究2 活性污泥模型概述 ( 1 ) a s m l 模型 活性污泥i 号模型( a s m l ) 于1 9 8 7 年【4 】推出。该模型着重于废水生物处理 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，使模型更加直观，易于理解。a s m 1 采用了d o l d 等人提出的死亡一再生 ( d e a t h r e g e n e r a t i o n ) 的模型化方法，但未接受贮存一代谢机理，而采用“死亡 再溶解”机理( 图2 1 4 ) ，体现了对代谢残余物的再利用。 底物s c 0 2 + h 2 0 存活 细胞 0 2c 0 2 + h 2 0 i ：幺代谢残 l 衰减 余物 i 非存括j 细胞 图2 1 - 4 死亡一再溶解 ( 2 ) a s m 2 模型 近1 0 年的实践证明：a s m l 是一种很有用的工具，在欧美得到广泛使用。 但其主要缺陷是未包含除磷过程。为此，i w a 于1 9 9 5 年推出活性污泥2 号模型 ( a s m 2 ) 。该模型沿用了a s m l 的矩阵表述形式和物质平衡计算两大特点，引 入聚磷微生物( p a o ) ，将生物和化学除磷过程纳入模型中。a s m 2 共有1 9 种组 分、1 9 个生物化学反应过程、2 2 个化学计量系数和4 2 个动力学参数。但由于至 今对生物除磷的机理还未完全明了，a s m 2 的应用还存在一些限制，如适用p h 范围是6 3 7 8 ，适用温度范围是1 0 2 5 。c ，发酵及厌氧水解过程对p a o 超量 摄磷的影响还需做进一步研究等。因此，a s m 2 还不能蜕是一个很成熟的模型。 但它是活性污泥模型发展的一个突破：为模型发展和完善提供了基点。1 9 9 9 年 推出的a s m 2 d 就是对a s m 2 的一次完善，主要考虑了反硝化除磷过程【4 】。 ( 3 ) a s m 3 模型 活性污泥3 号模型( a s m 3 ) 于1 9 9 9 年推出，不包括除磷过程，该模型与 a s m l 的区别体现在】： 采纳了有机物的贮存一代谢机理，在细胞衰减方面沿用内源呼吸理论。假 定x s t o 是异养菌生长的唯一基质，使模型大大简化。 将水解过程加以简化，从而减弱了水解作用对耗氧速率和反硝化速率的 控制作用。 ， 综合考虑了环境条件对生物衰减过程的影响，将衰减过程细化，使其更 活性污泥1 号模型在无锡城北污水厂的应用研究2 活性污泥模型概述 适应环境条件。 考虑到生物体自身氧化的同时伴随着其胞内贮存物的氧化，并认为其氧 化速率大于微生物自身氧化速率。 在a s m 3 中，溶解性和颗粒性组分可以用o 4 5 州膜过滤器很好的区分 辨别，而在a s m l 中，x s 可能会被留在滤出液中。 由于a s m 3 刚推出不久，它的准确性和实用价值还需要通过大量试验和实 际应用进行验证。 2 1 6 a s m 系列的使用限制 a s m 系列的建立是模拟活性污泥系统对城市污水的处理，而不适用于以工 业废水为主的废水处理。 ( 1 ) a s m l 的使用限制 1 温度应在8 2 30 c 之间； p h 值应在6 5 7 5 的范围内； 反应器的曝气死区所占比例5 0 ，否则污泥沉降肚能将会恶化： 不适用于超高负荷或泥龄( s r t ) 小的活性污泥系统，s r t 应为3 3 0 d ； 污泥浓度( 以c o d 计) 一般应在7 5 0 7 5 0 0 m g l 之间。 ( 2 ) a s m 2 的使用限制 温度应在1 0 2 5 c 之间，因为聚磷菌在高温及低温条件下的性能变异至 今尚未弄清； p h 值应在6 3 7 8 范围内，因为模型的碱度平衡计算基于p h = 6 9 的条 件； 污水中必须有足够的m ? + 和k + 以保证生物除磷的正常进行； 未考虑亚硝酸盐( n 0 2 ) 和一氧化氮( n o ) 对生物除磷过程有抑制作用。 ( 3 ) a s m 2 d 的使用限制f 9 】 温度应在1 0 2 5 。c 之间： p h 值应接近于中性： 污水中必须有足够的m 9 2 + 和k + ； 不能模拟有发酵产物溢流至曝气池的过程。 活性污泥1 号模型在无锡城北污水厂的应用研究 2 活性污泥模型概述 4 ) a s m 3 的使用限制【9 】 温度应在8 2 3 之间； p h 值应在6 5 7 5 的范围内； 不能模拟厌氧区占很大部分( 5 0 ) 的反应器； 不能处理亚硝酸盐浓度升高的情况； 不适用于超高负荷或泥龄( s r t ) k s 、 s o k o h 时) ，两个开关函数的值为1 ，过程以最大速率进行，当基 质浓度或溶解氧浓度有一项降到与饱和常数同一数量级时，开关函数的值将介于 0 和1 之间，过程反应速率变慢，而当基质降解完全，或是反应器内溶解氧浓度 极小( 即风 k s 、s o 杨时) ，开关函数的值为0 ，由于环境条件达不到过 程进行的要求，过程反应速率为零，反应停止。 自养菌最大比增长速率肋和异养菌最大比增长速率f 圩：这两个参数表示 自养菌和异养菌在不受系统条件限制情况下，以最大增长速率进行生长时，单位 生物量的增长速率d x ，d t 。2 0 c 中性环境下的模型默认值分别为0 8 a d 和6 0 a r l 。 自养菌的衰减系数“和异养菌的衰减系数翰：与微生物的比增长速率相 似，衰减系数的单位也是厂。，模型指定以在2 0 。c 中性环境下的默认值为0 6 2 d 一。 由于关于自养菌的衰减机理存在着许多疑问，难以准确测定以，对大多数活性 污泥系统来说一般在0 0 5 0 1 5 d 之间。 缺氧条件下异养菌生长的校正因子和缺氧条件下水解校正因子珊：这 两个参数的引入，是因为在缺氧条件下异养菌的生长和水解速率均小于好氧条 件，他们均为无量纲，在2 0 中性环境下的模型默认值分别为0 8 和0 4 。 最大比氨化速率也和最大比水解速率b ：这两个参数表征的是在没有条 件限制下，氨化和水解的最大比速率。在2 09 c 中性环境下模型默认值分别为 0 0 8 m 3 ( c o d ) ( 吕d ) 和3 9 ( 慢速可生物降解c o d ) ( g 细胞c o d d ) 。 2 4a s m l 水质组分及模型参数研究现状 2 4 1 水质组分的测定 a s m l 将进水划分为1 3 种组分，一部分是传统组分，可以直接用常规的化 学测试方法进行测定，如硝酸态氮( s u o ) 、氨氮( s u h ) 、总碱度( 丛) 等；而 另外组分，如溶解惰性有机物( 母) 易生物降解有机物( 风) ，颗粒性惰性有机物 ( 蜀) 难生物降解有机物( 必) 、异养菌( 肠) 、自养菌( 蜀) 、微生物衰减的颗 粒性产物( 硒) 、可溶性易生物降解有机氮( s n o ) 和颗粒性可生物降解有机氮( x n d ) 等九种物质由于涉及到反应过程中微生物的生长和衰减，并没有统一的测定方 法，很多学者根据它们各自的定义，总结出了一些生化呼吸计量法和物化法。而 溶解氧( 翰) 表征的是活性污泥系统中好氧生长的反应条件，一般好氧系统中浓 度较高，无需测定进水中此项指标。 对于后9 种物质，a s m l 假定惰性物质研和墨不参与生化反应，前者随系 统出水排出，浓度不发生变化，后者在实际处理过程中被初沉池去除或污泥絮体 吸附，不参与到系列化反应中，在进行模型设计的时候并不需要考虑这两个组分。 污水自身并不包含x p ，它是由系统中的活性污泥衰减产生的，可认为是惰性颗 粒物，可由二沉池除去，所以无需对它进行测定。对于另外6 种组分，很多学者 提出o u r 呼吸计量法、混凝过滤物化法、间歇活性污泥法等生化或物化方法进 行测定，可以满足模型应用的需要。表2 4 1 是a s m l 中目前水质组分测定方法 研究的现状 2 5 , 2 6 , 2 7 l ： 表2 4 1 水质组分测定方法研究现状 组分测定方法附加条件理论假设及设备 o 4 5 # z m 的膜过滤山流水，山水的 低负荷系统 9 0 c o d s l 长时间曝气后7 - 8 , u r n 膜过滤 降解过程中无岛产生 污水长时间曝气，监测b o d助 溶氧仪 0 1 膜过滤 西 颗粒物中不包含易生物降解物质 7 - 8 “m 膜过滤 s l z n 日j ，絮凝沉淀 s l 黾 批量反应器o u r 法 y h n u r 法 滴定法c f n c n 常数 五长时间曝气后，7 - 8 ，m 膜过滤在曝气过程中无坞生成 物质平衡，s ”s i 、x l忽略岛h 、肠 x s 批量o u r 法 x n no u r 法 x b ao u r 法 x p s o 标准方法 s n o 标准方法 s 1 l 标准方法 s a d 分析总t k n s n h x n d分析颗粒性t k n s a l k 标准方法 活性污泥1 号模型在无锡城北污水厂的应用研究 2 活性污泥模型概述 2 4 2 化学计量系数的测定 a s m l 中列出的5 个化学计量系数( 珞、y a 、i x e 、如、后) 的典型值并不受 系统温度的影响，但对于不同的废水特性及污泥组成，其值还是会有一定偏差。 为了确保模型对区域水质应用的准确性，有必要对所研究的每一种废水和污泥分 别进行化学计量系数测定。 模型的应用对于5 个化学计量参数的敏感程度不同，h e m em 2 8 , 2 9 1 等人利用 简化模型，参照a s m i 的推荐值，就参数对活性污泥过程变量的影响进行了研 究，发现场对过程影响最大。 国外就功测定提出了多种生物、物化测定方法和模型辨识方法，呼吸计量 法因其简便易行，成为各种测定方法中的主流。同时n 、如和如三个参数可根 据微生物典型化学分子式和自养菌生化过程反应式，由理论计算得来 3 0 , 3 1 3 2 。 2 4 3 动力学参数的测定 a s m l 用1 4 个动力学参数来表达反应过程的动态特性，其中一些参数不需 要测定，模型对他们的值不敏感，直接采用推荐值就可收到良好的效果，其它参 数( 如异养菌最大比增长速率“。，。异养菌衰减系数b h ) 必须根据具体的工艺结 构、水质特性等进行应用前的测定，以便模型的校正和使用。目前研究的参数估 计方法主要有试验测定、模型拟合试验数据和系统辨识。 异养菌最大比生长速率b m a x 对于硝化反应器的设计和控制而言，“。是最关键的参数。h a l p 3 】推荐利用 连续流的方法测定。n o w a k i 3 4 1 等利用呼吸计量法通过测定自养菌的最大呼吸速率 o u r m a ，间接计算出。l e s o u e f 3 5 】等提出在测定硝化速率的两个试验中，加入已 知量的底物以提高自养菌浓度，自养菌的增氏速率可由两个硝化速率的差值与加 入底物的比率得知。 异养菌衰减速率b h 蚰对于污泥产率和需氧量的预测至关重要，所以它必须根据所使用的污泥 确定。在传统的模型中，内源衰减系数k 。是根据污泥龄与比基质去除速率的线 性关系获得，但该过程仅定义了衰减系数约为0 0 5 d ，比真正的加值要低。 蚴。一3 6 等发现当污泥龄升高时，估测的k d 值就不准确。新提出的活性污泥l 号 模型将活性微生物与颗粒性惰性有机物区分开来，可采用呼吸计量法测定b ，。 活性污泥1 号模型在无锡城北污水厂的应用研究2 活性污泥模型概述 2 5a s m 系列模型软件 2 5 1 模型软件概述 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， 其中应用比较广泛的是a s i m 、s s s p 、e f o r 、g p s - x 和w e s t 等。这些程序和 软件可十分方便地用于科学研究、开发新工艺；用于辅助设计，进行工艺方案选 择；用于污水厂的运行管理，确定最佳的运行策略，进行改造等等【3 6 】。 a s i m a s i m ( a c t i v a t e d s l u d g es i m u l a t i o np r o g r a m ) 是e a w a g ( s w 括s f e d e r a l i n s t i t u t e f o re n v i r o n m e n ts c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ) 基于a s m l 编制而成的，其最初 主要用于教学、科研和咨询。目前的版本是在1 9 9 4 年8 月推出的a s i m 3 ，它可 以应用于目前存在的大多数生化动力学模型，也可对目前存在的大多数具有脱氮 功能的活性污泥工艺进行模拟。 s s s p s s s p ( s i m u l a t i o no f s i n g l es l u d g ep r o c e s s e s ) 程序由美国c l e m s o n 大学根据 a s m l 编制 3 6 1 ，可对污水处理厂进行稳态模拟，也可进行动态模拟，显示氨氮去 除率、泥龄、水力停留时间、回流比、溶解氧、耗氧速率、混合液悬浮固体浓度 等4 5 个变化速率之间的关系曲线。该软件模拟污水厂稳定运行的基本假设是： 剩余污泥从各曝气池排出，排放量与各曝气池的体积成正比；出水中没有活性污 泥，二沉池中也没有活性污泥的积累，即所有活性污泥均回流至曝气池或以剩余 污泥形式排出；在二沉池中没有发生任何反应。 e f o r e f o r 是由d h i 开发的基于a s m l 和a s m 2 的模拟仿真软件，目前已有许 多版本，最新的是e f o r 2 0 0 2 t 3 6 】。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，获得稳态与动态的出水效果。 文献对模型计算结果的评价表明：经过适当的修正，e f o r 软件能够比较真 实地模拟活性污泥工艺，使复杂的环境条件明朗化。但是，成功地应用e f o r 软 件还需要做大量实际的工作，不仅要克服软件本身的限制，如二沉池内不发生生 活性污泥1 号模型在无锡城北污水厂的应用研究 2 活性污泥模型概述 化反应、温度和曝气池个数有限制等，还要对程序的内部参数进行设定，并针对 不同的应用条件建立相应的程序修正方法。 a s p s c o a s p s c o 是季民口1 1 等人根据国内典型活性污泥法污水处理厂的工艺状况， 对i w a 活性污泥模型作了适当简化，在w i n d o w s 操作平台上用m a t l a b 数学软 件开发出的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( 考虑了8 个组分和3 个生化过程) 。用该模拟系统模拟天津市纪庄子污水处理厂的实际运 行表明，模拟结果与实测数据吻合较好，证明a s p s - c o 是基本可行的。 ( 9g p s - x g p s x ( t h e g e n e r a l p u r p o s es i m u l a t o r ) 是由加拿大h y d r o m a n t i s 公司开发的 面向对象、模型独立的交互式商业化软件，它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。该软件于1 9 9 1 年第一次发布，既可在个人电脑 w i n d o w s 环境下，也可在s o l a r i s 工作站上运行，目前在世界范围内使用广泛【3 7 j 。 w e s t w e s t 最早由比利时h e m m i s 公司于1 9 9 0 年开发，经历了多个版本更新， 它是基于整个a s m 系列的模拟仿真软件，可以模拟目前所有的污水处理工艺， 2 0 0 4 年，丹麦d h i 与h e m m l s 达成战略联盟，进一步开发和完善了w e s t 系列 软件。目前已有许多版本，最新的是w e s t 3 7 4 38 1 。 2 5 2w e s t 仿真软件的特点 w e s t 是由比利时h e m m i s 公司开发的面向对象、模型独立的交互式商业 化软件，它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。该软 件可在个人电脑w i n d o w s 环境下，也可在s o l a r i s 工作站上运行【3 8 】。 w e s t 软件是个开放式、多功能的仿真软件。通过引入组件单元( 如反应 器、分离器、沉淀池、传感器、控制器等1 ，软件可以帮助用户使用分级图形编 辑器( h g e ) 构建模拟对象，并建立组件单元间的关联；后台模型库中提供了大量 的组件模型供选择。 与其他活性污泥模型软件相比，w e s t 软件有四大特点： 在操作使用上，软件人机界面友好，操作灵活，可以快速组建起各种污 水处理工艺。输入、输出既可用数据文件格式，也可用d d e 格式，还可与微软 活性污泥1 号模型在无锡城北污水j 的应用研究2 活性污泥模型概述 e x c e l l 链接以电子表格的形式输出，用图、表直观地显示整个变化过程；可在 屏幕流程图中显示某个操作单元( 如曝气池、二沉池) ，并通过阀门点击来调整该 装置的参数或对其进行相应的操作。； 在模拟应用方面，软件具有丰富的工艺组件模型与机理模型，其中，机 理模型中包括i w a 推出的所有活性污泥数学模型，如除碳脱氮的a s m l 、a s m 3 模型，以及脱氮除磷的a s m 2 、a s m 2 d 模型，并且可以进行温度变化下的参数 调整；组件模型中含有一些控制模型，如内置开，关、p 、p i 、p i d 控制和超前滞 后、前馈控制模拟程序等；反应器模型( s b r 反应器、厌氧消化反应器1 与二沉池 模型，如点沉降模型、分层模型等。这样，软件能够模拟各种类型的活性污泥工 艺，适用于不同类型的污水厂模拟。同时，这些模型库在多个技术中心的支持下， 得到不断完善与扩展。 在应用功能方面，w e s t 软件开发了多种功能，除了可进行污水厂的模 拟以外，还可以通过灵敏度分析等进行污水厂的试验分析，研究关键参数；此外， 还可以通过分析来进行污水厂的操作与工艺优化比较，帮助确定最佳运行方案。 软件的一大特点是可以进行模型的二次开发。软件为高级用户提供了模 型的二二次开发平台，软件带有编辑平台可以实现用户在使用中进行二次开发。同 时，通过m s l 数据库可以实现用户对模型库的自定义扩展【3 8 】。 w e s t 仿真模拟软件的发展相对成熟，包含的模型库内容丰富，可模拟的工 艺过程覆盖面广，几乎适用于任何工艺的污水处理厂，但是也存在一些问题： 没有中文界面，即使是汉化后的版本，如w e s t 3 7 4 中文版，软件中大 量的