（环境工程专业论文）计算机模拟技术在污水处理厂运行中的应用研究.pdf

中文摘要 小文以纪庄了污水处理厂为研究刈缘，在对纪庄子污水处理f 的实际运行状 况分析的基础卜，根据纪庄予2 0 0 3 年和2 0 0 4 年的实际监测数据，利_ l 数学模型 模拟了纪庄子污水处理厂的运行状况，并对模型参数的灵敏度进行了分析。在此 基础i ，建：了纪庄子污水处理j 扩建工程的计算机模型，并通过改变气温和水 温、排泥量、回流比和进水量模拟了不刊情况r 纪庄子污水处理j 扩建工程的运 行状况和出水水质。在模拟过程中，入流数据都是根据g p s x 软件自带的入流模 型j s s c o d 模型获得的。 在埘纪庄子污水处理r _ 扩建工程渊研的基础上，建立了纪序了污水处理j 一扩 建i 程的模型，入流模刑采用的( ；p s x 白带的c o d f r a c t i o n s 模型。以纪庄子污 水处理厂扩建工程的设汁水质水最为基础，通过改变水温和气温、排泥量、回流 比和进水量模拟了1 i 同情况下纪j 子污水处理厂扩建工程的运行状况和出水水 质。为纪庄子扩建工程的优化管理提供了理论依据。 火键词：城市污水数学模型活性污泥法入流模型参数灵敏度 a b s t r a c t t h i sp a p e rf o c u s e so nj i z h u a n g z h iw a s t e w a t e rp l a n t s o nt h eb a s i so fj i z h u a n g z h i w a s t e w a t e rp l a n to p e r a t i o na n da n a l y s i sd a t ao f2 0 0 3a n d2 0 0 4 ，m a t h e m a t i cm o d e li s u s e dt os i m u l a t ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n to p e r a t i o n ，a n di t ss e n s i t i v ed e g r e e sw e r e i n v e s t i g a t e d a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c hr e s u l t s ，c o m p u t e rs i m u l a t i o nm o d e l sw e r eb u i l t t os i m u l a t ej i z h u a n g z h iw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n to p e r a t i o n ，o u t l e tc h a r a c t e r i s t i c s a n do p e r a t i o np a r a m e t e r so fj i z h u a n g z h ie x p a n s i o ne n g i n e e r i n gw e r eg o ta c c o r d i n g t o c o m p u t e r s i m u l a t i o nr e s u l t su n d e rd i f f e r e n ta i r t e m p e r a t u r e ，w a s t e w a t e r t e m p e r a t u r e ，w a s t es l u d g e ，s l u d g er e t u r n r a t ea n di n l e tf l o w i n l e tm o d e li sa t s s c o dm o d e lw h i c hg p s - xs o f t w a r eh a s a f t e rr e s e a r c h i n gj i z h u a n g z h iw a s t e w a t e re x p a n s i o ne n g i n e e r i n g ，t h e c o m p u t e r s i m u l a t i o nm o d e lf o rt h i sp r o c e s sw a sb u i l t ，t h ei n l e tm o d e li sb a s e do nt h eg p s x s o f t w a r ec o df r a c t i o n sm o d e l o nb a s i so ft h ed e s i g ni n l e tq u a l i t yo fj i z h u a n g z h i w a s t e w a t e re x p a n s i o ne n g i n e e r i n g ，o u t l e tc h a r a c t e r i s t i c sa n do p e r a t i o np a r a m e t e r s o fj i z h u a n g z h ie x p a n s i o ne n g i n e e r i n gw e r eg o ta c c o r d i n gt oc o m p u t e rs i m u l a t i o n r e s u l t su n d e rd i f f e r e n ta i rt e m p e r a t u r e ，w a s t e w a t e rt e m p e r a t u r e ，w a s t es l u d g e ，s l u d g e r e t u r nr a t ea n di n l e tf l o w t h es i m u l a t i o nr e s u l t sp r o v i d et h e o r ym e t h o d sf o r j i z h u a n g z h ie x p a n s i o ne n g i n e e r i n go p t i m i s t i co p e r a t i o no p t i m i z a t i o n k e yw o r d s ：m u n i c i p a lw a s t e w a t e lm a t h e m a t i c sm o d e l ，a c t i v a t e ds l u d g e s y s t e m ，i n l e tm o d e l ，p a r a m e t e r , s e n s i t i v i t yd e g r e e 独创性声明 本人声明所呈交的学化论文是本人在导帅指导下进行的研究1 i 作和取得的 研究成果，除了文中特刖加以标注和敏谢之处外，论文巾不包含其他人已经发表 或撰下j 过的研究成果，也不包含为获得苤盗盘堂或其他教育机构的学位或h f 如向使用过的材料。与我一同r 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文巾 作了明确的况明并表示了谢意。 籼论文作者躲李躲签字慨知p9 月，h 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权叁鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据j 车进行检 索，并采用影e l j 、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以4 j t 查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 虢秀够毒砭 签字h 期：埘年c 7 月jh 导师签 签字r 月f r | 第一_ 辛_ 概述 1 1 项目背景 第一章概述 1 1 1 概述 在污水处理厂的运行管理方面由于两方国家工、【k 起步较l r l ，自动化柙度较高，广 泛麻用自动化控制，并存基础理论研究上取得了较火进展。 在我幽，计算机作为工业控制f 具存污水处理中m 0 仅仅应用庄辅助设计、咖点榆 测、数据管理、报表打印等方面。虽然某些污水处理厂也部分使用了计算机管理控 制运行，但这种计算机管理控制只足机械设备的自动摔制，到目前为止幽内还没有 一家城r 丁污水处理一真i _ f 对整个处理系统采用自动控制管理，大多城市污水处理厂 仍然使用人工操作加自动检测显示相结合，这些方面与国外差距甚大。 计算机模拟软件g p s x 是基 二i a w q 推出的活性污泥法数学模型( a s m 系列) 编 制的，既可用1 ：污水处理厂的设计也可用于对已建污水处理j 的稳态、动态进 j 二模 拟，寻求最佳运行状态，并对污水处理厂e 匀运行状况进行评t o 诊断及预测，提高 处理j 的处理能力、运行效率和出水水质以节省资舍，降低运行管理费h j 。 1 1 2 实现污水处理厂管理数字化的研究现状 为实现污水处理j 的工艺运行和管理的数字化，日前闻内外在这方面的研究主 要包括机理模型的研究、控制r 饯略的研究和工艺软件的研究三个方而。 ( 1 ) 机理模型的研究 在城市污水生化处理系统的研究中，南非和欧盟在过程模型，f ：发和利用等方面 处r 世界领先地位。白1 9 8 7 年以来，国际水质量协会( i a w q ) i 作组已绎发布了活性 污泥的数学模型( a s m ) 共计p u 个版本，分别为a s m l 、a s m 2 、a s m 3 和a s m 2 d 。国 外学1 1 电陆续发表了一些关于a s m 模型的理论分析、实验及工业应用等研究报告 l l - 7 】，结果表明a s m 存构造仿真系统、i ：艺优化和降低成本、安全可靠运行等方面 有重要价值。 我幽在模趔的研究和应用方【i lj 起步较晚，虽然咆有一些介绍模型的文章发表住 各有关杂志和会议论文集，但是多为综述一r e 质【8 - 1 4j ，应用_ 方面只有少量的报道1 1 5 。“， 第一章概述 机理模型方面的文献只自 艮少的报道，例_ ! c i lj o j ! 夏卢着重介绍了各利，废k 与，上物处理 数学模型的推导和基木应用i ”j ：张i t i 杰等对e c k e n f e l d e r 、m c k i n n e v 、 l a w r e n c e l m c c a r t y 等模刑的理论、应j i 4 u 研究成果作了较为全面的论述i ；季民等 对活性污泥法数学模型的研究与j 、v 用等i ”i 。 ( 2 ) 控制战略的研究 在污水处理j 中经常要根据进水水质、水量情况及设备设施的运转情况进行工艺 调整。如何根据不同工况点进行控制调整，工况调整后系统反心灵敏度以及反馈变 虽如何确定等均属丁控制战略研究范围。采用目前设计模型参数虽然有时在一定的 范围内可达到系统动态稳定，但兀法达到黎体最优化。例如：住出水水质各项指标 均达标的前提f ，系统产乍| e | 勺剩余污泥量最优化、处理系统运行成本最优化等。随 着汁算机的出现和广泛应用，可以通过数学模型优化已建处理设施的运行方式来提 高处理厂的处理能力、运行效率和出水水质。这样可以节省大量的资金，显著降低 运行管理费用。 ( 3 ) 工艺软件的研究 好的模型没有合适的软件就无法发挥其优点，但由于环境l 程是一个综合学科， 污水处王甲系统更是设计到生物、化学、流体力学等多方面的原理，所以软件的研究 比较困难。 在a s m 模型系列推出之后，推动了活性污泥废水处理i 艺汁算机模拟系统软件 系列的丌发与应用，虽然这些模型并不完全是基于a s m 模型系列，但是绝大多数软 件都或多或少地与a s m 系列有关。1 9 8 8 年，美罔c l e m s o n 大学将a s m l 模型编成 计算机应用程序s s s p ”1 ( 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 ) ，成为公认的第一个活 性污泥工岂软件。此后发展迅速，又出现了e f o r 软件吲、a s i m 软件、s i m b a 软件。2 4j 和g p s x 1 2 5 1 以g p s x 模拟软件系列稳居环境保护i t 产业的苗席地位。表l _ 1 列举了一些典型的丌发软件。 这_ b 软件主要用二科学研究，丌发新工艺；辅助设计，进行工艺方案选择；污 水处理j 的运行管理，如确定不同负荷条件的最佳运行策略、进 j ：改造和扩建的可 陛研究等；用丁专、i k 教学，形象表征活性污泥工艺巾生物过程的l 目瓦作用1 j 联系。 第章概述 表1 一i 幽内外污水处理t 艺软件 软件名 特征 模拟软件开发机构 称 府_ l 】a s m i 手a s m 2 ，并包 h y d r o m a n t i s ，i n c ，16 8 5 m a i ns t w e s t ，s u i t e3 0 2 ， g p s x 含其它操作单元模拟的优秀 h a m i l t o n o n t a r i ol s s1g 5 ( 、a n a d a 废水处理模拟软件 c pl e s l i e g r a d a y j r e n v i r o n m c n l a l s y s t e m s s s pa s m l e n g i n e e r i n g ，r i c he n v i r o n m e n t a lr c s c a r c hl a b ，c l e m s o n u n i v e r s i t y , c l e m s o n ，s c2 9 6 3 4 0 9 1 9 ， u s a j a np e t e r s o n ，i k r u g era s ，g a d s a x e v e i3 6 3 ，d k 一2 8 6 0 ， e f f o r a s m i 和沉淀池模拟 s o b o r g ，d e n m a r k j 、ih a s m l 和a s m 2 ，并包 w i l l ig u j e r , e a w a g , s w i s sf e d e r a li n s t i t u t ef o re n v i r o n a s i ms c i e n c e m a d t e c h n o l o g y , c h 一8 6 0 0d u b e n d o r f , 含其它单元 s w i t z e r l a n d j u r g e no l e s ，t e c h n i c a lu n i v e r s i t yh a m b u r g h a r b u r g ， s b r s i m应i l j a s m l 模拟s b rr 岂 e i s s e n d o r t f e rs t r a s s e4 2 ，2 1 0 0h a m b u r g9 0 ，g e r m a n y 此相应，近年来我困丌发的活性污泥工艺软件，主要集巾征污水处理工艺的 计算机辅助设计，而在活性污泥工艺的动态模拟方面尚无报道。主要研究成果有同 济大学承担国家“七h ”科技攻关项目开发的“水处理l 程计算机辅助设计”软件 包( 基j 二传统的活性污泥模型，注重整个污水处王里厂的没计及各个组成部分之m 的 1 办调) 、北京建筑工程学院承担国家“八h ”科技攻关项目开发的“稳定塘智能化系 统”( 包括稳定塘设计系统、稳定塘流程优化系统、稳定塘专家系统和稳定塘工程图 j j ! 三系统) 等。田家“儿工”科技攻关项目“城市污水处理技术集成与决策支持系统 建设”，则致力j ：活性污泥数学模型理论及计算机模拟技术在国内的普及、应用和发 展，总体来说还远远落后r 世界水平。 1 1 3 污水处理厂管理数字化的应用现状 一个蚶的模型不仅要包含对复杂生物过程的深刻理解，对过程的设计、启动、 动力学预测、运行特性预测、控制和优化也是至关重要的。综合固外近年来对模型 的应用埘f 究，已证实了i a w qa s m l 对于描述碳氰化、硝化和反硝化过程具有较强 的模拟预测能力。a s m 2 对生物除磷的描述尽管还存在一些问题，但也i 跌得了讷：多 较为成功的经验，随着对生物除磷机理的深入研究和更深刻的理解，a s m 2 的应用 笙呈堕奎 也必将哑成熟。山了二a s m 3 提 f 较晚，目前还没自经过人量的运行数据的验证，所 以仍然需要仵实践巾对模型进行4 i 断的修i r 和改进，特别是刈储存现象的描述。 a s m 3 的优点是即使铵盐和碳酸氯特限制了微生物的新陈代谢，也无需调整其模犁 结构。由j in w q 活性污泥数学模型本身结构的复杂性，将其直接应用j 二污水处理 厂的没引、模拟、预测、运行控制等方面是1 ：现实的，也是不必要的。凶为尽管为 简化模型结构做了一些假设，i a w q 数学模型对污水处理的生物过程描述仍较为全 面。存特定的污水水质条件和工艺处理f 1 标下，完全- 叮以将模型中非父键冈素忽略 掉，仪考虑埘模拟结果影响较大的变量、过程和参数，这样模型可以进一步简化， 从而大大绵短求解时间，给模型在污水厂的实际应用带来极大方便。虽然i a w q 数 学模型的。史用性已得到困外人量应用实践的证实，但存实际应用中仍然有许多m 题 何待进一步研究。 1 1 4 污水处理厂数学模型应用过程中的几个关键问题 到日i u 为止，污水处理厂数学模型及以此为基础开发的软件在理论上已达到了 个新的高度，这螳模型对于污水中的组分及主要的反应过程都有比较准确的描述。 但模型中许多的组分及大量的常数、参数需根搌实际处理工艺和水质进行标定，而 且模型本身庞大复杂的结构也给实际应用带来了诸多不便，即使在目前较为发达的 计算机技术条件下，模型的求解也是相当困难的。尽管模型在理论上是比较完美的， 但在实际应用中必须经过修正，以获得特定条件卜便于应用的模型。从国内外大量 的应用实例中不难看出，模型应用中问题的焦点在丁二模型的简化、水质的分析和测 定以及参数的投汇。 ( 1 ) 水质的分析和测定 h f 于模型中涉及的组分较多，而且不能由常规水质分析指标直观表述，需要设 定常规榆测数据与模型参数的转换方案。如考虑污水除磷脱氮则要测定进水构成中 c o d 、氮、磷的溶解性和非溶解性、惰性和非惰性物质各自的俞量，测定的内容比 目时常舰的水质化验多出很多，而日具体的测定方法还未规范化，有些还有待于进 步研究解决。圆内外许多专家组日d 卜致力于对迸水水质测定方法简单化、规范 化方而的研究。 ( 2 ) 模型的简化 污水处理厂数学模型极其复杂，将其充整的模型直接应用于污水厂的殴计、模 第章概述 拟、运行控制是不现实的，这就需要根据具体条件将其适当简化。但值得耶境上作 者注意的是，模型的简化虽然是必要的，但也是柑当危险的。如果简化个当，将导 致应川的彻底失败。因此，在模型心用十某一特定污水之前，必须充分了解污水 水质特性、【+ 艺的水力学特性以及生物反应过程和机理。在此基础上，分析各变量 和参数埘系统模拟的敏感性，忽略不敏感因素，仅考虑对系统影响较大的因素，从 而达到简化的目的。 模型简化的结果是矩阵中变鼍和生物反应过程及其相关参数的减少，或是非线 性模型的线性化。简化厉的模型必须经过校l 卜方可使用，而校j 下过程的难点便集中 1 二参数的渊整。 ( 3 ) 参数的校正 简化的模型必须进行参数校f ，其调整有两种方法，一种是手动i 刷整， 种足 自动调整。手动调整耗时长且结果重现性差，故仅在无法自动调整时采用。但是自 动调整也不是可以直接使用，它要求先进的存线监测仪器和功能很强的数学l ：具。 随着t t 算机技术的飞速发展，更加快速方便的校诈方法必将应运而生，从而推动污 水处理厂数学模型更加j “泛的应用。 污水处理厂数学模型在i 虱j , l - 的大量应用中已取得了宝贵的经验，污水处理工艺 的不断完善和生物处理机理的不断明确，以及计算机技术的飞速发展必将使数学模 型得到更为广泛的应用。 1 2 研究的必要性和意义 在新、改、扩建的污水处理厂中，完备的自动化和仪表系统为运行参数的自动 采集与调节创造了条什。对城市污水处王坐厂的运行可通过工艺运行控制来稳定污水 厂的最终出水水质，迅速发现原水的冲击负荷，预报原水中的毒性变化对处理效果 的影响：优化污水j 的运行和管理；对污水厂的员工进行专业培训，提高员j ：的专 、k 技术素质；可以根据环境条件的不同，优化污水厂的令年运行策略利工艺路线， 存污水j 接纳新的排污负荷时，综合考虑老厂的承受能力，提出切实可行的改建和 扩建方案：降低污水厂的运行成本。 污水处理厂数学模型在幽外的大量应用中已取得了宝贵的经验，污水处理_ l 艺 的不断完善和牛物处理机理的不断明确，以及计算机技术的飞速发展使数学模型得 第章槲述 到更为广泛的应用。而我幽在城市污水牛化处理系统模型化方而的研究工作鲜见报 道，所以进行城i i 丁污水处理j 设计运行的数字化系统的研究i j 以提高城市污水处理 j 的工岂控制水平，推进活。陆污泥数学模型在我幽的发展和心用，对企、l k 效氚的提 高和环保事、j k 的建没具有重大的科学价值。 1 3 总体目标 j t 腱应用计算机模拟系统指导污水厂优化运行的研究工作，使得污水厂能够达 剑高效率、低能耗的最佳运行状态，从而取得较大的经济效益和环境效益，逐渐缩 小我凼与国外的差距，提高污水厂的设计和运行管理水甲。 1 4 主要研究内容 ( 1 ) 调研和分析城市污水处理厂设计运 j 二流程 1 ) 润研； 要包括污水处理厂模型资料的研究。 2 ) 确定城市污水处理厂计算机模拟系统的框架： 分析和研究污水处理厂设计和运行管理的流程，总体确认污水处理厂计算机模 拟系统的框架。 ( 2 ) 污水处理厂污水处理1 ：艺单元数学模型的分析印研究，确定模型所需的参 数 ( 3 ) 污水处理单元数学模型参数的修正 通过使用初步估值的参数模拟污水处理单元，并通过模拟数据和监测数据对参 数进行修i f ，直至满足所设定的模拟效果。 ( 4 ) 纪庄子污水处理厂运行计算机模拟 ( 5 ) 纪庄子污水处理厂计镡机模型灵敏度分析 ( 6 ) 纪庄子污水处理厂扩建工程计算机模拟 第章撕述 剑更为广泛的应_ i = 目。而我四在城市污水，m e 处理系统模型化方而的研究j 。作鲜见报 道所以进行城i 】 污水处理厂殴引运行的数字化系统的研究j 以提高城市污水处理 厂的工岂控制水平，推i 活忡污泥数学模型在我幽n 勺发能和施h j 刘企、l k 效薷的提 高和环保事、比的建发具有重大的科学价值。 1 3 总体目标 ，r r 展艇用汁算机模拟系统指导污水厂优化运行的研究工作，使得污水厂能够达 到高效率、低能耗的最佳运行状态，从而墩得较大的经济效益和环境效益逐渐缩 小我幽与幽外的差距，提高污水厂的设刮和运行管理水平。 1 4 主要研究内容 ( 1 ) 调研和分析城市污水处理r 设计运行流程 1 ) 润研； 丰要包括污水处理厂模型资料的研究。 2 ) 确定城市污水处理厂计算机模拟系统的框架： 分析和研究污水处理，设计和运行管理的流程，总体确认污水处理厂计算机模 拟系统的框架。 ( 2 ) 污水处理厂污水处理1 ：艺单元数学模型的分析和研究，确定模型所需的参 数 r3 ) 污水处弹单兀数学模型参数的修币 通过使用初步估值的参数模拟污水处理单元，并通过模拟数据和监测数_ = 罾对参 数进行修i f ，直至满足所设定的模拟效果。 ( 4 ) 纪庄子污水处理厂运行计算机模拟 ( 5 ) 纪庄子污水处理厂计算机模型灵敏度分析 ( 6 ) 纪庄子污水处珲厂扩建_ 程计算机模拟 ( 6 ) 纪庄子污水处理厂扩建_ 程计算机模拟 第 章污水处理j 汁算i j l 模拟理论基础 第二章污水处理厂计算机模拟理论基础 1 9 8 3 年原罔际水污染研究l j 控制协会( i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no nw a t e rp o l l u t i o n r e s e a r c ha n dc o n t r o l ，简称为1 a w p r c ，国际水质l 办会i a w q 以前的名称) 成立了活 性污泥法没计和运行数学模型课题组。在已有的各种活性污泥数学模型发展的基础 卜，分刖j 二1 9 8 7 、1 9 9 5 和1 9 9 9 年推出了活性污泥l 号( a s m l ) 、2 号( a s m 2 ) 、3 号( a s m 3 ) 模型【2 8 1 。i w a 推出的3 套模型存形式和功能上都较以前的模型有了很大突破，有效 指导了活，阽污泥浊新工艺的开发、污水处理厂的设计、改造和运行管理【2 7 - ”，得到 世界的充分肯定，是当今活性污泥模型研究的主流f l 1 。i a w q 的活性污泥模型在表 述方面的最主要持征是采用矩阵的形式来描述活性污泥系统中各组分的变化胤律和 相一关系，并在矩阵反应速率中使用了“丌关函数”的概念| 2 6 。4 1 ，以反映环境因素 改变而广，的抑制作用，避免那些具有外关型1 i 连续特性的反应过程表达，在模拟 过程中出现数值不稳定现象。 2 1 活性污泥1 号模型( a s m l ) 此模型主要适用于污水生物处理的设计和运行模拟，着重于生物处理的基本原 理、过秤及其动态模拟，包括了碳源氰化、硝化和反硝化作用等反应过程，包含了 异养型和自养型微生物、多种基质组分、硝态氮和氨氮等1 3 种物质的平衡。 2 1 1 模型的表达形式 1 a w q 的活性污泥模型利用矩阵进行描述，见表2 一l 。利用矩阵描述的一个重要 优l i 是可以快速简单地认识各组分的变化过程，列出质量平衡方程。活性污泥模型 巾采用的质量平衡关系式是： 进入量一排出量+ 反应量= 积累量 式( 21 ) 进入项和排出项是一个输送项，由被模拟的系统的物理特性决定。在矩阵中， 组分表观转化率一可以通过计量化学计量系数p ，。和组分i 的过程速率式p 乘积之和 得到： = v h p ， 式( 2 2 ) a s m 在模型中还引进了开关函数的概念，以反映叫：境因素改变所产生的遏制作 用，即反应进行与否。引入的溶解氧开关函数s 为： 。： k o4 - s d 糌惴l污*净谴1卑樯彗蒋整珞爵啉喜 卅1_h舌as薹审湛瞳墨群帮斟斗慊渖高慊卑帅垛 趸 到 皿如地抑 名-_ 喜要- 啼，i ，一1 = 吲l 靠 滔 蒜蒜 端精鼎珊靴鼎 gz z 强叮湘牟 毒囊 醉醉薄酣斟母母砸i 斟出 8害墨墨嚣 詈宣誊蝌翔觜露靖 潜蝴氰斟蚺筒投 3 墨怫忤旰 * 蝴 亦术亦 宣墓 蒜 蓁冀萋篓 。冀 穗鬻安 旰旰碎野璧漫 藩 簿蝌爵耐孽 啡 脚 就惭惴 耍 銎 善霎 可溶性惰性有机物质 【m ( c o d ) l 3 】 易生物降解基质 f l f 【一 叫( c o d ) l 3 】 u 颗粒性惰性有机物质 - m ( c o d ) ，l 3 】 x 扛 慢速可生物降解基质 o m ( c o d ) l 3 】 u 异养性活性生物量 目 z m ( c o d ) l 3 】 。、 自养性活性生物量 【m ( c o d ) l 3 由生物量衰减而产生的颗粒性产物 、 q 【m ( c o d ) l 3 “i i - h 毒 氧( - - c o d l 0 尽睫 一巨 【m ( c o d ) p 】 硝酸盐与砸硝酸盐氮 l 一 若 【m ( n ) 几q 一 弗 n h 4 + + n h 3 氯 二 堇。 自 【m ( n ) l 菩苗 一| 一 溶解性可生物降解有机氨 舌一 m ( n ) l a _- 颗粒性町生物降解有机氲 聋备 笋若 【m ( n ) l 3 $ 口 亳百 一 eu 号 一 x 卜 碱度一摩尔单位= j 一 ；肾 #盖1 f 爿l 一 一 扛目 懑鬻萋 b 一 争 要 飞，t ， 棼棼 鎏 辨 h 手 畦 薄 蒿 薛 懈 0 矢【 墨 墨 巴 苦 缸哥 ， 奠 尊 k 雹 b 邑 一 茎叁篓萋季霎攀 奠i f 盖 、 团8 薛“ 霪衙巢测 塞錾萎 槲 熟 第二章污水处理j 计算机模拟理沦摹础 其中，s t ，是溶解氧的质量浓度。 为k o 选择一个小的值，意味着当溶解氧d o 质量浓度适巾的时候，丌关函数接 近l ；而当溶解氧d o 质量浓度达到0h , j ，丌关两数的值降为0 。jj ：关函数是连续函 数，这。点有助h 肖除由于速率方程外或关的小连续所产生的数值4 i 稳定性。此不 稳定性为应用包含过程速率方程进行模拟时，不连续地丌和关。 21 2 数学模型的组分 a s m l 号模型包括了1 3 种组分，如表22 所示。 表2 - 2i a w qa s m l 号模型组成成分 组成成分组成成分符号定义 1 s s易生物降解c o d ( c o dm g 1 ) 2 x s幔速生物降解c o d ( c o dm g 1 ) 3 s n d 可溶性可降解有机氮( nr a g 1j 4 x n d 颗粒态可生物降解有机氯( nm g 1 ) 5 s o 溶解氧r 负c o d ) ( - c o dm g ) 6 s n h溶解性氨氮( nm g 1 ) 7 s y o硝态氮( nm g ) 8 s a l ，k总碱度( m 0 1 ) 9 x b h 异养菌( c o dm g ) l o x b a 一养菌( c o dm g 1 ) l l s 溶解惰性有机碳( c o dm g 1 ) 1 2 x i 颗粒状惰性有机碳( c o dm g ) 1 3 x p 。微生物衰减生成的颗粒产物( c o dm g i ) 21 3 模型中的反应过程 i a w q a s m l 号模型将曝气池内的反应过程分成8 个子过程，表2 1 的最左列列 出r 模型中所包含的基本过程，它们的速率表达，存最右列中列出。即片养菌的好 氧生k ；异氧菌缺氧生长；自养菌好氧生长：异氧荫衰减：白养菌衰减；可浴有机 氮的氨化；被吸着缓慢降解有机碳的“水解”：被吸着缓慢降解有机氮的“水解”。 21 4 参数值的估计 堕二垩塑坐竺堡! ：生壁! ! 丛型型堡鳖型 i a w qa s m l 号模型涉及1 9 个参数，其中j 个足化学计量参数1 4 个是反应动力 学参数。表2 3 列出了在l o | 。c 和2 0 。c 条件下，对模型研究过程中所采用的参数值。 表中的值被认为在p h 中性和城市污水条件下的典型值。在这1 9 个参数中，y 。、b 。、 、i x ”i x p 、k 。h 、k n o 、k 。a8 个参数1 i 会囚污水的变化而明显改变，可以看作 足恒定的常数。 表2 - 3 当p h 为中性时的典型参数值 参数值 符号定义单位 2 0 1 0 化学量系数 如山养菌产率系数 g ( 细胞c o d ，“生) 佗( 氧化n ) o 2 402 4 一 y h异养菌，。率系数 g ( 细胞c o d 产乍) g ( 氧化c o d ) o 6 7o 6 7 厂p牛物吲体的惰性纽分比值量纠为1 o 0 8o0 8 i x b 生物f 州体的含氢茸 g ( n ) g c k 物带c o d ) 0 0 8 60 0 8 6 i x p 生物俐体惰性纲分的含氮量 g ( n ) g ( i a 渊代谢产为c o d ) o 0 600 6 动力学参数 异养菌的生k 干衰减 舻h 最大比生 乏速率 d 1603 o 一 k s生k 与基质利川半饱和常数 g ( c o d ) m 2 0 o2 0o k oh氰呼吸半饱平常数 g ( 0 2 ) m 3 o 2 0 o2 0 k n o捎态氮呼吸、 饱和常数 g ( n 0 3 一n ) m 3 o 5 00 5 0 一 b h 比衰减( 死亡j 速率d 7o 6 2 o 2 0 q g 缺氧状态生长修止系数姑纲为1 o 8o8 污泥所絮集的顺粒性c o d 的水解 一 1 1缺氧状态下水解修正系数量纲为1 0 4 o4 一 k 1 1絮集c o d 的水解速率 g ( 慢速可生物降解c o d ) g ( 细胞 3 o1 o c o d d ) 】 k x 絮集c o d 水解、r 饱和常数 g ( 慢速可生物降解c o d ) g ( 细胞 o 0 3o0 1 c o d ) 】 白养曲的生长和衰减 ，i 自养凶比牛长速率 d 。08 0 o3 k n h i i 养凶生k 、f 饱和常数 g ( n h 3 一n ) m 1 o1o k o ，“ 白养菌的氧j 1 ，饱和常数 g ( o ，) m 3 0 40 4 第：卡i o 水处理厂计算机模拟理论基础 参数值 符号定义单位 2 0 1 0 b a 白养筒衰减述率系数 一o 1 201 2 k a 溶解性仃机氮的氨化速率 1 1 1 ( c o d ) ( g d ) o0 80 0 4 2 2 活性污泥2 号模型( a s m 2 ) , j f g2 d 号模型( a s m 2 d ) i a w qr1 9 9 5 年推出了活性污泥2 弓模型( a s m 2 ) ，它在a s m i 的皋l i f l 上引入 了牛物除磷的过稃，首次将含碳有机物、含氮有机物的去除与生物除磷反应包含在 一个整体模型中。在a s m 2 的1 7 个组分中引入发酵过程，将s s 分为发酵产物s a 和 i ，发酵的易生物降解有机物s f ；新增了反硝化产物s n 2 、无机可溶解磷s p 0 4 、金属氢 氧化物s 。o h 、金属磷酸盐x m e p 、聚磷菌s p a o 、聚磷菌细胞内贮藏的有机物质x r 一” 无机物质x p p 、总悬浮固体x t s s 。 1 7 个反应过程：好氧、缺氧、厌氧水解；异养微生物5 3 另d 基于s f 、s n 的7 卜长、 反硝化；异养微生物的发酵及自身氧化；聚磷菌对x p h a 、x p p 的9 r = 藏及摧丁x e n a 的 好氧生跃，x p o 、x p p 、x p h a 的氧化；硝化n l 拘q k 和自身氧化；因f e ( o h ) 3 引起的 磷的沉淀和溶解。最后2 个反应实际上是化学反应，在生物除磷的同时加入铁盐或 钳盐生成磷酸盐沉淀是一种常用方法，昔化学沉淀所起作用很小时，可略去这2 个 反应。 a s m 2 简化了a s m l 中的一些过程，如去掉了溶解性有机氮的氨化和颗粒性有机 氮的水斛过程。将这些过程隐含 化学计量系数中。从有机磷到可溶性磷的转化也 是依据此思路。 a s m 2 对厌氧过程的捕述与a s m i 有很大的不同。a s m l 中假设其在厌氧条件卜 的，卜艮和水解过程均停i i ：，这符合a s m i 过程的描述。a s m 2 中包括发酵过程，厌氧 条件下易发酵基质产生醋酸赫，并被聚磷菌贮减形成p h b 。住缺氧条什卜- ，当硝酸 盐作为电子受体时，发酵速率下降，普通的异养生物与聚磷菌竞争醋酸盐。a s m 2 中普通异养菌的活性范围扩大了。 由于似设异养生物不能在厌氧条件下生长，闵此a s m 20 i 能模拟个完整的从 氧系统，仅能模拟作为好氧和缺氧系统中一部分的厌氧区。a s m 2 中假设聚磷荫只 塑二：里! ! 坐竺些 丛笪塑篓塑堡堡堡型 能在好氧条件下生长，只能利用贮臧的p h b 作为生长基质，小能利用硝念氮作为电 了受体，也不能利用贮藏存细胞中的或介质中的其它电了供体。研究发现它们聚磷 芮中的部分可以进行反硝化，但在硝念氮存在的情况下磷的释放速率会下 降i a w q 于1 9 9 9 年提出了a s m 2 d 模型，假没聚磷菌既j 存好氰( s 0 2 0 ) 条件下生 长，义可在缺氧条件( s 。2 m o ，s n 。3 o ) 下生长。在缺氧条件r 聚磷酸盐的最大贮藏 速率与好氧条件卜w w o ，相关，晚明并不是所有的聚磷茼都能进行反硝化，反硝化作 用是以卜降的速率进行的。在a s m 2 中未考虑k + 和m 9 2 + ，而聚磷酸盐必须包含这些 币离了。 2 。3 活性污泥3 号模型( a s m 3 ) 1 9 9 9 年，a s m 3 问世，丰要模拟除碳、脱氮等过j ；旱的动态性质。与a s m l 、a s m 2 、 以及a s m 2 d 的一个重要不同是，i u 溶性和颗粒性组分可通过o 4 5um 的滤膜过滤 器进行很好地区分。a s m 3 中定义了1 3 种组分，剔除了溶解性和颗粒性可生物降解 有机氮s n b 和x n d ，增加了氮气s n 2 、异养生物的细胞内贮藏产物x s t o 、总悬浮物 ( t s s ) x 1 s 。a s m 3 仅包括微生物的转变过程而不包括化学沉淀过程，定义了9 个过程： 水解过程( 不同于a s m l 中的水解过程，不在氧消耗和反硝化中占主宰地位) ：易生物 降解基质的好氧、缺氧生长；好氧、缺氧内源呼吸，前者包括：衰减、内源呼吸、 溶胞作用、捕食、死亡等；贮藏产物的有氧、缺氧呼吸。a s m 3 介绍了个更符合 实际的衰减过程& h 内源呼吸，相关速率常数可直接获得而与化学计最学参数无关。 a s m 3 还没有被大量的实验数据所证实，模型结构尚需进一步改进，尤其是对贮藏 现象的描述。 2 4a s m 系列之间的联系 在a s m i 中，仅一个单独的衰减过程( 死亡分解) 束概括所有环境条件下( 好氧、 缺氧) 的所有衰减过程。这是因为，当1 9 8 5 年a s m l 初次发表时，计算能力还很有 限，采用最简单的描述可以市省计算时间。目前，山于在同等程度下计算不会再限 制模拟，敝在a s m 3 中引入了 个可以更真实地反映死1 、：分解的衰减过程：内源呼 吸，接近于观察到的现象( 常用的测定呼吸速率的典型方法) ，相关速率常数可以直接 第一幸f _ 水处理厂汁并机模拟理论丛础 获得，并与化学计量参数无哭( 由i n 、0 2 , 。d 。与时叫的拥天曲线的斜率得出) 。 a s m 2 是a s m l 的发展，它包括了更多的捕述污水和污泥的组分。 现将a s m 3 与a s m l 的复杂性进行对比。在a s m 3 巾，反应过程的重点由水解 转到了有机底物的贮存。这一假设已被许多研究人员观测到。存污水特性化分类时 必须考虑这一转变。现存，易生物降解底物( s 。) 的估算是基于贮存过秤，而不是甚于 牛k 过l = ；! 。在a s m l 中，浴解性和颗粒性底物( s 、和x 。) 的区分比较勉强，而且主要 是挂丁降解时间常数。修f 后用十；k s m 3 的污水特性，町能仍然依赖丁与呼吸试验奇h 关的生物鉴定。 与a s m 2 相似，a s m 3 巾包含了胞内贮存物质。这要求通过细胞的内部结构柬 对生物体进行模拟。衰减过程( 捕食过程) 必须包括两部分牛物体，因此，要求有4 个衰减过程( x h 和x s t 0 的好氧与缺氧损失) ，并且生长过程动力学( 好氧与缺氧) 也与 “x s t 0 x h ”的值密切相关。尽管a s m 系列还有使用限制及不足，但它们是活性污 泥法数学模型发展的一个突破，为活性污泥法数学模型的发展和完善提供了个科 学甲台。 第。审犬i e - i i j 纪| ：f 污水处埋厂介? “ 第三章天津市纪庄子污水处理厂介绍 天津市纪庄子污水处理j j ：1 9 8 2 年4 月汇式动1 ，1 9 8 4 年4 月全部完成投产， 足当时我困所建规模最大的城市污水处理厂，同处理能力为2 6 x 1 0 4 m 3 d 。其服务范 围包括灭泮市和平区全部、河西区和南丌区的部分地区。随着城市建没的发展，服 务面积和服务人【】逐年增加，原纪序了污水处理厂的规模已经不能满足污水的排放 量，2 0 0 1 年丌始对纪庄子污水处理j 进 j 二扩建，新增f 处理能力为2 8 x i 0 4 m 3 d ，纪 序了污水处弹厂总的处理规模达到5 4 x 1 0 4 m 3 d 。 3 1 纪庄子污水处理厂工艺介绍 纪庄子污水处理厂一期上程污水采用传统活性污泥处理工艺，污泥采用中温从氧 二级消化处理，消化后的污泥进行机械脱水后外运，消化过程产生的消化气则用丁- 本厂发电和生活区生活刚气。发电产生的余热用丁污泥消化的加热。纪庄子污水处 理厂的扩建1 程采用a o 工艺，污泥采用厌氰糍消化处理。一期和扩建的污水处 理厂工艺流程分别见图3 - 1 图3 - 3 。 3 2 纪庄子污水处理厂主要构筑物 在对纪庄子污水处理厂进行模拟的过程中，需要污水处理厂些构筑物的卡要 技术参数，表3 - 1 和表3 - 2 分别列出了纪庄子污水处理j 现在和扩建部分一些构筑物 的主要技术参数。 表3 - 1 纪庄子污水处理j 污水处理部分主要构筑物各项技术参数 f 序号 处理构 单池有效容积 长宽高座数停留时间 总水深 筑物名称 ( 1 n j )( 直径) ( m )( 座) ( h )( m ) i - 一沉池 中4 54153 3 2 曝气池 2 1 8 4 08 0 * 5 4 * 648 o52 i ， ：沉池 中4 58254 3 笙二：里盔鲨变丝生! ! 尘丝堡! 尘型 幽3 1 纪庄f 污水处理厂期i 程污水污泥处理流氍h 第一章犬汁市纪序子t ，水处理厂介 _ f 水 图3 2 纪庄子污水处理厂扩建j 亓污水处理流程蚓 第二章大汁市纪庄r 污水处理厂介州 蚓3 3 纪庄子污水处理厂扩建后污泥处理流程例 表3 2 纪庄子污水处理厂扩建工程污水处理部分主要构筑物各项技术参数 处理构长宽高座数停留时间总水深 序号 有效容积( f l l 3 ) 筑物名称 ( 直径j ( m ) ( 座)( h )( m ) 1一沉池