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硕一 ：学位论文 摘要 序批式反应器( s b r ) 活性污泥生化污水处理系统是目前世界上普遍采用的一 种污水处理方式，它具有构造简单、投资节省、控制灵活等优点。s b r 污水处理 系统对于污水的脱氮除磷效果特别好。近年来，随着排放标准中对氮、磷含量限 制的日益严格，对生物脱氮除磷的研究日益增多，脱氮除磷s b r 污水处理系统的 应用越来越广泛，对s b r 系统的控制也提出了更高的要求。 目前，在世界上许多发达国家，活性污泥模型已被广泛地应用于污水处理工 艺的开发、辅助设计以及污水处理的运行管理。相比于国际先进水平，我国在活 性污泥模型方面的研究和应用还很落后。 本文采用国际水质协会1 9 9 9 年提出的a s m 2 d 模型，结合s b r 反应器污水处 理系统的特点，分析了s b r 反应器各阶段的物料平衡关系，利用m a t l a b 作为程 序开发工具编制计算模型，并利用该模型对一实验室规模s b r 系统进行模拟。模 拟过程中动力学和化学计量参数采用a s m 2 d 给出的典型参数值，经过模拟后， 模型模拟和实际出水c o d 、t n 和t p 的相对误差分别为1 7 、2 6 7 和1 6 9 。 为了更好的模拟s b r 反应器的运行效果，对参数进行了灵敏度分析，结果表明一 些参数对模型的出水结果有较大的影响。通过校正这些参数，校正模型模拟和实 际出水c o d 、t n 和t p 的相对误差减小到3 2 、1 2 3 和1 1 5 。 这表明该模型能够较好模拟s b r 工艺同步脱氮除磷效能，说明应用a s m 2 d 进行s b r 系统的模拟能够对s b r 系统的优化和控制起辅助作用。 关键词：s b r 系统；活性污泥法；a s m 2 d 模型；污水处理：灵敏度分析 利用活性污泥模型模拟序批式反应器同步脱氮除磷 a b s t r a c t s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ( s b r ) i sam o d e lo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt h a t i s w i d e l yu s e da l l0 v e rt h ew o r l d ，i th a st h ea d v a n t a g e so fs i n l p l es t r u c t u r e ，i n v e s t m e n t s a v i n g ，f l e x i b i l i t yo fc o n t r o la n ds oo n i t sf e a t u r ei sp a r t i c u l a rs i g n i f i c a n tf o r s i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m 0 v a l i nr e c e n ty e a f s ，w i t ht h es t r i c t e r d i s c h a r g ec f i t e r i o n0 nn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a li nw a s t e w a t e rt f e a t m e n t ，t h e r e s e a r c h0 fs i m u l t a n e o u s n i t r o g e n a n d p h o s p h o r u s r e m o v a lh a si n c r e a s e d p f o g r e s s i v e l y a tp r e s e n t ，i nm a n yd e v e l o p e dc o u n t r i e si nt h ew o r l d ，a c t i v a t e ds l u d g em o d e l h a sb e e na p p l i e dw i d e l yt ob e i n ga p p l i e dt 0d e s i g n ，o p t i m i z a t i o na n dm o n i t o r i n go f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t c o m p a r eo ni n t e r n a t i o n a la d v a n c e dl e v e l ， t h er e s e a r c ha n d a p p l i c a t i o no fa c t i v a t e ds l u g em o d e l o fo u rc o u n t r yi sv e r yp o o r i n t h i ss t u d y ，a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 2 dg i v e nb yi a w qw a su s e df 6 r s i m u l a t i o no fa n e x p e r i m e n t a l s b rs y s t e ma n dm a t l a bw a su s e df o rm o d e l c o n l p i l a t i o na n dc a l c u l a t i o n t h em a s sb a l a n c e so fd i f f e r e n tp h a s e so ft h er e a c t o rh a s b e e na n a l y z e d i nt h ep r o c e s s0 fs i m u l a t i o n ，t y p i c a lp a r a m e t e r sg i v e nb yt h ea s m n o 2 dw a su s e da sk i n e t i ca n ds t o i c h i o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dm o d i f i e dw i t ht h e p r a c t i c a ls b rs y s t e m t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h ea v e r a g er e l a t i v ee r r o r s0 fc o d ，t n ， t pv i as t e a d ys i m u l a t i o na r e1 7 ，2 6 7 a n d1 6 9 t 1 0i m p r o v et h es i m u l a t i o n p e 渤r m a n c eo ft h em o d e lt o w a r d st h es b rs y s t e m ，t h ep a r a m e t e rs e n s i t i v i t yh a s b e e n a n a l y z e d r e s u l ts h o w e dt h a tal i m i t e dn u m b e ro fm o d e lp a r a m e t e r si n n u e n c e dt h e m o d e lo u t p u ts i g n i f i c a n t l y t h e ns o m em o d e lp a r a m e t e r sh a sb e e na d j u s t e dt o i m p r o v et h es i m u l a t i o np e r f o r m a n c eo f t h em o d e l t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h e a v e r a g er e l a t i v ee r r o ro fc o d ，t na n dt pv i as t e a d ys i m u l a t i o no ft h ea d j u s t e dm o d e l a r es i g n i f i c a n t l yd e c r e a s et o3 2 ，1 2 3 a n d1 1 5 s oi ti ss u g g e s t e dt h a tt h es i m u l t a n e o u sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sb i o c h e m i c a l f e m o v a lo ft h es b rs y s t e mw a ss i m u l a t e dw e ub yt h em o d e l t h es i m u l a t i o nm o d e li s c a p a b l eo fb e i n ga p p l i e dt oo p t i m i z a t i o n ，c o n t r o la n dm o n i t o r i n go fs b rs y s t e m k e yw o r d s ：s b rs y s t e m ；a c t i v a t e ds l u d g em e t h o d ；a s mn o 2 d ； w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；s e n s i t i v i t ya n a i y z e 利用活性污泥模型模拟序批式反应器同步脱氮除磷 插图索引 图2 1s b r 法常见工艺流程。9 图2 2s b r 反应器一个周期内的运行过程1 1 图2 3i c e a s 工作原理一1 4 图2 5d a t i a t 工艺流程图1 6 图2 6u n i t a n k 工艺流程图1 7 图2 7m s b r 工艺流程图1 8 图3 1 维持理论示意图2 3 图3 2 死亡再生理论示意图2 4 图5 1s b r 系统装置示意图4 9 图5 2 出水c o d 模拟值与实测值比较一5 2 图5 3 出水t p 模拟与实测值比较5 3 图5 4 出水t n 模拟与实测值比较5 3 图5 5 校正模型与原模型出水c o d 、t p 、t n 比较图5 7 v 硕十学位论文 附表索引 表2 1s b r 改良各工艺特点1 9 表3 1 活性污泥模型的理论基础及发展历程2 2 表4 1 转换系数，c ，一3 8 表4 2 水解过程的化学计量系数3 9 表4 3 异养菌反应过程化学计量系数3 9 表4 4 聚磷菌生物反应过程化学计量系数一4 0 表4 5 硝化反应过程的化学计量系数。4 1 表4 6 化学沉淀过程的化学计量系数。4 1 表4 7 模型过程速率方程式4 1 表4 8 模型化学计量系数推荐值一4 3 表4 9 模型动力学参数推荐值4 4 表4 1 0 各组分速率表达式4 6 表5 1 合成废水成分5 0 表5 2 模拟废水成分一5 0 表5 3 模型初始化学计量参数5 1 表5 4 出水c o d 、t n 和t p 模拟与实际平均值比较。5 4 表5 5 参数灵敏度分析结果5 5 表5 6 校正c o d 、t n 和t p 模拟与实际平均值比较。5 7 v 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 日期：穆年5 月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并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。本人授权湖南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、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“ ) 日期：沙8 年万月。占日 日期：秽g 年以月，o 日 硕上学位论文 第1 章绪论 地球上所有形态的生物都离不开水，随着社会的发展，人类对水的生活和生 产需要也不断增加，人们在水的使用过程中，往往会向水体中排入大量的污染物， 超过了水体的自净能力，从而造成了水的污染。水环境污染的主要特征是水体的 有机污染和富营养化，特别是水体富营养化，问题在世界各地日趋严重，己对水 生生物和人体健康造成了严重危害。引起水体富营养化的主要营养成分有有机碳、 氮、磷、钾、铁等。而污水中的有机碳经一般的生物处理后可基本去除，富营养 化发生过程中对氮、磷之外的其它成分的需求量极低，不会成为富营养化的限制 因子。因此，引起水体富营养化的主要因子是氮和磷，其主要来源于城市污水或 生活污水【1 1 。 1 1 中国水资源和污染现状 1 1 1 中国水资源现状 根据水利部门的预测，到2 0 3 0 年我国人口增至1 6 亿时，人均水资源将降低到 1 7 6 0 m 3 ，总缺水量将达到4 0 0 到5 0 0 亿m 3 ，已经达到了世界公认的缺水警戒线。从 地方分布情况来看，水资源的总量的8 1 集中分布在长江及其以南地区，其中4 0 以上又集中于西南五省区，就人均占有淡水资源而言，南方最高地区和北方最低 地区相差数十倍，西部比东部甚至高出五、六百倍；这些地区水资源短缺的现状 将在一个相当长的时间成为难以解决的问题。 农业缺水和城市缺水是中国缺水的两大主要表现。由于中国是农业大国农业 用水占全国用水总量的绝大部分。目前全国有效灌溉面积约占全国耕地面积的 5 1 2 ，近一半的耕地得不到灌溉，其中位于北方的灌溉耕地约占7 2 。河北、山 东和河南三省缺水最多：西北地区缺水量也不少，而且区内大部分地区为黄土高 原，人烟稀少，改善灌溉系统的难度较大：宁夏、内蒙古的沿黄灌区以及汉中盆 地、河西走廊一带，则急需扩大灌溉面积。 城市是人口密集和工业、商业活动频繁的地区，城市缺水在中国表现得十分 尖锐。据统计：全国6 0 0 多个城市中，缺水城市已达3 0 0 余个，其中严重缺水的城 市有1 1 4 个。随着社会的不断发展，城市范围的不断扩大，城市的用水量和排水量 都在不断增加，加剧了用水的紧张和水质的污染，环境问题日益突出，由此造成 的水危机已经成为社会经济发展的重要制约因素。 1 1 2 中国水污染现状 近年来，随着我国经济的迅速发展，工农业生产能力得到极大的提高，人民 利用活性污泥模型模拟序批式反应器同步脱氮除磷 生活得到进一步改善，但也随之带来一系列的环境问题，水污染便是其中之一。 上世纪9 0 年代后，我国城市化也进入快速发展时期，目前城市化水平达到3 7 左 右。城市数量与规模的迅速增加与扩张，带来了严重的城市生活污水和垃圾污染 问题。随着工业结构的不断调整和优化，政府管理部门加强了对工业污染的控制， 使得工业废水的排放量和污染负荷呈现逐年下降的趋势。与此同时，随着城市人 口的增加和生活质量的提高，生活污水的排放数量和污染负荷正以较快的速度上 升。这己引起各界政府的高度重视，我国的污水处理事业也有了长足的发展。 目前，对大中城市的生活污水和工业污水己采取了一定的治理措施，但中小 城市( 镇) 污水的处理情况则不容乐观，全国1 7 0 0 多个建制镇绝大多数没有污水处 理设施这不仅对当地的水环境造成了污染，影响着居民的身体健康，同时也严重 阻碍了经济的发展。为此，要改善水环境被污染的状态，保护我国紧缺的水资源， 除要刻不容缓地对大中城市的污水进行处理外，小城市( 镇) 也应成为关注重点， 为此应加快小城市( 镇) 污水处理步伐。 中小城镇的特殊条件决定了其生活污水的特征和污水处理的要求：第一，中 小城市( 镇) 数量较多，分布较广，基础设施不完善，经济发展水平比城市低，环 保资金投入力度小。第二，污水处理专业人员缺乏，因此，要求处理设施应运行 简单、维护方便、效果稳定。第三，中小城镇人口较少，所排放的污水水质、水 量波动性大，且时间不集中。因此中小城市( 镇) 的发展战略中，更需要经济、高 效、先进、可靠、适用的“三低一少 水处理技术，“三低一少 即低建设费用， 低运行管理费用，低操作管理需求，二次污染物排放较少。 在我国中小城市中，建设城市污水处理厂是水污染防治的骨干工程。建设城 市污水处理厂是纳入流域、区域水质管理规划并纳入社会经济发展规划的重要内 容。为贯彻执行中华人民共和国环境保护法和中华人民共和国水污染防治 法，使全国水环境状况基本上同国民经济的发展和人民生活水平的提高相适应， 必须尽快扭转我国城市水环境污染的局面。因此，污水处理设施的建设和运行是 我国中小城市当前水污染控制的重点。 1 2 污水处理过程中存在的问题和解决办法 1 2 1 污水处理存在的问题 污水处理厂的运行、设计等还没有形成十分成熟的模式。污水处理厂的良好 运行一直是人们所关心的问题。研究发现，即使平时运行良好的污水处理厂在运 行的9 的时间内也可能出现不能达标排放的问题，此数据中还不包括短暂的( 不 超过一天的) 污水不达标现象【2 】：据美国环境保护属( u s e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n a g e n c ye a p ) 报道，污水处理厂中，约有1 3 不能完全达到排放标准【3 1 。之所以出 2 硕士学位论文 现这样的问题，除去设计较差、负荷过高、操作不当外，对过程的不熟悉和不良 操作也是造成排放超标的原因之一。 现代污水处理技术的发展已经有近百年的历史，而1 9 1 4 年a r d e r n 和l o c k e t t 在 英国化学学会发表有关活性污泥法的论文可以看成这个发展史上具有历史意义的 事件。今天，活性污泥法已经为世界各国所采用，成为污水生物处理的中坚技术， 并涌现了大量在活性污泥法基础上的新工艺。但是，活性污泥法在理论上的研究 和探讨，还是最近二三十年才得到长足发展的。几十年来，活性污泥法系统的运 行和设计还是主要依靠经验来进行，从学术观点来看，处于这个阶段的活性污泥 法仍然属于土木工程的范畴，在当前形式下日益显现出缺陷： ( 1 ) 设计参数范围较大采用保守参数时形成财力浪费反之则不能保证处理结 果； ( 2 ) 各种设计方法不能统一且设计结果偏差往往较大； ( 3 ) 管理运行不易掌握； ( 4 ) 对污水处理系统的动态变化常常不能及时响应； ( 5 ) 对于污水的脱氮除磷考虑不足易形成富营养化现象。 随着环境工程的深入发展及工程经验的不断积累，人们逐渐认识到，按照传 统设计方法建造的污水处理设施，实际的处理效果同预测值总是有一定的距离。 实际工程中，总是存在很多不利的因素，通常表现为系统本身的时变性。以活性 污泥工艺为例，设计时假设来水是恒定的，但实际上不同时刻的水质和水量是变 化的，而且有可能存在冲击负荷。另一方面，活性污泥法的生物可能出现污泥膨 胀等意外情况，因系统结构和参数的变化而导致处理能力的变化，所有这些都使 水处理设施的设计指标难以实现【4 1 。 同时，经济的发展又造成废水种类和数量的不断增加，从而要求已有的处理 设施能够适应新的变化，即使对于目前运行正常的处理设施而言，由于公众环境 意识的加强，环保法规也总是向更加严格的控制目标方向发展，从而对处理的要 求越来越高；此外，一些污水处理厂可能要成为或已经成为独立的经济实体，这 就需要考虑污水处理的运行成本，最好用最少的钱获得最优的处理结果。 最后人们最关心的一个问题：是怎样使环境工程设施运行在最优化( 最节能、 人力投入最少) 状态。处理污染物质的巨大花费常常给相关的市政部门、生产部门 带来沉重的经济负担，经济因素已经成为制约污染治理的最大障碍，使处理设施 的运行处在最佳状态，将大大降低建设费用和运行费用，收到最佳的环境效益和 经济效益。 污水处理厂存在的这些问题已经成为限制污水处理技术发展和应用的瓶颈， 需要得到有效的解决。 3 利用活性污泥模型模拟序批式反应器同步脱氮除磷 1 2 2 污水处理存在问题的解决办法 形成这些缺陷本质的原因在于对活性污泥过程认识的不充分性和不确定性， 从而形成了“粗放性”的设计方法。随着社会对排水质量要求的不断增加和污水处 理厂本身的经济要求，需要有新的“集约性”设计方法，达到优化设计、降低能耗、 方便操作、安全灵活的设计目的。为了解决污水处理场的这些问题，可以采取两 方面的措施。 1 2 2 1 采用i c a 技术 i c a 技术是国际水质协会( i a w q ) 在2 0 世纪7 0 年代提出的概念，即仪器化、控 制化和自动化技术( i n c t r u m e n t a t i o nc o n t r o la n da u t o m a t i o n ) 【5 】。目前i c a 技术之所 以没有在污水处理厂得到广泛应用，主要是由于： ( 1 ) 理论方面：对处理过程机理的认识还不充分，缺乏适用的数学模型： ( 2 ) 设备方面：尽管各种在线监测仪器已经都被开发了出来，但是由于其昂贵 的价格和维护等费用，使其难于得到广泛应用； ( 3 ) 处理厂方面：由于缺乏成熟的管理维护方法以及操作人员素质等问题，难 于对出现的问题进行及时、正确的处理。 所以i c a 技术要能够在污水处理厂得到应用，必须解决上述的三方面的问题。 对于理论方面，由于科学实践的不断发展，已经具有了一定的成熟的数学模 型，尽管这些模型中还存在着很多问题，如参数的测定方法、使用的方便程度等， 但是这已经不是制约i c a 技术得到应用的关键。 对于设备方面，从对污水处理厂的研究可以发现，过去的几十年中，处理厂 的自动化发展几乎没有得到考虑，许多厂仅仅装置了流量计、温度计、溶解氧仪 等在线监测仪器，不能对污水厂进行良好的控制。同时，由于对排水指标的日益 重视和对能耗减小的要求，人们对污水生物处理系统的控制和监测也日益提高。 但是由于在线监测设备的精确度、处理系统的非线性性特征、对过程中包括微生 物在内的组分定性的困难，这种要求很难得到实现。所以降低在线监测仪器的价 格以及提高其稳定、准确程度成为需要迫切解决的问题。 对于处理厂方面，就需要专业人员的不断深入研究。由于这里是对仪器化、 设备化、自动化的最终解决场所，当仪器、设备等问题解决或部分解决之后，专 业人员就需要结合理论，对各种出现的问题提出解决方法，对于采用的模型中的 各种参数，专业人员应该能够充分利用已有的各种仪器，结合参数校正理论对其 进行校正；对于设备，专业人员应该通过采用的机理模型对污水处理的结果进行 预测，结合预测结果和自动控制理论对系统中的设备进行控制，从而达到降低能 耗和优化运行的结果。为了能够达到这样的目标，采用软件工程的途径是极为有 效的方法。因为这样就可以将各种监测仪器的监测结果同计算机结合起来，利用 4 硕：e 学位论文 计算机强大的计算功能和各种成熟的数据处理算法，达到预期的处理目标，在此 过程中，还可以加入现代的控制理论方法。同时，利用软件工程的方法还可以对 污水处理厂的操作人员进行培训，通过对各种进水状态、运行情况等的模拟，可 以使操作人员比较深入地了解整个系统的功能和特点，从而对各种可能出现的问 题有比较直观的了解，掌握各种问题的解决方法。 1 2 2 2 采用更好的工艺 中国在中小城市污水处理方面尚缺乏适用技术和设备制造技术，缺乏管理经 验。建立中国中小城市污水管理体制和方法，掌握一批在中小城市具有代表性的 污染源的治理技术和城市污水处理技术，可以大大推动我国污水处理设备产业的 发展和促进中小城市持续发展。 国务院环境保护委员会关于防治水污染技术政策的规定中指出：积极开 发和研究高效、低能耗和能源部分自给的人工生物处理等城市污水处理技术和工 艺流程，以节约投资、降低维护费和运行费。建设部、国家环保总局和科技部联 合颁布的城市污水处理及污染防治技术政策( 城建【2 0 0 0 1 1 2 4 号) 对我国城市污 水的治理从处理工艺到具体的措施都作出了规定。结合我国的特点，中小城市城 市污水处理适用技术和工艺的重要特点是“高效低耗，高效低耗城市污不处理技 术和工艺，目前并无一明确的数值界定，其特征必定会随不同的时间随技术的进 步以及不同的应用条件而有所不同。从我国目前技术水平和经济水平的情况来看 适合我国中小城市使用的这类技术或工艺应具备以下特征： ( 1 ) 吨水投资应该控制在1 0 0 0 元以下( 不包括征地和特殊的地基处理费用) ； ( 2 ) 吨水直接运行费( 主要包括工艺能、耗药剂费和人工费) 应该控制在o 3 0 元 以下( 如考虑脱氮除磷吨水直接运行费应该控制在0 4 0 元以下) 其中对一般城市污 水吨水处理能耗在0 2 0 k w h 左右； ( 3 ) 尽量减少操作管理人员数量，操作管理人员数量为现有污水厂人员的 l 3 一l 2 ； ( 4 ) 运行灵活方便性能优越。 在这种要求下，序批式活性污泥法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r s ，简称s b r ) 及 其改良工艺( c a s s 、i c e a s 、d a t i a t 、u n i t a n k 、m s b r 等) 越来越得到人们 的重视。这些工艺已经在世界各地都得到了广泛的应用。 s b r 符合中小城市( 镇) 污水处理的基本要求，其运行条件与中小城市( 镇) 污水 的基本特征接近。s b r 工艺集调节、初沉、曝气、二沉等过程于一池，按不同的 时间顺序进行不同的操作，所有过程都在一个池体内进行，不需另建二沉池，也 不需专用的回流污泥泵房，使水处理工艺简洁易行，构筑物占地少，布局紧溃合 理，节省投资。s b r 工艺抗冲击负荷能力较强，有较好的脱氮除磷效果，是一种 5 利用活性污泥模型模拟序批式反应器同步脱氮除磷 先进的污水处理系统。s b r 工艺的这些优越性表现了其强大的生命力与广阔的应 用前景。 1 3 课题的学术背景及其理论与实际意义 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 。 面对这种情况，应用新型污水处理工艺，新建、改造和扩建一大批高效率的污水 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 、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、多反应过程相互祸合、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【引。 随着活性污泥法处理工艺的推广，人们对它的认识也不断深入，其设计及运 行管理从简单采用经验数据发展到使用数学模型，并与计算机技术相结合，给该 领域带来了跨时代的变革。 数学模型对污水生物处理系统的设计和运行管理及科学研究均有着重要意 义。在污水处理厂的设计和运行管理中，利用数学模型能够充分拓展技术人员的 思路和视野，为技术人员提供广阔的空间进行上百次的模拟试验，以极小的代价 和最低的风险系数，获得最可行的设计方案，从而达到提高设计水平和工作效率 的目的。对于现有污水处理厂，可用模型来预测进水水质和水量变化对处理效果 的影响，以及寻求为适应这些变化所需采取的运行措施。对于运行不够理想的污 水处理厂，可通过模型模拟来发现存在的问题，从而提出解决问题的办法。另外， 还可用模型来指导普通污水处理厂的改造。例如，对于一个以去除有机物为主的 普通活性污泥法污水处理厂，要改造为具有脱氮或同时脱氮除磷功能的污水处理 厂，可以用模型来预测拟采取的各种改造方案的可行性及各方案的优劣比较，模 6 硕二l 学位论文 型用于优化污水处理厂的运行管理，确定最佳运行参数等。上述这些工作，自2 0 世纪8 0 年代中后期以来，己在一些发达国家中得到了应用，然而，相关报道在我 国还十分缺乏。最后，将模型用于废水处理新技术的研究与新工艺的开发，可以 提高科研水平和效率【7 1 。 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1 日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新课题。 在我国大约有9 0 以上的城市污水厂采用活性污泥法【6 】，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： ( 1 ) 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。 ( 2 ) 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。 ( 3 ) 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 4 本文研究内容及目的 由于将i c a 技术应用到s b r 工艺及其改良工艺之中前必须先对工艺进行数学 模型和仿真研究。本论文的研究重点也正在此。 由于当前已经有很多针对活性污泥系统的成熟模型所以研究的重点放在了如 何将这些模型应用到s b r 工艺当中：同时，充分利用推导出的数学模型，开发出 可以仿真s b r 工艺各种操作、运行工况的仿真软件也是研究的重点。此外由于s b r 工艺最明显的特征是时间上的推流状态，对s b r 工艺的仿真和模拟有利于环境工 作者深入了解s b r 的特征，掌握其实质，为将来新工艺的开发奠定基础。 为了达到研究的目的，本文的研究内容包括： ( 1 ) 通过文献整理，选择模型的开发平台。国内外对活性污泥数学模型己经有 了一定的研究进展，不同的学者在对活性污泥处理污水的机理持有不同的观点， 7 利用活性污泥模型模拟序批式反j 惋器同步脱氮除磷 形成了不同的数学模型。本研究应该建立在他们研究工作的基础上，既不是简单 重复也不是盲目的另起炉灶。所以本研究的第一项内容就是了解国内外己有的活 性污泥数学模型，分析比较它们的异同，了解数学模型的发展方向。通过这些工 作，选取一个合适的模型作为本研究的发展平台。 ( 2 ) 结合合适的模型平台，利用m a t l a b 编程工具编制出s b r 工艺模型，然后利 用实际s b r 系统数据对模型进行反复调试。使其更好的对s b r 系统进行模拟。 ( 3 ) 模型参数校正与验证。每一个活性污泥数学模型都包含许许多多的参数。 这些参数的取值直接关系到模型模拟的准确性。这些参数都具有生化反应机理的 意义，其取值范围可以在相关文献上获取，它们的取值并非模型本身的内容。事 实上它们的值也并不固定，需要模型的使用者根据实际情况调整。模型参数的校 正过程非常复杂，它基本是阻碍活性污泥模型推广应用的最重要原因。 本文首先详细介绍了活性污泥脱氮除磷原理及污水处理s b r 工艺，然后从活 性污泥模型入手，以i w a q 提出的活性污泥模型a s m 2 d 为基础，在广泛参考一 系列国内外相关文献【8 1 0 】的基础上，利用m a t l a b 作为程序开发工具建立s b r 系统 仿真模型，并进行了仿真。仿真结果分析表明，结果表明，利用a s m 2 d 模型建 立s b r 系统仿真工艺模型，并结合实际s b r 系统对模型参数进行合理校正，校 正后的模型能够较好地模拟s b r 系统同步脱氦除磷的效能，对s b r 系统有很好 的适应性和实用性。利用a s m 2 d 模型对实际s b r 系统的运行进行模拟和优化， 对于污水处理工艺具有很好的指导作用，值得进一步深入研究。 8 硕l 学位论文 第2 章s b r 及其改良工艺概述 s b r ( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 是间歇式活性污泥法的简称，是一种按照一定 的时间顺序间歇式操作的污水生物处理技术，也是一种按间歇曝气方式来运行的 活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。 2 1s b r 发展历史 s b r 的前身是一个间歇操作的充排式系统( f i l l a n d d r a ws y s t e m ) ，是二十世纪 初( 1 9 1 5 年) 产生的活性污泥充排式反应器的一种改进【1 1 】。s b r 与传统的水处理工 艺的最大区别在于它是以时间顺序分割各单元，以时间分割操作代替空间分割操 作，静置理想沉淀代替动态沉淀等f 1 2 】。1 9 1 2 年，英国的c l a r k 和g a g e 发现，对废水 长时间曝气会产生污泥，同时水质会得到改善【”l 。1 9 1 4 年，a l d e n 和l 0 c k e t t 发现， 把曝气后的污水静止沉淀，只倒去上清夜，留下瓶底污泥，供下次处理使用，这 样可大大缩短处理废水的时间，这个实验的工艺化是于1 9 1 6 年建成的第一个活性 污泥法污水处理厂。但由于受当时技术条件的限制，人工管理烦琐、监测手段落 后、曝气设备易堵塞等问题无法解决，使其难以推广应用。同时人们还没有认识 到其独特的优越性，在连续式活性污泥法出现之后，很快将其取代，占据了主导 地位【1 4 】。1 9 5 5 年，h 0 0 v e r 和p o r g e s 用s b r 法处理牛奶废水取得成功【12 1 。七十年代 初，美国n a n ed a m e 大学的r i r v i n e 等人对s b r 和c f s ( 连续流活性污泥法) 的特性通 过比较实验和研究，认为s b r 可以作为连续流系统的一种较好的替代工艺，并于 1 9 8 0 年把印第安纳州的c l u c v e r 城市污水厂改建成s b r 系统，取得了令人满意的效 果。八十年代以后，该研究成果引起世界各国的重视，并陆续得到开发应用。 随着科学技术的飞速发展，特别是自动化技术水平的不断提高，各种用于水 处理的设备相继出现，如电动阀、流量计、液位计等，使污水处理的自动化操作 成为可能。s b r 工艺因其独特的优点得以迅速推广，成为目前污水处理技术中的 热门工艺。s b r 法常见工艺流程见图2 1 【1 5 l 。 加药 2 2s b r 工艺的特点 图2 1s b r 法常见工艺流程 9 利用活性污泥模型模拟序批式反应器问步脱氮除磷 s b r 工艺将沉淀与反应器集中在同一反应池内进行，从空间上少了一个环节， 工艺简单，占地少：同时，s b r 工艺的反应和沉淀在同一池内进行，无需污泥回 流，节省了运行费用。此外s b r 工艺还具有以下优点： ( 1 ) 反应推动力大、处理效率高。s b r 反应器中底物浓度和微生物浓度的变化 在时间上是一个理想的推流过程，底物浓度梯度大，理想的推流过程使生化反应 推动力增大，效率提高，反应器内厌氧、好氧处于交替状态，净化效果好。 ( 2 ) 固液分离效果好。反应器中的混合液沉淀时不受进、出水流的干扰，可避 免短流和异重流的出现，是理想的静止沉淀，固液分离效果好，需要时间短、效 率高，出水水质好。 ( 3 ) 耐冲击负荷。s b r 工艺在进水期相当于一个调节池，在不降低出水水质的 情况下，反应器内滞留的处理水，对污水有稀释、缓冲作用，有效抵抗水量和有 机污物的冲击，可以承受高峰流量和有机物浓度上的冲击负荷。 ( 4 ) 流程简单，运行灵活。s b r 法工艺流程简单，工艺过程中的各工序可根据 水质、水量的变化及出水水质的要求进行调整，灵活运行。如改变进水方式、曝 气强度或调整运行顺序等来实现不同的功能要求。 ( 5 ) 工艺简单、节省费用和占地。s b r 系统的主体工艺设备是一座具有曝气和 沉淀功能的反应池，无须二沉池和污泥回流设备，一般也不需调节池和初沉池。 s b r 系统构筑物小，而且简单，占地面积少，投资省。另外，s b r 法反应效率高， 达到同样出水水质所需曝气时间较短，节省曝气费用。 ( 6 ) 有效防止污泥膨胀。s b r 在时间上是理想的推流状态，底物浓度梯度大， 反应初期底物浓度较高，有利于絮体细菌增殖并占优势，可抑制丝状菌的过分增 殖，同时在一个处理周期内，反应池中好氧、缺氧状态交替出现，也可抑制丝状 菌生长，从而可有效防止污泥膨胀。 ( 7 ) 易与物化工艺结合。s b r 法运行的阶段性为与混凝、投加吸附剂等提高处 理效率的物化工艺相结合提供了便利。如可将s b r 法与接触氧化法相结合组成膜 法s b r ( s b b r ) 的；在s b r 中加入混凝剂可提高污泥沉降性能。 ( 8 ) 脱氮除磷效果好。适当控制运行方式，s b r 工艺在时间序列上实现好氧、 缺氧、厌氧状态交替，可有效地脱氮除磷。 目前，我国乡镇企业发展很快，排放污水总量不大，且间断排放，加之技术 管理水平较低，经费少，若采用常规的连续式活性污泥系统进行治理，难度很大。 若采用间歇法，在一个池中就可完成连续式活性污泥系统的全部过程，与连续式 相比，具有均化水质、不需污泥回流和二沉池、建设与运行费用都较低等优点。 所以间歇法更适于小规模的污水处理。 2 3s b r 工艺的流程 1 0 硕士学位论文 s b r 是活性污泥法的一种，其反应机理及去除污染物的机理与传统的活性污 泥法基本相同，只是运行操作方式不尽相同。整个过程对于单个操作单元而言是 间歇进行的，但是通过多个单元组合调度后又是连续的，在运行上实现了有序和 间歇操作相结合。s b r 集调节、初沉、曝气、沉淀等过程于一池，按不同的时间 顺序进行各种目的不同的操作，全部过程都在一个池体内周而复始地进行。不需 设置二沉池及污泥回流设备。在该系统中，反应池在一定时间间隔内充满污水， 以间歇处理方式运行，处理后混合液沉淀一段时间后，从池中排除上清液，沉淀 的生物污泥则留于泄内，用于再次与污水混合处理污水，这样依次反复运行，则 构成了序批式处理工艺。典型的s b r 系统分为进水、反应、沉淀、排水与闲置五 个阶段运行如图2 2 ： 迸水反应沉淀女 水空载 图2 2s b r 反应器一个周期内的运行过程 ( 1 ) 进水期，进水工序是反应池接纳污水的过程。在污水注入之前，反应器处 于前一个周期的排水或闲置状态，处理后的废水已经排放，反应器内残存着高浓 度的活性污泥混合液。污水注满后进行反应，从这个意义上说，反应器起到调节 池的作用，因此，反应器对水质、水量的变动有一定的适应性。 s b r 工艺间歇排进水，即在每个运行周期之初将污水在一个较短的时间内投 入反应器，待反应器充水到一定位置后再进行下一步的操作过程。因此，充水期 内s b r 相当于一个变容反应器，混合液基质( 污染物) 浓度在存留污泥的上清液基 质浓度的基础上逐步增大，直至充水期结束，曝气池充满，混合液浓度达到最大 值。在污水的投加过程中，s b r 反应器内也同时存在着污染物的混合及污染物被 池中活性污泥吸附、吸收和氧化等作用。随着液相混合物浓度的不断提高，这种 吸附、吸收和氧化作用也随之加快。由于在s b r 工艺中，污水向反应器中的投入 时间一般比较短，在充水时间内单位时