（环境工程专业论文）城市生活污水有机成分与asm水质特性参数关系研究.pdf

迸煎幽蓬盔鲎塑土监塞! 曼：! 銎：! 兰：皇：要 摘要 进水组分是模型的输入项，对于a s m 系列模型的稳态和动态模拟有着极 为重要的意义。基于不同的测试原理，国内外的研究者曾提出过不少模型组分 的测试方法，但是大多数测试方法比较复杂，限制其在实际污水厂中推广应用。 为了完善污水处理数学模型输入项的获得，本研究从城市生活污水中的主 要有机成分蛋白质、糖类、脂肪三类物质出发，首先，分别研究它们对水 质特性参数的贡献情况，从中找到一些基本规律；然后，对复合组分进行研究， 得出一个重要结论，即水样中易生物降解物质s 。含量基本上等于小分子水解物 质所引起的c d d 。，而慢速生物降解物质。则等同于高分子量物质喀值； 此后，通过理论推导和实验证明，得出关于惰性c o d 组分相关规律；最后， 通过实际污水( 包括同济新村生活污水和曲阳污水厂迸水) 实测值对模型进行 拟合，得出一个从糖类、蛋白质、脂肪浓度值估算出水质特性参数的模型。 应用上述模型对同济新村生活污水和上海市陆阳水质净化厂进水进行了详 细水质分析。实验结果表明：采片j 所建立的水质特性参数估算模型对城市生活 污水进行模拟，模拟效果较好，相对误差小于2 0 。 本研究对蛋白质、糖类、脂肪等水中有机成分，按水质特性参数划分方法 进行i ) ( 分无疑是一次有益的尝试，为a s m 模型水质特性参数测定提供了一种 不同的方法：另一方面，所得到的研究成果将有助于改善现有的组分测定方法， 从而，促进a s m 数学模型更好的为牛产和应用服务。 关键词：活性污泥数学模型有机物成分测试方法水质特性参数 【! i ，瞳叫进盘生嬲土迨塞31 鲨墨垒皇：! a b s t r a c t a st 1 em p u td a 瓴i n f l u e n tf r a c t i o n sa r eo fg r e a ti m p o r t a l l c et os t e a d ya n d d y n 锄i cm o d e l l i n g 、v i t ha s m b a s e do nd i f f b r e n t 曲n c i p l e s ，r e s e a r c h e r sa th o m e a 1 1 da b r o a dh a v ep r o p o s e dm a n ya s s e s s m e n tm e t l l o d sf o rc o df r a c o n si n l a s t d e c a d e s h o w e v e lm 卸ym e t h o d sa r er e l a t i v e l yc o r n p l i c a t e da 1 1 dc a nn o tb ea p p l l e d t ov ，、v t p t 1 1 i sp a p e rs t i l d i e st l l em a j o ro 曙湎ci n g r e d i e n 括i nu r b a nw a s t e w a t e ri n c l u d i n g p r o t e i n ，c a r b o h y d r a t ea n dl i p i dt op e r f e c tt l l ei n p u td a t ao fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t m a t h e m a t i c a lm o d e l f i r s t ，t h i sp a p e r 硒e st 06 n ds o m eb a s i cm l e s 抒o mt h e i r d i 丘- e r e n ti n f l u e n c e so nw a t e rq u a j 时c h a r a c t e r i s b cp a r a r n e t e ls e c o n d ，t h i sp 印e r s t u d i e st h e m p i e x1 1 1 9 r e d i e n ta n dd r a w s 锄i m p o r t a n tc o n c i u s i o nt 1 1 a tm e & n t e n te q 眦lt 0 ( t 0 咦b r o u 曲tb y h y d m l y s a t e s 、i t | ls m a i lm o l e c u l e ，a i l d 以 c o n t e n te q u a l t o ( 1 。_ b r o u 曲tb y m a 廿e sw 汕m a c r o i n o l e c u l e n i r d ，b y t l e o r e t i cd e d uc t i o na n d e x p e r i m e n t a lt e s t i 蛀c a t i o n 也e r u l e s a m o n gt l e i n e r t i n 掣e d i e n t s o fc o da r ei n v e t i g a t e d f i n a l l y ，t h ed e v e l o p e dm o d e li st e s t i f i e db y s e v e r a lu r b a nu ，a s t e 啪t e ri nd i f 凫r e n ta r e a si n d u d i n gu r b a nw a s t e w 砒e ri n1 b n 萄1 x i n c u l la n di n n u e n to fq u y a n gw w t p 1 1 1 em o d e li sa p p l i e dt oa na l y z e 廿1 ei n f l u e n tw a t e rq u a l 匆o f t o n g j ix i n c u na n d q l l y a n g 兀) r r i ! t h et e s tr e s u l ti n d i c a t e st h a tt h em o d e lc a nb eu s e dt os i m u i a t e 山e m u n i c i p a lw a s t e 、v a t e a n dm er e l a t i v ee r r o ri sl e s s 畦l a n2 0 i t i sab e n e n c l a la t t e m p td i s c m 】n a t et h eo 唱a n i ci n g r e d i e n ti n c i u d i n gp r o t e i n ， c a r b o h y d r a t ea n dl i p i da c c o r d i n gt o 山ew a t e rq u a l i 母c h a r a c t e r i s t i cp a r 帅e t e r d iv i s i o nm e t l l o d ，w h i c hp r 0 “d e so n eb r a l l d n e wm e t i l o dt ot h e 、v a t e r q u a l i 妙 c h a r a c t e r i s t i c p a r a m e t e rd e t e r i i l i n a t i o n i na s mm o d e l 0 nt h eo t h e rh a n d ，山i s i n v e s t i g a t i o n 、v i l lb eh e l p f u l t oi m p r o v et 1 1 ee 五s d n gm e m o d ，w h i c h 、v l l lm a l ( et h e c o m p o n e n td e t e r m i n a t i o nm e m o dm o r es t 8 b l e ，q u l c k ，a n da c c u r a t e i tw i l lp r o m o t e t h ea s mm a t h e m a f l c a ln l o d e it os e r v et h ep r 。d u c t i o na n dp r a c h c e d 印p i i c a 6 0 n k e y w o r d a c t i v a t e d s l u d g em o d e l ，o r g a n i cc o m p o n e n t ， a s s e s s m e n t m e t h o d s ，w a s t e w a t e rq u a l i 母 ：! i 逋回蓬盔堂亟：迨皇j 塑：! 銎：! 茎盎兰 参数说明 意义 易生物降解有机物 挥发酸发酵产物 易( 可发酵) 生物降解基质 慢速可生物降解基质 溶解性惰性有机物 颗粒性惰性有机物 异氧菌 单糖c o d 组分 氨基酸c o d 组分 挥发性脂肪酸c o d 组分 多糖c o d 组分 蛋白质c o d 组分 脂肪c o d 组分 比生长速率 最大比生长速率 基质浓度 饱和常数 生物衰减产生的颗粒性产物 异氧菌产率系数 微生物中惰性颗粒比例 异氧菌衰减系数 v 单位 m g c o d ，l m g c o d ，l m g c o l m g c o l m g c o 科l m g c o l m g c o d ，l m g c o d ，l m g c o n l m g c o l m g c o d ，l m g c o d ，l m g c o d l f 1 r 1 m 尉l m g c o d ，l g ( 细胞c o d ) f g ( 氧讫 c o d l 辑岛品蕊母蜀场跚阢硒砌s凰墨 办b ! 生遗回菠盔堂墅熊塞 堕塑墨竺垒墨 第一章绪论 自活性污泥法于1 9 1 4 年在英国曼彻斯特建成实验厂以来，已有9 0 多年的 历史。随着社会生产的发展、科学技术的进步和活性污泥法在污水处理厂实际 运行经验的积累，活性污泥法在生物学、反应动力学等基础理论方面得到迅速 的发展。在目前城市污水处理各种技术中，主体工艺仍为活性污泥法。 活性污泥法对污水中有机污染物的处理能力主要体现在，污泥中的各种微 生物以污水中的有机污染物质为营养物生长和代谢，从而达到降解污水中的有 机物的目的。通过生物学、化学等多个学科的研究成果表明，微生物在污水处 理的过程中的生命活动主要是以碳水化合物、蛋白质和脂物类物质作为主要的 营养源。 l ，l 课题来源与背景 1 1 1 课题来源 本课题来源于国家自然科学基金重点项目“城市污水处理系统的智能控制 理论、方法与技术( 编号：5 0 1 3 8 0 1 0 ) ”，同时也属于上海市2 0 0 l 2 0 0 3 年度重 点学科建设的资助项目：工业废水及城市污水处理机理与高效反应器研究。 1 1 2 课题背景 活性污泥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，进而根据污水生物处理过程特性进行过程动态分析、探索辨识 建模的发展过程，实现了从以指导活性污泥工艺设计，转变成以研究活性污泥 工艺动态过程、实现系统高效率低能耗运行为主要目的，并开发了相应的商品 化活性污泥软件。 为了鼓励环境科学家和工程师更广泛地把数学模型应用到污水生物处理系 统的分析设计和运行管理中去，1 9 8 3 年，原国际水污染控制协会( i a w p r c ) ( 国 际水质协会i a w o 的前身) 组织了南非、丹麦、美国等五国专家组成活性污泥 工艺模型课题组来完成活性污泥处理系统数学模型的研究。并于1 9 8 7 、1 9 9 5 、 1 9 9 9 年分别推出了活性污泥1 号( a s 皿) 、2 号( a s m 2 1 及3 号( a s m 3 ) 模型。 我国颁布的污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) 对排入各级水域的磷酸 生遮回叠盘坐硒迨塞塑垦璺：皇：茎 赫含量提出了明确要求。新建污水厂要考虑除磷脱氮工艺，现有的污水厂也要 进行改造，所有一切都促进了活性污泥模型在我国的推广、研究和应用。 但是我国在活性污泥模型方面的研究、应用起步较晚，相对国外而言还比 较落后。在实际应用中，a s m 模型的有效使用均存在一定困难，主要原因在于 进水水质的分析测定和模型参数的实际校正。活性污泥数学模型在我国污水处 理中应用还处于发展阶段。要使活性污泥数学模型在污水处理中获得广泛的应 用，主要有以下几方面工作要做：模型中污水水质组分的进一步细化和水质组 分测定方法的简化、标准化研究；污水处理厂在线实时自动监测技术的推广和 应用：尽快收集和整理全国范围内污水处理厂的运行数据和基础资料。 特别需要指出的是，由于a s m 模型包含了水中的c o d 、氮、磷等溶解性 和非溶解性、惰性和非惰性物质，有些难以直接测量，有些分析测定方法尚未 规范。随着活性污泥工艺的深入研究，其数学模型会越来越复杂，对各参数的 准确性和可测性都会有更高的要求，而目前模型中模型参数的测定手段滞后于 模型的发展。因此，通过可靠的实验过程来获取模型参数显得尤为重要。 ll3 研究目的和意义 研究目的：在对污水中关键有机成分进行研究的基础上，找出这些有机成 分与a s m 模型水质特性参数之间的定量关系。最终开发出通过有机成分估算 水质特性参数的模型，达到简化模型水质特性参数测定的目的。 理论意义：通过上述的实验研究，一方面对蛋白质、糖类、脂肪等水中有 机成分，按水质特性参数划分方法进行区分无疑是一次有益的尝试；另一方面， 也能帮助加深对这些常见有机成分在污水生物处理过程中的降解机理的认识。 实际应用意义：将有助于改善现有的对组分进行测定的方法，促使组分测 定方法向更稳定、更快捷、更准确的方向发展，从而，促进a s m 数学模型更 好的为生产和应用服务。 1 2 主要研究内容和技术路线 l2l 主要研究内容 近年来，国内的研究人员对活性污泥数学模型做了初步沦述和探讨，然而 对生物系统反应机理研究的较少，模型中所需参数的测定手段还滞后于模型的 发展。有鉴于此，本文将深入系统地探讨模型组分的测定方法，并在此基础上 研究其与水中主要有机成分之间的关系，开发出一套新的水质特性参数估算模 【生遗觑迸杰生醺圭监窑j 垒塑墨璺! 叁茎 型。主要的研究内容包括： 城市生活污水中糖类物质、蛋白质类物质及脂肪类物质的测试方法研究； 城市生活污水中糖类物质、蛋白质类物质及脂肪类物质在活性污泥系统中 的基本降解过程理论研究； 对糖类物质、蛋白质类物质及脂肪类物质按单一组分和复合组分分别进行 研究，以获得其同水质特性参数的对应关系； 用同济新村和曲阳污水厂实测数据对有机成分同水质特性参数的关系进行 拟合，建立各参数的定量关系模型； 以曲阳水质净化厂实测数据对得到的各种定量关系模型进行验证。 1 2 2 可行性分析 随着生活水平的提高，人们对水质要求也日益提高，相应的水质标准也随 之越来越严格。各类污水厂的新建及已有污水厂的改建工程也相继提上日程。 活性污泥数学模型，作为模拟相应参数，指导和辅助此类新建改造工作的工具 逐渐受到人们的关注和重视，并在现实生产中进行了一些尝试性的应用。然而， 在这样的一些实践中，却遇到了很多的困难。在众多困难中，首当其冲的就是 模型水质特性参数的测定问题。尽管对水质特性参数的研究已经进行了多年， 但事实证明，在现有的这些方法中，没有一个是标准、可靠、重现性好且易于 操作的。因而，笔者通过大量国内外文献的查阅和分析后认为，可以从这些参 数的产生根源，即城市生活污水水体中的各类有机物质的研究做起，通过呼吸 速率的方法对这样的一些有机物质的可生物降解性及降解速率进行研究，找出 它们同模型中水质特性参数之间的内在联系，进而达到间接确定模型参数的目 的。对这些物质，已经具备了相当规范的标准测定方法，因此，这样的方法应 该比通过生物的方法更具可靠性和重现性，且易于操作。是为该研究的必要性。 笔者所在的同济大学环境学院污染与资源控制国家重点实验室有着优良的 实验作风、先进的实验设备及足够的科研基金作后盾；指导老师均从事水污染 治理工作多年，对污水处理的理论、工艺技术和发展方向有着深入、独到的理 解，并十分重视引导学生自由思考和创新，能够给笔者足够的智力支持：通过 对大量国内外文献的阅读和整理，本人对城活性污泥数学模型的研究现状、发 展动态和存在的问题有了相当深度的了解，并对实验设备和可能存在的问题作 了充分的准备，也足以保证实验的顺利进行。是为该项研究能够得以成功实现 的充分条件。 综上所述，本课题是可行的。 虫遮回进塞堂亟土监窑31 塑翌塑羔垒：篓 1 2 3 技术路线 图11 技术路线图 4 l 生遮圃进盘堂塑延皇!塑銎苎：查主 第二章a s m 水质特性参数测定相关问题的探讨 2 1a s m 系列模型在应用中存在的主要难题 尽管国内外针对a s m 系列模型开展了很多的研究，其中也不乏成功的范 例，然而参数的钡i 定、模型的简化以及参数的校正等难题依然从一定程度上制 约了a s m 系列模型的发展。因此，a s m 系列模型的研究也主要针对以上几方 面展开。 2 1 1 参数的测定研究 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，这也在一定程度 上阻碍了a s m 模型的应用和发展。 21 1 1 进水组分的测定研究 进水组分是a s m 的输入项，它与城市生活污水的性质有关。不同的城市 排水管道系统、生物预处理方式、经济发展水平、不同的生活习惯等都会对其 产生影响。对于某个特定的被模拟对象，进行可靠模拟的关键之一就在于能够 获得准确的水质特性参数值。c i n 甄o z e r l l 】等在对进水组分进行准确划分的基础 上，仅修改了a s m 2 中7 1 个动力学和化学计量学默认参数中的6 个就获得了 非常理想的模拟效果。 2 1 12 化学计量学参数的测定研究 由于目前大部分的研究都是基于a s m l 进行的，因此相关的测定研究也主 要针对a s m l 报告中列出的5 个化学计量系数( 、y a 、i 、i x p 和c ) 。国内 外就y 、y 。和f d 的测定提出了多种生物、物化测定方法和模型辨识方法【2 ”。 呼吸计量法因其简便易行，成为各种测定方法中的主流。而y n 、i x b 和i x p 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，由理论计算得到。 同济大学的甘立军”】、宋文清“、刘芳7 1 等利用呼吸计量法对y h 驹值进行 了测定研究，研究结果表明：上海城市生活污水的典型y h 值在o 7 0 0 7 1 左右， 稍高于模型默认值06 7 。除y h 对生物反应过程影响较大，必须用实验确定之 外，其他化学计量学参数，如自养菌产率系数y a 、微生物细胞中氮含量i 、 【垒遗圜旋杰望琢边塞j塑墨堡盔：墨 微生物中隋性颗粒比例昂以及微生物产物中氨含量而的值都可以通过计算得 到，选取的典型值分别为0 2 4m g 细胞c o d m gn 、o 0 8 4r n gn 抽gc o d 、o 0 8 和o 0 6 9 n 值c o d 。 2 1 13 动力学参数的测定研究 与化学计量学参数类似，相关动力学参数的测定研究也是针对a s m l 展开 的。然而，由于动力学参数的测定十分费时，如果对其中的每个参数都进行测 定，即使可能也不可行。因此，同济大学的宋文清【6 j 、刘芳同等在灵敏度分析 的基础上，对其中的几个重要参数进行了实验测定，这些参数包括异养菌衰减 系数b h 、异养菌最大比生长速率岫和自养菌最大比生长速率a 。 2 1 2 模型的简化 必须指出，目前应用于实践的a s m 模型大多都是经过不同方法简化之后 的模型，原因就在于庞大的a s m 参数和过程体系，使其在工程上的应用变得 困难【8 j 【9 j 。然而简化不当，将导致应用的彻底失败。因此，在模型应用于某一 特定污水厂之前，必须充分了解污水水质特性、工艺的水力学特性以及生物反 应过程和机理。在此基础上，分析各变量和参数对系统模拟的敏感性，仅考虑 对系统影响较大的因素，达到简化的目的。常用的简化方式主要有两类：一、 基于机理认识上的简化；二、基于模拟效果的简化。 常用的模型简化方法是忽略a s m 中的部分组分或过程。如在a s m l 中， 只考虑好氧条件下的生物反应，就可以忽略反硝化。在溶解氧足够高的情况下， 只考虑x s 、s s 、x 。、x i 、x b 等5 个组分和微生物的好氧生长、异样菌的衰减 以及颗粒性底物水解成融解性底物等3 个过程。出l o 嘶s 和g e o 唱a k a l ( o s 等l l o j 就曾应用这样一种简化手段，提出了一种污水厂优化控制的方法。z h a o 等“ 针对交替式活性污泥处理工艺提出了一种简化的氮动力学模型，模型是由一系 列的动力学方程表述的。通过在线监测s 和s n o 的值，自动实现优化控制。 j e p p s s o n 和o l s s o n 等1 1 2 j 在物质层面上对模型进行了简化，首先排除溶解氧 这一状态参数，因为对于溶解氧的控制是污水厂控制的一个基础；其次忽略快 速动力学反应；再次把最和瓦归为一种状态变量以。d ：第四，不考虑氨氮的 形成机理，原因就在于可以通过在线监测测得该组分：最后，m o n o d 公式被近 似为直线：低浓度时为一级反应，高浓度时为o 级反应。这样就把a s m l 中的 8 个生物反应过程简化为4 个，1 3 个动力学方程简化为5 个。得到的模型作为 污水厂控制和管理系统中分级控制设备的一个重要组成部分。 另外一类模型简化方法是应用单一扰动理论。假设给某个动力学反应方程 宝遗回逝杰堂驻迨塞塑璺垒皇兰 一个扰动，如果该扰动引起的变化快于某个设定区间，则把该动力学方程简化 为代数方程；如果变化慢于某个设定区间，则把该动力学方程看成常数。s t e 虢n s 等【i3 l 把“状态关联特征值”思想引入模型的简化之中，把反应速率量化，这样就 可以通过对单一扰动的分析简化模型。k e e s m 锄等1 1 4 】应用该理论对好氧可生物 降解过程的内源呼吸进行了分析，把a s m l 模型简化为s s 、x ”x b h 和k 等 几个质量平衡方程，通过单一扰动分析发现，前两者为快速状态，而后两者则 为慢速状态。这种简化方法也大大提高了计算机的模拟效率。 当然，上述简化也有两个明显的缺陷，其一，简化模型适用的范围十允狭 窄；其二，模型提出的优化措施或方法在实际使用时效果并不明显。为此，s m e t s 掣”掘出了4 步模型简化法：生成数据系列、线形模型近似、验证与模型插值。 较为系统的提出了a s m 模型的简化过程。 总之，模型简化的基本指导思想，就是使用尽可能少的参数来描述尽可能 完整的活性污泥系统生物化学及物理过程，从而达到准确预测的效果。 2 1 _ 3 模型的校正 模型简化的结果是矩阵中变量和生物反应过程及其相关参数的减少，或是 非线形模型的线形化。简化后的模型必须经过校正方可使用，而校正过程的难 点便集中于参数的调整。对于参数的调整十分费时，尤其是基于实验的参数调 整更是如此。常用的模型校正方法主要有两种：基于系统的调整灵敏度分 析；基于过程的调整前提是对过程和模型的结构十分熟知。模型校正的效 果取决于实验数据的多少和数据的正确性，尤其是进水组分。在模型校正时， 污水生物反应过程内部的数据比出水的数据更有用【l “。必须指出的一点是：对 于参数进行灵敏度分析，只是一种数学方法，实际的反应机理是不是如此，还 不得而知。 硒m 等【l ”研究者把遗传算法引入a s m l 模型重要化学计量参数和动力学参 数的校正中，用遗传算法对模型进行局部和系统的优化。优化的目的是减小模 型对出水的预测值与实测值之间的差别。用实验室模型的静态数据和动态数据 作为校正的基准，对反硝化过程进行r 校正。通过给定置信区间和目标函数， 遗传算法给出了参数区间的分布。最后通过现场数据进一步对模型进行了校正。 d u d l e v 等【1 8 l 指出，在目前的a s m 2 模型校正中，常用的一种方法是在实验 室进行模拟，尽可能的得到相关的数据。但是事实上，实际污水厂的监测值不 可能包括这些，也不一定有相关测试的设备。因此，他提出了利用稀疏数据对 a s m 2 进行校正的一种方法。 【空遣回渡叁堂墅：迨塞3 整! ! 釜：盔茎 2 2 水质特性参数测试方法的研究进展 对于进水水质特性参数，其重要性在于进水组分是活性污泥数学模型 ( a s m ) 的输入项，它的正确性同模型的模拟结果直接相关，是模型参数的重 中之重。它与城市生活污水的性质有关。不同的城市排水管道系统、不同的生 物预处理方式、不同的经济发展水平、不同的生活习惯”1 等都会对其产生影响。 对于某个被模拟对象，进行可靠模拟的关键之一就在于能够获得准确的水质特 性参数值。 表征城市生活污水中有机组分的方法仍在发展中，并且依然没有标准化。 因此，为了使模型能够应用到污水处理的设计和运行中，活性污泥工艺模型课 题组在模型中将描述污水组成特性的模型参数统一以c o d 质量浓度的形式来 表示。因为c o d 提供了有机底物、微生物和利用的氧的电子等价物之间的关 联，并且能够建立物料平衡。 就把这样的用以描述城市生活污水进水水质特性的模型参数称为水质特性 参数，它表征的就是进水中的总c o d 的组成，可以分为可生物降解c o d 、不 可生物降解c o d 和活性微生物。表示为： c 犯= s + sf + s f + x i + x s + x + x h q ，l q 其中，c 。表示水中得总c o d 。 在城市生活污水中，并不是所有组分都同等重要，为了解释污泥系统中的 生物淘汰现象，模型中没有忽略进水中的生物量部分。但是，在实际工作中， 发现x 部分常常很小，可以忽略不计。甚至，在实际运行中还可以忽略掉异 养菌部分，或者将其并入慢速可生物降解有机物爿。组分中去，这样，计算就进 一步的简化为： c 耐= s + s f + s | + x i + x sq 1 2 ) 将x 。包含在，中，可以通过选择较小的产率系数就可以使这样的简化不 对模型造成很大的影响。而这样的简化则可以使在测定模型组分的时候，直接 用上式来计算勇b 些不能直接测得的组分，从而得到极大的_ 方便。 尽管a s m 系列模型大量的应用于污水处理厂，然而，模型的参数并不具 备普遍性，应用j 二不同系统的模型参数并不能取同样的参数值。基于此，模型 参数的测定成为模型成功应用的前提。 2 2l s 。的测定 由于s 。是根据微生物对污水中可生物降解有机物降解的难易程度来进行 f 塑造塑进盘堂堡迨皇j熊墨璺! 盎：茎 划分，因此，文更多的是采用生物呼吸计量法进行测定，如连续0 u r 呼吸计 量法、间歇o u r 呼吸计量法、间歇n u r 呼吸计量法等。除此之外，根据其可 溶且能通过细胞膜的特性，也有专家提出混凝沉淀滤膜过滤物化法对砖进行测 定。 2 2 1 1 连续o u r 呼吸计量法 连续o u r 呼吸计量法是在连续反应器中测定0 u r 的瞬间变化。如e k a m a 等和s 0 l l 舶n k 等f 2 1 1 等提出的矩形方波负荷法，在一个连续2 4 小时方波进水 ( 即1 2 小时连续进水，1 2 小时停止进水) 的活性污泥反应器内，在线监测o u r 的变化情况，得到o u r 动态变化曲线。然后通过式2 1 计算而得。 懿2 每志也q ( 2 3 ) k 一反应器体积； 一所加水样体积； q 一溶解氧消耗量。 这是n a 的推荐方法，但是，连续流呼吸计量法因为要求有连续运行的活 性污泥系统，运行期间瞬变过程持续时间短，实验工作量大，测定技术要求较 高，不易控制和掌握，难以推广应用。 2 2 12 间歇o u r 呼吸计量法 批量反应器内的o u r 测定比连续流简便易行，在一个密封的批量反应器 内，抑制自养菌的活动，连续监测反应器内o u r 的变化情况。 得到的曲线可分为三个阶段：第一个阶段，0 u r 的响应由微生物代谢易生 物降解有机物s 。引起，所以出现的是较高0 u r 平台，而且o i j r 随& 浓度的 降低而降低；第二个阶段，足渐渐的耗尽，反应器内o u r 由污水中的缓慢降 解底物x 。水解提供的底物控制，众所周知，水解是一个相对慢速的过程，所以 体现在曲线上为一个低o u r 水平的缓慢下降平台：最后一个阶段，0 u r 几乎 不变，维持在一个较低的水平，这是因为污水中的x 。耗尽，反应器内微生物进 入内源代谢阶段。于是曲线上依次出现两个拐点，三个o u r 平台，这样就很 容易区分砖和x 。所引起的o u r 积分面积，从而用简化的模型公式方便地计算 各组分的浓度。 好氧间歇呼吸计量法测定是一种简便易行的污水特性鉴定方法，只要控制 初始负荷，产生适宜的0 u r 动态响应，能避免在连续反应器中因水力变化引 起的干扰，提高测定结果的准确性，是在国内广泛应用的种方法。 【生遮! 自迸盘堂亟鎏塞】塑璺璺查：墨 2 2 13 缺氧批量n u r 法 缺氧批量实验的原理与上述好氧批量实验一样，唯一不同的是后者通过向 反应器中充氧，以溶解氧作为电子受体，测定耗氧速率，而前者在实验开始向 反应器中加入硝酸盐，以硝酸根为电子受体，监钡4 其浓度变化。缺氧实验的起 始一段时间内硝酸根浓度以较快速率下降，这反映了混合液中易生物降解物质 的利用速率，这一反应阶段与好氧批量实验中最初的高o u r 平台性质相同。 随后，由于易生物降解物质消耗殆尽，反硝化速率下降，硝酸根浓度变化呈较 为平缓的线性下降，这反映了慢速可生物降解物质水解而成的易生物降解物质 的利用速率。同样，该阶段与好氧批量实验中第二个o u r 平台相对应。 缺氧批量n u r 法较为简单，在一次性投加硝酸盐情况下，可密闭反应器， 连续监测硝酸根浓度的变化，节省了好氧批量实验需要不断充氧的工作量，而 且计算简便，但该法所需仪器复杂，因此并不适用于常规测定。 2 2 ，1 4s i n 甜e - 0 u r 呼吸计量法 在o u r 测试的初期，溶解氧浓度有一个较为快速的下降过程，这是由于 易生物降解有机物的利用引起的，反映在溶解氧曲线上就是斜率较大的一段曲 线。有研究表明，当待测水样中的易生物降解有机物的浓度下降为大约1 m g c o d 几时，此后溶解氧的下降主要是由慢速可生物降解有机物的水解以及随后 的内源呼吸引起的，反映在溶解氧曲线上就是斜率较缓的段曲线。因此，溶 解氧曲线上的斜率变化就可以较好地把易生物降解有机物区分出来。 s i n g l e - o u r 呼吸计量法同样是一种简便易行的方法，此外该方法避免了反 复曝气，节省了工作量，而且反应时间较短。因此，笔者认为在对生活污水的 测试中值得推广此法。 22l5 混凝一过滤法 i a w o 在a s m l 报告中提出如下假设，进水中总溶解性c o d 包含易生物 降解有机物和溶解惰性有机物两部分。根据s 。可直接通过细胞膜且能被细胞快 速代谢的特点，选用0 4 5 岬滤膜来将这部分物质从污水中分离开来。在p h 为 l o5 条件下加入絮凝剂勘j s 饥，充分搅拌，絮凝沉淀后上清液通过04 5 肛l 的滤 膜过滤，得到的滤液中只存在可溶性有机物。水样中的胶体也会在絮凝后被 o4 5 哪滤膜截留去除。e k 锄a 等1 2 0 1 认为污水中溶解惰性c o d 等丁经过一个细 胞平均停留时间( m c r t 3 天) 的活性污泥系统2 4 小时处理后出水中溶解性 c o d 。文就等于絮凝后的溶解性c o d 减去惰性c o d 混凝一过滤法所耗人工最少，且不需要溶氧仪，对实验设备的要求最低， 但是，由于污水中的一些慢速可生物降解底物。( 如淀粉) 不能吸附在迸水中 o 【虫揸回涟叁堂亟尘缝塞j塑矍望坠垒：! 少量的生物体上，因此该方法，将导致严重的误差。这在1 w a 的报告中也有所 提及。 22 16 化学分析法 s 。在模型中代表快速可生物降解物质，即能够被异养菌直接快速降解的小 分子有机物，在a s m 2 中更是把这一组分分为& ( 可发酵的易生物降解有机物) 和s 。( 发酵产物) 两个部分。因此， k l z e 等瞄1 认为可以通过传统的化学分析 方法测定水中的蛋白质、糖类和脂肪物质的含量，从而确定出可生物降解c o d 组分的组成情况。 化学分析法无疑可以极大的提高测定的效率和准确性，遗憾的是，对于这 种方法的报道无论是在国内还是在国外都非常有限。 2 2 2 岛的测定 s ，的主要特征是：这部分有机物在模型中被定义为在污水处理厂中不能进 一步降解，这些物质被假设为由进水中带来，或者是颗粒性基质x 。水解过程中 的产物。它可以很容易地通过一个低负荷活性污泥处理厂出水中残留的溶解性 c o d 来进行估测，可通过长时间的b o d 实验来确定。这一溶解性组分由各种 大小的分子组成，有一小部分低分子量物质，可在超滤滤液中发现，但中等大 小的惰性物质不常见，这意味着大部分溶解性惰性有机物是大分子量的( 分子 量在1 0 0 0 0 0 以上) 。 e k 砌a 等例认为，对于一个污泥龄在1 0 至2 0 天之间、连续运行的实验室 反应器来说，进水中的s ，可以等价于过滤后的反应器出水c o d 值；h 朗z e 等【2 2 l 认为，出水溶解性c o d 中的大部分( 9 0 9 5 ) 都是惰性的溶解性有机物质s ， 在这样的理论指导下，他们也提出了类似的测定方法：在污泥龄大于l o 天、连 续运行的反应器中取出一定体积的泥水混合液，放入另一容器中进一步曝气反 应，最终残留的那部分有机物可以认为是惰性的。 以上的几种测试方法，其共同的不足之处在于：它们都忽略了残留溶解性 微生物代谢产物的存在，因此，在测试过程中，把这部分物质引起的c o d 也 包含在了鼠中。 2 ，23 以的测定 慢速可生物降解有机物x 。包括高分子可溶性、胶体有机物质和胶体颗粒性 有机物质，它们必须通过胞外水解作用转化为小分子物质，才能被降解利用。 通常认为，五。的水解产物为易生物降解底物受或惰性可溶性有机物质( s ，) 。 f 虫遣回渣盘生颤土造塞堕壁璺垒查曼 2 23 1 常规方法 慢速可生物降解有机物j 0 的测定同样可以采用间歇0 u r 呼吸计量法。通 过把0 u r 响应曲线区分开来，就可以同时测定污水中的砖和x 。 22 3 2 基于b o d 测试的生物法 荷兰研究者r o e l e v e l d 等提出了基于b o d 测试来测定五的一种方法。 这是因为进水中的可生物降解c ( b c o d ) 就是快速可生物降解底物品和慢 速可生物降解底物以的和。把b 0 0 作为时间的函数进行测量分析就可以确定 b c o d 的值。选择b o d 进行分析是因为它仍然是污水处理中广泛应用的参数， 这样通过污水厂例行的分析程序就可以完成数据的收集。 通常测定的四d 跌并不能代表总的可生物降解c o d 组分，不同类型的污水 降解程度不一样，大致5 0 9 5 的c o d 在经过5 天的氧化后都能被降解掉， 而2 0 天后，9 5 9 9 的c o d 都被氧化降解掉。但是，占0 1 d k 的测定并不稳定， 所以，并不推荐通过曰d d 。的测定来确定b c o d 的方法。 以时间为横坐标，以b o d 为纵坐标对所测得的b o d 值进行拟合得到b o d 时间函数曲线，从而来计算污水的曰o d 0 。图21 显示了城市生活污水的b o d 曲线，曲线上的点是分别在第l 、2 、4 、6 和8 天测得的数据平均值。及如0 的 值通过式2 _ 4 计算而得。 1 施2 丁 再b d q ( 2 + 4 ) 式中：田0 l ，一总b o d ； 口一第t 天的b o d 值； i m一碳质b o d ( c a 脑n a c e o u sb o d ) 常数。 珏，：一”：= u 一 ：三二：”：“二 一 ”fr i 衰枞 # 7 一一 t 蛾。西b 鹏“，9 l 。g q 图21b o d 拟合曲线阐 【虫追回渣叁堂硒盈塞堡塑墨垒垒堂 对于城市生活污水而言，七值取0 1 5 0 8 j 。当然意。也可以通过拟 合b o d 曲线来求得，七。和觑疆k 的值可以通过最小方差的方法线性回归进 行优化。 在b o d 测量过程中，由于生物体的生长和衰减，对于长时间的测量而言， 这将使其中的一部分可生物降解c o d 转化为惰性组分。因此，最初的c n d r 要 高于通过口d d f o 。计算而得到的c d 值，这样就要求引入修正系数兀o d 。厶d d 的 值取为o 1 5 ( o 1 0 2 ) ，可议很好的使结果子模型中由于生物体衰减产生的惰 性c o d 部分很好的对应。 b o d 的测量至少需要在第l l o 天之间取5 个值，且特别要注意前几天值 的读取。测量样品不能过滤，需要加入棚以抑制硝化反应。 通过b o d 测试的方法，异养菌被包含在墨和瓦组分中，这在模型关于活 性污泥过程的描述中是可以接受的。 2 24 互的测定 尽管很多方法推出，但都不是十分理想，到目前为止，能被广泛接受的方 法是通过物料平衡的方法来估测，即墨根据公式互= d s 一以一为计算 求得。 2 3 水质特性参数测试方法的探讨 2 3 1 易生物降解基质和慢速生物降解基质的区分 前人阻】脚1 发展了一种根据有机化合物c o d 的减少来估算生物可降解性的 实验方法。其具体方法是将活性污泥与有机基质接触，曝气2 0 天，然后测c o d 的减少，减少量以占总c o d 的百分数来表示。采用这种方法，p i 廿e r 对9 4 种 芳香族化合物，1 5 种脂环族化合物，1 4 种脂肪族化合物进行了生物降解实验， 他认为，生物降解速率大于1 5 懈c ( 譬污泥 ) 的化台物为易生物降解基 质。又有文献【2 5 j 利用p i t t e r 的方法，进一步将有机化合物分为易生物降解、可 生物降解和难生物降解三类，他们认为，生物降解速率大于 1 47 ，粥c 0 d ( g 污泥 ) 的有机化合物被定义为易生物降解基质，生物降解速率 介于7 1 1 4 7 懈c “g 污泥a ) 之问的为可生物降解基质，生物降解速率小 于7 1 ，职c d d “g 污泥 ) 的则为难生物降解基质。 在a s m 模型中，将可生物降解的有机基质分成了易生物降解基质s 。和慢 速可生物降解基质x 。如果采用文献1 2 5 j 的分类，则他们分类中的第一类物质 空遮圃叠盘堂堡= e 迨塞 銎璺堡! 皇要 显然等同于a s m 模型中的易生物降解纂质足，而第= 和第三类物质则划到慢 速可生物降解基质以的范畴。因此，笔者在本论文中的易生物降解基质嚣指 的就是生物降解速率大于1 4 7m gc o _ d ( g 污泥 ) 的化含物，慢速可生物降解 基质以指的则是生物降解速率小于1 4 7 以gc d d ，( g 污泥a ) 的化合物。 2 3 2 对间歇o u r 法的思考 23 2 1 传统o u r 方法原理 从常用的一个经典o u r 曲线( 如图2 2 ) ，可以看出，通常把第一个平台 看作易生物降解基质所引起的微生物呼吸响应平台，而第二个平台则是慢速可 生物降解基质引起的呼吸响应平台。从呼吸响应的最大o u r 值来看，反应器 中的v s s 大约为3 0 0 0 增皿左右，= 5 0 0 l n l ，巧= 1 l o o 武，取值为o 6 7 。 不妨以该值为准，该图所反应的信息做大致的估算。根据前一节所提供的公式， 通过简单计算可以得出，只= 1 3 3f n gc o d l ，也就是说在第一个小时内，水 中的易生物降解基质( 最= 1 3 3m gc 0 酬l ) 全部消耗完，即消耗了易生物降解基 质1 3 3m gc o d 几o5l = 6 6 5m gc o d ，用该值除以反应器中v s s 的含量，可 以得到该水样中的易生物降解基质的降解速率为2 2 矾g d ( g 污泥- 舢。很明 显，该响应基质是属于易生物降解基质的范畴。 然后，考察第二个平台，溶解氧d o 消耗量为4 5 啦g0 ，l ，在这段时间里， 降解墨l3 5 m g c o d 。生物降解速率为7 5 肌gc d d ( g 污泥- ) ，小于1 47 懈d m p 污泥，向) ，是属于慢速可生物降解基质。 c o o6 01 2 01 8 02 4 03 0 03 6 04 2 04 8 0 时间( m i n ) 图2 2o u r 呼吸速率曲线图 正是基于上述的逻辑，认为通过o u r 测试，可以通过曲线把o u r 响应划 拍蚰贴坫m 0 o 空遮翅妊盔堂臻圭逾塞li 塑璺垒：查墨 为两个平台，通过对不同平台的数据积分，来汁算易生物降解基质s 。和慢速可 生物降解基质。的含量。 2 t 3 22 存在的问题 但是，当在对间歇o u r 方法进行实验的时候，却发现所得到的o u r 曲线 所提供的信息往往和实际有些出入。 甘立军【习曾在实验中用淀粉：乙酸钠：蛋白胨：葡萄糖= 8 0 ：8 0 ：8 0 ：8 0 r r 虮， 配置人工多组分配水，实测c o d 为2 9 6 瑚皿，保持反应器内污泥浓度在3 0 0 0 m g 几左右，o u r 实验f m 仁o 0 5 左右，反应器内温度2 0 ，进行瓜实验。 结果发现o u r 呼吸计量法无法十分准确地测得以浓度，但通过f 瓜1 分段 法的实验方法可以大大提升了x 。的精确度，且能缩短测定时间，当f m 取值 适当的时候，