（环境工程专业论文）前置反硝化脱氮工艺模拟系统开发及其辅助设计功能研究.pdf

摘要 由于污水排放标准的日益严格化，以及对污水处理工艺低能耗高效率的迫 切要求，依据传统的经验方法来设计和管理污水处理厂已无法适应污水处理领 域的飞速发展。应用数学模型设计和管理污水处理厂是提高我国废水处理厂设 计、运行和管理水平的必然需要。 本文以国际水协会( i w a ) 提出的活性污泥数学模型为基础，基于w i n d o w s 操作平台，使用m a t l a b 数学工具软件，开发出了前置反硝化脱氮工艺的辅助设 计软件a o 模拟系统。a o 模拟系统描述了活性污泥工艺的碳氧化、硝化和反 硝化过程，包含1 1 个组分，8 个生化反应过程。针对目前污水处理厂的水质检 测情况，本文建立了污水厂常规检测数据与a o 模拟系统组分之间的转换方案， 以将现实污水处理厂中实际运行数据资料运用于模型中，并以常规数据的形式 输出，以便与实际运行数据进行对比分析。 在对a o 模拟系统进行参数校正的过程中发现，模型参数及模拟误差主要 受进水水质影响，因此本文针对不同进水水质条件对参数进行调整，提出了适 合于不同进水水质条件的七组参数，作为模型在应用于特定污水厂设计中的参 考值和参数调整的基础。同时通过举例，阐述了a o 模拟系统在污水厂辅助设 计中的具体应用方法，并针对a o 模拟系统的主要功能，进行了界面设计。 数学模型在污水处理厂设计和管理中的应用是随r r 产业的飞速发展应运而 生的环境工程中的全新领域，本文在对此进行初步探索的同时，结合研究过程 中积累的经验，对模拟系统的进一步完善和发展提出了总体思路。 关键词：活性污泥数学模型，a s p s c o 模拟系统，a o 模拟系统，参数调整 辅助设计 a b s t r a c t b e c a u s eo ft h es t r i c ts t a n d a r do ne f f i u e n tw a t e rq u a l i t yo ft h ew a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t s ( w 、 瞪s ) a n dt h er e q u i r e m e n t sf o rh i g i le f f i c i e n c ya n dl o wc o s to f t h et r e a t m e n tp r o c e s s e s t h et r a d i t i o n a lw a yt o d e s i g na n dm a n a g ew w t p c a nn o l o n g e rk e e pu pw i t ht h ed e v e l o p m e n to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tf i e l d t h e r e f o r e ，t h e a p p l i c a t i o no fm a t h e m a t i c a lm o d e l o nt h i sp r o c e s si sa l li n e v i t a b l et e n d e n c ya n di ti s a l s on e c e s s a r yt oi m p r o v et h el e v e lo fd e s i g n ，o p e r a t i o na n d m a n a g e m e n t t ow w t p s i nc h i n a b a s e do nt h es t u d yo fa c t i v a t e ds l u d g em o d e l p r o p o s e db yi w a , t h i sr e s e a r c h s e t s u p as i m u l a t i o n s y s t e m o fa n o x i c - a e r o b i ca c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s ( a o s i m u l a t i o ns y s t e m ) w i t hm a t i a bm a t h e m a t i c a ls o f t w a r eo nw i n d o w s o p e r a t i o n s y s t e m i ti s a l la c c e s s o r i a ld e s i g ns o f t w a r eu s e di na n o x i e - a e r o b i ca c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s ，a n di ti n c l u d e s1 1c o m p o n e n t sa n d8 b i o c h e m i c a lr e a c t i o np r o c e s s e s ，w h i c h d e s c r i b ec a r b o n - o x i d a t i o n ，n i t r i f i c a t i o na n dd e n i t r i f i c a t i o ni na c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s t h i st h e s i sa l s od e v e l o p sad a t ac o n v e r s i o nm o d e li no r d e rt or e a l i z et h ee x c h a n g e b e t w e e n g e n e r a lm e a s u r e d a t aa n dm o d e ld a t a i ti sf o u n df r o mt h ec a l i b r a t i o no fa os i m u l a t i o ns y s t e mt h a ti n f l u e n tw a t e r q u a l i t yi st h em o s ti m p o r t a n ta f f e c t i o nf a c t o rt ot h ev a l u e so fm o d e lp a r a m e t e r sa n d m o d e l i n ge l l o r s ，s ot h i st h e s i sp u t sf o r w a r d7s e t so fp a r a m e t e r sa i m i n g a td i f f e r e n t w a t e rq u a l i t y t h ea p p l i c a t i o nm e t h o do fa os i m u l a t i o ns y s t e ma n di t si n t e r f a c e d e s i g n i n g a l ee x p a t i a t e di nt h et h e s i s t h e a p p l i c a t i o n o f m a t h e m a t i c a lm o d e o n d e s i g na n dm a n a g e m e n t o fw 礴1 p i s a c o m p l e t e l y f r e s hf i e l do fe n v i r o n m e n t a l e n g i n e e r i n g i t sa p p e a r a n c e i si n c o n s e q u e n c eo ft h ed e v e l o p m e n to fi ti n d u s t r y b a s e do nt h ee x p e r i e n c e so ft h i s s t u d y , t h et h e s i sb r i n g sf o r w a r dt h et h o u g h t st op e r f e c t t h i ss i m u l a t i o ns y s t e m k e y w o r d s ：a c t i v a t e d s l u d g em o d e l ，a s p s c o s i m u l a t i o ns y s t e m ，a os i m u l a t i o n s y s t e m ，c a l i b r a t i o n ，a c c e s s o r i a ld e s i g n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘生盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志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。 学位论文作者签名参巍苞 签字日期：年月日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘盗盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。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) 学位论文作者签名：j 参参蕴 导师签名 签字日期：年月日签字日期：年月日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 i 姒活性污泥数学模型简介 随着水处理工艺技术的不断完善和计算机技术的飞速发展，数学模型在环 境工程领域中的广泛应用已成为必然趋势。近年来，国外有很多关于数学模型 在饮用水处理、污泥处置、各种污水处理等工艺中的应用报道。由于活性污泥 工艺的悠久历史和成熟经验，在众多的数学模型中，由国际水协会( 1 w a ) ( 原 国际水质协会i a w q ) 推出的活性污泥数学模型( a s m ) 发展最为成熟，应用 最为广泛。迄今为止，国际水协会共推出了三个基本数学模型，即活性污泥一 号模型( a s m l ) 、二号模型( a s m 2 ) 和三号模型( a s m 3 ) ，此外还推出了在 二号模型基础上进行修正而得到的2 d 模型( a s m 2 d ) 。本节重点对i w a 活性污 泥数学模型进行简要介绍。 1 1 1 活性污泥1 号模型( a s m l ) 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废水生物处理系 统的分析设计和运行管理中去，国际水质协会( i a w q ) 于1 9 8 3 年组织了南非、 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。其目标为：对现有的应用于废水生物处理领域的数学模型资 料进行收集、整理和分析，在博采众长的基础上，提出包括有机物去除( 碳氧 化) 、硝化和反硝化等过程，能够真实反映悬浮生长系统性能的应用模型。a s m 课题组于1 9 8 6 年完成该项任务，并提交了技术报告，该报告于1 9 8 7 年正式发 表。它阐明了活性污泥1 号模型( a s m l ) 的主要特性，以矩阵的形式描述了 污水中好氧、缺氧条件下所发生的异养菌的好氧增长、异养菌的缺氧增长、自 养菌的好氧增长、异养生物质的衰减、自养生物质的衰减、溶解性有机氮的氨 化、颗粒性有机物的水解、颗粒性有机氮的水解等8 种反应；模型中包含慢速 可生物降解基质) ( s 、颗粒性惰性有机物质x i 、活性异养生物质x b h 、活性自养 生物质( 即硝化菌) x b a 、生物质残骸x b 、颗粒性可生物降解有机氮x n s 、可溶 性惰性有机物质s 卜快速可生物降解基质s s 、溶解氧s o 、溶解性可生物降解有 机氮s n s 、硝酸盐氮s n o 、氨氮s n h 、碱度s a l k 等1 3 种物质以及5 个化学计量 系数和1 4 个动力学参数。 第一章绪论 1 1 2 活性污泥2 号模型( a s m 2 ) 及2 d 模型( a s m 2 d ) a s m l 自推出以来得到广泛应用，但它的缺陷是未包含磷的去除。针对这一 问题，i a w q 专家组于1 9 9 5 年又推出活性污泥2 号模型( a s m 2 ) ，它包含了磷 的吸收和释放，增加了厌氧水解、酵解及与聚磷菌有关的4 个反应过程。因为 生物除磷机理很复杂，所以a s m 2 非常庞大，它包含1 9 种物质、1 9 种反应、2 2 个化学计量系数以及4 2 个动力学参数脚。该模型提出了包含化学需氧量( c o d ) 、 氮和磷去除过程在内的综合性生物处理工艺过程动态模拟理论，它不是生物除 磷模型的最终方案，而是一种介于复杂与简单之间，以及正确的模型到底应该 是什么样的各种不同观点之间的折中方案。 有一部分聚磷菌( p a o s ) 能够反硝化是众所周知的事实。在存在硝酸盐进 入“厌氧池”的情况下，将由反硝化过程得到能量，而不是利用聚磷。聚积聚磷的 必要性在这部分p a o s 中消失，随后磷的去除变差。在a s m 2 中，假定p a o s 没 有反硝化能力。反硝化p a o s 将作为反硝化异养菌来模拟。当少量硝酸盐进入厌 氧池时不会影响模拟的进行。但当大量硝酸盐进入厌氧池时工艺过程的模拟结 果有可能出现错误。这就产生了对a s m 2 进行修正的需要，从而得到了一个新 的模型a s m 2 d 。a s m 2 d 中包含的组分与a s m 2 相同，只是在a s m 2 d 中假定 颗粒性组分聚磷菌( p a o s ) 既可以在好氧状态下生长又可以在缺氧环境中生长， 而在a s m 2 中只考虑了好氧生长。a s m 2 d 应作为一个基础模型用于模拟磷的 生物吸收和硝化一反硝化。与a s m 2 相比，它提高了模拟硝酸盐和磷酸盐动力 学的精确性。该模型应作为活性污泥系统生物除磷脱氮动力学模型进一步开发 的理论平台”。 1 1 3 活性污泥3 号模型( a s m 3 ) a s m l 正式发表后迅速传播，已经成为许多环境工作者的主要参考，对废水 处理工艺的设计和运行起到了重要的指导作用。但是经过多年的实际应用，也 发现a s m l 中存在着一些明显缺点“1 ： 1 ) a s m l 中不包含氮和碱度对异养菌的限制因素，这样在某些情况下会出 现负浓度( 如铵盐等) ，从而造成了众多版本a s m l 模型中的微分计算无 法继续。 2 ) a s m l 中包括了可生物降解的溶解性有机氮( s n s ) 和颗粒性有机氮 ( x n s ) 。在实践中，二者都不易测定，因而在许多版本的a s m l 模型中 已将其删除。 3 ) a s m l 中氨化反应的动力学难于定量化。在很多版本的a s m l 中，假定 第一章绪论 所有有机组分均为恒定组成，即恒定的n c o d 比。 4 ) a s m l 对颗粒性惰性有机物质按其来源将其区分为两类，即进水所含的 x i 和生物质衰减产生的x d ，而现实中，难于如此清晰的区分这两种组分， 因此a s m 3 中将) ( d 和原a s m l 中的x i 统一考虑为x j 处理。 5 ) 水解过程制约着异养茵的氧消耗和反硝化的预测，同时也使这些动力学 参数定量化变得非常困难。 6 ) 死亡分解与水解和增长过程相结合，用于描述生物质内源呼吸的综合效 应，即有机物储存，死亡，捕食和分解等，从而使得相应动力学参数的确 定变得非常困难。 7 ) 如果污水处理厂中易降解基质浓度较高时，在好氧和缺氧条件下可以观 测到聚羟基烷酸p h a s ( p o l y h y d r o x y a l k a n o a t e s ) ( 有时为糖原质 一g l y c o g e n ) 的储存现象，但a s m t 中不包括这一过程。 8 ) a s m l 认为好氧与缺氧条件下硝化菌的衰减速率是相同的，当固体停留 时间( s r t ) 较长或缺氧池体积比例较高时，对最大硝化反应速率的预测 就会出现问题。 9 ) a s m l 不考虑对直观可见的混合液悬浮固体的预测。 考虑到a s m l 存在的上述问题，1 9 9 9 年m w q 的专家组，对l 号模型进行 了修正，推出活性污泥3 号模型( a s m 3 ) 。a s m 3 不以水解作用为重点、引入 了有机物在微生物体内的贮藏及内源呼吸，以强调细胞内部的活动过程。 a s m 3 与a s m l 中主要现象是相关的，如以城市污水为主的活性污泥系统中 的氧消耗、污泥产量、硝化和反硝化，但a s m 2 中的生物除磷在此不予考虑。 a s m 3 包括1 3 个组分和1 2 个生化过程“1 。a s m 3 仅考虑微生物转化过程，不包 括化学沉淀，但基于a s m 2 ( 包含磷的吸收和释放过程) 所提供的信息，很容易 加入该过程。 1 1 4 活性污泥1 、2 、3 号模型的比较 n w q 的a s m 系列模型问世后，得到充分肯定，成为目前国际上活性污泥 模型研究的主流。a s m 诸多版本的共同特点是它们均以m o n o d 方程为基础，都 是多维的并包含大量的动力学参数和化学计量系数。由于a s m 2 与a s m 3 均是 在a s m l 的基础上发展推出的，此处将其与a s m l 做以简单比较。 1 1 4 1a s m l 与a s m 2 模型的综合评价 与a s m l 相关连的假定和限制也同样适用于a s m 2 ，即p h 的常数值、速率 方程的系数和计量学系数。为了解决生物除磷问题，a s m 2 对a s m l 中的一些 第一章绪论 假定作了如下扩展o 】： 1 ) 异氧菌生物量和除磷菌生物量是均的，不随时间变化，这在常数动力 学参数的假定中是不变的。 2 ) 有机物、有机氮和有机磷的水解是相互耦联的，并且同时发生。 a s m 2 与a s m l 、a s m 3 最大的区别在于它包含了磷的去除，然而生物除 磷过程中p a o s 的行为特性和生理学还不完全清楚，在目前的模型中，已经把异 氧菌生物量分成2 个组成部分：异养菌和聚磷菌( p a o s ) ，并对a s m 2 中生物量 的特性作了如下假定o ： 1 ) 假定发酵产物是处理系统按生物除磷方式运行时p a o s 能吸收的唯一基 质。假定异养菌利用可发酵的有机基质s f ( 可发酵的快速生物降解有机 物) 及s a ( 发酵产物) 。在现在的模型中归类为s a 的短链脂肪酸是生物 除磷的优先碳源。 2 ) 假定p a o s 仅利用储存的p h a 进行好氧生长，而不是直接利用s a ， 3 ) 假定p a o s 没有反硝化。 4 ) 目前的模型没有把碳水化合物作为独立的参数结合到模型中。在典型条 件下运行的生活污水处理工艺中，污泥的碳水化合物含量不是p h a 合 成的限制因素。 5 ) 模型中没有把能够储存p h a 但不释放磷的异养菌作为单独的生物量组 分。 6 ) 假定a s m 2 定义的异养菌进行好氧生长、缺氧反硝化和厌氧发酵。 除磷过程的加入给a s m 2 模型的使用也带来了诸多限制。例如模型没有考虑 钾和镁对生物除磷的限制作用。但是众所周知，钾和镁是p a o s 中构成聚磷酸盐 的两种重要阳离子。这些阳离子的短缺会导致污泥中聚磷聚积作用的恶化，从 而导致磷去除的明显降低。据报道，亚硝酸盐和一氧化氮对生物除磷有抑制作 用，但在模型中没有考虑这种影响。 a s m l 和a s m 2 在应用过程中都有一些限制，如他们都要求p h 值接近中性 并保持恒定；a s m l 要求系统在恒定温度下运行，a s m 2 的实用温度要限制在中 等范围，大概为1 0 2 5 。c ，因为高温和低温状态下p a l o s 的特性尚不完全清楚， 模型不一定能给出合理的预测，尤其是对于磷的去除“”。 由于a s m 2 的复杂性和除磷机理的不确定性，使得a s m 2 相较于a s m l 的 应用限制较多，经验也不如a s m l 成熟。但它是目前唯一包含磷的去除的较为 成功的活性污泥数学模型。 第一章绪论 1 1 4 2a s m l 与a s m 3 模型的综合评价 前己述及，a s m 3 是在修正了a s m l 一些缺点的基础上提出的，此处将两 者做以综合比较“1 。 笪丛3 生堂丛! 复苤丝数盟丝。a s m 3 与a s m l 大致相同，只是在废水特 征化这一重要方面作了改动，将重点从水解过程转移到有机物质的储存过程， 而这一储存过程已为众多研究者观测到。在a s m l 中快速可生物降解基质c o d 必须从呼吸试验中估算，而对这一试验的解释又依赖于产率系数y h 的值。在 a s m 3 中溶解性c 0 0 仅由s s 和s i 组成。从两个模型所采用的典型废水组成可以 看出：a s m 3 中s s 占总c o d 的4 0 ，而不象a s m l 中仅为1 0 。许多科研工作者 都观测到基质储存现象的存在，而上述调整使得这一过程在模型中的引入成为 可能。 曼m ! 主曼i 厶工= 仝塞越过程：鱼堑工压直的塞越过毽。这是由于a s m l 初 次发表时，计算能力还很缺乏，最简单的描述有可能节省计算时间。故用分解 再增长模式( 1 y s i s ：r e g r o w t ha p p r o a c h ) 来描述所有衰减过程的综合效应。目 前由于计算不再限制模拟，a s m 3 引入了衰减过程的更为真实描述：内源呼吸接 近于观察到的现象，而相关的速率常数可以直接获得，且与化学计量系数无关。 详见图1 1 。 在a s m l 中，异养菌在一个循环反应中利用c o d 。衰减为水解提供原料并引 发附加增长、硝化菌衰减，并促进异养菌的增殖。自养菌和异养菌不能完全分 离，氧的存在仅有两个入口点。在a s m 3 中，硝化菌( 自养菌) 与异养菌清楚 地分开了，c o d 流向不存在交叉，氧的存在有多个入口点。 叁点丛! 生塑坠速色韭鲎复苤。异养菌的死亡再生与硝化菌的衰减互相干扰。 事实上，这两个过程差别很大，这就导致了对两种衰减意义的混淆，从而无法 准确确认衰减速率值。在a s m 3 中两组菌体的全部转换过程被清晰地分开了， 衰减过程以统一的模式得以描述。 皇曼丛2 担趑：笪丛史鱼盒工绁胞凼篮在堑廑。这就要求将生物质以细胞 的内部结构来模拟，衰减过程也必须包括两部分生物质，因此要求4 个衰减过 程( 异养菌x h 和异养菌细胞内储存物殛_ i d 分别在好氧和缺氧条件下的损失) ， 增长的动力学( 好氧和缺氧) 都必须与k ) ( h 的比值相关。 与a s m l 和a s m 2 相比，a s m 3 的一个重要区别是，通过0 4 5 um 滤膜的 过滤作用可以将溶解性成分与颗粒性组分更好的区分，而前者废水滤液中仍然 含有相当比例的慢速可生物降解基质x s 。 第一章绪论 a s m n o 。3 亚雪e 鼷黔、 ”亩囊娑翼曩翁 水解 、储存 、生长内源呼吸 、- 。：一 图1 1a s m l 与a s m 3 模型中c o d 的流程图 活性污泥数学模型( a s m i 3 ) 是博采众长、集思广益的科研成果，它的问世， 引发了数学模型在废水生物处理领域应用的革命。活性污泥数学模型的研究和 应用始终是国际上废水生物处理领域研究的热点之一，目前国外已有相当数量 的论文和科研报告正式发表。但我国对活性污泥模型的研究使用起步较晚，国 内文献鲜有报道。下面通过国外在数学模型研究和应用中的若干实例，对其发展 应用现状进行简要介绍 1 2 活性污泥数学模型的发展应用现状 1 2 1 目前流行的废水处理工艺模拟系统( 1 t 产业软件) 在a s m 模型系列推出之后，推动了活性污泥废水处理工艺计算机模拟系统软 件系列的开发与应用，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。下表列举了一些典型的开发软件。3 。其 中尤以g p s x 模拟软件”1 系列稳居环境保护i t 产业的首席地位。 第一章绪论 表1 1 废水生物处理模拟软件总汇 软件名称特点模拟软件开发机构 g p s x应用a s mn o 1 和n o 2 ，井包 h y d r o m a n t i s ，i n c ， 含其它操作单元模拟的优秀 1 6 8 5m a i ns t w e s t , s u i t e3 0 2 , h a m i l t o n ， 废水处理模拟软件o n t a r i ol s s 1 g 5c a n a d a s s s p a s mn o 1 c pl e s l i e g r a d a y j r e n v i r o n m e n t a l s y s t e m 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 e s e 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 c 2 9 6 3 4 - 0 9 1 9u s a e f f o ra s mn o 1 和沉淀池模拟j a np e t e r s o n ， i k r u g e ra s ，g a d s a x e v e j3 6 3 ，d k - 2 8 6 0 ， s o b o r g , d e n m a r k a s i m应用a s mn o 1 和n o 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 m t ef o r 含其它单元e n v i r o n s c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , c h - 8 6 0 0 d u b e n d o r f , s w i t z e r l a n d s b r s i m应用a s mn o 1 模拟s b r 工艺 j u r g e n o l e s ，t e c h n i c a lu n i v e r s i t y h a m b u r g - h a r b u r g ，e i s s e n d o t t f e r s t r a s s e4 2 ， 2 1 0 0h a m b u r g 9 0 ，g e r m a n y 事实上，提高废水处理厂的运行效率并不是必须增加其处理设备的体积和处 理工艺的复杂性，我们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。 1 2 2 活性污泥数学模型的应用现状 一个好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”1 。综合国外近年 来对模型的应用研究，已证实了i a w qa s m l 对于描述碳氧化、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， 但也取得了许多较为成功的经验，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 的应用也必将更成熟。由于a s m 3 提出较晚，目前还没有经过大 量的运行数据的验证，所以仍然需要在实践中对模型进行不断的修正和改进， 特别是对储存现象的描述。a s m 3 的优点是即使铵盐和碳酸氢盐限制了微生物的 第一章绪论 新陈代谢，也无需调整其模型结构。目前国外已有应用a s m 3 对活性污泥系统 中试及生产性规模水厂除磷脱氮预测的成功范例( 见表1 2 ) ，相信在a s m 3 应 用的过程中，它会得到不断的完善和推广。表1 2 列出了最近国外对活性污泥 数学模型研究和应用的实例。 表1 _ 2i a w q 活性污泥数学模型在国外的研究及应用 国家应用模型应用领域试验规模 工艺类型应用效果 模拟碳氧化、 交替工作氧化模拟值与实验值吻合 希腊a s mn o 1硝化、反硝化中试 沟很好8 1 过程 意大 建立并检验硝 a s mn o 1化动力学实时理论研究 完全混合曝气算法结构稳定，参数估 利池测误差大大减小 估计算法 脱氮过程参数生产性试卡罗塞型氧化 荷兰a s l dn o 1参数校正精确可靠n 0 1 校正验沟 除磷脱氮工艺交替式活性污是有力的分析和控制 丹麦 a s mn o 1中试 优化运行控制泥工艺工具 建立、校正、 小试( 进水 意大 检验基于t s m成功地描述了s b r 反应 来自 a s mn o 11 的动态 s b r器中的硝化和反硝化 利p i g g e r y 水 s b r 生物脱氪 过程1 厂) 模型 西班碳氧化、脱氮强有力的优化工具，快 a s mn o 1水厂优化 牙活性污泥系统速，可靠1 交替式好氧一 模拟、预测碳 缺氧完全混合 美国 a s dn o 1氧化、硝化、小试预测较为准确n 4 1 活性污泥工艺 反硝化过程 系统 评价投加甲酵 l e可以用于该方法的评 生产性试 美国 a s mn o 1降低出水氮浓( l u d z a c k e t t价并证实了该方法的 验 度的方法i n g e r ) 工艺可行性1 第一章绪论 续表1 2 国家应用模型应用领域试验窥模工艺类型应用效果 模拟预测碳氧生产性试 对出水磷浓度预测误 比利化、硝化、反验( t i e l t交替工作氧化 a s mn o 2差较大，其余预测较好 时硝化和强化生水厂) 与小沟前置厌氧池 n 旬 物除磷过程试结合 a o 、u c t 、模拟效果很好，有助于 生产性试 荷兰 a s mn o 2模拟水厂运行b c f s 、侧流除进一步优化水厂运行 验 磷工艺 1 7 】 a a o 、延时曝 前两个水厂模拟效果 生产性实气活性污泥工 很好。后两个氧化沟工 美国a s mn o 2模拟水厂运行验( 四个污艺、卡罗塞型 艺水厂的除磷过程模 水厂)氧化沟、奥巴 拟不够理想 勒型氧化沟 模拟强化生物 可描述溶解性氮和磷 瑞士a s mn o 2小试、中试 u c t 的特性，但不能描述聚 除磷工艺过程 磷苗的反硝化作用1 基于参数分布简化的模型可以很好 生物除磷活性 澳大法韵活性污泥地预测各组分特性，但 a s mn o 2中试污泥工艺 利亚生物除磷工艺与聚磷菌有关的过程 k k | 日 的模拟和参数还不确定啪 模拟缺氧条件 模拟效果较好，参数估 下低负荷污水 计和实验结果表明温 处理厂多孔载 瑞士a s mn o 2中试移动床度对水解的影响与a s m 体移动床反硝 n o 2 所提出的相一致 化过程和永解 z l 】 过程 模拟s b r 系统 对有机物的去 a s m n o 2 及其线性化模 除，预测对磷 型都可以合理地预测 美国 a s mn o 2的释放、吸收、小试s b r 硝化、氨化和 系统的特性，线性模型 校正耗时较少啪1 反硝化作用的 动力学特征 第一章绪论 续表1 2 国家应用模型应用领域试验规模工艺类型应用效果 基于a s mn o 3 的稳态 中试水厂、 模型可预测氮的去除 预测氮的去除和污泥产量，但在基质 瑞士 a s mn o 3生产性水 活性污泥系统 和污泥产量浓度作为约束条件的 反硝化过程中，预测误 差较大( 约2 0 ) 2 ” 模型可以对不同的b p r 预测活性污泥中试、生产a 0 、u c t 、 工艺进行比较和对有 瑞士 a s mn o 3 机物的去除进行预测， 系统磷的去除性试验j h b 、s b r 可以很快地确定水厂 运行的关键参数1 由模型研究应用实例可以看出，由于i a w q 活性污泥数学模型本身结构的 复杂性，将其直接应用于污水处理厂的设计、模拟、预测、运行控制等方面是 不现实的，也是不必要的。因为尽管为简化模型结构做了一些假设， a w q 数学 模型对污水处理的生物过程描述仍较为全面。在特定的污水水质条件和工艺处 理目标下，完全可以将模型中非关键因素忽略掉，仅考虑对模拟结果影响较大 的变量、过程和参数，这样模型可以进一步简化，从而大大缩短求解时间，给 模型在污水厂的实际应用带来极大方便。虽然i a w q 数学模型的实用性已得到 国外大量应用实践的证实，但在实际应用中仍然有许多问题有待进一步研究。 1 2 3 活性污泥数学模型应用过程中的几个关键问题 到目前为止，m w q 活性污泥数学模型及以此为基础开发的模型在理论上已 达到了一个新的高度，该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。但需要注意的是，a s m 系列模型均为复杂的矩阵形式，有诸多物质 的测定，大量的常数和参数需根据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，以获得特定条件下便于应用的模型”1 。从国内 外大量的应用实例中不难看出，i a w q 模型应用中问题的焦点在于模型的简化、 水质的分析和测定以及参数的校正。 第一章绪论 1 2 3 1 水质的分析和测定 由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 要设定常规检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迸 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含量， 测定的内容比目前常规的水质化验多出很多，而且具体的测定方法还未规范化， 有些还有待于进一步研究解决啪1 。i w a 的专家组目前正致力于对进水水质测定 方法简单化、规范化方面的研究。 1 2 3 2 模型的简化 由于i a w q 数学模型的复杂性，将其完整的模型直接应用于污水厂的设计、 模拟、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。但值得环 境工作者注意的是，模型的简化虽然是必要的，但也是相当危险的。如果简化 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，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量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汹1 。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。 1 2 3 3 参数的校正 简化的模型必须进行参数校正，对于活性污泥系统这样的复杂非线性系统， 参数调整有两种方法，一种是手动调整，一种是自动调整1 。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，它要求先进的在线监测仪器和功能很强的数学工具。国外曾讨论使用界 面响应法( r s m ) 进行参数调整。”。该方法是用于建立、改进、优化过程的统 计学和数学技术的结合。在r s m 中，响应值( 输出值) 与输入变量的浓度有关。 在活性污泥系统数学模型的校正中，r s m 用作局部敏感分析工具，其中输入变 量是模型参数，输出是余差平方和。在荷兰的r o t t e r d a m 污水处理厂的卡罗塞型 氧化沟脱氮模型( a s m l ) 中，采用该方法进行参数调整，获得了精确可靠的结 果“。可以预见，随着计算机技术的飞速发展，更加快速方便的校正方法必将 应运而生，从而推动活性污泥数学模型更加广泛的应用。 第一章绪论 i a w q 活性污泥数学模型在国外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 3 本课题研究的目的和主要内容 我国已建及在建的废水处理厂中大约有8 0 以上采用活性污泥法。”。“。随 着活性污泥处理工艺的推广和对污水厂处理效率和出水水质要求的提高、以及 处理费用和能耗的限制，目前主要依赖经验数据进行污水处理厂设计和运行的 旧方式已难于适应快速发展的污水处理事业，尤其是对于尚处于发展中国家行 列的中国。在人们对活性污泥污水处理厂的认识不断深入的基础上，对活性污 泥法工艺的设计和运行必将从简单地采用经验和规范发展到使用数学模型模拟 来指导设计和运行。因此，应用数学模型设计废水处理厂是提高我国废水处理 厂设计、运行和管理水平的必然需要。 数学模型对于废水生物处理系统的设计和运行管理有着重要意义。数 学模型不但有助于新建废水处理厂的设计和优化运行，而且对于现有废水处理 厂的处理能力提高或功能扩增也很重要，例如以去除含碳有机物为主的普通活 性污泥系统扩大到同时具有氮磷去除能力的系统( 如天津纪庄子污水处理厂的 改造) 。使用数学模型，设计者可从多种处理工艺中筛选出最经济的可行流程， 并可在保证处理效果的前提下，确定各处理构筑物的大小及各种关键运行参数。 对于已建成的污水处理厂( 如东郊污水厂和纪庄子污水厂) ，则可利用数学模型 来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旌。若 废水处理厂运行不够理想，则可通过模型来寻求解决的方法，例如改善水质、 减少能耗、降低剩余污泥量、使废水处理厂处于最佳运行状态等。 我国在活性污泥模型的研究和应用方面起步较晚，虽然也有一些介绍模型 的文章发表在各有关杂志和会议论文集，但是多为综述性质，实际使用方面尚 无报道。为了推动应用数学模型指导污水处理厂优化运行和设计的研究工作， 使污水处理厂能够真正达到高效率、低能耗的最佳运行状态，从而取得最佳的 经济效益和环境效益，逐渐缩小我国在模型应用方面与国外的差距，提高污水 厂的设计和运行管理水平，本课题通过大量的基础理论研究和数据验证，得出 适合于我国国情及城市污水特征的模型参数，同时开发模型在城市污水处理厂 设计和优化运行等方面的功能，分析其结果，以使活性污泥数学模型的应用得 到更广泛的推广。 该研究是天津市建委和天津市政局科研项目城市污水处理厂活性污泥数 第一章绪论 学模型的研究与应用中的主要内容。 本课题的主要研究内容为： 根据纪庄子污水厂近两年的水质监测资料，对课题组前期研究已开发的传统 活性污泥工艺碳氧化模型进行验证，探讨模型参数的确定方法，从而得出适 合我国国情的模型参数系列：主要包括化学计量系数以及生化动力学参数。 开发前置反硝化脱氮工艺a o 模拟系统软件。根据污水处理厂常规检测项 目，建立常规检测数据与a o 模拟系统组分之间的转换模型。研究a o 模拟 系统参数确定方法。 研究a o 模拟系统在污水处理厂辅助设计中的应用，对模型的参数进行校正 和验证。提出模型实际应用的可行方案。 第二章传统活性污泥工艺碳氧化模型的参数校正及模型验证 第二章传统活性污泥工艺碳氧化模型的参数校正及模型验证 在本课题研究的前期阶段，已经开发出了活性污泥工艺模拟系统碳氧化模 型( a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s ss i m u l a t i o n c a r b o no x i d a t i o nv e r s i o n ) ，简称为 a s p s c o 模拟系统。a s p s c o 模拟系统是废水处理工艺模拟软件a s p s 的一个子 模块，它仅包括碳氧化过程，而对硝化和反硝化等过程不予考虑o ”1 。该模拟 系统以传统活性污泥工艺中推流式曝气池为主要模拟对象，其主要功能是对传 统活性污泥工艺的运行参数和污水厂进出水水质进行模拟。 在进行碳氧化模型的应用研究时，以天津纪庄子污水处理厂8 3 年到9 2 年 十年间的运行数据为基础，对模型参数进行了调整，得到了较好的模拟效果。 但鉴于近十年来纪庄子污水处理厂的进水水质发生了较大变化，而模型中一些 参数受水质变化影响较大，因此本文首先通过纪庄子污水处理厂2 0 0 1 年的运行 数据，对a s p s - c 0 模拟系统进行了校正和验证，并在此基础上总结出a s p s c o 模拟系统中参数的影响因素和对模拟误差的影响程度。 这里首先对a s p s - c 0 模拟系统做以简要介绍。 2 1 传统活性污泥工艺碳氧化模型 2 1 。1 a s p s - c 0 模拟系统中的废水组分和生化过程的说明 a s p s c o 模拟系统以矩阵的形式表达了传统活性污泥工艺中所包含的基本 组分和生化反应过程。由表2 1 所示。它共包含8 个组分和3 个生化过程。 表2 1a s p s _ c o 模拟系统生化过程和组分的矩阵表达 组分一i 12345678生化过程速率 过程l j x s x b , a x ds ss os a mx is ir i m l _ 寸1 1 异养菌的好氧 1 1 一 a “k ；s sx 。s o s ，1 w 1 - i n x b 1 4 生长 2 异养菌的死亡 1 一f d 一1 f d b t h x b , h 和分解 3 颗粒性基质的 k h k x + 。丧s o 11 水解 第二章传统活性污泥工艺碳氧化模型的参数校正及模型验证 2 1 1 1a s p s - c 0 模拟系统中组分的定义与表达 对于组分的表示，有如下约定，颗粒性物质用x ，表示，溶解性物质用s ，表示； 下角标用于表示不同种类的成分，如：b 表示生物质，s 表示基质，o 表示溶解 氧；编号i 依次指派给不同组分，此处i 从l 到8 变化，编号j 依次指派给不 同的生化过程，此处j 从1 到3 变化。对模型中组分的定义和表达见表2 2 。 表2 2a s p s c o 模型中各组分( 如表2 1 所示) 的定义和表示 组分序号组分符号定义 1 x s慢速可生物降解基质( m g l c o d ) 2 x b h活性异养生物质