（环境工程专业论文）城市污水活性污泥系统模拟.pdf

商焱建筑科技火学硕七学位论文 城毒污水活性污滠系统模拟 专泣：环境工程 硕士生：李志颖 籀导教搿：彭党聪教授 摘要 率深题在滔牲污拢 号模登和t a k a c s 茨降模型静鏊确上，缩台复畿器原瑾，稳建 了活性污泥系统模型。在w i n d o w s x p 操作系统上，采用v i s u a lb a s i c 6 0 语言开发了活 槛污混系统模接软件s i m w i n ，并采髑c o s t s i m u l a t i o nb e n c h m a r k 对其避毒亍了梭验， 最后应用模拟软件s i m w i n 对拟建城市拇水处理厂进行设计。 在城市污承活毪污淀签理系统率，生豹反瘦器帮；氕淀渔蹩系统的鬟器组成部分。 建立生物反应模型和沉淀模型熄污水生物处理系统模拟的关键。本文研究了活性污泥 l 号模型辩t a k a c s 滚降模鍪孛豹各静关系表达式，著褥两者有税翡结台起来，完成系 统模型的构建，然后将各种关系表达式转化为计算机谱言，选择合适的簿法，编制计 簿钒程j 芋，求薜系统中器参数，实瑷系统模接。 采用v i s u a lb a s i c 6 0 语言编写软件的界面，将系统的入水水质、模挝参数、输入 绪巢等阻交互赛覆豹方式震示绘用户，连接各赛面之阐静参鼗，完残伐鹃的编麓。援 供程序的支持文件，对程序进行编译，寇制安裂文件，实现了软件的自由发布。并运 弼酸朝嫠准对稔序送 亍了校准。 应用模拟软件s i m w i n 对拟建污水处理厂进行了设计。阐述了应用软件进行设计 的步骤；分析了系统孛番参数霜懑隶东簇豹影# 舞馥及在系统瀛耋波动霹豹凄承隶蒺交 化等，以此来选择最优的系统运行和控制参数。说明利用软件s i m w i n 可以优化系统 设讦。 关键词：城市污水活性污混处理系统活性污泥1 号模型系统模拟 西安建筑科技大学硕士学位论文 s i m u l a t i o no f m u n i c i p a l w a s t e w a t e ra c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s s p e c i a l t y ：e n v i r o n m e n te n g i n e e r i n g p o s t g r a d u a t e ：z h i y i n g l i s u p e r v i s o r ：p r o f e s s o rd a n g c o n gp e n g a b s t r a c t b a s e do nt h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 1a n dt a k a e ss e t t l i n gv e l o c i t ym o d e l ，a l l a c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s sm o d e lw a sc o n s t r u c t e d w i t ht h er e a c t o rp r i n c i p l e o nt h e o p e r a t i o n s y s t e mw i n d o w sx p , a p p i y i n gt h ec o m p u t e rl a n g u a g ev b 6 0 ，t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ew a s d e v e l o p e da n da d j u s t e db yc o s t s i m u l m i o nb e n c h m a r k a tl a s tt h es o f t w a r ew a su s e dt o d e s i g nt h em u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n t p l a n tw h i c h w o u l db ec o n s t r u c t e d t h eb i o r e a c t o ra n ds e t t l i n gt a n ka r e i m p o r t a n t e l e m e n to fa c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s s o i ti si m p o r t a n tt oc o n s t r u c tt h er e a c tm o d e la n ds e t t l i n gm o d e l i nt h i sp a p e r , c o m b i n i n gt h e t w om o d e l so r g a n i c a l l y , t h e nc h o o s i n ge o r r e c ta l g o r i t h ma n d c o m p i l i n gc o m p u t e rp r o g r a m t og a i nt h e p a r a m e t e r so f t h ep r o c e s s t h es o f t w a r es h o w si n f l u c n tc h a r a c t e r i s t i c s ，m o d e lp a r a m e t e r s ，d a t ai n p u ta n do u t p u t b y u s e r si n t e r f a c e s c o m p i l i n gt h ec o m p u t e rc o d et ol i n kt h ep a r a m e t e r so ft h ei n t e r f a c e s s u p p l i n gt h es u p p o r ta n ds e t u pd o c u m e n t sf o rp r o m u l g a t e df r e e l y a tl a s tt h es o i b g c a r ew a su s e dt o d e s i g nt h em u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t i l l u s t r a t i n gh o w t ou s et h es o f t w a r e ；t oc h o o s et h ep a r a m e t e r sb ya n a l y z i n ge f f e c to ft h e p a r a m e t e r sa n df l u c t u a n tf l o wt ot h ee f f i u e n t k e y w o r d s ： m o d e ln 0 1 m u n i c i p a lw a s t e w a t e r ；a c t i v a t e ds l u d g et r e a t m e n tp r o c e s s ；a c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s ss i m u l a t i o n 声明 本人郑重声明我所呈交的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，也不包含本人或其他人在其它单位已 申请学位或为其它用途使用过的成果。与我一同工作的同志 对本研究所做的所有贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了致谢。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关 责任。 p， 论文作者签名：，万巷、软 日期：凶夕；妒，r6 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安建筑科技大学有关保留、使用学位论 文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文 被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以 采用影印、缩印或者其它复制手段保存论文。 ( 保密的论文在论文解密后应遵守此规定) 论文作者签名：季善和母师签名 注：请将此页附在论文首页。 日期：。妒弓甲，c6 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 1 城市污水活性污泥处理系统 1 概述 城市污水处理按处理单元可分为预处理、一级处理、二级处理、深度处理和污泥 处理及处置。 预处理：主要包括格栅和沉砂池。其主要作用是截留污水中的大块物质、砂石， 以保证后续设备的正常运行。 一级处理：主要是初次沉淀池。目的是将污水中悬浮物尽可能地沉降去除，一般 初沉池可去除5 0 左右的悬浮物和2 5 左右的b o d 5 。 二级处理：主要由曝气池和二沉池构成。主要目的是通过微生物的新陈代谢将污 水中的大部分有机污染物变成c 0 2 和h 2 0 ，它是城市污水处理的核心部分。 深度处理：主要包括混凝、沉淀和过滤。其目的是为了满足高标准的受纳水体要 求或回用等特殊用途，它是城市污水处理未来发展的方向。 污泥处理和处置：主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋等。 目前，二级处理国内外普遍采用的是传统活性污泥法( 图1 1 ) ，其工艺核心为曝 气池。污水中的溶解态及胶态有机物与二沉池回流的污泥充分接触和氧化然后进入 二沉池泥水分离，处理过程中产生的剩余污泥采用厌氧消化方式进行稳定处理，该工 艺不仅具有较高的有机物去除效率，而且能耗和运行费用都比较低，因而得到了广泛 应用。 原 图1 - 1 城市污水二级处理典型工艺 豫安建筑辩技太举碳士学位论文 逡鞠颦索，垂予基# 蜜鹭莠他带来豹藏窘越寒越严重，去除缀、磷也被列入瓣水 处理的目标。我国1 9 9 6 年颁布执行的污水综合摊放标准( g b 8 9 7 8 一1 9 9 6 ) 中二级 耘难氮、磷浓凄势烈为2 5 粒l m g f l 一级挺难为1 5 靼0 5 m 嚣兄。与她鄹时出现了多 种形式的改进或变形活性污泥法，蕻中使用较为广泛酶主要有如下三类： 缺瓿一好氧( 甜0 ) 法帮厌辍一缺氧好氧( a 2 1 0 ) 法工艺：其工愁进程如躅 1 2 和图1 3 所示。m o 法可达到同时除碳和脱氮；a z o 法测可这掰同时除碳、脱氮 和除臻麴三震效果。这两弛方法不技工艺麓肇，薅娃经济蒋效。 溅渡内麟激 需件 他避翔 l蛙载 剪瓤 1。，。，。+， 污泥回流 混合渡内凰漉 污混阐流 穗i - 2a 硒工蕊流程黼i - 3a 2 o 工蕊滚翟 荤t 纯海：它楚静延时瀑气黼 性污泥法，不仅具有传统活性污泥法的 蕊点( 去豫霄梳褪靛效率缀赢) ，瓶盈 具有脱氮的功能。此外，如果在沟前增 通过控制反应条件( 厌氧、缺氧或好氧) ，s b r 工艺还具商脱氮、除磷的功能。s b r 自目目昏目 西安建筑科技大学硕士学位论文 1 2 活性污泥系统设计旧 活性污泥工艺自2 0 世纪初( 1 9 1 4 年) 由英国的a r d e n 和w t l o k e t t 试验成功以 来，经过近百年的实践和发展，被证明是城市污水处理最为的方法之一。我国水污染 控制工程的研究起步较晚，并且在水处理工艺的研究中，偏重于宏观现象的研究，而 忽视微观生物学、生物化学反应机理和反应动力学等方面的研究，因此，目前我国活 性污泥工艺的设计方法还是以经验法为主。 活性污泥工艺的核心是生物反应器( 曝气池) ，污水处理系统设计的核心是生物 反应器几何尺寸和曝气量。目前，我国主要采用基于经验设计的有机负荷法和污泥龄 法；而欧美等发达国家则普遍采用基于生物反应和反应器原理的系统模拟法。 1 2 1 有机负荷法 有机负荷通常有两种表示方法：污泥负荷和容积负荷。污泥负荷是指单位重量活 性污泥在单位时间内所承受的b o d 5 量；容积负荷是指单位容积曝气池在单位时间内 所承受的b o d 5 量。 有机负荷法曝气池容积计算公式 6 】为： v ：盟：业( 1 1 ) k x ，f ? 式中：v 一曝气池容积，m 3 ； 口进水设计流量，m 3 d ； x v 一混合液挥发。生悬浮物( m l v s s ) 浓度，k g m 3 ； s 一去除b o d 5 浓度，k g m 3 ； f 旷一污泥负荷，k g b o d s k g m l v s s - d ； f ，一容积负荷，k g a o d 5 m 3 d 。 式( 1 1 ) 中f w 、f ，是最基本的参数，其数值是依据曝气池的类型和曝气方式 并参照以往的经验来确定的。由于污水水质千差万别，f w 、f r 只能给出一个大致的范 围。我国的设计规范对不同类型曝气池推荐的数值范围见表1 1 。 从表1 1 中数据可以看出，f w 、f r 的取值范围较大，其最大值比最小值大一倍 以上，因此，选用最小值计算出的曝气池容积比选用最大值计算出的曝气池容积也就 相应地大一倍以上。实际使用中，f w 、f r 的取值完全凭设计者的经验，对于缺乏经验 和为了安全考虑而选取较小的f w 或f r 的值进行设计，由此造成的基建投资会大大提 高。这是有机负荷法的一个主要缺点。 两安建筑科技大学硕士学位论文 此外，有机负荷法未反映污水水质差异的影响。对于城市生活污水来说，s s 和 b o d 5 的浓度基本稳定，m l s s m l v s s 的比值也相对稳定。由于城市合流制管网的存 在及城市污水集中控制的要求，城市污水通常含有比例不等的工业废水，因而城市污 水水质差异很大。污泥负荷法设计是以m l v s s 为基础的，其中有多大比例的有机物 反应不出来。对于相同规模，相同工艺，相同进水b o d 5 浓度的两个城市污水处理 厂，按污泥负荷计算曝气池的容积是相同的，当s s 甩0 d 5 值相差较大时，m l s s 浓度 也相差较大，实际曝气池中的微生物环境大不相同，处理效果也会有很大差异，是否 能满足要求值得考虑。 表1 一l 曝气池主要设计数据 参数f wf rx 。污泥龄回流比 单位 k g a g dk g m 3 dk g m 。 d 普通曝气 0 2 o 40 4 - - 0 91 5 2 55 1 52 5 7 5 阶段曝气 0 2 棚4o 4 1 21 5 3 o5 1 52 5 7 5 吸附再生曝气 o | 2 o 40 9 1 82 5 巧o3 1 05 0 1 0 0 延时曝气( 含氧化沟) 0 0 5 棚10 1 5 o 32 5 5 0 1 56 m 也0 0 高负荷曝气 1 5 3 01 5 3 oo 5 1 52 - - 41 0 ，3 0 1 2 2 污泥龄法 污泥龄的概念最初由戈特( g o u l d ) 、加莱脱( g a r r e t ) 和索耶( s a w y e r ) 大约在同一时 期提出。污泥龄是活眭污泥法设计和运行控制的重要参数。劳伦斯一麦卡蒂 ( l a w r e n c e - - m e c a r t y ) 于1 9 7 0 年从理论分析和运行方面强调了这一概念的重要性，并 把它称作生物固体停留时间( s r t ) 。污泥龄的计算公式如下： 口，：坐! ( 1 - 2 ) 。 q 式中：e c _ 污泥龄，d ； v 一曝气池容积，m 3 ； x 。一混合液挥发生悬浮物( m l v s s ) 浓度，k g m 3 ； o w _ 一剩余污泥量，k g m l v s s d 。 由于污泥龄在理论设计和运行方面有许多的优越性，所以很快得到了各国学者的 承认，并在污水处理厂的设计和运行管理方面取得了应用。 采用污泥龄计算曝气池容积的公式1 3 2 1 为： 肚褊x 等裂 s ， ，【l + q - 如) 式中：y _ 一污泥产率系数，k g m l v s s b o d 5 ； - 曲安建筑科技大学硕士学位论文 s i 一进水b o d 5 浓度，k g m 3 ； s o _ 出水b o d 5 浓度，k g m 3 ： 一内源代谢系数，d 。 我国室外排水设计规范对式( 1 - 3 ) 中的几个关键参数提出了以下推荐值： y = 0 4 , - - 0 8 ( 2 0 ，有初沉池) ； k o = 0 0 4 - - 0 0 7 5 ( 2 0 ) 。 当水温变化时，磁按下式修正： k 。= k 。 ) 。” ( 1 4 ) 式中：o 。一温度系数，ot = 1 0 2 1 0 6 ； oc 一高负荷取0 2 - 2 5d ，中负荷取5 1 5d ，低负荷取2 0 , - , 3 0d 。 从以上论述可以看出，公式( 1 3 ) 动力学参数取值范围很宽，y 值的变化范围 高达1 0 0 ：值的变化幅度达8 7 5 ；ec 值的变化幅度从5 0 到3 0 0 。因此，实 际使用中，即使经验丰富的设计人员也很难取值。 污泥龄法是经验和理论相结合的设计计算方法，污泥龄oc 和污泥产率系数y 的 确定可根据理论计算或经验积累直接选取，因而和有机负荷法相比，更加准确可靠。 污泥龄直接反映了曝气池中微生物的增殖状态，因此，对选择的工艺能否实现硝化、 反硝化和污泥稳定一目了然。 不管采用哪种设计计算方法，都需要合理确定m l v s s ，在其他条件不变的情况 下，m l v s s 增大一倍，曝气池容积就减小一倍；m l v s s 减小一倍，曝气池容积就增 大一倍。所以m l v s s 的确定直接影响基建投资。在表1 1 中，对m l v s s 值推荐了 一个选用范围，由表中数据可以看出变化幅度都比较大，设计时不易选择。 1 2 _ 3 数学模型法 所谓数学模型法就是采用活性污泥数学模型，结合反应器原理，采用现代数值计 算方法开发出的计算机模拟软件以此为基础，进行系统设计。在这些计算机软件 中，大多数界面比较友好，使用者能很清晰的选择所需工艺并确定其主要参数。国外 所开发出的计算机模拟软件己成功地用于城市污水处理厂的设计。 1 3 污水厂的运行管理 城市污水处理厂的启动、运行、优化是污水处理厂运营管理的重要组成部分。其 中，系统的启动是运行的基础，而运行成功( 出水达到设计要求) 仅是污水处理系统 运营的最低阶段，而通过系统优化，使污水处理系统的各个操作单元达到最优状态 ( 能量输入晟低、质量输出、出水水质最佳) ，从而经营成本最低，才是污水处理厂 西安建筑科技大学硕士学位论文 运营管理的最终目标。根据污水处理厂的运行阶段，污水处理厂必须进行三个方面的 管理。 系统启动。系统的接种可采用间接培养和自培养启动方式。系统启动的核心 及关键是如何使微生物获得最大的增殖速率以及将产生的有限的污泥最大限度地保留 在系统内，以保证曝气池内的污泥浓度沿下图所示的轨迹变化。 嚣 一 赵 蜡 喂 螺 ， 与皇与 运行时问 日常管理。启动运行前，所有分析装各( 物理分析、化学分析、生物分析) 必 须能正常运行，且分析误差应在规定的范围内，以保证分析结果真实反应系统运行状 态和处理效果，为启动运行提供技术和数据支持。对污水处理厂的入流水质、流量变 化、污泥呼吸速率、反应器流态、沉淀池污泥浓度分布、参数转换等进行全面钡4 试和 评估，应用模拟软件进行模拟并二次开发。对污水厂的运行管理全面优化，最终使污 水处理厂的运营管理水平达到国内先进水平。 故障诊断。提供各种工况( 入流水质、流量、温度、负荷等) 以及不同环境下 的系统诊断技术，使操作管理人员对污水处理过程中出现的问题能及时、准确地提出 应对策略和解决方案。提供系统优化管理软件使污水处理厂的各项运营指标达到或 接近最优状态。 1 4 研究现状和意义 在活性污泥工艺发展的初始阶段，其理论非常简单，活性污泥工艺所能遵循的设 计标准很少，主要采用经验或半经验的方法。对一个新的水处理过程和它的每一个阶 段所产生的处理效率的精确数据只能通过试验获取，无计算理论可循。这种方法未能 反映生化反应过程中各种变量之间的相互关系，设计带有较大的盲目性，不仅做不到 经济合理的系统设计更难以预测系统的变化情况，因此，无法指导运行管理。 5 0 年代以后，随着活性污泥处理系统中微生物的生长规律等理论问题的研究不断 西安建筑科技大学硕士学位论文 地发展，人们对活性污泥及其对污水净化过程的认识由宏观到微观、由表及里不断深 化，一些学者先后提出了描述活性污泥系统中基质降解速度、微生物增殖速度以及耗 氧速度与各有关参数的半经验半理论模型。虽然提出了一系列的可用复杂的微分方程 描述的理论，但是由于理论的精确程度和计算机技术等多方面的原因，工程设计仍然 停留在按照规范条文只需进行简单计算的经验水平。 进入8 0 年代后，随着活性污泥工艺的不断深入和完善，出现了多种反映活性污泥 系统的数学模型。其中，最有代表性的是活性污泥1 号模型( a c t i v a t e ds l u d g em o d e l n o 1 ，简称a s m i ) ，从而使活性污泥法的设计和运行管理进入了一个新的阶段。 a s m l 模型经过十几年的验证，已得到了广泛的认可。国外对污水处理的计算机模拟 研究是伴随着对反应机理和过程数学模型的研究而发展的，大多数新的数学模型提出 时，设计者一般都会相应地建立一个软件来说明模型的实际应用。这方面较具有代表 性的是由m b i d s t r u p 于1 9 8 8 年开发的s s s p 软件，该软件采用了a s m l 模型，是实 际应用a s m l 模型的工具。随后许多国家都在此模型的基础上进行了研究开发，建立 各自适用的区域模型和模拟软件，如加拿大的g p s _ x 、b i o w i n ；丹麦的e f o r ：美 国的m a t l a b & s i m u l i n k ；德国的s i m b a ；英国的s t o a t ；比利时的w e s t 等， 这些模拟软件均已商业化，并广泛应用于城市污水处理厂的设计、改造和运行管理 中，使城市污水处理厂的设计和运行管理更科学，更经济。 近年来，国内对活性污泥系统计算机模拟的研究得到了一定的发展，但与发达国 家相比，尚存在一定差距尤其是模型参数和水质特性方面的数据比较缺乏。目前文 献中很少见我国自行开发的模拟软件应用于城市污水处理厂的报道。国内仅清华大学 于1 9 9 5 进行了一些初步研究，提出了建立在v b 3 0 版本上的模拟软件】。由于清华 模型仅仅是i w a 模型的翻版，并未引进区域参数，加之版本较低，运行速度慢，并 未得到应用。所以，目前急待研究适合我国污水特性的活性污泥数学模型和模拟软 件。 本课题的目的就是通过对国际水质协会活性污泥1 号模型( a 洲1 ) 的研究，结合 我国城市污水水质特性，模拟城市污水处理厂的运行情况，在此基础上，进行系统设 计、预测及诊断分析。通过本课题的研究为我国的活性污泥系统模拟软件的发展提供 一些基础和依据，从而缩小我国在模型使用方面与国外的差距，为我国城市污水处理 厂的科学设计与管理做出贡献。 应用活性污泥系统模拟软件，并以此为手段改善城市污水处理厂的设计和运行管 理水平，具有很多潜在的优点： 优化设计。现有的城市污水处理厂的设计主要依靠经验或少量的试验确定工艺 流程，然后根据经验数据进行简单的计算得出主要构筑物的尺寸。这种方法缺乏对系 西安建筑科技大学硕士学位论文 统动态过程的认识，一般只能采用增大安全系数的办法克服动态变化造成的影响。显 而易见，这种设计方法确定的工艺流程不一定最佳，对系统控制问题的考虑也不够充 分。采用计算机模拟设计时，在设计阶段就充分考虑了系统的运行要求，因此，设计 的工艺流程和各构筑物尺寸更为合理。 改善工艺性能。改善运行控制有助于使污水处理厂的处理效率维持在最佳水 平，降低能耗和运行费用，取得最大的经济效益和环境效益。 提高处理能力。采用经验设计时，由于无法预测各种实际工况，为了安全起 见，通常选用较大的安全系数，造成实际处理单元的处理能力宽裕。计算机模拟有助 于充分发挥处理系统的潜力，提高单位设备的利用率。对已建污水处理厂的改建和扩 建也可通过模拟选取最佳方案。 提高系统运行的稳定性和可靠性。应用计算机模拟，使运行控制得以改善，将 会减少由于入流水质水量等波动造成的异常情况发生的频率。动态模拟有助于对系统 的稳定性进行定量的分析。 科研和教学。利用计算机模拟能够充分地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模拟实验，以极小的代价和最低的风险获得最可行的方案， 提高科研水平和效率，开发新的工艺。在专业教学中，借助于模拟软件能够使工艺中 的各种生物过程之间的相互关系与作用形象化，加深学生对理论的理解。 1 5 本课题的主要研究内容 本研究课题主要进行以下各个方面的理论和应用研究： 解析活性污泥l 号模型( a s m l ) 和t a k a c s 沉降速度模型。 以典型的a o 工艺为例，编制稳态和动态模拟程序。 采用欧盟模拟基准检验模拟程序。 应用模拟程序模拟污水处理厂的启动及入流组分、溶解氧、污泥龄等参数变 化对系统的影响，找出最优的运行和控制参数。 研究a s m l 中入流组分的性质并规范测定方法，并用这些方法测定拟建污水处 理厂的入流水质。 分析优化模拟程序的结构，为实现城市污水活性污泥系统模拟软件的开发奠 定基础。 编写活性污泥系统模拟软件。 利用模拟软件设计城市污水处理厂。 预测污水处理厂的稳态及动态运行情况并提出运行管理建议。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 活- | 生污泥系统数学模型 污水的活性污泥法生物处理，由于具有处理效果好、运行成本低等特点而成为控 制环境污染的一项基本与主要的方法。到目前为止，几乎所有的城市污水厂都用活性 污泥法处理，因而该法在环境工程中处于非常重要的地位。近十多年来，活性污泥法 有了很大的发展，不仅能去除有机碳，还能去除营养物质氮和磷。由于污水组分和活 性污泥法过程的复杂性，必须开展数学模型的研究，从而更深刻地认识所研究的现象 的规律。数学模型有助于描述和理解活性污泥系统的反应过程，对设计提供理论上的 指导，模型有助于模拟活性污泥系统的动态变化和对各项水质的影响，可以指导实际 的生产运行：将模型和控制理论及方法结合起来，就可按处理水质的要求，达到优化 运行的目的。无疑，数学模型是一个具有重要理论意义和使用价值的重要工具。 在活性污泥系统中，曝气池和沉淀池是最重要的两部分。建立曝气池模型和沉淀 模型是活性污泥系统模拟的关键。曝气池模型描述其中的各种生物化学过程，如有机 物降解、微生物增长等；沉淀模型描述沉淀池中的固液分离过程，两者通过有效的途 径结合起来组成完整的活性污泥模拟系统。在本研究中，将活性污泥系统模型分解成 反应模拟和沉淀模型两部分。 2 1 反应模型 针对污水处理中的过程，很多专家提出了各种模型。这些模型较准确地描述了污 水生物处理中的某些特定过程，给系统模拟提供了一定的基础。但是有三个特点限制 了它们在实际工程中的应用：( 1 ) 大多是针对容易生物降解的溶解性底物；( 2 ) 微 生物被假定处于电子受体不受限制的环境中生长的；( 3 ) 它们只针对某一种工艺状 态，例如只去除有机底物，或只是硝化。然而，污水处理系统涉及很多复杂的过程。 任何一个实际的活性污泥系统，既接受溶解性的底物，又接受颗粒状的底物：，既接受 容易降解的底物，又接受缓慢降解甚至不降解的惰性底物。活性污泥系统在运行过程 中的功能也不是单一的，即它可能既去除有机底物又有硝化作用；在运行状态上也并 不一定是需氧的，有可能需氧、缺氧甚至短时厌氧在交替变换；在系统生长的微生物 也不单纯是异养菌，也可能有自养菌，等等】。如何将各种模型有机组合起来建 立描述污水生物处理系统的数学模型是工程师们面临的重大课题。 为能适用于系统中上述的各种复杂情况，1 9 8 3 年，国际水质协会( 原国际水污染 与控制协会) 成立了活性污泥法设计和操作数学模型攻关研究课题组，这个课题组在 综合评价已有数学模型的基础上，于1 9 8 7 年推出活性污泥1 号模型。随着对活性污 西安建筑科技大学硕士学位论文 泥法机理研究的深入及计算机能力的提高，该模型也在不断地发展。国际水质协会于 1 9 9 5 年推出了活性污泥2 号模型，1 9 9 8 年推出了活性污泥3 号模型，这些都极大地 推动了活性污泥数学模型的研究。 活性污泥1 号模型速率表达式矩阵表见表2 1 。 2 1 1 活性污泥1 号模型( a s m l ) 2 4 】| 3 1 】 2 1 1 1 模型的假设与限制 在建立数学模型的过程中，通常提出一些假设，使研究对象处于一种隔离状态， 或使其理想化，以便使建立的模型简单化，易于数学处理，但这种假设又不至于偏离 实际过程太远，造成不可忍受的误差。a s m l 的假设与限制如下： ( 1 ) p h 值恒定并维持在中性状态。尽管知道p h 值影响许多系数，但很少有表达式 来表达这种影响。因此，假设p h 值恒定。 ( 2 ) 所有生物反应均在恒定温度下进行。由于大多数反应动力学参数都与温度有 关，其相应的函数关系符合a r r e n v u n i s 方程。 ( 3 ) 没有考虑有机物组分性质的变化。换句话说，假设速率表达式中的系数是恒定 值。然而，进水中有关组分的质量浓度还是可能随时间变化的。这样虽然可以处理进 水负荷变化，但不能处理进水性质的变化。 ( 4 ) 模型中没有考虑n ，p 及其他无机营养物对有机物质的去除及细胞生长的限 制。众所周知，无机营养物的不足会导致污泥沉降发生问题。因此，必须注意有足够 的无机营养物质以保证生长平衡。 ( 5 ) 反硝化的校正因数r l 。和r lh 对给定污水为恒定值。 ( 6 ) 硝化反应的系数假设是恒定的，并且考虑了废水中的其他组分有可能对它们产 生的抑制影响。 ( 7 ) 异养生物量为均一的并不随时间发生种属上的变化，这一假设与动力学系数恒 定的假设在本质是一致的，即基质浓度梯度、反应器构造等对活性污泥沉降性能没有 影响。 ( 8 ) 颗粒态有机物质的生物网捕瞬间完成。 ( 9 ) 有机物质与有机氮的水解以相同的速率同时发生。 ( 1 0 ) 微生物的衰减与电子受体的形式无关。 2 1 1 2 模型中的组分 对废水中有机物浓度的测定方法不一致是引起混淆和抑制活生污泥模型发展的一 个因素。目前，有三中广泛接受和使用的计量方法：生化需氧量( b o d ) 、总有机碳 西安建筑科技大学硕士学位论文 ( t o c ) 和化学需氧量( c o d ) 蚓。其中c o d 无疑是最好的计量方法，因为只有它 提供了有机底物，微生物和利用的氧中电子等价物之间的关联，并且，用c o d 也能 建立物料平衡。因此，在模型中，包括微生物在内的所有有机物质量浓度，均以 c o d 为单位。 a s m l 引入了1 3 项过程参数( 组分) 来描述和反映整个废水生物处理过程其中 8 项描述基质，3 项描述微生物，l 项描述外加电子受体，1 项描述过程碱度变化。 基质 a s m i 将基质按物质性质分为碳源基质( 以c o d 为单位计) 和非碳源基质( 含氮 物质，以n 为单位计) 。对以上两类又按其各自的物理形态和生物降解性进一步划 分，物理形态分为两部分：溶解态和颗粒态；生物降解性分为：可生物降解和惰性物 质。可生物降解部分又分为快速生物降解和慢速生物降解。基质的划分既要能充分反 映污染特性，又要具有可测性。对可生物降解物质的速率划分是a s m l 的精华。 碳源基质由以下四部分组成，均以m g ( c o d ) l 来表示： s i + s s + x i + x s s - 一溶解态惰性有机物质； s s 一快速生物降解有机物； x l 一颗粒态惰性有机物； x s 一颗粒态慢速生物降解基质。 含氮物质由以下四部分组成，均以m g ( n ) l 来表示： s n + s n o + s n d + x n d s n h 一氨态氮( n h 3 n ) ； s n o 一硝态氮( n 0 2 - n + n 0 3 - n ) ； s w o 一溶解态可生物降解有机氮： x n d 一颗粒态可生物降解有机氮。 以上8 项全面地反映了进水水质，除s - 外，它们在反应过程中都会发生变化，其 变化规律由系统的生物学过程和相应的反应器构造及控制参数所决定。 微生物描述参数 碳氧化、硝化、反硝化三个生物过程中的微生物变化由以下三部分反映： x b h + x b a + x p x b h 一异养微生物量： x b a 一自养微生物量； x ，一由微生物衰减而产生的颗粒态产物。 外加电子供体 西安建筑科技大学硕士学位论文 在生物处理过程中基质和微生物的变化必然要以外加电子供体的消耗为代价，两 者在数值上相等。由于a s m l 采用的是矩阵模型，为了使矩阵平衡起见，在模型中弓 入了外加电子供体( 氧) 项s o ，该项在系统模拟中并不计入，但在系统设计中可通 过其求出系统的需氧量，而且该项的加入，使得模型更加完美。 碱度 碱度( s a l k ) 的变化主要由三部分组成：微生物的增长、硝化和反硝化。 微生物的增长要消耗水中的氨氮，而氨氮是组成碱度的物质，因此，这部分碱度 的变化是与微生物的增长相联系，所产生的效应为负效应。 在有硝化反应参与的微生物过程中，由于氨的氧化过程产生质子( h + ) ，必然消 耗废水中的碱度，因此硝化过程也为负效应。 在有反硝化反应参与的微生物过程中，由于硝酸盐的还原产生o h 一，必然增加废 水中的碱度，因此，反硝化过程为正效应。模型符号表示意义如表2 2 ： 表2 2 模型中的符号 符号意义单位 f c o d 滤液c o dg c o d m o u r 氧利用速率 m 9 0 2 l h p c o d 颗粒态c o d g c o d m s a l k碱度 m o f m 3 s l 溶解态惰性有机物g c o d m s n d溶解态有机氮 g n i i s n 氨态氮( n f l 3 - n ) g n i 寸 s s o 硝态氮( n 0 2 - n + n o ，- i 4 )g n n s o溶解氧 省积 s s快速可生物降解有机物 g c o d m t c o d 总c o dg c o d m t n 总氨g n m j x b 自养微生物 g c o d m x n h异养微生物 g c o d m 1 x 1颗粒态惰性有机物 g c o d m 3 x n d颗粒态有机氮 g n n j x p微生物衰减产生的颗粒态产物 g c o d m 。 x s颗粒态慢速生物降解有机物 g c o d m j 2 1 - 1 3 模型中的反应过程 在污水生物处理过程中，由于污水组分复杂，参与的微生物种类繁多，代谢途径 各异，因此，不同组分在同一过程中的速率表达式不同；同一组分在不同的过程中， 速率表达式也不同。这一现象己为大量的实验及理论所证实。a s m l 中组分的转化见 图2 1 1 3 。 西安建筑科技大学硕士学位论文 图2 1a s m l 中组分的转化 a s m l 描述了微生物的增长、衰减及水解等8 个生物学过程，对每一过程的速 率，目前都有不同的速率描述，i w a 专家们经过精心的筛选，采用了目前普遍接受、 动力学参数相对简单，且又有大量的实验数据的速率表达式作为a s m l 的速率。 微生物增长 微生物增长采用了目前广泛接受的m o n o d 模式，即： l 啬卜 沼， 由于不同种类的微生物增长对氧的需求不同，为了使速率表达式对氧具有连续 性，a s m l 引入相应的修正项一氧开关函数，对其进行修正，使得所提出的速率表达 式具有通用性。 异养菌的好氧增长 氧开关函数表达式如下： 去 z ， 将其引入m o n o d 方程( 2 1 ) ，得： 。( 毒d 去卜 沼s ， 式中氧饱和常数k o ，h 取值较小( 相对于s o ) ，因此当d o 浓度较高时，开关 函数值趋于1 ；当d o 浓度较小时( 与氧饱和常数相近时) ，速率表达式为双重 磺安建筑科技大学硕士学位论文 m o n o d 方程：当d o 浓度等于0 时( 反硝化状态) ，开关函数值为0 ，速率表达式的 值也为0 ，好氧增长关闭。 异养菌的缺氧增长 氧开关函数表达式如下： f鱼1(2-4) l 足d + 岛j 缺氧状态下，微生物的呼吸为双重基质，因此，增长表达式采用双重m o n o d 方 程。缺氧条件下，微生物的最大比增长速率u 小于好氧条件下的最大比增长速率，引 入最大比增长速率修正系数n g 得： 。( 蔷 ( v j 。, k n 虽o + 一s u o 卜。 s ， 当d o 浓度等于0 时，系统完全处于反硝化状态，开关函数值为1 ；当d o 存在 时，将影响缺氧微生物的增殖；当d o 浓度较高时，开关函数值趋于0 ，缺氧增长关 闭。 自养菌的好氧增长 开关函数的形式类似于好氧增长，但氧饱和常数的数值不同，大于好氧增长，这 也反映了实际废水处理过程中自养微生物对氧的要求高于异养微生物，其相应的速率 表达式如下： p = 一f k u u 盐+ s u xy t k o , 墨。+ l s ok ) ( z 6 ) 微生物衰减 微生物的衰减采用与微生物浓度为一级反应的形式，不同的微生物使用不同的衰减 系数。 异养菌的衰减速率表达式： p = b h x 日 ( 2 7 ) 自养菌的衰减速率表达式： p = b a x b ( 2 - 8 ) 氨化 含氮有机物的转化( 氨化) 速率采用其相应的一级反应形式，即： p = k a s m x 口h ( 2 9 ) 水解 西安建筑科技大学硕士学位论文 有机碳的水解速率采用m o n o d 关系的形斌，由予水解既可在好甄条件下进行， 也可在缺氧条件下进行，引入棚应的控制项( 辍开关溺数和硝酸盐基艨) 及缺氧水缎 校正系数，得到有机碳水解速率表达式如下： 脚一旒 ( 去h 矗 ( 去肛“m ， 有桃氮的水解速率采用与有机碳相同的形式，水解的对象由商帆氨代替有机碳，其 水解速率表达式如下： 嘲鞔 去h 矗 ( 丧肛协 2 。t 1 ，4 模型应霸的约寒 ( 1 )由于模型未考虑活性污混的沉淀，生物照的净增长率或s r t 必须使形成的生 耱絮傣滚淀嶷好。浚绦诞系统懿茬豢运雩亍。镶磐，当s r t 降羹3 天戮下鑫，活缝污 泥系统中很可能会出现严重的污泥沉降性问题。在模拟单纯的活性污泥系统的模型 中，s r t 錾有效土疆寒骥确确是，毽一嫒诀表藏在3 0 天左右。 ( 2 ) 好的活性污泥沉降性能也取决于二沉池的悬浮固体浓度。在数学上有可能通过 堪鸯瑟活缝污淀浓痰亲缭夺反应嚣酌拳力箨蟹嚣雪瓣，毽囊际运行中部行誉逶，霞舞无法 在高污混质量浓度的情况下保证良好沉降得到清澈的出水。反之，如果进入沉淀池的 活牲污淀浓度太低，无法形残逶当戆滔瞧污泥瑟，遣会导致凄零瘩囊黪伍。逶霉活缝 污泥浓度( 以c o d 为单位) 废控制在7 5 0 7 5 0 0 9 m 3 范围内。如粜不满足这一条 释，爨皮缮趣或减，l 、反应器嚣尺寸。 ( 3 ) 缺氧池( 反硝化) 的体积不应超过5 0 ，否则，活性污溅的沉降性能会繇化。 ( 毒) 爨气逡内瓣漫舍溪疫与黎气设套的囊力效率残歪魄，麴爨速度横疫超避2 4 0 s ，絮体的过度蓟切会导致活性污泥的沉降性能恶化，则应重新选择反应器尺寸。另 势，如爨s r t 保持选定，重掰选择反嶷器尺砖会玫交活性浮溅魏浓度。因姥，慰潼 合强度殿活性污泥浓度的约束成同时予以考虑。 西安建筑科技大学硕士学位论文 2 1 1 5a s l t t l 中典型参数 a s m l 中包括5 个化学计量系数和1 4 个动力学系数，为了使模型应用到废水处理 系统的设计和运行中，必须能够估计特定废水的参数值，其中有一些参数不需测定， 因为假设值能收到良好的效果，而其它的参数需进行估测。表2 3 列出了它们的物理 意义及p h 值为中性时的缺省值。 表2 3 化学计量学参数和动力学参数典型值 符号名称单位1 0 值2 0 c 值 化学计量学参数 y a自养菌产率g 细胞c o d g n 氧化 o 2 40 2 4 y a异养菌产率g 细胞c o d g c 0 d 氧化 o 6 7o 6 7 厶生物量中可转化为颗粒性产物的比例 无量纲o 0 8 0 0 8 i x b氮占生物量c o d 的比例g n g c o o 0 0 8 60 0 8 6 1 x p颗粒一胜衰减产物c 0 1 ) 中氮的比例g n g c o o 0 0 60 0 6 动力学参数 uh 异养菌最大比增长速率d a y 1 3 o6 0 k s异养菌半饱和系数g c o d m 3 2 0 o2 0 0 k o 异养菌的氧半饱和系数9 0 ：m 3 0 2 00 2 0 k o反硝化菌的硝酸盐半饱和系数g n 0 ：一n m 。 o 5 00 5 0 b h异养菌的衰减系数d a y 一1 0 2 0o 6 2 q g 缺氧条件下的u 一校正因子无量纲 0 8o 8 qh缺氧条件下水解校正因子无量纲o 40 4 最大比水解速率g c o d g c 0 1 ) d 1 o3 o k x慢速可生物降解基质水解的半饱和系数g c o d g c o d o o lo 0 3 ua自养菌最大比增长速率 d a y 1 o 30 8 k 自养菌的氨半饱和系数g n l 1 3 n m 3 1 o1 o k o a自养菌的氧半饱和系数g o ：m 3 0 - 40 4 b 自养菌衰减系数d a y 1 0 0 50 0 5 k a氨化速率m 3 c o d g d 0 0 40 0 8 虽然影响参数值的环境因素很多，但有三个要特别提及，它们