（环境工程专业论文）sbr及其改良工艺数学模型与仿真软件研究.pdf

聋季五学硕士学住论文 s b r 及其改良工艺数学模型与仿真软件研究 摘要 市场经济竞争的增加和人们对环境质最要求的提高，都需要污水处理从传统的粗放型 向集约型转变。s b r 工艺及其改良工艺( 如c a s s 、i c e a s 、d a t - i a t 、m s b r 、u n i t a n k ) 等由于处理效率的高效和操作上的灵活性在世界各范围都得到了广泛的应用。也适合中国 的国情，但是如何提高这些工艺的操作效果，稳定处理效率仍然是需要解决的问题。目前， 采用i c a 技术来控制污水处理设施是国内外专家的普遍拭识这就需要对处理工艺进行数 学模型和仿真模拟的研究。 采用了国际水质协会推出的活性污泥系列模型( a s m ) 对s b r 工艺及其改良工艺进 行了数学模型的推导。结果表明，对于s a工艺而言，数学模型的关键在手再赢变 化以及时间序列的安排进行模拟：而对改_ 赶_ e 型的工艺而亩，由于存在了污泥回流，又出现 了一些新的特点，要对这些工艺进行计算机仿真，在程序中就必须存在对时间序列进行控 制的模块。 f 用c + 十b u i l d e r 语言作为仿真的计算机程序语言编制了可独立运行的仿真软件，可以 模拟仿真s b r 工艺的各种工况，能够起到减少试验费用深化工艺机理，寻找最佳反应工 况的目标。 采用了a s m 2 d 对仿真软件进行丁洋细的讨论，分别模拟讨论了污泥龄、溶解氧、排 水比以及时段安排对s b r 工艺处理效果的影响。结果表明，模拟采用的污泥龄对c o d 的 影响不是很大，但是污泥龄的增大有利于脱氮和除磷的效果。溶解氧的增加对于c o d 、氮 和磷的去除有利但是到一定程度上后这种有利影响就不明显，而且溶解氧过大容易导致 生物除磷的失败。小的捧水比对于脱氨和除磷有利。但是会增加系统投资。在不同的时段 安排的结果下。采用限制性反应的系统比采用非限制性反应的系统处理效果要好对于碳、 氮、磷的去除都有利；采用间歇曝气、间歇搅拌的反应方式有利于氮的去除。但是对磷的 去除不利，减小曝气、搅拌的间隔，会增加有机物氮氮的去除效果。但是生物除磷的效果 会下降。从而可以得到较佳的反应方式为：污泥龄2 0 d ，溶解氧2 0 m g l ，排水比1 5 ，限 制式反应方式，搅拌和曝气相间隔运行，但间隔时阃不宜太短。 对仿真软件进行了试验验证，结果表b h ，改变某些计量学参数而没有改变动力学参数 的条件下试验结果和仿真结果比较接近。井分析凝差原因主要为进水水质的变化以及搅 拌造成的大气的复氧。 对a s m 模型中各种参数的测定进行了总结，结果表明，采用物理化学方法和生物呼 吸速率测定的方法能够得到一些参数的数值尤其是模型中的组分参数的数值。但是其他 一些参数尤其是饱和常数等还没有很好的测定方法。通过对试验废水组分的测定表明。废 水中的一些组分数值可以测定，但是有一些误差。】灿一 q 、一 嗵夏眵 囊季天学碍士学值论文 s b r 丑其技虹艺救掌横型与仿真软件研究 i d h e m a d c a lm o d e la n ds i m u l a t i o ns o f t w a r er e _ m r c h o f s b ra n di t sm o d i f i e dt e c h n o l o g y a b s t r a c t t h ec o m p e t i t i o no fm a r k e te c o n o m ya n dt h eh i g h e rd e m a n do fp e o p l et ot h e e n v i r o n m e n tp r o m o t i n gt h ec h a n g i n go fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t f r o mt r a d i t i o n a le x t a n s i v e d e s i g nt oi n t e n s i v ed e s i g n b e c a u s eo ft h eh i g he 怖c i e n ia n df l e x i b l e o fs b ra n di i s m o d i f i e dt e c h n o l o g y t h e yg e tw o d d w i d ea p p l i c a t i o na n da l s oa r es u i t a b l ef o rc h i n a ，b u tl t i ss t i l lap r o b l e mo fh o wt oi m p r o v et h eo p e r a t i o ne f f i c i e n c ya n dk e e do nt h ee f f i u e n t s t a n d a r do ft h e s et e c h n o l o g i e s a tp r e s e n t i t sa w i d e l ya c c e p t e di d e at ou s ei c a t e c h n o l o g yt oc o n t r o lw a s t e w a t e rt r e a t m e n tf a c i l i t i e s a n dt h e ni t sn e c e s s a r yt od e v e b p m a t h e m a t i c a lm o d e ia n ds i m u l a t i o nr e s e a r c ht os s rt r e a t m e n t t h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e l s ( a s m s ) w h i c hd e v e l o p e db yi a w qh a v eb e e nu s e dt o d e d u c et h em a t h e m a t i c a im o d e lo fs b ra n dj t sm o d i f i e dt e c h n o l o g y 1 ti sp r o v e dt h a tt h e k e yo fs b rm o d e | i st os i m u l a t et h ev o l u m ec h a n g ea n dt i m es e q u e n c ea l t e r n a t i o n a st o m o d i f l e dt e c h n o l o g y 。t h e yh a v et h e i ro w nc h a r a c t a d s t i cb e c a u s eo fs l u d g er e t u m t o s i m u l a t et h e s et e c h n o l o g i e sw i t hc o m p u t e r 。t h e r em u s tb es o m em o d u l eo fi i m e s e q u e n c i n gc o n t r 0 1 t h es i m u l a t i o ns o f t w a r ew h i c hd e v e l o p e du s ec + + b u i l d e rl a n g u a g ec a nw o 咄 i n d e p e n d e n t l y , a n dc a ns i m u l a t ei h ev a r i a b l ew o r kc o n d i t i o no fs b r t h es o f t w a r ec a n g e tt h ea i mt h a tr e d u c i n ge x p e r i m e n tc o s t e x p l o r i n gt h et e c h n o l o g ym e c h a n i s m ，f i n d i n g t h eb e s tl e a c tc o n d i t i o n , e t c t h ea s m 2 dh a sb e e nu s e dt od i s c u s st h es i m u l a t i o ns o f t w a r ei nd e t a i l t h es l u d g e a g e t h ed o ，t h ew a t e rd i s c h e r g er a t i oa n dt h es e q u e n c et i m es t a g ea r r a n g eh a v eb e e n u s e dt od i s c u s st h e i re f f e c t st ot h ep e r f o r m a n c eo fs b r t e c h n o l o g y t h ed i s c u s s i o n p r o v e dt h a tt h es l u d g ea g ew h i c hs i m u l a t i o nu s e dh a si i t t i ee f f e c tt ot h ec o d b u t i n c r e a s eo fs l u d g ea g eh a sp o s i t i v ee f f e c tt on i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v e t h ed o i n c r e a s eh a sp o s i t i v ee f f e c tt ot h er e m o v a lo fc o d ，n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s b u tt h e e f f e c tw i l ib e c o m ew e a k w h e nt h ed or e a c h e sai e v e l 。a n di ft h ed oi e v e i i st o oh i g h t h e m i c r o b ep h o s p h o r u sr e m o v a lw b ed e s t r o y e d t h el e s sw a t e rd i s c h a r g er a t i oh a s p o s i t i v ee f f e c tt ot h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u sr e m o v a l b u tf e w e rr a t i o sw i i n c r e a s et h e i n v e s t m e n to fs y s t e mc o n s 讹c t i o n u n d e rt h ed i f f e r e n ta r r a n g e m e n to fs e q u e n c et i m e s t a g e 。t h es y s t a mw h i c hu s e sr e s t r a i n e dr e a c t i o nh a sb e t t e rr e s u l lt h a nt h e n o n e - r e s t r a i n e d a n dh a sp o s i t i v ee f f e c tt ot h er e m o v a io fc o d n i t r o g e na n dp h o s p h o r u s ； t h er e e c tw a yo fi n t e r m i t t a n ta e r a t i o na n di n t e r m i t t e n tm i x h a sp o s i t i v ee f f e c tt on i t r o g e n r e m o v a l b u th a sn e g a t i v ee f f e c tt op h o s p h o r u sr e m o v a l ；i ft h ej n t e r m i t t e n tt i m eh a sb e e n s h o r t e n e d 。t h ee f f i c i e n c yo fn i t r o g e nr e m o v a lw i l i j n c r e a s ea n di h ep h o s p h o r u sr e m o v a l w i l ld e c r e a s e t h eb e s tr e a c tw a yh a sb e e nd e d u c e d ：i h es l u d g ea g ej s2 0 d t h ed oj s 2 m g l t h ew a t e rd i s c h a r g er a t i oi s1 5 。r e s t r a i n e dr e a c t i o nw a y i n t e r m i t t e n to fm i x a n d a e r a t i o n 。b u tt h e n t e r m i t t e n tt i m es h o u i dn o t t o os h o r t a ne x p e r i m e n th a sb e e np e r f o r m e dt ov a l i d a t i o nt h es i m u l a t i o ns o f t w a r e t h e d i s c u s s i o np r o v e dt h a t 。t h er e s u l t sw h i c hg e tw i t he x p e r i m e n ta r ec l o s et ot h er e s u l t sg e t w i t hs i m u l a t i o ns o f t w a r e o n l yc h a n g i n gs o m es t o i c h i o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dw i t h o u l 作者：赵耘挚 导师：刘撮鸿 禾季走学硕士擘位话支s b p 及其改r t - 艺数掌梗鲑与仿真软件研究 c h a n g i n gt h ek i n e t i cp a r a m e t e r s t h ee r r o rj sa n a l y z e dt h a tb e c a u s eo ft h ec h a n g eo f i n f l u e n ta n dt h eo x y g e nf e g o v e r yc a u s e db ym i x t h ew a yo fa s mm o d a jp a r a m e t e r sv a l i d a t i o nh a sb e e ns u m m a r i z e d i t sp r o v e d t h a tb yu s ep h y s i c a l - c h e m i c a la n db i o l o g i c a lc h a r a c t e r i z a t i o nw a y s o m ep a r a m e t e r s v a l u ec a nb eg e t e s p e c i a l l yt h ec o m p o n e n t s v a l u e b u tt h e r ei ss t i l ln ov e r yg o o dw a yt o m e a s u r es o f t i ep a r a m e t e 阽s u c ha ss a t u r a t i o np a r a m e f e 倦t h ee x p e d m e n tw h i c h v a l i d a t e st h ec o m p o n e n t so f s y n t h e t i cw a s t e w a t e rp r o v e dt h a ts o m ec o m p o r b n i sc a nb e t e s t e d _ b u tt h e r ee x i s t ss o m ee r r o r s k 跚雕幽i s 隰，锚呔h 嘲咄t 髓i 璃耐e l 、s i 讯i l 址i o p a r a c e t e r 作者：赵耘挚 导师：刘振鸿 蓉季天学硕士学住论文s s r 及其改良工艺数学模型与仿真软件研究 图表目录 表1 1 中国近年来污水及c o d 排放状况 表3 - 1s b r 各反应阶段 表3 2m s b r 各单元的工作状态一 袁3 - 3 各种s b r 工艺的基本情况和性能比较 表3 4 活性污泥过程模型的理论基础和发展历程 袁3 5a s m 矩阵形式的简化表达示意表一 表3 击a s m 各模型对污水组分的定义比较表 表3 7 氧转移速率计算公式 袁4 - la s m 2 d 计量学矩阵中未知萎的解 袁4 2a s m 3 计量学矩阵中未知量的解 表4 3s b r 反应器反应时段安拌( 一) 表4 _ 4 不同的模拟污泥龄一 表4 - 5 不同的溶解氧浓度控制数值一 表4 - 6 不同的捧水比控制值 表4 - 7 s b r 反应器反应时段安排( 二) 袁5 - 1 人工合成废水组分表 表5 2 水质指标监测方法 表s 3 试验旗型对比采用参数数值裹 图l l 中国近年来污水捧放情况示意图 图3 1 处理生活污水的三池s b r 系统 图3 - 2i c e a s 反应池构造图 1 - 9 1 2 图3 - 3 cass反应器构造图一13 图3 - 4 dai-iat工艺流程图一14 图3 - 6m s b r 反应器结构图 1 5 1 6 图3-7维持理论示意图一20 图3-8内源呼吸理论示意图一20 围3 - 9 死亡再生理论示意图 图3 1 0m o n o d 公式示意图 图3 1 1 圈3 1 2 2 l 2 l asmi对反应过程的描述一24 a s m 2 d 对反应过程的描述2 5 图3 1 3a s m 3 对反应过程的描述 图3 1 4a s m 对污水中c o d 、n 、 图3 1 5 氧转移速率一供气量函数图 p 的定义 图3 1 6 反馈控制系统的控制回路示意图 图3 1 7 一个s b r 反应器运行时间的划分 图3 1 8s b r 反应器运行图 图3 1 9c a s s 工艺模型推导图 图3 2 0d a t - i a t 工艺模型推导图 图3 - 2 1m s b r 工艺模型推导图 图3 2 2u n l t a n k 工艺模型推导图 作者；赵耘挚 v i i i 导师：刘振鸿 j m坼悖勰w“孔 记；。他跎旺旺 ”弛弘拇钙钾铝如 囊季走学顶士学住论文 图4 1 传统s b r 工艺计算流程图 s s r 及其改良工艺数学横型与仿真软件研究 图4 2s i m u w a t e rf o rs b r 软件启动封面 图4 3s b n u w a t e rf o rs b r 运行界面 图4 4 基本参数设置页面 图4 5 循环周期设计页面 图4 - 6 多个搅拌，曝气反应周期安捧图 图4 - 7 生物模型参数故置页面 图4 - 8 曝气模型参数页面 5 8 5 9 5 9 6 0 6 0 6 i 6 1 6 2 图49根据经验设置比例页面一62 图4 - 1 0 在模型中详细设置页面6 3 图4 1 1 模拟设置对话框 图4 - 1 2 立即模式运行结果图 图4 - - 1 3 保存图片菜单 图4 - 1 4 用a s m i 模拟的计算结果表 6 3 6 4 6 4 6 5 图4-15打印结果对话框一65 图416漆加了用户数据的模拟曲线一65 图4-17交互模式运行结果图一66 图4-18动态仿真参数调整界面一66 图4 - 1 9 总c o d 模拟结果 图4 - 2 0 氧利用速率模拟曲线 图4 2 l 溶解氧模拟曲线 图4 - 2 2 可溶性易降解有机物模拟曲线 图4 - 2 3 铵加氨氰模拟曲线 图4 2 4 硝酸盐氮加亚硝酸盐氨模拟曲线 图4 - 2 5 总n 模拟曲线 图4 - 2 6 颗粒性易降解有机物的模拟曲线 6 7 6 7 6 8 6 8 6 8 6 8 6 9 6 9 圈4-27颗粒性情性有机物的模拟曲线一69 图4 - 2 8 对异养微生物的模拟一6 9 图4 - 2 9 对自养微生物的模拟一6 9 图4-30污泥龄对总cod的影响一70 图43l污泥龄对氨氮的影响一7u 图4-32污泥龄对硝酸盐氮影响一70 图4 - 3 3 污泥龄对溶解性磷酸盐的影响 图4 污泥龄对聚能产物p h a 的影响 图4 - 3 5 污泥龄对发酵产物的影响 7 0 7 2 7 2 图4-36污泥龄对可发酵、易降解有机物的影响一72 图4_37污泥龄对溶解氧的影响一72 图4-38控制的溶解氧浓度一73 雹4-39溶解氧浓度对总cod的影响一73 图4-40溶解氧对总氦的影响一73 图4 _ 4 l 溶解氧对铵加氨氮的影响 图4 4 2 溶解氧对硝酸盐及亚硝酸盐氮的影响 图4 4 3 溶解氧对发酵产物的影响 图4 州溶解氧对x p h a 的影响 作者：赵耘挚 导师：刘振鸿 7 3 7 3 7 4 7 4 章季天学硕士学位论文 图4 4 5 溶解氧对x p p 的影响 s b r 厦其改良工艺数学模型与仿翼软件研究 图4 - 4 6 溶解氧对溶解性磷酸盐的影响 图4 - 4 7 溶解氧对异养微生物的影响 图4 - 4 8 溶解氧对自养微生物的影响 7 4 7 4 7 5 7 5 图4 4 9 溶解氧对聚磷菌的影响7 5 图4 - 5 0 排水比对总c o d 的影响7 6 图4 - 5 1 排水比对总n 的影响 图4 - 5 2 排水比对铵加氮氮的影响 图4 5 3 排水比对硝酸盐及亚硝酸盐氨的影响 图4 5 4 捧水比对发酵产物的影响 图4 - 5 5 摊水比对x p h a 的影响 图4 5 6 捧水比对x p p 的影响 图4 5 7 排水比对溶解性磷酸盐的影响 图4 - 5 8 捧水比对异养微生物的影响 7 6 7 6 7 6 7 6 7 6 7 7 7 7 7 7 图4 5 9 排水比对自养微生物的影响7 7 图460捧水比对聚磷菌的影响一77 图46i反应时段安排图一一78 图462时段安排对总cod的影响一79 图4 6 3 时段安捧对总n 的影响 图4 _ 6 4 时段安捧对铵加氮氮的影响 图4 - 6 5 时段安捧对硝酸盐氮的影响 图4 粕时段安捧对发酵产物的影响 图4 - 6 7 时段安捧对x p h a 的影响 圈4 _ 6 8 时段安捧对x p p 的影响 7 9 7 9 7 9 7 9 7 9 8 0 图4-69时段安捧对溶解性磷酸盐的影响一80 图51试验装置示意图一8l 图5 - 2 系统总c o d 的试验模拟比较 图5 3 系统总氨的模拟曲线 图5 4 系统氮氨的试验模拟比较 图5 - 5 系统硝酸盐氮的试验模拟比较 8 3 8 3 8 4 8 4 图5-6系统发酵产物的试验模拟比较一84 图5-7系统可生物降解颗粒物的模拟曲线一84 图5 - 8 系统磷酸盐试验- 模拟比较 图5 - 9 系统内x p h a 的模拟曲线 8 5 8 5 图510系统中xpp的模拟曲线一85图51l系统中溶解氧的试验模拟比较一85 图5 1 2 系统中异养微生物的模拟曲线 图5 1 3 系统中自养微生物的模拟曲线 图5 一1 4 系统中聚磷菌的模拟曲线 图5 一1 5 典型的基质降解和呼吸速率曲线关系图 图5 一1 6 典型的生活污水氧呼吸曲线 8 5 8 6 8 6 8 8 9 0 图5 1 7 估计u 。“和l ( 的呼吸曲线9 l 图5 1 8e k a m a 等人试验获得的呼吸曲线 图5 1 9 典型的硝酸盐氮利用速率曲线 作者：赵耘挚 导师：l 振鸿 9 l 9 3 露季走学硕士学位论文 s b r 厦其改良工艺数学横型与仿真软件研究 图5 - 2 0 在线滴定试验中碱积累和p i - i 变化曲线 图5 _ 2 1 对碱积累曲线的简单分析9 4 图5 - 2 2 序批式试验中各种曲线的变化 9 7 9 8 9 9 1 0 2 1 0 2 图5 - 2 3 系统中加入氮氮而得到的氧呼吸曲线 图5 - 2 4 高污泥，污水比例下得到的呼吸曲线 图5 - 2 5 微生物呼吸速率测定装置 图5 2 6 氧呼吸速率曲线测定废水组分 作者：赵耘挚 导师：刘摄鸿 索季天学硕士学位论文翦1 章橇述 第1 章概述 1 1 中国水污染现状和存在问题 地球上所有形态的生物都离不开水，没有水的地球就不会有生命。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。往往会向水体中摊入大最污 染物，超过了水体的自净能力从而造成了水的污染这又对水的需求造成了影响，形成了 水的使用和捧放之间尖锐的矛盾。 值得庆幸的是，人类已经掌握了很多对水污染进行治理的方法和理论当前，许多城市 和城镇利用下水管道将各种类型的生活污水、工业废水收集起来，输送到污水处理厂进行处 理，达到一定的处理效果后排放或回用。 对于中国这样一个人口众多、区域经济发展极不平衡的国家而言，淡水资源人均占有量 仅仅为世界人均水平的i 4 而水资源短缺的同时。我国城市普遍存在这水污染的问题。据 中国环境状况公报报道，中国近年来生活和工业污水摊放情况可见表l - l 和图1 1 ： 表1 1 中国近年来污水及c o d 排放状况 图1 1 中国近年来污水排放情况示意图 从表中可以看出，随着国内生活水平的提高，生活污水的排放量逐年增加；而工业废水 由于环境政策、法规的影响和治理强度的增大，污染程度逐步得到改普。据报道，2 0 0 1 年中 国城市生活污水处理率仅为1 8 5 ，江河湖海都因此而受到了极为严重的污染；水资源成为 制约我国经济发展最重要的瓶颈。 所以，污水处理厂的建设和运行状态，是关系到千家万户和中国未来发展的重要因素。 而根据国民经济、社会发展“九五”计划和2 0 l o 年远景目标纲要的要求，到2 0 l o 年，全国设 市城市和建制镇的污水平均处理率不低于5 0 ，设市城市的污水处理率不低于6 0 ，重点城 市的污水处理率不低于7 0 ，估计投资为5 0 0 0 亿元。这无疑需要建设大量经济合理、运行高 作者：赵耘挚 i 导师t 刘摄鸿 霁季天学硕士学位论文第 章概述 效、管理科学的当代污水处理厂：而中小型污水处理厂则是我国城巾污水处理事业的主力军。 这是因为我国的中小城市众多。仅小城市就占全国城市总数的6 0 * , 以上。 城市化是现代化的个标志，中小城市是沟通大城市与小城镇及其周边地区的桥粱大 城市和小城镇的发展都离不开中小城市。全国中小城市建设好了，国家的整体面貌就会发生 根本变化；反之，如果只是少数几个人城市发展，众多的中小城市还很落后那么我们的国 家谈不上现代化。也很难跻入世界市场，参与国际竞争。所以发展中小城市是中国未来城 市化的重点和方向。 我国中小城市的划分是根据管理工作的需要，按i f ，区( 不包括市辖县) 的非农业人口总 数多少对城市规模进行划分的。划分方法为：城市人口在2 0 万人以下的为小城市，2 p 5 0 万 人为中等城市。全国4 0 0 + 中小城市，每年排放废水1 0 0 亿立方米左右几乎都没有进行过处 理，水污染十分严重中小城市的健康发展，是促进区域经济社会发展、保障人民健康和国 家走向持续发展的重要环节。目前中小城市的水污染不仅加剧了水资源的短缺而且造成流 域内居民发病率上升 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冶法，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。 但是与此相矛盾的是。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这标摊放的问题，此数据中还不包括短暂的 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； 各种设计方法不能统一，且设计结果偏差往往较大： 管理运行不易掌握： 对污水处理系统的动态变化常常不能及时响应； 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p j 。 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旖能够适 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 的钱获得晟优的处理结果。 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展佳状态将大 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。 污水处理厂存在豹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 作者；赵耘挚 2 导师：i 口振鸿 蓉季天学硕士学位论文 效的解决。 1 2 解决方法 第1 章概述 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。随着社会对排水质景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。 为了解决污水处理厂的这些问题需要两个方面的努力：采用i c a 技术：采用更 好的工艺 1 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( 1 1 1 c 仃e n t a t i ，c o n 仃o lm da u d i t i o n ) 【4 j 。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： 理论方面z 对处理过程机理的认识还不充分缺乏适用的数学模型； 设备方面z 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； 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，由于对捧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，通过对各种进永状态、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 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、 降低维护赞和运行费。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 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： 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) 。 作者：赵耘挚 3 导师：刘撮鸿 早年走彳硕士学位论文第l 章概述 吨水直接运行费( 主要包括 二艺能耗、药荆费和人工费) 应该控制在0 3 0 元以下( 如 考虑脱氨除磷吨水直接运行费应该控制在0 4 0 元以f ) ，其中对一般城市污水吨水 处理能耗在0 2 0 k w h 左右。 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1 3 1 2 。 运行灵活方便性能优越。 在这种要求下，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。 研究者发现s b p c e 艺对水质、水最的变化适应性强运行稳定。适_ i l j 于水质和水量变 化都比较大的中小城市污水处理；为非稳态反应，反应时问短，体积小，基建费用和占地都 比常规活性污泥法少；处理效果好能同时脱氮、除磷；需要的机械和设备较少，易于实现 自控运行管理方便，节省人工。 尽管这样，s b r i 艺还是具有很多可以发展的余地。如对s b r i 艺整个运行状况中各种 污染物质的变化情况不是十分了解，从而影响了对其进行进一步优化的可能：由于s b r j 生于 灵活，增加了对操作人员的要求。所以，总结和探讨s b r 工艺的设计方法和优化运行、能够 把这个工艺中的各种运行结果仿真出来，是当今人们必须面对的一个问题。要解决这个问题， 采用和i c a 技术结合的方法是工艺本身的需要和科技发展的必然结果。 采用i c a 技术结合s b i l 工艺，就能充分地发挥各种现代仪器和计算机技术的优势。深入 了解s b r _ z 艺的运行特性，找到最佳的运行工况；可以仿真s b r i 艺的整个过程，使管理人 员能够掌握这种工艺的本质；通过1 c a 技术的灵活性控制s b r - 工艺的灵活性，可以解决期望 目标和实际运行结果但是要将i c a 技术和s b r i 艺结合起来就必须先对s b r i 艺进行数 学模型和仿真的研究，因为现代的控制技术大多是建立在数学模型的开发和优化的基础上 的，如果没有数学模型和仿真的研究过程，利用i c a 技术就没有了应用的基础平台。 1 3 本论文研究方法和重终目标 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。 在仿真软件开发完成后，还要结合试验数据对仿真软件和其中推导的数学模型进行一 定的试验验证，确保软件和模型的正确性：同时，还应该对就试验采用的废水对模型中的一 些参数进行测定。 本论文的最终目标为： 结合现有的污水处理数学模型，推导出s b r 及其改良工艺的数学模型。 将推导出的模型应用到软件中，开发出可以仿真s b r 工艺的软件。 结合试验，验证软件的正确性并测定模型中的一些参数。 作者：赵耘挚 导师：刘攮鸿 4 幕季天学磺士学位论戈 舅2 覃救拳掇型与仿真概论 第2 章数学模型与仿真概论 2 1 数学模型与仿真的定义与发展 自从牛顿在1 6 8 7 年发表自然哲学的数学模型基础以来，人们形成了一个共识：自 然世界具有法则，人类可以掌握这些法则。虽然这个重要的结论不能完全被认为是毫无缺陷 的但是这个结论意味着：所有的系统。无论是机械的、电子的、生物的还是其他系统，都 能够利用数学模型来进行描述。尽管当代的些理论，如量子理论和混沌理论证明这种思路 存在问题。但是这种拭i p x 时科学家们思维方式的影响还是不可忽视的最近几十年米，随着 计算机技术的发展，各个科学领域均开发了大量适用于其领域的数学模型，井应用到了实践 当中，由于这些数学模型大多需要复杂的计算过程。只能通过计算机的发展来解决。 在理想世界中，对过程的模拟是一种不具有复杂性的工作，过程模型应该用一种简单的 方法来建立，但是模型对于过程的模拟在不同情况下应该得出比较真实的结果。同时，研究 者得到的模型不仅仅应该只具有精确性，还应该是简洁明了的、容易使用的，还应该可以展 示过程内部各因素的联系和影响；针对不同的模拟精度，应该具有不同复杂程度的模型。但 是，我们身边的世界并不是理想状态的，但是上述对模型的要求还是根基本的。 基于实际过程的模型可以分为稳态模型( s t e a d y - s t a t em o d e l ) 和动态模型( d y n a m i c m o d e l ) 稳态模型一般应用较简单的高等数学方法就可以获得结果，而动态模型常常需要较 复杂的高等数学方法才能获得结果，需要计算机的辅助计算。 2 1 1 关键概念 在研究数学模型与仿真的过程中需要了解些关键的概念： ( 1 ) 模型( m o d a l ) 模型是把对象实体通过适当的过滤。用适当的表现规则描绘出的简洁的模仿品通过这个 模仿品，人们可以了解到所研究实体的本质，而且在形式上便于人们对实体进行分析和处理。 ( 2 ) 数学模型( m a t h m a t i c , a lm o d a l ) 现在数学模型还没有一个统一的准确的定义因为站在不同的角度可以有不同的定义。 不过我们可以绘出如下定义：“数学模型是关于部分现实世界和为一种特殊目的而作的一个 抽象的、简化的结构”具体来说，数学模型就是为了某种目的，用字母、数学及其它数学 符号建立起来的等式或不等式以及图表、图象、框图等描述客观事物的特征及其内在联系的 数学结构表达式。 ( 3 ) 模拟( s i m u l a t i o n ) ： i s o ( 国际标准组织) 对模拟的定义为：模拟即选取一个物理的或抽象的系统的某些行 为特征，用另一系统来表示它们的过程。 ( 4 ) 仿真( e m u l a t i n ) ： i s o ( 国际标准组织) 对仿真的定义为：仿真即用另一数据处理系统，主要是用硬件来 全部或部分地模仿某一数据处理系统，以致于模仿的系统能像被模仿的系统一样接受同样的 数据、执行同样的程序，获得同样的结果。 雷诺( t h n a y l o r ) ：仿真是在数字计算机上进行的数字化技术，它包括数字与逻辑 模型的某些模式，这些模型描述某一事件