（环境工程专业论文）基于matlab的活性污泥系统模拟.pdf

太原理工人学硕1 ：研究生学位论文 基于m a t l a b 的活性污泥系统模拟 摘要 用活性污泥法处理废水已有百年的历史。在工艺和设备不 断完善的同时，对活性污泥反应过程的建模提出了很多方案， 其中最流行的是国际水质协会发布的活性污泥模型。1 9 8 7 年， 国际水质协会发布的活性污泥1 号模型( a c t i v a t e ds l u d g e m o d e ln o 1 ，a s m l ) 描述了生物去除有机物、硝化和反硝化过 程的特征，在国外城市污水处理厂的运行管理和传统活性污泥 法处理工艺的脱氮除磷改造中得到广泛运用，但国内在这方面 的相关研究和运用很少见。本文以活性污泥1 号模型为基础， 对以下问题进行了研究： 在城市污水活性污泥处理系统中，生物反应器和沉淀池是 系统的重要组成部分。本文研究了活性污泥1 号模型和1 址a c s 沉降模型中的各种关系表达式，将两者有机的结合起来，构建 了活性污泥系统模型。 利用m a t i ，a b 语言s i m u u n k 工具箱编制计算机程序， 实现活性污泥系统模拟。并用欧洲基准c o s ts i m u l a t i o n i 太原理l ：大学硕p 研究生学位论文 a c t i v & r i j ds l u d g es i m u l a l l o nb a s e do n m p 口l a b a b s t r a c t a c t i v a t e ds l u d g ew a s t e w a t e rp r o c e s sh a so n eh u n d r e dy e a r s h i s t o r ya n dm a n ym o d e l sb a s e do ni t a r ep r o p o s e di nw h i c ht h e a c t i v a t e ds l u d g em o d e li s s u e db yt h e i n t e m a t i o n a lw a t e r a s s o c i a t i o n ( i 、 0 q ) i sm o s tp o p u l a r _ i n1 9 8 7 ，i 、) 也气qi s s u e dt h e a c t i v a t e ds l u d g em o d e l n o 1 ( a s m l ) w h i c hh a sb e e nw i d e l y u s e di n m a n yd e v e l o p e d c o u n t r i e si n d e s i g n ，p e r f b r m a n c e a d m i n i s t r a t i o n ，n i t f o g e na n dp h o s p h o l l l sr e m o v a lu p g f a d i n ga n d d e v e l o p m e n t o fn e ww a s t e w a t e rt r e a t m e n c l e c h n o l o g y a n d p f o c e s s h o w e v e rt h i sh a ss e l d o mb e e nr e p o n e di nc h i n a i nt h e s t u d y ，s o m er e s e a r c hi sc o n s t r u c t e db a s e do nt h ea c t i v a t e ds l u d g e m o d e ln o 1 ( a s m l ) ： 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 ei m p o f t a n te l e m e n ti n a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s s oi nt h ep a p e r ，a s m la n dt a k a c s 太原理工大学硕士研究生学位论文 c a ns i m u l a t et h ep e r f o n a n c eo fa c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s sa n d p r o v i d ev a l u a b l er e f e r e n c e sf b rd i r e c t i n gt h eb i o l o g i c a ln i t r o g e n r e m o v a lu p g r a d i n go fe x i s t i n gw w t p sa n di ti sw o r t h yo fc a r r y i n g o u taf u r t h e rr e s e a r c ha n de x t e n s i o ni no u rc o u n t r y k e yw o r d s ： a s m l ，s e c o n d a r yt a n km o d e l ，s i m u i a t i o n ，n i t r o g e n r e m o v a l m 删。a b v 太原理工大学硕士研究生学位论文 第一章概述 城市生活污水处理是环境保护领域的一个重要课题，生化方法在这方 面得到了广泛的应用。废水生物处理的基本思路就是利用微生物的新陈代 谢作用将废水中能危害环境的有害物质吸收并转化掉。采用生物处理法进 行废水的无害化处理，比较经济，而且处理效率高，技术也比较成熟。因 此，在可能的情况下，首先应考虑采用生物处理法。废水生物处理工艺发 展至今，根据其工艺特点可分为两大类：一类为活性污泥法f 即悬浮生长 系统) ，其特点是生物物质以絮凝体的形式在废水中悬浮生长，吸附并降 解废水中的有机污染物质；另一类为生物膜法( 即附着生长系统) ，其特 点是生物质附着在填料或载体上生长，吸附并降解废水中的有机污染物 质。就目前而言，大型污水处理厂的污水处理工艺方法大部分为活性污泥 法，是当前世界上处理城市生活污水的主要途径。 活性污泥法是处理城市污水最广泛采用的方法之一，它能从废水中去 除溶解的和胶体的可降解有机物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体等其 它一些物质，无机盐类( 磷和氮的化合物) 也能被部分去除，类似的工业 废水也可以用活性污泥法处理。活性污泥法既适用于大流量的废水处理， 也适用于小流量废水处理，运行方式灵活，运行费用较低，但管理要求较 高。 1 1 活性污泥处理系统简介 活性污泥法首先于2 0 世纪初期在英国出现，迄今有近百年历史。在 该法出现初期，其基本流程由曝气池和二次沉淀池组成，通常称为传统的 活性污泥法流程系统。 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 0 世纪4 0 年代，为了克服传统活性污泥法中供氧速率与需氧速率间 不平衡的矛盾，美国纽约城市污水处理厂出现了“渐减曝气活性污泥法” 的新运行方式和工艺。 为了充分利用好氧微生物在去除有机物过程中具有吸附和稳定两个 阶段的规律，提高系统中曝气池的利用效果及缩短曝气时间，在四十年代、 六十年代，分别在美国与我国出现了“生物吸附活性污泥法”新工艺。 为了适应城市污水在水量、水质变化的规律，人们采取措施，以增大 污水处理系统中的耐冲击负荷能力。因而在5 0 年代国外出现了“完全混合 活性污泥法”新工艺，这种新工艺在曝气池中建立了多点进水、有回流污 泥的新运行方式。 为了提高曝气池运行中的饱和溶解氧浓度，以便加快以氧转入液相的 速度，相应增大有机污染物的降解速度，6 0 年代出现了“深水曝气活性污 泥法”、“纯氧曝气活性污泥法”等新的运行方式。 为了使传统的活性污泥法流程简化、管理方便，5 0 年代首先在荷兰 出现了一般可省去初沉池和一些污泥处理设备的“氧化沟法”等新工艺。 随着水环境中富营养化现象( 西方各国是5 0 年代以来，我国是在8 0 年代以来频繁出现) 的加剧，处理系统中主要去除碳b o d 已经不能满足 污水去除目标要求了，要求活性污泥主体工艺还应具有脱氮除磷的作用。 因而在5 0 年代后，尤其是在近三十年来，世界各国相继出现了“a ，o 法， a 2 o 法、s b r 法、m s b r 法、u n i t a n k 法、一体化氧化沟法及d a t i a t 法”等新工艺及其变形工艺，它们都具有降解b o d 5 和脱氮除磷的同 步作用。 1 2 活性污泥模拟方法 活性污泥数学模型研究和发展大体上经历了3 个阶段，工艺设计逐渐 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 由简单采用经验数据发展到使用数学模型，数学模型的应用实现了从指导 活性污泥工艺设计转变成以研究活性污泥工艺运行效果的动态过程。 2 0 世纪5 0 6 0 年代，国外一些学者引入化工领域的反应器理论及微 生物理论，通过基质降解、微生物生长及各参数之间的关系建立了各自的 活性污泥法静态数学模型【2 1 【3 j 【4 l 。学者们提出的有关生物处理的数学模式 大致可分为两大类：( 1 ) 以e c k e n f e i d e r 模式为代表，主要基于挥发性悬 浮固体积累速率经验公式提出的活性污泥模型，考虑了处理厂负荷与处理 结果之间的关系，模式的推导常以基质的降解服从一级反应为基础。( 2 ) 这类模式以l a w r e n c e m c c a r t v 模式为代表，将莫诺特( m 锄o d ) 方程引 入废水处理领域而推导出来的，它以微生物生理学为基础，更深入地说明 了微生物增长与基质降解之间的关系。这些模型均假设：整个处理系统 是在稳定状态下运行的；进入生物反应器内的废水中的基质均为溶解性 的，水中也不含微生物群体；微生物在二次沉淀池中没有活性，不进行 代谢活动；二次沉淀池中污泥没有累积，且固、液分离良好；除特别 注意外，都假定生物反应器内的物料是充分混合的。 由于这些模型只考虑了污水中含碳有机物的去除，不能解释和描述废 水生物处理中常见的有机物“快速去除”和出水中有机物浓度随迸水浓度 变化的现象，也不能很好地预测实际观察中存在的有机物浓度增加时，微 生物增长速率变化的滞后效应。此外，m o n o d 方程本身并不能预测有机 物浓度降低时活性污泥过程的瞬变响应。因此，传统的活性污泥模型虽然 参数求解和计算过程相对简单，但无法精确地模拟废水处理中氧利用的动 态变化，不能很好地描述活性污泥系统的动态特征。 7 0 年代8 0 年代初，由于水体富营养化等危害越来越严重，氮、磷 等的去除被列入了污水处理的目标，这为数学模型提出了新的研究方向。 最早的是j f 一a n d r e w s 【5 l 提出的“存储一代谢”理念，将系统中的微生 3 太原理丁= 大学硕士研究生学位论文 而是很多不同模型观点的折中方案，它为模型进一步发展提供了一个概念 平台。 1 9 9 9 年，n w q 还推出了a s m 3 模型吼该模型所涉及的主要反应 过程和a s m l 基本相同，但它改变了誉蚕彤：涮痿囊静戮嚣鬟j 馘驯墼襄 越一趸猹憾强噍揖魄- 广美殖避币霸粥啦际溅m 搿= 型雨兰沉池公屋羼蘩绘 答磐爨蠹冀霞i 缘_ 出隙毒御颂盈璀驿鞘萋堡藤鞋髯萋三沉池分为1 0 层 ，这也被t a k a c s l l 5 l 采纳。h a m i l t 衄【1 6 】 模型的模拟结果表明，当层数大于2 4 ，模型的输出就不再随层数的变化 而变化。l ( r e b s 【1 7 】认为层数应尽可能增加，直至模型的输出对层数不再敏 感。j e p p s s o n 和d i e h i 【1 8 1 建议为得到一个比较精确的模拟结果，模型至少 将二沉池分为3 0 层。值得注意的是模拟结果并不仅仅受层数大小的影响， 模型选择的算法也是一个重要因素。由此可见，层数的选择很大程度上取 决于模型的具体应用。 1 3 2 二维、三维流场模型 与一维模型相比，二维模型的主要功能是模拟分析流场和沉淀过程。 二维模型假定第一维为竖直方向，第二维为流体水平流向，在流体的第三 维( 垂直于第一、二维)方向流体流速与颗粒物浓度处处相同，将二沉池 进行二维系统分割，先建立每一个二维网格内的机理模型，然后再综合建 立整个二沉池的二维流场模型。与一维模型相比，二维模型除了要满足周 体悬浮物质量守恒方程，还需满足流体质量守恒方程、流体动量守恒方程、 湍流动能守恒方程、湍流动能耗散速率方程。二沉池被分割成不连续的单 元，每个单元都必须满足上述5 个方程。对轴对称的圆形二沉池模拟结果 显示，二维模型在描述二维断面上流体流速的分布和固体颗粒物浓度分布 上具有较好的效果。 三维 x 太原理工大学硕十研究生学位论文 人工神经网络模型可建立输入与输出变量之问的非线性映射关系，能 直接从历史数据扩展到丁艺的基本现象，避免了建立机理模型所需的各种 复杂参数，因而使用更为方便，是一种具有特殊效用的黑箱模型。运用神 经网络模型有利于实现生产过程的在线实时控制。目前，神经网络在污水 处理领域的应用处于较浅、较窄的层次上，它的显著特点，如以任意精度 逼近非线性函数的特性、自适应性、自组织性等在应用过程中还没被充分 发挥出来。活性污泥工艺的非线性、复杂性( 特别是生物除磷) 等方面的 性质使其具有利用的潜势。因此，利用人工神经网络对活性污泥系统进行 适当角度的建模分析，具有重要的实用价值。混合模型由于机理的相对简 化和采用神经网络模型对误差进行及时、有效的补偿，使其更适于处理 工艺的在线预测和过程优化控制。 将数学模型和神经网络模型结合起来形成1 个混合模型( h y b b r i d 模 型，简称h m ) 具有发展前景。污水生物处理方面，把机理研究与神经网 络技术有效结合建立模型的研究非常少，因此，把神经网络技术结合到机 理研究中，可以弥补机理研究过程中许多不确定因素所造成的误差，加快 研究进程。神经网络模型对于复杂的难于定性定量描述的工艺性质可以进 行经验积累判断和有效映射。 1 3 沉淀池模型理论 二沉池是废水生物处理中的一个重要处理单元，对整个废水生物处理 系统的处理效果有重要影响，是整个废水处理系统的重要制约因素。二沉 池同时具备澄清和浓缩的功能：一是对反应池出水进行泥水分离，保证出 水中的悬浮物达到排放标准，二是对污泥进行浓缩、回流，使生物反应池 中的微生物浓度保持在一定范围，保证废水生物处理系统的稳定运行。二 沉池数学模型的研究与应用对于提高废水处理系统运行效果和控制水平、 6 太原理t 大学硕士研究生学位论文 增强对系统动态行为的预测都具有重要的意义和作用。 1 3 1 一维模型 二沉池一维模型是建立在k v n c h 提出的固体通量理论基础上的。模 型假定在空间分布上同一水平断面处沉降颗粒物浓度相同，因此也被称为 层模型。固体通量理论的一个最基本假设是：污泥重力沉降速率v s 由污 泥浓度x 决定，因此，可以忽略其他因素将污泥沉降速率定义为一个连 续的方程。污泥沉降速率方程的建立是一维模型必须解决的核心问题。不 同的研究人员提出了不同的污泥重力沉降速率方程，具体见表1 1 。 表卜1 活性污泥的沉降速率方程 t a b l e1 _ 1s e d i m e n t a t i o nv e l o c i t yf u n c 6 0 no fa c t i v a t e ds l u d g e 研究人员速率方程 v e s i l i n d ( 1 9 6 8 ) v s = k e ”。 d i c k y o u n g ( 1 9 7 2 )v s = k x 。n t a l 【a c s ( 1 9 9 1 )v s = v 和r b ( x 。x m 吐e 。r p ( x 勘1 “) ) c h o ( 1 9 9 3 )v s = k e “魄 m a z z o l a n i ( 1 9 9 8 )v s = 。i ，o + ( 1 d 、飞e - “ 表1 1 中的沉降速率方程除m a z z o l a n i 方程外均以固体通量理论为基 础，m a z z 0 1 a n i 方程则考虑了沉降颗粒尺寸对沉降速率的影响，认为不同 尺寸污泥拥有不同的沉降速率【9 l 。g 喇s p e e r d t 等在用1 0 组实验数据验证 比较了6 个不同的沉降速率方程后，指出无论是在稳态还是在动态情况 下，r i 址a c s 方程模拟结果与实验结果最为符合【圳。v e s i l i n d ( 1 9 6 8 ) 用一个 指数函数方程来描述沉降速率与污泥浓度之间的关系，其中k ，n 为模型 参数【1 1 】。参数k ，n 可以通过多次沉降实验确定，但是活性污泥系统运行 条件的时变性使得污泥的沉降浓缩特性亦随时间不断变化。通常采用的多 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 参数更多，模型更加复杂。与之同时，模型在描述二沉池流场方面更为全 面、精确。 1 3 3 模型的应用 一维模型能够较好的预测二沉池的回流污泥浓度与污泥层高。在活性 污泥系统中，一般通过调整污泥回流量来控制整个活性污泥系统的运行。 因此，一维模型主要应用于包括反应池和二沉池的污水处理系统的控制与 运行。在线监测系统对污水处理系统进行监测并将原始数据传输至模拟系 统，由模型对出水浓度、回流污泥浓度、污泥层高进行模拟预测，并根据 预测结果对运行参数( 回流污泥量、排泥量等) 进行调节，保证废水生物 处理系统的稳定运行和出水的达标排放。 二维和三维模型可以模拟二沉池内流体流速的空间分布与流体之间 的相互作用，主要应用于二沉池的设计与改造，例如进水口、出水口、折 流板的的位置与尺寸等。应用存在的主要问题是二沉池的模拟需要大量参 数，计算复杂、使用不便，从而限制了模型的广泛应用。 1 4 课题背景、意义和研究内容 1 4 1 课题背景 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，花费相当大的人 力、财力和时间进行大量的小试和中试实验。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 q 太原理工大学硕十研究生学位论文 2 、建立活性污泥模拟模型，并用c o s tb e n c h m a r k 6 2 4 6 8 2 标准检验 模拟程序。 3 、设计适合用户使用的图形界面。 4 、针对活性污泥模型在污水处理应用中存在实测数据不足的问题， 设计污水处理厂实测常规数据与活性污泥模型内部组分数据转换方案。并 将之应用于某污水处理厂，寻找符合该污水处理厂的模型参数。然后改变 污水处理厂运行参数，研究运行参数对污水处理效果的影响程度。 5 、根据已建成的污水处理厂现状需增加脱氮功能，提出脱氮改造方 案，分析比较多种工艺参数对污水处理效果的影响程度，为该污水处理厂 脱氮工艺改造选择一种最佳工艺参数组合。 1 4 3 课题研究的目的和意义 本课题的目的是通过对活性污泥模型的研究，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，具有很多潜在优点。 1 、方案比较与工艺设计。工程设计中一般要经过方案比较后方能实 旌工艺设计，传统方案比较往往根据经验或可借鉴工程实例进行。经济的 可比性可根据两个选定的工艺在占地、耗材、耗能等方面的信息得出判断； 然而，技术方面的可比性常常就靠想当然来判断，很少有运行过程与处理 效果的科学预知性。在某种程度上，方案比较演变成为为比较而比较，形 同虚设。传统工艺设计由于方法本身固有的局限性，工艺设计完成后不太 1 1 太原理l 。人学硕士研究生学位论文 第二章活性污泥系统数学模型 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。 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生物反应模型和沉淀模型两 部分。 2 1 活性污泥1 号模型 对于结合了如碳氧化、硝化和反硝化等现象的活性污泥系统反应的模 型，必须解释众多组分之间的大量反应，使其数学上易操作、模拟准确， 能代表系统内的基本过程。为此，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己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，定义了其主要过程，为每个过程选择了合适的动力学和化学计量 学表达式( 附录) 。 活性污泥1 号模型在表述方面最主要特征是采用矩阵的形式来描述 1 4 太原理t 大学硕士研究生学位论文 产物x p 。( 2 ) 自养菌( x b a ) ：自养微生物可利用无机物、氢、硫化氢、亚 硝酸盐氮或氨氮等物质作为电子供体。活性污泥1 号模型中它只能在好氧 条件警浚笺麓鳓。撕鬲孵新掴嘶确磴函f 氰型奇剧和形班卜卿蹩峨廷 净峦描雾霪珊聂羹：i ! 轾涮鞲霹嬉鬟篙融笔缍 鬟i ；糯揲藩销嚣箍 毕纛裂霎鳢”埘缈交墨擎二鞘理鼗坦巧巍赫驺括溶解性的、胶体态的和颗 粒态的物质。它们的共同特征是在处理系统中不能直接被微生物作为基质 利用，必须经过水解作用降解成为低分子化合物后才能被微生物吸收。活 性污泥1 号模型中x s 由水解作用转化为易生物降解有机物再被微生物通 过生长代谢过程而去除，同时可通过异养菌和自养菌的衰减过程产生。 含氮物质由以下四部分组成：( 1 ) 硝酸盐氮( s n o ) ：由自养菌的好氧 生长产生，在异养菌的缺氧生长中去除。虽然亚硝酸盐氮是硝化反应的 个中间产物，但在活性污泥1 号模型中，为了简化过程假定硝酸盐氮是唯 一氧化形式。( 2 ) 氨氮( s n h ) ：由离子念铵和非离子态铵组成。然而在p h 为中性的条件下，非离子态氨氮很少，所以在活性污泥1 号模型中总是以 总氨氮质量表示。氨氮是由溶解性的可生物降解的有机氮的氨化生成，通 过微生物的生长去除。氨氮的主要转化是作为自养菌好氧生长的能源，同 时在细胞合成过程中也要消耗一部分氨氮。( 3 ) 溶解性的有机氮( s n d ) ： 它是由颗粒状有机氮水解生成，通过氨化作用转化为氨氮。( 4 ) 颗粒性可 生物降解有机氮( x n d ) ：它是由异养菌和自养菌的衰减量i x e 减去惰性颗 粒产物量f p j m 它的损耗是由于氨化作用引起。 2、微生物 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。( 1 ) 异养菌( x b h ) ：异养微生物利用污水中的有机物作为电子供体进 行生长代谢，在模型中通过好氧生长和缺氧生长以易生物降解有机物为基 质合成，同时通过衰减转化为缓慢生物降解有机物和微生物衰减的颗粒性 太原理工大学硕十研究生学位论文 3 、微生物细胞中氮含量比例& b ：f x b 在a s m l 中定义为单位细胞质 量c o d 所含氮的质量。 4 、微生物中惰性颗磊幽涮噍搓；萎粤攀童w 磐篓囊骶礤姐翅强摧菇 矧蜷摁数爨刺雕羚牛f 幕贰翱坐引例喽日型黼聚掣争甏i i i ，忆鞘劐e i 到f = 嚣禽爿r ；& ；i g p 葡引雾o i 暨引杌芷= 5 起 影努科f _ 毫蒂瓤矧p 艮陋i 张戡留囊擎董鞠一而括琵晟大比氨化速率i ( a 和最大比水解速率酶：这两个参数表示的是 在没有条件限制下，氨化和水解的最大比速率。 2 1 4 模型反应过程 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。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，对每一过程的速率都用不同的速率表达式加 以描述。 l 、微生物增长 微生物增长采用了广泛接受的m o n o d 模式，即： 俐鼢卜 。 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，引入相应的修正项一氧开关函数，使得所提出的速率表达式 具有通用性。 ( 1) 异养菌的好氧生长 氧开关函数表达式如下： 1 9 x 太原理工人学硕士研究生学位论文 率进行生长时单位生物量的增长速率堕卫生。 五 3 、自养菌的衰减系数b a 和异养菌的衰减系数b h ：与微生物的比增 长速率相似，衰减系数的单位也是时间的倒数。 4 、缺氧条件下异氧菌生长的校正因子n 。和缺氧条件下水解校正因子 nn ：这两个参数的引入，是因为在缺氧条件下异养菌的生长和水解速率 均会小于好氧条件，它们均是无量纲。 5 、最大比氨化速率i ( a 和最大比水解速率酶：这两个参数表示的是 在没有条件限制下，氨化和水解的最大比速率。 2 1 4 模型反应过程 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。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，对每一过程的速率都用不同的速率表达式加 以描述。 l 、微生物增长 微生物增长采用了广泛接受的m o n o d 模式，即： 鼢卜 。 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，引入相应的修正项一氧开关函数，使得所提出的速率表达式 具有通用性。 ( 1 ) 异养菌的好氧生长 氧开关函数表达式如下： 1 9 太原理工大学硕十研究生学位论文 l ( 2 2 ) k o + 为k o 选择一个小的值，意味着当溶解氧( d o ) 质量浓度适中的时候， 丌关函数接近l ；而当溶解氧( d o ) 质量浓度达到o 时，开关函数的值降 为o 。开关函数是连续函数，这有助于消除由于速率方程开或关的不连续 所产生的数值不稳定性。 将其引入m o n o d 方程( 2 一1 ) ，得： ”p “去 ( 去卜 。， 当d o 浓度较高时，丌关函数值趋于l ；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o ，好氧增长关闭。 ( 2 ) 异氧菌的缺氧增长 氧开关函数表达式如下： 鱼 ( 2 4 ) 足。+ s 。 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“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叼。得： 胪肛一 击】 去 彘卜z 哪 当d 0 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。 太原理工大学硕士研究生学位论文 舻纵 去 【去卜 s ， 椭渤+ 礓( 彘糕肛( 2 - l o ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 n 嗡高熄卜曝斛协 2 1 5 表观转化速率 根据模型工艺过程速率可以很方便的得到附表中序号为i 的组分表观 转化速率。观察到的转换速率可以由下式计算： = j d ， 2 - 1 2 ) 式中p 。表示i 行j 列的化学计量系数。 由此可以得到1 3 种组分的转换速率： 1 、s l ( i = 1 ) ： _ = 0 ( 争1 3 ) 2 、s s ( i = 2 ) ： 吐一毒”专”p ， 汜1 t ， ，2 i p l 一i p 2 + p 7 _ 1 3 、x l ( i = 3 ) ： 4 、x s ( i = 4 ) ； 5 、x b h ( i = 5 ) 6 、x b a ( i _ 6 ) ： = o ( 2 - 1 5 ) _ = ( 1 一n ) p 。+ ( 1 一，p ) p 5 一p ， ( 2 1 6 ) = _ | d l + p 2 一p 4 ( 2 1 7 ) 太原理t 大学硕十研究生学位论文 7 、x p ( i = 7 ) 8 、s o ( i _ 8 ) 9 、s n o ( i _ 9 ) 1 0 、s n h ( i = 1 0 ) ： r 6 = j 。3 一p 5 r ，= p p4 七 p p s ( 2 1 8 ) ( 2 1 9 ) r 8 ；一学p i 兰罨当p 3 ( 2 _ 2 0 ) r 8 - 一i n 一亍p 3 ( 2 _ 2 0 j 勺：一桀”吾p 3 ( 2 _ 2 1 ) 铲一瓦毒p 2 + i p 3 坦。2 ”一胡一矶一( f n + 击) ”几 七2 ) 1 1 、s n d ( i - 1 1 ) 1 2 、x n d ( i - 1 2 ) _ l 皇一j d 6 + p 8 ( 2 2 3 ) r 1 2 = o 一 f ) p 4 + ( f 一厶f ”) p 5 一_ p 8 ( 2 2 4 ) 1 3 、s a l k ( i = 1 3 ) 铲一鲁r 十点蔷寺 岛+ 寺岛+ 云风c 秘， 2 2 沉淀池模型 沉淀池是活性污泥系统中的重要组成部分，在功能上同时要满足泥水 分离和污泥浓缩两方面的要求。目前，沉淀池的设计大都采用一维模型。 太原理工大学硕士研究生学位论文 建立沉淀池一维模型的基本思路是在垂直方向上将二沉池分割成若干个 体元层，每一体元层为一c s t r ，体元层内活性污泥浓度相唰。图2 1 为 沉淀池模型化示意图，体元层从水面到池底进行排列编号，进水口位于第 m 层。每一个体元层必须遵循物料守恒定律，根据基本假设，对各层进 行物料衡算，得到污泥浓度随时间变化的表达式。 2 2 1 基本假设 q 图2 1 沉淀池模型化示意图 f i g u r e2 - lm o d e lo fs e d i m e n t a t i o ni a n k 1 、横截面积不随池深变化，在f 常情况下，污泥区的高度始终处于 进水口以下。将沉淀池均匀分为1 0 层； 2 、各层内污泥浓度分布均匀； 3 、入流的固体负荷均匀地分配于整个池表面； 4 、设定限制向下流固体流量的临界浓度； 5 、在污泥浓缩区中，由于沉淀作用进入某一层的固体通量不能超过 凌层自身的沉降固体通量； 太原理工大学硕士研究生学位论文 6 、沉淀池的底层为浓缩区下部的物理分界。在这一边界上，沉降作 用所产生的固体通量为零。 2 2 2 沉淀池动态模型 竺：! 二尘：坐：竺坠生：! ! ( 2 _ ：。， 出 2 。 扑”鲁，一鲁 2 、底层( m = 1 ) ： 堕；些坚! 二茎! ! 堕坠：垒! ( 2 _ 2 7 ， z r 。p 由c z 。+ 1 一z 。) + m j n u ，。，坤+ 1 ) 一m 矗妒，。一1 ) d t z 。 4 、进料口到顶层间的澄清池： 棚所v 印( x 。一1 一盖。) + j 。b 朋+ 1 一j 。抽朋 出 z ， f m i n d 叫z ，p 叫一1 j 卜1 ) 式中：，帆，一 或 v 叫x i i x 。) 5 、顶层( m = 1 0 ) ： 橱l o v 叩( r 9 一x l o ) 一l ，。抽一。 疵 2 1 0 ( 2 2 8 ) ( 2 2 9 ) ( 2 - 3 0 ) 太原理一r 大学硕 训f 究生学位论文 i m i n ( v u x i ( ，v x 9 ) 式中：- ，m j i 、； 嚣 iw l ；露j ! 商i 际， 删想港鲎t 裂”一鹭别掣圣剥甥鬟i 鼗；i ； 妻；健疆班暇列复利! 型囊； 雾i 辖藏盈酏列甜缎剑誊矧鞭篓型? _ i 4 ； 慕错瘤型蔟蓐曩j 誊；i 薹珊一巍掣硼必燮雾置耻裂壤：些；i l ；蕊一莉蓦胡爱啪鞋蜚畸妊隧毓籍鹃鞭断曼弘奶崧；堆嚣降和浓缩性 能。因而，合理的确 定这些“沉降性能参数”成为获得可靠的模拟结果的关键。t a k a c s 根据 大量的实测数据和文献报道资料总结出各参数典型数值( 见表2 1 ) 。 表2 一lt a k a c s 公式参数典型值 t a b l e21t y p i c a ip a r a m e l e r si nt a k a c s 名称符号数值单位 最大实际沉降速率 v n ， 2 5 0 m d a y 最大理论沉降速率v u 太原理l 人学硕十研究生学位论文 3 1 1 界面设计 本课题的界面设计是利用m a t l a b 图形用户界面( g u i ) 工具箱开 发的。主界面如图3 1 所示，整个设计分为3 个区域：左上方的菜单区、 左方的主操作区以及中问的结果显示区。菜单区有文件管理、参数输入、 反应器图形和简介、还有联机帮助系统；主操作区有参数确定、初值输入、 结果输出以及退出等。各项功能如下： 图卜1 图形用户主界面 fr e ur e ，一lh ，i 。gr ，口brcu s eri 口t o r r i c e 菜单区： 菜单区共有4 项，主菜单下还有二级和三级菜单。点击任一菜单栏都 会显示它的子菜单。 文件管理：主要功能是实现文件的存储、打印以及退出的操作。 参数输入：主要是完成默认参数的输入。分别设有动力学参数、化学 计量学参数和二次沉淀池参数。 反应器图形和简介：该菜单下有三个子菜单，包括传统活性污泥工艺、 o 工艺和多个反应器的组合工艺。点击传统活性污泥工艺会弹出活性污 泥工艺流程图，并且有该工艺的简单介绍( 图3 2 ) 。 太原理1 一人学硕士研究生学位论文 圈3 2 完全混台器工艺漉程及其简介 f 】g 世e3 2 巧t rp c e s s 砌妇d u c 矗o n 点击o 工艺会调出o 工艺的图形和简介( 图3 3 ) 。为了使a o 工艺能尽可能的适用于多种工艺，在输入方面做了一些调整。首先将生化 反应池分为2 个部分，水力停留时间分别为t 1 、t 2 ，溶解氧分别为d 0 l 、 d 0 2 ：其次增加了混合液内循环和回流混合液，污泥回流比和内循环比 分别为r 1 、r 2 。于是，当t 1 或t 2 有一个为o ，即为单一溶解氧状态的活 性污泥法( 好氧法、缺氧法或厌氧法) ；当t 1 或t 2 都不为0 时，若d 0 1 极小( 2 0 m l ) ，则为前置反硝化工艺，若刚好 相反，则为后置反硝化工艺；r 2 = 0 ，则无内循环。这样就扩展了反应器的 类型。 点击组合工艺会调出图3 4 的工艺流程图及工艺简介。该组合工艺可 以处理城市污水活性污泥处理工艺的多种形式。根据反应器原理，任何一 个实际反应器内的流态都可以用n 个串联的理想完全混合反应器来表示， 从而使实际反应器内的复杂流态( 短流、涡流等) 简单化。在生物除碳、 脱氮过程中，缺氧和好氧在不同的反应器或同一反应器的不同操作方式下 进行，其各自的流态显然也不相同，因此，必须用不同的n 值来描述。在 本研究中，通过对采用不同工艺的具体污水处理厂的模拟以及不同工艺的 太原理工大学硕士研究生学位论文 水力学条件，将各种处理工艺设计成m(mo)个缺氧池和n(no)个 好氧池的组合(m+n5)，从而实现对污水处理工艺的模型描述。g 阜 圈3 3 a 船工艺流程和简介f i g u r e3 3 op r o c c s a n d mducii啦驴早围3 4 组合工艺漉程及简介f 龟1 m 3 4 compod协p阳ce。sa n d i n t d u c e 联机帮助：在活性污泥工艺计算机模拟系统中建立联机帮助系统，可 以使用户在不参考其它文档的情况下，方便快捷的学会使用计算机模拟系 统的各项功能，并获得与模拟系统相关的其它信息( 图3 5 ) 。帮助系统 包括两方面的信息：一是关于如何使用计算机模拟系统的信息，二是关于 模拟系统的背景知识，如模型参数、水质划分、模型由来等。3 1 太原理工大学硕士研究生学位论文 ，：= b 畦2 ；：，i 转* # #： 。_ 2 j & i l j j ? - i ：i 誊j 至 i i ? i i 二二- i j ；藿善 一j ：二：一= ? - 。一? 二j i ? ? l 三二? 。；- 。，一 ? - 一。j ? j j j i 。? 一- _ | j 一? 一| 。j 二。_ | r i i ：- j ， 黧? 一| | 。 ：一j 皇毫j 三喜 薯毒i 妻蔓羹喜 ! j ! ； 处处相等：对于颗粒态 组分，它们在沉淀池中一起沉淀分离，所以模拟计算时可以把它们看作一 个整体。沉淀池中悬浮固体经过每一层时都遵守如下的物料平衡方程式： 每层中悬浮固1悬浮固体的1 悬浮固体的1 l 体的变化速率ll 输入速率fl 输出速率l 各层的物料平衡式见公式( 2 - 2 6 ) 一( 2 3 0 ) 。 建立了物料平衡方程式，就可以编写主程序，通过数值积分法求解微 分方程组，获得各反应器组分浓度的动态或静态浓度。 3 2 程序的验证 程序编写正确或合理与否需要某一标准的验证。欧盟科学技术合作计 划( c os t ) 于2 0 0 1 年提出了一个标准的模拟基准，以评价不同的控制 方案。目前，该基准已经广泛地应用于活性污泥计算机模拟软件的测试 【2 0 1 。由于国内尚无相关基准，本软件采用c o s t 基准进行检验。欧盟基 准包括模拟模型、工艺流程、控制方案、测试程序和误差分析等。在这里， 只引用和糠帧3 5 太原理 _ 大学硕士研究生学位论文 艺参数的输入与此类似。 囝卜- 6 拳数确定示意囹 p ie ur c 卜6p r i _ e i er - d d f fc ，t fd d 囝卜t ：c 5 r i 曲初始输入伍 f f ur e ，一7 ：i o p u t v _ lu ed fc s r i 初始值输入：不同的模拟类型要求不同的输入方法。如果是稳态模拟， 会弹出一个类似图3 7 的菜单栏，可以直接输入初值；如果是动态模拟， 会调用某个数据文件作为初始值输入。 模拟输出：也就是将模拟的过程以图形或者图表的形式显示出来。 关闭；退出模拟软件。 3 、结果显示区：将结果显示出来的区域。 太原理_ r ：大学硕士研究生学位论文 3 1 2 计算程序 根据反应工程原理，对于连续流完全混合式反应器，任一时刻反应器 内任何部位都具有相同的组分，并且每一组分的浓度都相同。如果假定反 应只发生在池内，那么，完全混合反应器的出水组分与池内的组分完全相 刊。另外，由于整个反应器为完全混合，反应器内各处同一组分的速率相 同，因此对任一组分在任一单元中都具有如下的质量平衡方程： 反应器中基质1基质的1f 基质的1f 基质的 l 量的变化速率il 输入速率f 。| 利用速率ll 输出速率f 所以各单元中任一组分的物料平衡式如下： 1 、单元1 鲁；吉( 即。+ q ，z ，+ q f l z + r l k q 1 2 1 ) ( 3 _ 1 ) 式中：v 1 - _ 一单元1 的反应器容积( m 3 ) ； q o 单元1 的进水流量( m 3 ，d ) ； q ，单元1 的内循环回流量( m 3 d ) ： q 。单元1 的污泥回流量( m 柏) ； z 0 单元1 的进水组分浓度( g m 3 ) ： z r 一单元1 的内循环回流组分浓度( g ，m 3 ) ； z 。单元1 的污泥回流组分浓度( m 3 ) ； q 1iq 。+ q ，+ q o 2 、其余单元 ( 1 ) 对于组分氧，由于反应过程充氧，有其特殊的物料平衡式： 等一吉( q 一，品h + k + 墨q k l 品t ) 一缘品t ) ( 3 - 2 ) 太原理工大学硕士研究生学位论文 3 2 1c o s t 简介 c o s t 全称t h ee u r o p e a nc o o p e r a t i o ni nt h ef i e l do fs c i e n c ea n d t e c h n i c a lr e s e a r c h ，译为欧盟科学技术合作计划。该组织成立于1 9 7 1 年， 宅要致力于基础型和非竞争性领域的研究。该组织希望通过欧洲匡i 家之间 的交流和合作，使欧洲在科学和技术领域保持强势地位。由于c o s t 是 由一些科学家和专家基于对国际合作的兴趣而建立起来的，所以该组织的 资金管理灵活多样、富有实效，能在一些前沿学科方面进行探索和研究。 目前，c o s t 已经拥有欧洲研究领域最多的基准框架，已达2 0 0 个基准， 有来自3 z 个欧洲国家的3 万名科学家和1 4 个国家的5 0 所学会参与其中。 本文涉及的活性污泥处理部分来自于c o s t 6 2 4 & 6 8 2 基准。该标准致力于 废水收集、处理、处置全过程的性能优化和降低工程费用的研究，这主要 是通过加深对微生物的了解和对整个废水处理过程的控制来实现。 3 2 2 基准工艺流程和模型参数 欧盟c o s t 6 2 4 6 8