（环境工程专业论文）活性污泥工艺模型的研究和应用.pdf

摘要 f 随着对出水水质和处理效率要求的提高以及处理费用和能耗的限制，依据 传统经验和规范来设计和管理污水处理厂的旧模式已无法适应我国快速发展的 污水处理事业。窒峦处理王艺数学模型的建立和相应模拟系统的开发，已经成 为环境保护i t 产业蓬勃发展的必然趋势，它必然会提高废水处理系统的设计质 量和运行效率。 本文在总结以往活性污泥数学模型经验的基础上，建立了适用于我国国情 的垒s 里曼：q 搓型，并开发了相应的a s p s - c o 模拟系统。a s p s c o 模拟系统是 基于w i n d o w s 操作平台，应用m a t l a b 数学软件开发的活性污泥工艺模拟 软件( 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 n ) 。a s p s c o 模拟 系统考虑了8 个组分，3 个生化过程( 生物质增长，生物质衰减和颗粒性有机 基质的水解) 。为了使a s p s c o 模拟系统真正地应用到我国污水处理厂的设计 和运行中，系统还开发了完善的模型参数优化模块，常规检测数据与模型数据 之间的转换模块等。a s p s c o 模拟系统不但可以模拟污水处理厂的进出水的水 质，而且可以模拟五池模型中各个生物反应器内的运行状态( 如生物质浓度和 组成，污水水质和组成等) ，从而为废水处理工艺的设计和运行提供较为真实可 靠的理论依据。 应用a s p s c o 系统模拟天津纪庄子污水处理厂的实际运行，模拟结果与实 测数据的较为接近( 主要是针对b o d ，c o d 。和s s ) ，表明了a s p s c o 模拟 系统在纪庄子污水厂的应用基本可行。f 考虑到一年四季温度的变化，在实际应 用中，按纪庄子污水厂的水温变化将其运行划分为4 个时间段：“冬季”1 2 ，1 ， 2 ，3 月；“春季”- 4 ，5 月；“夏季”6 ，7 ，8 ，9 月：“秋季”1 0 ，1 1 月。应用 实测数据的分析校准，分别确定了适用于4 个时间段的模型参数值。由于纪庄 子污水厂检测数据多为常规分析项目( 以b o d 。，c o d c ，和s s 等为主) ，无法直 接用于a s p s - c o 系统中反映污水性质的组分表达，为此a s p s c o 系统建立了 适用于纪庄子污水处理厂的常规数据转换为模型数据的转换方案。考虑到我国 污水处理厂大多采用常规检测项目，因此系统又开发了模型数据转化为常规数 据的逆转换方案，这样可以使模拟结果与实测数据之间的对比分析更为直观可 信。此外，针对纪庄子污水厂记录数据的缺失情况，a s p s c o 模拟系统设计了 可行的弥补方案，大大增加了有效数据的数量，丰富了模拟结果与实测数据的 对比分析，使得对模拟系统的分析和评价更为全面。六厂 ff 一一一 。 。n 关键词：a s 村：活性污泥工苛，数学模型，污水处理厂，、模拟较谁r 冉靶擎g 1 a b s t r a c t w i t ht h eg r o w i n gr e q u i r e m e n t so ne f f l u e n tq u a i l t ya n dt r e a t m e n te f f i c i e n c y , a n dt h el i m i t a t i o no n t r e a t m e n tc o s ta n dc o n s u m e de n e r g y , t h et r a d i t i o n a lw a yt od e s i g na n dm a n a g et h ew a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t ( w w t p ) b ye x p e r i e n c e sa n ds t a n d a r d sc a l l n o tm e e tt h ed e m a n do fr a p i d l y d e v e l o p i n gw a s t e w a t e r t r e a t m e n tc a u s e d e v e l o p i n gm a t h e m a t i c a lm o d e l sa n dc o r r e s p o n d i n g s i m u l a t i n gs o r w a r ef o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s h a sb e e nc o m i n gt ob ea nl n e v i t a b l e t e n d e n c yf o rt h ei ti n d u s t r yo f e n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o nt op r o g r e s sv i g o r o u s l y b a s e do nf o r m e re x p e r i e n c e so na c t i v a t e ds l u d g em o d e l s ，t h i st h e s i ss e t su pa na s p s - c om o d e l a n dc o r r e s p o n d i n ga s p s - c os i m u l a t i o ns y s t e m ，w h i c hr e f e r st oo u rn a t i o n a lc o n d i t i o n s ，a s p s - c o s y s t e m i sas o f t w a r ef o ra c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s ss i m u l a t i o nc o n s i d e r i n gc a r b o no x i d a t i o n p h e n o m e n o no n l y , w h i c hi sd e v e l o p e dw i t hm a t l 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 ns y s t e m i ti n c l u d e s8c o m p o n e n t sa n d3p r o c e s s e s ( a e r o b i cg r o w t ho fh e t e r o t r o p h s ， d e a t ha n dl y s i so fh e t e r o t r o p h s ，a n d ”h y d r o l y s i s ”o fp a r t i c u l a t eo r g a n i c s ) i no r d e rt oa p p l yt h e s o f t w a r et ot h ed e s i g na n do p e r a t i o no fw w t p si nc h i n a , t h i ss y s t e mh a sd e v e l o p e do t h e rp e r f e c t s u b m o d u l e s ，s u c ha st h eo p t i m i z a t i o no fm o d e lp a r a m e t e r s ，c o n v e r s i o nb e t w e e ng 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 , e t c n o t o n l yc a na s p s - c os y s t e ms i m u l a t et h ew a t e rq u a i l t yo f i n f l u e n ta n d e f f l u a n ti nw w t p s ，j tc a na l s os i m u l a t et h e o p e r a t i n gc o n d i t i o n so f5 - c s t r s ，s u c ha s t h e c o n c e n t r a t i o na n dc o m p o s i t i o no f b i o m a s s ，t h e q u a i l t ya n dc o m p o s i t i o no f t h e w a s t e w a t e r i to f f e r s ac o m p a r a t i v e l yr e l i a b l et h e o r yf o u n d a t i o n sf o rt h ed e s i g na n d o p e r a t i o no fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p r o c e s s i nt h es i m u l a t i o no ft h er e a lo p e r a t i o no f t i a n j i nj i - z h u a n g z iw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tb yt h e a s p s - c o s y s t e m 。t h er e s u l t sa r ev e r yc l o s et ot h em e a s u r e dd a t a , w h i c hs h o w st h a ta s p s c d s y s t e mi sv e r ys u c c e s s f u li nj i - z h u a n g - z iw w t p c o n s i d e r i n gt h et e m p e r a t u r ec h a n g e si nt h ef o u r s e a s o n s ，ay e a ri sd i v i d e di r i t ef o u rp a r t s ：”w i n t e r ”：d e c ，j a n ，f e b ，a n dm a r ；”s p r i n g ”：a p r a n d m a y ；”s u m m e r ：j a n ，j u l ，a u g ，a n d s e p ；a n d ”f a l l ”：o c t a n dn o v ，a c c o r d i n gt ot h ew a s t e w a t e r t e m p e r a t u r ei nb l o r e a c t o r s t h e nr e s p e c t i v em e d e lp a r a m e t e r so f t h ef o u rp a r t sa r eo b t a i n e db yt h e c a l i b r a t i o no ft h em e a s u r e dd a t a c o n s i d e r i n gt h em e a s u r e dd a t ai n j i z h u a n g z i w w t pa r e t r a d i t i o n a l a n a l y s i si t e m s ( b o d ，c o d e 。a n ds se t c ) ，w h i c hc 卸n o tr e f l e c tt h ew a s t e w a t e r c h a r a c t e r su s e di na s p s c os y s t e md i r e c t l y , ad e p e n d a b l ed a t ac o n v e r s i o ns c h e m ei s s e tu d a n o t h e rd e p e n d a b l ec o n v e r s ed a t ac o n v e r s i o ns c h e m e ；sb u i l tt os w i t c ht h em o d e ld a t at o t r a d i t i o n a im e a s u r e dd a t ai nj i - z h u a n g - z iw w 他1 1 1 u s m o r ev i v i da n dc o n v e n i e n tc o m p a r a t i o n a n da n a l y s i sb e t w e e nt h es i m u l a t e dd a t aa n dt h em e a s u r e dd a t aw i l lb eo b t a i n e d f u r c h e r m o r e c o n s i d e r i n gt h es i t u a t i o no f t h em i s s e dd a t ai nj i - z h u a n g z iw 、 ，t p ad e p e n d a b l er e m e d ys c h e m e i sb u i l t ，w h i c hw i l lg r e a t l yi n e r e a s et h ev a l i dd a t aa n dm a k e t h ee v a l u a t i o n so fa s p s c os y s t e m m o r er e l i a b l e k e y w o r d s ： a s m ，a c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s ，m a t h e m a t i c a lm o d e l ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ( w w t p ) ， s i m u l a t i o n 。c a l i b r a t i o n ，a s p s c o 第一章活性污泥工艺模型的发展现状和研究意义 1 1 活性污泥工艺的简介 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( 5 ” ：一类为 活性污泥法( 即悬浮生长系统) ，其特点是生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；另一类即为生物膜法( 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，大型污水处理厂大部分为活性污泥法，而且关于活性污 泥法的研究文献在数量上占有很大优势 5 】 “】 。 自1 9 1 4 年至今，活性污泥法在废水处理领域的应用研究已经经历了了近9 0 年的发展，在理论上和实践上都取得了长足进展。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。 活性污泥法是由曝气池、二次沉淀池、污泥回流和剩余污泥排放系统组成 1 5 1 i “，见图1 1 。 出水 污泥回流 ； 剩余污泥 ：童，”。 l 一i 一 图1 1 活性污泥法的基本流程 f i g u r e1 1 b a s i c x f l o wd i a g r a mo f a c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s 污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液。曝气池是一个生物反 应器，通过曝气设备充入空气，空气中的氧气进入反应器使活性污泥混合液发 生好氧代谢。曝气设备不仅传递氧气进入混合液，而且使混合液得到充足的搅 拌，从而呈悬浮状态。这样，污水中的有机物、氧气将同有机物充分接触并发 生反应。随后，混合液流入沉淀池，其中的悬浮固体在沉淀池中沉淀下来和出 水分离，流出沉淀池的上清液即为处理后的出水。沉淀池中沉淀污泥大部分回 天津大学硕士学位论文 流到曝气池，此部分污泥称为回流污泥。污泥回流的目的是使曝气池内保持一 定的悬浮固体浓度，即一定的微生物浓度。曝气池中的生化反应引起了微生物 的增殖，增殖的微生物通常从沉淀池中排出，以便维持活性污泥系统的稳定运 行，这部分污泥称为剩余污泥。剩余污泥中含有大量微生物并且体积庞大，排 放前应预先进行处理。 从以上流程可以看出，活性污泥法稳定运行的关键在于活性污泥的性能。 除了要求活性污泥有氧化分解有机物的能力外，还要有良好的沉降性能，以便 使活性污泥能从混合液中分离出来，得到澄清的出水。活性污泥中的细菌是一 个混合群体，多以菌胶团的形式存在，游离状态较少。菌胶团是由细菌分泌的 多糖类物质将细菌包覆而成的粘性团块，使细菌具有抵御外界不利因素的性能。 游离状态的细菌不易沉淀而混合液中的原生动物可以捕食这些游离细菌，这样 沉淀池的出水就会更清澈，有利于出水水质的提高。 活性污泥在曝气过程中对有机物的降解( 去除) 过程可分为两个阶段：吸 附阶段和稳定阶段。在吸附阶段，主要是污水中的有机物转移到活性污泥上去， 这是由于活性污泥具有巨大的表面积，而且表面上含有多糖类的粘性物质所致。 在稳定阶段，主要是转移到活性污泥上的有机物为微生物所用。当污水中的有 机物处于悬浮状态和胶体状态时，吸附阶段较短，一般为1 5 4 5 分钟左右，而 稳定阶段较长。在吸附阶段，主要是废水中的有机物转移到活性污泥上去：在 稳定阶段，主要是转移到活性污泥上的有机物为微生物所利用。吸附量的大小， 取决于有机物的状态，若废水中的有机物处于悬浮和胶体状态的相对量大时， 则吸附量也大。 构成活性污泥法的三个基本要素1 5 6 】，一是引起吸附和氧化分解作用的微生 物群体，即活性污泥( 生物质) ；二是废水中有机物，它是处理对象，也是微生 物的食料；三是溶解氧，没有充足的溶解氧，好氧微生物既不能生存也不能发 挥氧化分解作用。当然保证微生物、有机物和溶解氧的充分接触也是系统高效 稳定运行的重要条件，一般通过曝气装置来实现。因此，活性污泥法研究的基 本问题应包括如下三方面：( 1 ) 活性污泥( 生物质) 的增长和衰减规律；( 2 ) 活性污泥( 生物质) 对有机污染物的转化和去除的过程和规律；( 3 ) 氧传递和 需氧规律。这三方面是相互联系的，其中尤以问题( 2 ) 为最本质最核心的内容， 因为活性污泥法的根本目的就是去除废水中有机污染物质。 活性污泥法属于悬浮生长系统，除了传统活性污泥法以外，根据工艺的不 同运行方式有发展了其它新型活性污泥工艺1 5 1 ，如完全混合式，接触稳定法， 延时曝气法，高纯氧曝气法，序批式反应器，分段进水式，氧化沟等工艺。 天津大学硕士学位论文 1 2 活性污泥工艺模型的研究背景和发展现状 多年以来废水生物处理工艺的设计和运行大多根据经验数据进行，自2 0 世 纪5 0 年代以来，国外一些学者引入化工领域的反应器理论及微生物学的生物化 学理论，将基质降解、微生物生长及各参数之间的关系用数学模型来表示，其中 最有代表性的是e c k e n f e l d e r 、m c k i n n e y 和l a w r e n c e - m c c a r t y 活性污泥法模型 ”。m c k i n n e y 模型的应用远不如e c k e n f e l d e r 模型和l a w r e n c e - m c c a r t y 模型， 因此，本文仅讨论e c k e n f e l d e r 模型和l a w r e n c e m c c a r t y 模型。由于活性污泥 法使用比较普遍，所以目前所提出的数学模式主要是根据活性污泥法推导出来 的。当然，这些模式对于其它好氧和厌氧生物处理法也基本使用。 e c k e n f e l d e r 模型是经验模型的代表 5 0 】 6 ”，它是e c k e n f e l d e r 教授1 9 5 5 年 对序批式反应器内微生物生长情况进行观察后提出的。它主要考虑了废水处理厂 的负荷和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动力学 为基础。e c k e n f e l d e r 模型更适用于含有多种基质的废水，因为对于含有多种基 质的废水来说，每一种基质的去除虽以恒速进行( 零级反应) ，不受其它基质的 影响，但基质的总去除量则为每一种单一基质去除量的总和，所以一般可以认为 整个系统的动力学遵循一级反应关系。 对于完全混合系统，活性污泥中的微生物处于减速增长期，即 嗉州：爿r ( 1 - 1 ) 结合物料平衡方程式可得污泥负荷( 以基质去除量为基础) u 。与二沉池出水的关 系为： u s = k 2 s 。 其中，k ：减速增长速度常数，即基质降解常数 x ：微生物浓度； f ：水力停留时间； u ，：污泥去除负荷； 品：进水基质浓度； ( 卜2 ) s 。：出水基质浓度。 对于推流式系统，在废水流经反应器全长的过程中，经历微生物增殖期的多 个阶段的大部分过程，污泥负荷值是变化的，k 。的值也不是常数。因此，上式并 不能直接用于推流式系统。但是，在现实世界里，不存在真正意义的完全混合系 天津大学硕士学位论文 统和推流式系统。真正的推流系统较完全混合系统处理效率高，但由于难以得到 真正的推流，外加推流式受冲击负荷的影响较大。所以，这两种系统的处理效果 相差不大。因而，实际使用中，近似地使用完全混合式计算式来处理。 l a w r e n c e m c c a r t y 模型是基本模型的代表”】，1 9 7 0 年由a w l a w r e n c e 和 p l m c c a r t y 将莫诺特( m o n o d ) 方程引入废水处理领域而推导出来的。它从微 生物生理学的角度，更深入的说明了微生物增长与基质降解之间的关系。因为莫 诺特方程是根据纯菌种对单纯化合物作间歇培养的试验结果而得出的，所以 l a w r e n c e m c c a r t y 模型较适用于含有单一基质的废水。在研究生物处理动力学 时，一般作以下假设： 1 ) 整个系统是在稳定状态下运行的： 2 ) 进入生物反应器内的废水基质均为溶解性的，进水中也不含微生物群体； 3 ) 微生物在二次沉淀池中没有活性，不进行代谢活动； 4 ) 二次沉淀池中污泥没有积累，并且固、液分离良好： 5 ) 除特别注明外，都假定生物反应器内的物料是充分混合的。 因为推流式系统可以划分为n 个串联的完全混合子系统来处理。因此，这里 仅讨论l a w r e n c e m c c a r t y 模型在完全混合系统方面的应用。式( 卜3 ) 和式( 卜 4 ) 是该模型的两个基本方程式，并由此导出式( 卜5 ) 和式( 卜6 ) ，其突出特点 是强调了固体停留时间0 c ( s r t s o l i dr e s i d e n tt i m e ) 这一参数的重要性及其 在设计、运行中的意义。 瓦1 = y u ，以 u ：! 墨 3 k ，+ s 。 沪痞喾昔 ( 1 3 ) ( 1 4 ) ( 1 5 ) x：睾百y(soi-s)(1-6)lkr + 4 0 c 式中， v ：基质最大比去除速率( d - i ) ： k ，：半饱和常数； 杨：衰减常数，即微生物自身氧化率( d - ) ； - 4 菱望盔堂夔主堂垡丝塞一 y ：理论产率( m g 微生物m g 基质) ； o 。：固体停留时间( d ) 。 其它符号说明见上文。 应当注意： 1 ) x 随 。的延长而增加，s 。随 。的延长而降低，因为k d 一般很小，茁，相 对较大； 2 ) s 。与s 。无关。在一定程度上，s 。的提高使得x 增大，因而会有更多的基 质去除，理论上基质去除速度恰好抵消s 。增加的影响，此外，在完全混 合系统中进水基质进入反应器后迅速被稀释到浓度s 。，故s 。似乎与s 。无 关。但实际上，s 。不但与 。有关，而且与s 。也有关。 3 ) 在具有回流的处理系统中， 。与t 无关。实际上在废水生物处理装置正 常运行中，欲将 ，变成控制参数，首先必须满足最小t 的要求。为了较 好的转移水中的氧和改善污泥的沉降性能都需要有一定的时间。 1 9 8 3 年，国际水质协会i a w q ( i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no nw a t e rq u a l i t y ，即 以前的i a w p r c 和现在的i w a ) 组织了丹麦、美国、南非等五国专家，经过3 年多 时间的努力，在总结已有模型的基础上，推出了能够模拟活性污泥系统性能的活 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 a s mn o 1 ) ，它以矩阵的形式描述了污 水中好氧、缺氧条件下所发生的水解、有机物降解、微生物生长、衰减等8 种反 应，模型中包含1 3 种组分、5 个化学计量系数和1 4 个动力学参数口”。a s mn o 1 自推出以来得到广泛应用，但它的缺陷是未包含磷的去除。针对此问题，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 mn o 2 ) ，与a s mn o 1 相比，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 mn o 2 比a s mn o 1 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o ”。i a 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。1 9 9 9 年i a w q 的专家组，经过对1 号模型应用中的问题修正，推出活性污泥3 号模型( a s m n o 3 ) 。a s mn o 3 不以水解作用为重点、引入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“嗍】。 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的研究热点 之一，已有相当数量的论文和科研报告正式发表。儿” 5 ”。在科研成果的推动下， 已有许多大型污水处理厂在设计，改建和运行过程中应用了数学模型，此间也积 累了许多宝贵的经验。 而国内对活性污泥数学模型的研究尚处于起步状态，仅有几篇综述性质的文 章发表6 t 6 “，而对于模型在我国废水处理厂的应用和分析却鲜有报道。因此 活性污泥工艺模型的研究和应用必将推动我国污水处理工程的设计和管理水平。 i 3 本课题的研究目的和意义 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”o ”。 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 扩大到同时具有氦磷去除能力的系统( 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施。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。天津的两大污水处理厂( 天津纪庄子污水处理厂和天津东郊污水处理厂) 都 是活性污泥处理工艺，其硬件水平在建厂时均处于国内领先地位，但是多年来污 水厂运行管理主要依靠经验，淇管理水平距国际先进水平还具有较大差距。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。通过试验收集大量数据，得出适合于我国国情的模型参数及各地区城市污 水的特征，同时选出几个不同处理工艺的活性污泥法污水厂作为试点，使用a s m 进行静动态模拟，分析其结果，以便活性污泥模型的应用得到更广泛的推广。 本课题的主要研究内容和目标及技术措施为： - 6 - 天津大学硕士学位论文 对i a w q 的活性污泥数学模型进行研究分析，根据我国城市污水水质特征、 污水处理厂运行管理的实际情况，对模型进行适当修正和改进，建立适用于 特定污水处理厂( 如纪庄子污水厂) 处理工艺的数学模型。根据纪庄子污水 厂的长期水质监测资料，并补充一些必须的小型试验，探讨模型参数的测定 和确定方法，从而得出适合我国国情的模型参数系列：主要包括水质特征参 数、化学计量系数以及生化动力学参数。 以天津纪庄子污水处理厂为试验研究对象，应用活性污泥数学模型模拟污水 厂的运行管理方式、进水水质水量以及环境条件变化时对出水水质的影响， 检验模型的实用性和可靠性。 开发活性污泥工艺模拟软件a s p s c o 模拟系统。 第二章i a w q 活性污泥数学模型 2 1 活性污泥i 号模型( a s mn o 1 ) 为了鼓励环境科学家和工程师更广泛的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 年组织了多国专 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，在博采众家之长的基础上，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，阐明了活性污 泥l 号模型( a s mn o 1 ) 的主要特性。在模型的建立过程中，南非c a p et o w n 大 学的m a r a i s 教授和其同事卓越的建模思想起到了主要影响，他们大量的研究成 果在a s mn o 1 的体现处处可见o 。 因为a s mn o 1 是博采众长、集思广益的科研成果，并且它已经成功的应用 于模拟中试和现实废水处理系统的性能，因此它无疑将成为当今最为流行的应 用于废水生物处理领域的数学模型。事实上，a s mn o 1 的问世，引发了数学模 型在废水生物处理领域应用的革命。 2 2 a s mn o i 模型的缺点以及活性污泥3 号模型( a s mn o 3 ) 的引入 经过i a w q 活性污泥模型课题组的共同努力，1 9 8 7 年，a s mn o i 正式发表，继 而迅速传播，成为活性污泥系统数学模型的新规范。它已经作为许多环境工作 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 mn o 1 中存在着一些明显缺点： 1 ) a s mn o 1 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 mn o 1 模型中的微 分计算无法继续。 2 ) a s m n o 1 中包括了溶解性降解有机氮( s ) 和颗粒性降解有机氮( x 。) 。 在实践中，二者都不易测定，因而在许多版本的a s mn o 1 模型中已将其 删除。 3 ) a s mn o 1 中氨化反应的动力学难于定量化。在很多版本的a s mn o 1 中， 假定所有有机组分均为恒定组成，即恒定的n c o d 比。 4 ) a s mn o 1 对颗粒性情性有机物质按其来源将其区分为两类，即进水所 含的x 。和生物质衰减产生的x 。，而现实中，难于如此清晰的区分这两种 组分，因此a s mn o 3 中将x o 和原a s mn o 1 中的x i 统一考虑为x i 处理。 5 ) 水解过程制约着异养菌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 ) 如果易降解基质浓度较高时，在污水处理厂中可以观测到聚羟基烷酸 p h a s ( d 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 mn o 1 没有反映该储存过程。 8 ) a s mn o 1 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 mn o 1 不考虑对直观可见的混合液悬浮固体( m l s s m i x e dl i q u o r s u s p e n d e ds o l i d s ) 的预测。 考虑到a s mn o 1 存在的上述问题，活性污泥模型课题决定提出a s mn o 3 以改正以上缺点而建立新的标准。a s mn o 3 与a s mn o 1 中主要现象是相关的： 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，a s mn o 2 中的生物除磷在此不予考虑。a s mn o 3 包括1 3 个组分和1 2 个生化过程。a s mn o 3 仅考虑微生物转化过程不包括化学沉淀，但基于a s mn o 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。 在活性污泥系统中假定颗粒性组分与反应器内的活性污泥密切相关( 絮凝 到活性污泥中或者是活性污泥中本身含有的) 。颗粒性组分可在沉淀池中沉淀浓 缩，而溶解性成分只能在水中传输，并且，仅有溶解性组分可以带电荷。与a s m 1 和a s mn o 2 相比，a s mn o 3 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降 解基质x 。h4 j 6 “。 2 3 a s mn o 1 与a s mn o 3 模型的综合评价 业：3 与塑：! 复鍪性的殖比。a s mn o 3 与a s mn o 1 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 mn o 1 中易降解基质 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y 。的值。在a s mn o 3 溶解性c o d 仅由s 。和s 、组成，从两个模型所采用的典型废水组成可以看出：a s m 9 n o 3 中s 。占总c o d 的4 0 ，而不象a s mn o 1 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。 a s mn o 1 中引入了一衰减过程：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。a s mn o 3 引入了衰减过程的更为真实描述， 详见图2 1 。 图2 1a s mn o 1 与a s mn o 3 模型中c o d 的流程图 f i g u r e21f l o wo f c o d i n a s m n o1a n d a s m n o3 在a s mn o 1 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，而且仅有两个接入口。在a s mn o 3 中，硝化菌( 白养菌) 与异养菌清晰地 区分，c o d 流向不存在交叉，有多个氧的接入口。 a s mn o i 中c o d 流向非常复杂。异养菌的分解再增长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 mn o 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。 a s mn o 2 相似，a s mn o 3 中包含了细胞内储存物质。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( x 。和x ；。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x 。x 。的比值有关。 目前，a s mn o 3 还没有经过大最的运行数据的验证，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 mn o 3 的优点 是即使铵敲和碳酸氨盐限制了微生物的新陈代谢，也无需调整其模型结构。相 信在a s mn o 3 应用的过程中，它会得到不断的完善和推广。 2 4 目前流行的废水处理工艺模拟系统( i 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系统计算机模拟系统 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。 表2 1 废水生物处理模拟软件总汇 t a b l e2 1 s i m u l a t i n gs o r w a r eo f b i o l o g i c a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n t 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 ，并包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 8 s1 g 5c a n a d a s s s p a s mn o 1 c p l e s l i e g r a d a yj r 。e n v i r o n m e n t a ls 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 c2 9 6 3 4 - 0 9 1 9u s a e f f o ra s mn o i 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 t u 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 i 模拟s b r 工艺j u r g e no l e s ，t e c h n i c a l u n i v e r s i t yh a m b u r g - h a r b u r g ，e i s s e n d o r t f e rs 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 其中尤以g p s x 模拟软件o ”系列稳居环境保护i t 产业的首席地位。g p s x 是由加拿大h y d r o m a n t i s 有限公司开发并发行的废水处理模拟系统，其强大的 功能，友好的用户界面赢得了世界上众多用户的好评。g p s x 是一应用于城市 污水和工业废水的处理系统建模和模拟的模块化，多目标计算机开发软件。不 管是设计新建废水处理系统，还是模拟已建废水处理厂的运行，它都能大大地 提高设计质量和运行效率。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，我们可以通过优化已建处理设施的 运行方式来提高处理厂的