（环境工程专业论文）活性污泥法处理城市生活污水的asm2d模型研究.pdf

摘要 摘要 活性污泥法是污水处理中较成熟的生物处理工艺，为大多数城市污水厂所采 用。对活性污泥法的模型研究也从最初的静态模型发展到机理描述更为全面的动 态模型。然而目前对活性污泥工艺的设计与出水水质的预测还多以早期的数学模 型为依据，而这些早期的数学模型存在着一些局限性，在实际应用中存在着出水 不理想等问题。另一方面，污水处理排放标准的提高对污水处理工艺的设计提出 了较高的要求，同时污水处理厂也对工艺的设计提出了保证出水水质并最大化地 降低投资与经营成本的要求。 这些因素促使人们寻求更完善的活性污泥数学模型与工艺设计方法。本论文 正是基于这一原因展开对活性污泥法处理城市生活污水的模型研究。 首先，确定合适的活性污泥机理模型。由于新建工艺需要满足出水n 、p 的 排放标准，作为设计依据的活性污泥数学模型必须能够清楚地描述污水处理脱氮 除磷过程。根据目前脱氮除磷模型的发展，同时考虑反硝化除磷的存在及其重要 性，选用了国际水协报道的活性污泥数学模型n 0 2 d ( a s m 2 d ) 作为研究我国城市 污水活性污泥法处理的机理模型。 其次，剖析基于活性污泥数学模型的污水处理模拟软件。基于活性污泥数学 模型开发的污水处理模拟软件把活性污泥法的动态机理与具体的污水处理工艺 结合起来。论文详细剖析w e s t 模拟软件，并对典型模拟商用软件进行综合分析， 指出这些软件在具体应用中存在优点与不足。 第三，解决模型参数与进水组分的估测问题。针对模型参数与进水组分估测 所存在的困难，论文从如何缩小参数与组分的估测范围、实验室测定方法研究与 参数的软件校正这几方面进行分析，确定城市污水水质与模型参数的属地化研 究。 第四，开发模拟程序。结合对我国污水处理模型参数的测定与分析基础，自 主开发了带有自建二沉池模型的模拟程序a s m 2 g 。论文从模拟基础、核心内容与 模拟过程这几方面介绍基于a s m 2 d 机理所开发的模拟程序a s m 2 g ，并分析了自建 二沉池模型的机理与应用。 最后，应用几个示例说明了a s m 2 d 模型在我国城市污水处理中的广泛用途。 论文用模拟程序a s m 2 g 先后模拟了实际污水处理厂与实验室工艺a a o 处理城 市生活污水。通过一定的数据分析、参数校正后，模拟精度达到9 0 以上，表明 a s m 2 d 在我国城市污水处理模拟上的优势。在成功模拟实验室a a o 工艺的污水处 理基础上，本论文研究了用自编程序对a a o 工艺的优化设计，通过详细的分析， 摘要 确定满足排放要求的设计方案。 总结本论文，这些研究结果表明了a s m 2 d 模型的正确性和实用性，基于此模 型开发的模拟软件在污水处理上具有很好的应用前景。 关键词：城市生活污水，活性污泥法，脱氮除磷，a s m 2 d ，模拟程序a s m 2 g i i a b s t r a e t a b s t r a c t a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s si sad e v e l o p e db i o l o g i c a lp r o c e s so fw a s t e w a t e r t r e a t m e n t ，w h i c hh a sad o m i n a n t l ya p p l i c a t i o ni nm o s to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s ( w w t p s ) t h eh i s t o r i ca n dd e v e l o p m e n t a lr e s e a r c h o na c t i v a t e ds l u d g em o d e l s i n v o l v e si ns t a t i cs t a t em o d e l sa n dd y n a m i cs t a t em o d e l s ，w h i c hw e r ee m p l o y e dt o i n t e r p r e tt h em e c h a n i s mo fb e t t e rb i o c h e m i s t r yr e a c t i o n so fa c t i v a t e ds l u d g e i n w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t s t h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e l sc r e a t e db yi w ap r o m o t et h e a p p l i c a t i o no fm o d e l si nd e s i g n ac o m p r e h e n s i v ea n dl o g i c a l l yd y n a m i cm o d e li s c r i t i c a li nt e r mo fa p p l i c a t i o no ft h ed e s i g na n dm o d e l i n go nw 唧s f i r s t l y , t h e p r e s e n td e s i g nf o rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t si s s t i l lb a s e do nt h ep r i m a r ys t a t i s t i c s t a t em o d e lo fa c t i v a t e ds l u d g e ，w h i c hm e e t sm a n yp r o b l e m si na p p l i c a t i o ns u c ha s t h ee r r o ro fm o d e l i n gr e s u l t sc o m p a r i s o nt ot h et e s t e do n e s ，t h ed i f f i c u l t i e si np r o c e s s o p t i m i z a t i o ne t c t h u s ，am o r ec o m p r e h e n s i v ea c t i v a t e ds l u d g em o d e lf o rw a s t e w a t e r t r e a t m e n ti sn e e d e dt ob et h eb a s i so fd e s i g n s e c o n d l y , t h ed i s c h a r g es t a n d a r do f p o l l u t a n t s f o rm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n tr e q u i r e s t h ev e r yl i m i t e d c o n c e n t r a t i o no fn i t r i d ec h e m i c a l sa n dp h o s p h o r u sc h e m i c a li nt h ee f f i u e n to f w w t p s t om e e tt h i sd i s c h a r g es t a n d a r d ，m o r ep r o c e s s e so nd e n i t r i f i c a t i o na n d d e p h o s p h o r i z a t i o na r ed e s i g n e dt ob ea p p l i e di nw w t p s a n dm o r ew w t p ss h o u l db e b u i l t f i n a l l y , w w t p sp u r p o s er e d u c i n gt h eo p e r a t i o nc o s t a n di n v e s t m e n ta n d a u t o m a t i c a l l yc o m p u t e r i z i n gp r o c e s sb yab e t t e rm o d e lo rm o d e l i n go fa c t i v a t e d s l u d g ep r o c e s s a c c o r d i n gt ot h e s ec h a l l e n g i n gf a c t o r s ，t h er e s e a r c ho ft h i st h e s i se m p h a s i z eo n m o d e l sa n dm o d e l i n go fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t sb ya c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ， e s p e c i a l l yo nd e n i t r i f i c a t i o na n dd e p h o s p h o r i z a t i o n t h e r ea r ef i v ep a r t si nt h i st h e s i st or e s o l v et h ep r o b l e m s f i r s to f a l l ，s e l e c t i n gas u i t a b l em e c h a n i s mo fa c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s st om o d e l w w t p s a c c o r d i n g t ot h e d e v e l o p m e n t o fm o d e l so nd e n i t r i f i c a t i o na n d d e p h o s p h o r i z a t i o na n dt h e i rc o m p a r i s o no nm e c h a n i s m ，a s m 2 d ( t h ed e v e l o p m e n to f a c t i v a t e d s l u d g e m o d e ln o 2 ) i s r e l a t i v e l yc o m p r e h e n s i v e i nm e c h a n i s mo f d e n i t r i f i c a t i o na n dd e p h o s p h o r i z a t i o n t h u s ，t h i st h e s i se m p h a s i z eo na s m 2 da st h e b a s i cm e c h a n i s mo fa c t i v a t e ds l u d g em o d e l s e c o n d l y ，a n a l y z i n gt h ep r e s e n tw e l l k n o w ns i m u l a t i o ns o f t w a r eo fw w t p s o n i i i a b s t r a c t t h eb a s eo fa c t i v a t e ds l u d g em o d e l s d u et os om a n yc o m p o n e n t s ，p a r a m e t e r s ，r e a c t i o np r o c e s sa n di n t e r a c t i o n so f c o m p o n e n t sa n dt h ep a r a m e t e r si nt h e s ea c t i v a t e ds l u d g em o d e l s ( a s m s ) ，i tn e e d sa p l a t f o r mt oa n a l y z et h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tw i t ha c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s i nt h e m a r k e t ，m a n yc o m p a n i e so fc o m m e r c i a ls o f t w a r ep r o d u c ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t ss i m u l a t i o ns o f t w a r eb a s e do na s m s i no r d e rt od e v e l o p o u rr e s e a r c ho na s m s a n di t sa p p l i c a t i o n ，t h et h e s i sa n a l y z e st h ea p p l i c a t i o no ft h o s es o f t w a r e ，t h e r e a d v a n t a g ea n dd i s a d v a n t a g e w h i l e t h i ss o f t w a r eh a sal o n gd i s t a n c et ob ea p p l i e di n t h ew w t p si nc h i n ab e c a u s et h ed e f a u l tv a l u e so fp a r a m e t e r sa n dc o m p o n e n t sa r e d i f f e r e n tf r o mt h a ti nc h i n e s ew w t p sa n dw a s t e w a t e r t h e r e f o r e ，t h ep r o c e s sm o d e l s a r es u b j e c tt ol i m i tt h ea p p l i c a t i o no fs o f t w a r ei nc h i n a t h i r d l y , f i g u r i n go u tt h er e a s o n a b l ev a l u e so f t h ec o m p o n e n t sa n dp a r a m e t e r s t or e t r i e v et h ev a l u e so ft h ec o m p o n e n t sa n dp a r a m e t e r si st h ep r e c o n d i t i o no f m o d e l i n gw w t p s 。i nt h i st h e s i s ，t h ep r o p o s e dm e t h o di s ：t oc l a s s i f yt h ep a r a m e t e r s a n dc o m p o n e n t si n t oi m p o r t a n to n e sa n dn e g l e c t a b l eo n e s ；t od e v e l o pt h eb e t t e r m e t h o d st oe v a l u a t et h ep a r a m e t e r sa n dc o m p o n e n t s ；a n dt oc a l i b r a t ea n dv a l i d a t et h e v a l u e so fp a r a m e t e r sa n dc o m p o n e n t s f o u r t h l y , d e v e l o p i n gt h em o d e l i n gp r o g r a m ，m o d e l i n gt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n t s y s t e ma n do p t i m i z i n gt h ed e s i g no fp r o c e s s a m o d e l i n gp r o g r a mb a s e do na s m 2 d ，n a m e da s m 2 g , i sd e v e l o p e dt or e s o l v e t h ep r o b l e m si nm o d e l i n ga n dm o d e l s n er e s e a r c ho nt h em e a s u r e m e n to f p a r a m e t e r sa n dc o m p o n e n t si nl o c a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n ts y s t e ma r et a k e na c c o u n t i n t ot h i sp r o g r a m i nt h i sp r o g r a m ，an e ws e c o n d a r yc l a r i f i e rm o d e li sd e v e l o p e db y t h ea u t h o rt ob e t t e rt h eu n d e r s t a n d i n go ft h es e c o n d a r yc l a r i f i e r t ov e r i f yt h ev a l i d i t y o fa s m 2 da n da s m 2 g ，al o c a lm 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 ta n dm u n i c i p a l w a s t e w a t e rt r e a t m e n tb ya a o p r o c e s si nl a bs c a l ew e r em o d e l e d t h ef i n a lm o d e l e d v a l u e so fc o m p o n e n t si ne f f l u e n ta r ei nc o n s i s t e n c e 、v i t ht h ee x p e r i m e n t a lo n e s ，w h i c h v e r i f yt h a ta s m 2 d c a nm o d e lt h ea c t i v a t e ds l u d g es y s t e mv e r yw e l l a d d i t i o n a l l y , o n c es i m u l a t i o ns o f t w a r eo ft a k a c sm o d e lf o rs e c o n d a r yc l a r i f i e rm o d e li sa p p l i e d t om o d e la b o v ep r o c e s s e s ，t h em o d e l e dv a l u e sa r es i g n i f i c a n t l yd i f f e r e n t 、) l ，i 1t h e t e s t e do n e i th i n t st h a tt h en e ws e c o n d a r yc l a r i f i e rm o d e la p p l i e di na s m 2 gi sa m u c hb e t t e ro n e w i t ht h ec a l i b r a t e dv a l u e so fp a r a m e t e r sa n dc o m p o n e n t s ，t h et h e s i so p t i m i z e d d e s i g nt h ea a op r o c e s sb yc h a n g i n gt h ev o l u m e so ft h e s er e a c t o r sa n dt h ef l o wr a t e i v a b s t r a c t i nn i t r o g e n o u sr e c y c l ea n ds l u d g er e c y c l ew i t hm o d e l i n gp r o g r a ma n df mm e t h o d t h ei - e s u l ts h o w e dt h a tm o d e l i n gp r o g r a mh a dm o r ea d v a n t a g e si np r o c e s sd e s i g na n d o p t i m i z a t i o n f i n a l l y , s u m m a r i z i n gt h er e s u l t si n t h i sr c s e a r c h ，g i v i n gs o m es u g g e s t i o na n d m a k i n gs o m e c o m m e n t so nf u r t h e rd i r e c t i o n sf o r t h er e s e a r c hp r o j e c t k e yw o r d s ：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 ep r o c e s s ，d e n i t r i f i c a t i o na n d d e p h o s p h o r i z a t i o n ，a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 2 d ，s i m u l a t i o np r o g r a m a s m 2 g v 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务：学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：郭亚萍圣绎 一 一tr 静 2 0 0 5 年8 月1 日 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在3 年解密后适用本 授权书。 指导教师签名锄锄缈 学位论文作者签名：郭亚萍 沙舜ld 月t o 日 2 0 0 5年8 月1 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：郭亚萍 2 0 0 5 年8 月1 日 申请同济大学博士学位论文 第1 章研究背景 第1 章研究背景 本课题来源于国家自然科学基金重点项目“城市污水处理系统的智能控 制理论、方法与技术( 编号：5 0 1 3 8 0 1 0 ) ，同时也是上海市重点学科建设项目： 工业废水及城市污水处理机构与高效反应器研究。本课题是针对我国城市污水处 理发展趋势与现状及污水处理的热点与难点提出的。 1 1 国家对污水处理要求提高 国家对污水处理率要求的提高与城市规模发展与人口增长引起污水量的逐 年增长，需要投资新建或改建大量污水处理厂。 据有关资料统计【l - 2 ，到2 0 1 0 年，我国的城市污水排放量将达到7 8 0 亿吨 年，其中城市生活污水比2 0 0 0 年增长了近1 3 倍，而且在随后的4 0 年中还将不 断增长，c o d 更是以1 千多万吨年的排放量进入河流中，给河流造成很大污染， 具体统计数值如表1 1 所示。 表1 1 近5 0 年内的污水排放与处理预测 年份1 9 9 7 年2 0 1 0 年 2 0 3 0 年2 0 5 0 年 污水排放( 亿吨年) 3 5 l6 4 08 5 01 0 8 0 处理率( ) 1 4 3 55 08 09 5 未处理的污水排放量( 亿吨年) 3 0 3 13 2 0 1 7 05 0 c o d 排放量( 万吨年) l 1 0 71 4 4 01 2 7 51 2 0 5 c o d 排放量 11 31 。1 51 1 我国存在水资源紧缺问题，许多城市严重缺水，其中6 4 0 个城市中有3 0 0 个城市处于缺水状态。而水污染则进一步破坏了本已不足的水资源。水资源短缺 及人们对环境质量要求提高，这都使解决水污染成为一个迫切的问题。而建造城 市污水处理厂已被证明是解决城市水污染的一条有效途径，也就是说现代化的污 水处理厂应具有双重功能，一方面是消除城市排水的污染问题、另一方面还可减 轻城市水资源紧张的任务。 我国对环境治理越来越重视，并把环境保护具体计划提上日程。国民经济发 展计划和水污染防治规划中城市污水处理规划明确要求：到2 0 1 0 年，我国城市 化率将达4 0 ，城镇人口总量将从现在的3 8 亿增加到6 7 亿，城镇需水量将从目 前的8 5 8 亿立方米增加到1 2 9 0 亿立方米。污水处理率建制镇不低于5 0 ：国家 环境保护“十五”计划中要求到2 0 0 5 年，我国城市生活污水集中处理率要达到 4 5 ( 5 0 万人口以上的城市要达到6 0 ) ；到2 0 1 0 年，所有城市的污水处理率 申请同济大学博士学位论文 第i 章研究背景 不得低于6 0 ，直辖市、省会城市、计划单列市以及重点风景旅游城市的污水处 理率不低于7 0 。目前国家环境保护“十一五 规划提出的对应指标为：城镇污 水处理率( 二级) 大于6 0 ，其中，特大和大城市达到8 0 以上，中等城市达 到6 0 ，县城达到5 0 ，生活污水集中处理率大于4 5 。国家远期计划在2 0 5 0 年污水处理率达到9 5 。 这样一来，为解决日益增加的污水量与国家对污水处理的新要求之间的矛 盾，就需要新建或改建许多城市污水厂。此外，随着n 、p 等营养物带来的污染 问题，各国对污水处理的排放标准也随之提高，要求污水处理厂对污水中的氮、 磷等营养物质进行控制，使出水中的n 、p 达到一定的排放要求。 表1 2 污染物排放标准中基本控制项目最高允许排放浓度( 日均值，单位m g l ) 绷钚蹴 序号荽举控制顼目= = = 缀孙嘏曼级标准 a 标准b 杯准 l亿掌衍敏盈( c o d ) 5 0f i 0王o o1 2 0 ” 盔化船钣酝( b o d ，) l o2 03 06 0 。 3怂浮物( s s )1 02 0 3 0 5 0 4 动植物油 l3s2 0 _ 石漓类l351 50 6 胡离予袭蔺活性鹅 o 5i20 7 总飒以n 计 1 52 0 8镊链以x 计) 管 5 ( 8 ) 8 l 寻)2 5 ( 3 0 ) 总磷2 0 0 5 年1 2 月3 1 翰能建段的l 1 53舂 9 ( 以p tj2 0 0 8 年l 目lu 起建设的 o 5l35 1 0貌度稀秘衙数)3 03 04 0 5 0 l l p h 6 - 9 1 2巍人肠蔚耩数( 个l )1 0 11 0 1 0 注：下列情况下按去除率指标招待：当进水c o d e r 大于3 5 0 m g l 时，去除率 应大于6 0 ：b o d 5 大于1 6 0 m g l 时，去除率应大于5 0 。 括号外数值为水温 1 2 时的控制指标，括号内数值为水温1 2 时的控 制指标。 我国新颁布的城镇污水处理厂排放标准( g b1 8 9 1 8 - - 2 0 0 2 ) q b l 4 1 ，根据城镇污 水处理厂排入地表水域环境功能和保护目标，以及污水处理厂的处理工艺，将基 本控制项目的常规污染物标准值分为一级标准、二级标准、三级标准。一级标准 分为a 标准和b 标准。一类重金属污染物和选择控制项目不分级。一级标准的 a 标准是城镇污水处理厂出水作为回用水的基本要求。当污水处理厂出水引入稀 释能力较小的河湖作为城镇景观用水和一般回用水等用途时，执行一级标准的a 标准。城镇污水处理厂出水排入g b 3 8 3 8 地表水i 类功能水域( 划定的饮用水水 源保护区和游泳区除外) 、g b 3 0 9 7 海水二类功能水域和湖、库等封闭或半封闭 2 申请同济大学博士学位论文 第1 章研究背景 水域时，执行一级标准的b 标准。城镇污水处理厂出水排入g b 3 8 3 8 地表水、 v 类功能水域或g b 3 0 9 7 海水三、四类功能海域，执行二级标准。非重点控制 流域和非水源保护区的建制镇的污水处理厂，根据当地经济条件和水污染控制要 求，采用一级强化处理工艺时，执行三级标准。但必须预留二级处理设施的位置， 分期达n - 级标准。对这些标准的基本控制项目排放浓度要求如上表所示。 污水处理率要求的逐年提高与污水处理出水排放标准的提高以及城市发展 与人口引起污水量的不断提高，这些因素都要求有更多的污水处理厂并具有脱氮 除磷工艺，使出水满足新的排放要求。 另一方面同，污水处理厂需要一种合理可靠的设计方法来实现污水处理的经 济效益与环境效益的统一。 我国的污水厂建议原来由政府投资。由于建设大型城市污水处理厂的投资很 大，我国的建设资金有限，出现了建不起、更运行不起的状况，无法适应水污染 治理的需要。改革开放后，逐步走向市场经济的方式。对城市污水处理厂的管理 与投资形式由原先以政府管理运行为主向政府与企业分别承担所有权与经营管 理权转变。同时，引进国外资金建设污水处理厂成为建设资金的重要组成部分， 如：我国2 0 世纪最大的污水处理厂高碑店污水厂等。b o t 形式 4 - 7 的污水处理管 理与运行使得污水处理厂有了企业的特性。污水处理厂投资者与管理者的目标是 既能达到排放标准，又可节省投资、占地面积和运行费用。因此，对污水处理厂 的设计提出了更高的要求，需要设计方案既能够保证污水厂运行的经济效益，又 能够达到环境效益，甚至还希望能够实现污水处理与管理的智能控制。 目前污水厂设计所采用的设计方式，主要是以稳态模型为依据来设计污水厂 工艺【8 - 9 1 。应该说，早期的活性污泥稳态模型如m c k i n n e y 方程、l a w r e n c e m c c a r t y 模型等对微生物合成代谢和污水基质降解的关系进行了很多研究，也通过试验数 据和热力学分析了解微生物和基质转化的定量关系，对指导污水厂的设计运行很 有帮助。但是，早期模型存在一些明显的缺点：对污水的复杂成分进行单一化处 理，将污水中的物质都看作是性质均一的物质，认为都可溶且具有相同的降解速 率；对污水在处理系统中不同环境条件的反应器中的污染物降解考虑不全，只考 虑污水的好氧降解而忽略了缺氧条件下的降解。 后期的稳态模型如c h u d o b a t u e e k 模型、a r g a m a n 模型等改进了早期稳态模 型对物质的单一化处理，对污水组分和污泥组分进行了一定的分类，能够相对较 准确地计算完全混合活性污泥工艺的反应池体积、需氧量、污泥产量等重要数据。 但是建立稳态模型所提出的一些假设与前提使得模型并不能适用许多污水厂。例 如稳态模型不考虑污水中有机物的降解速率并不同这一事实，而设定污水中的所 有有机物质其降解速率都相同。这种假设在大多数情况下并不能成立，因此，用 3 申请同济大学博士学位论文第1 章研究背景 稳态模型设计污水处理厂，就存在对污水物质的降解速率考虑不全面而无法很好 计算出最终出水的物质浓度，对工艺的设计效果预测存在较大的偏差。同时，稳 态模型虽然对污水成分进行了一定的细分，但是对于成分复杂的污水系统，这些 细分只能粗略反映污水的组成，而没有进一步考虑污水的水质特性，这也是其设 计存在偏差的原因之一。此外，稳态模型只能对污水厂出水的长期预测，而无法 实现短期的分析与预测，更不可能实现基于模型来管理或控制污水厂的运行。 因此，这些模型还不能充分描述复杂多变的污水与污水处理中的动态过程。 同时，设计中往往由于一些参数数值选择范围大，又存在不确定性，对污水处理 的设计没有针对性，无法详细分析污水的水质，从而使得工艺的设计带有一定的 缺陷，给设计效果的精度带来很大影响。同时，常规设计是对长期数据的分析， 无法做短期的出水预测，也无法做到很好地分析工艺的出水效果，光从设计本身 很难体现工艺的设计效果，无法进行工艺的最优化选择。而如果对多种工艺进行 小试或中试比较，则不仅周期较大，而且在成本上也花费很大，很难真正实现的。 面对污水处理厂的发展前景与现有设计存在的问题这些矛盾，如何找到更完 善可靠的设计方法，不仅可以预测污水处理厂的出水情况，同时又分析污水处理 厂的运行状况，这成了国内外许多污水处理专家与污水处理厂所关心的问题。而 设计的“灵魂 是机理模型，因此，设计者与污水处理厂都希望找到一种全面可 靠的机理模型，能够较全面地描述复杂的活性污泥系统的多种因素与反应过程， 进一步反映污水水质物质组成，从而可以以此为基础进行进出水的模拟与工艺仿 真，预测污水厂的出水情况，辅助工艺选择、方案确定、管理与指导污水厂的操 作与运行，提供一定的决策支持，为污水处理厂的设计和运行管理提供良好的基 础，保证污水处理厂的正常运行，节约污水厂运行费用。 1 2 国际水协的a s m s 提供了工具 污水处理排放标准的提高对污水处理工艺的处理效果有了新的要求，除了要 求工艺的出水中c o d c r 、b o d 5 等这些反映有机物污染程度的指标，还要求反映 n 、p 营养物的指标n h 4 - n 、t n 、p 0 4 p 、1 1 p 的达标。因此，要求污水处理工艺 不仅具有除碳的功能，还要能够实现脱氮除磷。 为了满足出水氮、磷的要求，污水厂要考虑除磷脱氮工艺，已有的污水厂也 要进行改造，这些因素要求用于污水厂设计及运行指导的活性污泥数学模型也具 有脱氮除磷方面的功能。因此，对脱氮除磷的数学模型研究成为必要。 活性污泥法是当今国内外污水处理厂采用的主体工艺【m 1 1 1 。以生物处理为基 础的活性污泥法运行成本低，有近百年的发展历史，是较成熟的污水处理工艺。 4 申请同济大学博士学位论文 第i 章研究背景 我国新建及在建的城市污水处理厂所采用的工艺中，各种类型的活性污泥法仍为 主流，占9 0 以上。因此，对活性污泥法的工艺与机理的研究对城市污水处理十 分重要0 。 作为工艺设计的主要工具，活性污泥数学模型的完善对工艺设计的效果起了 很关键的作用。良好的数学模型能够较全面地反映复杂的活性污泥系统的多种因 素与反应过程，从而可以辅助工艺选择、设计与污水厂的运行，并提供一定的决 策支持。在活性污泥法的动力学研究方面，经历了一个发展过程。从1 9 5 0 年代 以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 活性污泥法模型为代表的基于 m o n o d 方程的活性污泥模型到1 9 8 7 年后国际水协( i w a ) 陆续推出的一系列活性 污泥数学模型( a s m s ) 【。其中，国际水协的活性污泥数学模型为污水处理界带来 了许多重要信息。国际水协( 简称i w a ) 是针对活性污泥法设计和运行而成立的课 题组，旨在能够很好地理解与设计复杂活性污泥系统。i w a 在活性污泥数学模 型上最大的贡献就是把已有的机理模型与工艺过程相结合，形成一系列动态模型 ( a s m l 、a s m 2 、a s m 2 d 、a s m 3 ) t 1 2 之0 】，并且通过许多实际污水厂的实测分析与 统计推荐一套模型参数的典型值，同时，采用统一的单位便于物质之间的相互转 化计算。它对活性污泥数学模型的研究成果为污水处理设计与管理提供了很好的 思路，成为大家研究的热点。 在国际水协的这些模型中，a s m 2 d 模型是针对活性污泥系统的脱氮除磷机 理而发展的较全面的机理模型，对目前排放标准中对n 、p 有要求的工艺设计很 有帮助。 由于a s m 2 d 是在a s m 2 的基础上扩展而成的，而a s m 2 则建立在a s m l 基础上，因此，要全面了解a s m 2 d 模型，必须先了解a s m l 与a s m 2 这些前期 模型。 1 2 1a s m l 的发展 a s m l 即活性污泥l 号模型( a c t i v a t e ds i u d g em o d e ln 0 1 ，a s m l ) ，是国际水 协于1 9 8 7 年推出的动态数学模型t i l l 5 j 。该模型着重于描述废水生物处理的基本 原理、过程及其动态模拟，首次把氮的去除纳入模型，描述了活性污泥去除有机 物和硝化反硝化的生物过程。 在污水组分上，不同于以往的常规水质测试参数c o d e r 、b o d 5 、t s s 等这 些反映污水物的表观参数，而是结合了污水中的典型物质与特性，先分为溶解性 与颗粒性两大类，再进一步细分为1 3 种组分。其中常规的c o d e r 被分为溶解性 惰性有机物s i 、快速降解有机物s s 、颗粒性惰性有机物x i 、慢速降解有机物x s 、 细胞衰减产物x p 、异氧菌x h 与自养菌x a 等，这些物质因为与c o d 有关，因 5 申请同济大学博士学位论文 第1 章研究背景 此，其典型单位都是m g c o d l ，这样可以更好的反映生化反应中电子传递的本 质。颗粒性有机组分还可以通过适当的转换因子表达成重量单位，和v s s 对应。 而t n 则分为颗粒性有机氮与硝酸盐、氨氮这三种，其单位为m g n l 。同时用碱 度s a t k 来估计生物反应中电荷的连续性，同时预测可能出现的低p h 值情况，单 位为m o l ( h c 0 3 3 l 。另外还有一个溶解氧参数用s o 表示，为便于计算与c o d 的关系，并保持模型的电子转移平衡，单位用m g c o d l 表示。 这些物质中，溶解性惰性有机物s i 和颗粒惰性有机物x l 不参加任何生化反 应，但是它们影响系统出水s s 浓度和污泥产率的预测；易降解有机物s s 在好氧 或者缺氧状态下直接被微生物利用，它可以来自于污水，也可以由慢速降解有机 物水解产生；慢速降解有机物x s 不能直接被微生物利用，它的降解必须先经过 水解反应。它来自于污水或者微生物衰减：异养菌x h 是在好氧或者缺氧条件下 利用易降解有机物生长形成，又因为衰减而减少：自养菌x a 仅在好氧条件下产 生，它直接利用无机碳源而不利用有机底物，从氨氮的硝化过程获得生长能量： x p 是微生物在衰减过程中产生的惰性物质，它是污水中的有机物被生物代谢后 的终点形态之，另一种是c 0 2 ：溶解氧s o 用于计算生化反应的耗氧速率和需 氧量，a s m l 模型本身不包含充氧过程，但是通过需氧量计算可以为设计师提供 设备选型的依据；硝酸盐s n o 代表了所有氧化态的氮，包括硝酸盐和亚硝酸盐： 溶解性氨氮s n h 是铵和氨的总和，两者可以相互转换，其来源包括污水、氨化作 用和微生物的衰减释放，它的去除过程主要靠硝化过程和微生物细胞合成；溶解 性有机氮s n d 和颗粒性有机氮x n d 分别和易降解有机物s s 和慢速降解有机物x s 相对应，代表可以直接氨化和需要先进行水解反应的有机氮，它们通过氨化作用 去除，又因为微生物的衰减作用而产生；碱度s a l k 对出水水质没有直接影响， 但它是影响硝化反应的重要因素，通过它可以检查硝化反应是否能够正常进行。 它也参与所有与氮相关的反应。 活性污泥法处理污水的核心过程是微生物利用基质的生长过程，及微生物的 衰减和底物的降解前变化如水解和氨化等过程。对于微生物的生长( 底物降解) ， a s m l 采用了m o n o d 方程的形式，描述动态运行中的反应池其底物浓度有高有 低这一实际情况。对于微生物衰减是包括生物死亡、细胞分解、生物捕食等多种 途径的复杂过程，a s m l 采用d o l d 等人的死亡再生模型，认为微生物会以相同速 率衰减，对这个过程中发生的c o d 损失通过参数调整转移到微生物生长过程， 体现了对代谢残余物的再利用。这样，就避免了基于内源呼吸机理所表达的微生 物衰减机理存在的无氧条件下的模型复杂性与不确定性( 在无溶解氧条件下，微 生物发生衰减时，可能是以硝酸盐为电子受体，或者是发酵过程，不同情况下有 不同比例的c o d 损失。如果不同情况分别描述会使模型复杂化) 。 6 申请同济大学博士学位论文第1 章研究背景 a s m l 用异氧菌的好氧生长、异氧菌的缺氧生长、自养菌的好氧生长、异氧 菌的衰减、自养菌的衰减、可溶性有机氮的氨化、慢速降解有机物的水解、颗粒 有机氮的水解等这8 个反应过程来描述活性污泥处理污水的动态过程，并用开关 函数调节溶解氧对反应过程的限制，便于区分好氧条件与缺氧条件下的反应过 程。对这些反应过程用化学计量学参数与动力