【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 則致力于活性污泥數(shù)學(xué)模型理論及計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在國(guó)內(nèi)的普及、應(yīng)用和發(fā)展。國(guó) 6 第 1 章 總論 家 “ 十五 ” 科技攻關(guān)計(jì)劃重大項(xiàng)目 “ 水安全保障技術(shù)研究 ” 的重要組成部分 “ 城市 污水再生利用 ” 課題對(duì)處理污水水質(zhì)提出了更高要求。特別是 2020年 3 月 11日，以“ 大 部制 ” 為核心的新一輪國(guó)務(wù)院機(jī)構(gòu)改革方案出臺(tái)，國(guó)家環(huán)?？偩稚駷榄h(huán)境保護(hù)部， 環(huán)境保護(hù)部的組建能從根本上理順環(huán)境部門、農(nóng)業(yè)部、林業(yè)部、水利部之間的關(guān)系， 實(shí)現(xiàn)資源的整合，提高工作效率。我國(guó)對(duì)環(huán)保重視的程度越來(lái)越大，作為污染防治 的重點(diǎn)項(xiàng)目，污水處理模型的研究會(huì)進(jìn)一步對(duì)我國(guó)環(huán)保事業(yè)做出貢獻(xiàn)。 1． 4 本研究的主要內(nèi)容，方法及意義 1． 4． 1 本研究的意義 隨著我國(guó) “ 十一五 ” 規(guī)劃的出臺(tái)，國(guó)家發(fā)展改革委、水利部、建設(shè)部印發(fā)了《節(jié) 水型社會(huì)建設(shè) “ 十一五 規(guī)劃》，對(duì) “ 十一五 ” 期間全國(guó)節(jié)水型社會(huì)建設(shè)作出全面部 署。我國(guó)在今后數(shù)年內(nèi)將建設(shè)大批污水處理廠，需要實(shí)行最優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理， 我國(guó)在模型研究和應(yīng)用方面與國(guó)外的差距應(yīng)該借機(jī)進(jìn)行縮小，以提高城市污水處理 廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理水平，減少投資和運(yùn)行成本，提高處理效果，這無(wú)論是在實(shí)際應(yīng) 用方面或是在理論方面都具有重要意義。 國(guó)外模擬應(yīng)用軟件發(fā)展相對(duì)成熟，但其設(shè)計(jì)是基于國(guó)外污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行， 與我國(guó)實(shí)際情況有一些偏差，其軟件進(jìn)軍中國(guó)市場(chǎng)還需進(jìn)行一些調(diào)整與修改，加上 價(jià)格昂貴，因此在國(guó)內(nèi)污水處理廠實(shí)際生產(chǎn)中并沒(méi)有被普及使用。 因此加強(qiáng)模型分析研究以及有較強(qiáng)商業(yè)化潛力的軟件的自主開發(fā)，不僅對(duì)于我 國(guó)順利實(shí)現(xiàn)節(jié)水型社會(huì)建設(shè) “ 十一五 ” 規(guī)劃意義重大，對(duì)于我國(guó)自主專業(yè)化軟件產(chǎn) 業(yè)同樣意義深遠(yuǎn)。 1． 4． 2 本研究的主要內(nèi)容及方法 以前國(guó)內(nèi)開發(fā)的一些軟件程序以面向過(guò)程為主，對(duì)于操作人員專業(yè)水平，以及 計(jì)算機(jī)操作水平，編程能力要求較高，在實(shí)際污水處理廠運(yùn)行時(shí)需要專家進(jìn)行指導(dǎo) 培訓(xùn)，且開發(fā)出來(lái)的軟件均為對(duì)特定工藝流 程進(jìn)行模擬，工藝模擬較單一，適應(yīng)性 不強(qiáng)，推廣潛力不大，而且軟件通常是結(jié)合其他軟件如 (MATLAB， SIMULINK) 共同完成仿真程序計(jì)算，借助其他軟件的強(qiáng)大計(jì)算能力，減化了編程過(guò)程，但用戶 在使用該軟件時(shí)還需安裝其他輔助軟件。鑒于已開發(fā)的軟件中存在的這些問(wèn)題，本 研究力圖開發(fā)出新的應(yīng)用模擬軟件。 本研究基于活性污泥數(shù)學(xué) ASM2 號(hào)模型進(jìn)行模擬軟件的開發(fā)，開發(fā)平臺(tái)選擇功 能強(qiáng)大的 Microsoft Visual C++6． 0，軟件操作界面通俗易上手，人機(jī)交流友好，通過(guò)流 7 污水處理工藝設(shè)備系統(tǒng)模型研究與仿真 程線來(lái)傳遞信息數(shù)據(jù)，可以模擬任一活性污泥工藝流程，仿真軟件的適用性大大加 強(qiáng)，采用單反應(yīng)器模型，可以對(duì)實(shí)際工藝情況進(jìn)行改造，預(yù)測(cè)出改造效果。軟件對(duì)用戶 電腦配置要求很低，軟件為綠色安裝文件，無(wú)須安裝，隨裝隨用，且仿真模擬計(jì)算 程序封裝獨(dú)立，無(wú)須安裝其他數(shù)學(xué)軟件，仿真軟件。 本研究以模擬淮南首創(chuàng)第一污水處理廠的氧化溝工藝為例，詳細(xì)對(duì)軟件的使用 過(guò)程進(jìn)行說(shuō)明，并針對(duì)該廠出水水質(zhì)將模型化學(xué)計(jì)量學(xué)參數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行分析 調(diào)整優(yōu)化，得出適合該廠水質(zhì)的活性污泥生物處理模型，并在此基礎(chǔ)上對(duì)該廠傳統(tǒng) 工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出適宜于該廠的最佳工藝參數(shù)。 8 第 2 章活性污泥工藝設(shè)備系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 第 2 章活性污泥工藝設(shè)備系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 1 983 年國(guó)際水污染控制與研究協(xié)會(huì) IAWPRC(現(xiàn)更名為國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì) IAWQ)組織 專家在經(jīng)過(guò) 4 年的收集、分析、討論、歸納，于 1986 年推出了活性污泥 1 號(hào)數(shù)學(xué)模型 (Activated Sludge Model NO． 1 簡(jiǎn)稱 ASMl)． ASMl 模型將微生物反應(yīng)的基本過(guò)程及其 相關(guān)組分以矩陣形式表達(dá)。該模型包括 8 個(gè)反應(yīng)過(guò)程、 13 種組分、 5 個(gè)化學(xué)計(jì)量學(xué)系 數(shù)、和 14 個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。由于其模型結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，速率表達(dá)關(guān)系清晰，化學(xué)計(jì)量關(guān)系 準(zhǔn)確，相關(guān)參數(shù)值豐富，便于實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)編程計(jì)算，因此被廣泛接受，并被大量應(yīng) 用于國(guó)外城市污水處理廠的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理中。但是自 ASMl 推出以后，生物除磷工 藝逐漸得到發(fā)展和普及， ASMl 雖然在實(shí)踐中獲得了很好的應(yīng)用，但是沒(méi)有包含活性 污泥的除磷過(guò)程【 26】【 271。 為了滿足污水排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)氮、磷的要求，國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì) IAWQ 又組織多國(guó)專家于 1995 年推出活性污泥法 2 號(hào)模型 (ASM2)，它不僅包含污水中含碳有機(jī)物和氮的去除過(guò) 程，還包含生物除磷和化學(xué)除磷過(guò)程。 2． 1 ASM2 模型介紹 ASM2模型包含有 19個(gè)組分、 19個(gè)反應(yīng)過(guò)程、 22個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)和 42個(gè)動(dòng)力學(xué)參 數(shù)。與 ASMl 類似， ASM2 也采用矩陣來(lái)描述各有關(guān)物質(zhì)濃度、反應(yīng)速率、反應(yīng)動(dòng)力 學(xué)參數(shù)及化學(xué)計(jì)量學(xué)系數(shù)之間的關(guān)系。這樣，使用者能同時(shí)看出各種反應(yīng)對(duì)各種物 質(zhì)濃度變化的影響。 ASM2模型寫成矩陣形式，模型矩陣共有 19行 19列，表示活性污泥過(guò)程的 19種生 物化學(xué)反應(yīng)和 19種模型組分，行和列的交叉處為組分對(duì)過(guò)程的化學(xué)計(jì)量系數(shù)。此外， 模型矩陣還給出了各反應(yīng)的反應(yīng)速率。 2． 1． 1 模型組分 ASM2 模型將處理系統(tǒng)中的 19 個(gè)組分分為兩類：溶解態(tài) “S?” 和顆粒態(tài) “K 。在 活性污泥系統(tǒng)內(nèi)，假定顆粒態(tài)組分和活性污泥有關(guān) (絮凝到活性污泥上 )，它們可在沉 淀池中通過(guò)沉淀／濃縮來(lái)測(cè)定濃度，而溶解態(tài)組分 “S?” 只在水中進(jìn)行遷移。 一、 9 個(gè)溶解態(tài)組分 “S?” 的定義： SA[M(COD)／ L3】一發(fā)酵產(chǎn)物 可按乙酸 (鹽 )來(lái)考慮。由于發(fā)酵包含在生物過(guò)程中，發(fā)酵產(chǎn)物必須同其他溶解 性有機(jī)物分開來(lái)模擬。它們是發(fā)酵反應(yīng)的最終產(chǎn)物。對(duì)所有化學(xué)計(jì)量學(xué)計(jì)算，假定 9 污水處理工藝設(shè)各系統(tǒng)模型研究與仿真 SA是乙酸，實(shí)際上也表示了所有其他發(fā)酵產(chǎn)物。 SmK[moI(HC0i)／ L3】一污水的 HC03堿度 堿度是用來(lái)反映生物反應(yīng)中電荷的連續(xù)性。引進(jìn)堿度的概念是為了預(yù)測(cè)pH值降 低會(huì)對(duì)某些生物過(guò)程產(chǎn)生抑制。在化學(xué)計(jì)算中， SALK 假定為重碳酸鹽堿度HCOi。 SF口汀 (COD)／ L3】一可發(fā)酵的易生物降解有機(jī)物 可由異養(yǎng)菌直接降解的發(fā)酵基質(zhì)，不包含發(fā)酵產(chǎn)物。 SI[M(COD)／ L3】 — 惰性溶解態(tài)有機(jī)物 SI的主要特征是在污水處理過(guò)程中不能被進(jìn)一步降解。這種組分可由入流帶入， 也可是顆粒態(tài)基質(zhì) Xs 水解的產(chǎn)物。 sN：瞰 (N：》幾 3】一氮?dú)?N2 假定 SN：是反硝化的唯一產(chǎn)物，同 So：一樣，SN：易受氣體交換的影響。 SNH。 [M(N)／ L3】一氨氮 為使電荷平衡，假設(shè)全部 sNH4以 NH毒的形式存在。 SN03[M(N)／ L3】一硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮 (N0i+NOi) 因?yàn)閬喯跛猁}氮不作為一個(gè)獨(dú)立的模型組分，因此，假定 SNo。，包含硝酸鹽氮與 亞硝酸鹽氮。在所有化學(xué)計(jì)量學(xué)計(jì)算中，假定 SNo，全部為 NO；。 so： [M(02∥ 卜一溶解氧 So：受氣體交換的影響。 Sp04【 M(P)／ L3】一溶解態(tài)無(wú)機(jī)磷 主要為正磷酸鹽。為了電荷平衡，假定 SP 吼。包含 50％的 H2POi 和 50％的 HP04， 并且與 pn 值無(wú)關(guān)。 ss【 M(coD)／ L3】一易生物降解基質(zhì) 在 ASM2 中， Ss 表示 SF 和 SA 的總和。 二、 10 個(gè)顆粒態(tài)組分 “X? 的定義 XAoT[M(COD)／ L3】一硝化菌 硝化菌負(fù)責(zé)硝化，它們是好氧自養(yǎng)菌。 ASM2中，假定硝化菌把氨氮 SNH,直接氧 】 O 第 2 章活性污泥工藝設(shè)備系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型 化為硝酸鹽氮 SN03(硝化茵包括亞硝化毛桿菌和硝化桿菌 )。 XH[M(COD)／ L3卜一異養(yǎng)菌 這類微生物假定是 “ 全能 ” 異養(yǎng)微生物，它們可以在好氧和缺氧 (反硝化 )條件下 生長(zhǎng)，并且在厭氧 (發(fā)酵 )條件下的活性也很高。它們可以將顆粒性基質(zhì) Xs 水解，并 能在一切環(huán)境條件下利用所有可降解的有機(jī)物。 XI[M(COD)／ L3】 — 惰性顆粒態(tài)有機(jī)物 這種物質(zhì)在活性污泥系統(tǒng)中不能被降解，它們只能靠活性污泥的聚集作用從污水 中去除。 XI可以由入流帶入系統(tǒng)，也可以是處理系統(tǒng)中微生物衰退的產(chǎn)物。 XMa)H[M(TSS)／ L3卜一金屬氫氧化物 ASM2中為了表達(dá)化學(xué)除磷過(guò)程而提出了這一組分，它代表了可能與磷酸鹽結(jié)合 的金屬氫氧化物。它們可以來(lái)自污水本身，也可以由外部投加到系統(tǒng)中。在所有化 學(xué)計(jì)量學(xué)計(jì)算中，均假定這一組分為 Fe(OH)3。也可用其他化學(xué)式代表這個(gè)組分，但 相應(yīng)的模型中化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)需進(jìn)行調(diào)整。 XM。 p[M(COD)／ L3卜一金屬磷酸鹽 MeP04 這一組分是結(jié)合磷與金屬氫氧化物得出的。對(duì)所有化學(xué)計(jì)量學(xué)計(jì)算，假定這一組 分為 FeP04。也可以用其他沉淀物代替之，但需要調(diào)整化學(xué)計(jì)量學(xué)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)。 XpAo[M(COD)／ L3】一聚磷 菌 PAO 這一組分代表所有具有聚磷功能的微生物，XPAO的質(zhì)量濃度不包括其細(xì)胞內(nèi)部貯 存物 XPP和 XPHA，而僅代表 “ 純 ” 生物量。 XpHA[M(COD)／ L3卜一聚磷菌 (PAO)的胞內(nèi)貯存物 包括聚羥基鏈烷酸脂 (PHA)、糖原等， XPHA 只同 XpAO 有關(guān)，但并不包含在 XpAO 中， XpHA 不能直接同分析測(cè)得的 PHA 或糖原質(zhì)量濃度相比較，僅是為建模而設(shè)的一 個(gè)功能性組分；雖然 XpnA 不能直接用化學(xué)法測(cè)定，但可在 COD 分析中得到反映，以 滿足 COD 的連續(xù)性。從化學(xué)計(jì)量學(xué)角度考慮，假定 PHA 的化學(xué)組成為：聚 p 羥基丁酸 (C4H602)n。 Xpp[M(P)／ L3卜一聚磷酸鹽 聚磷酸鹽是 PAO 的胞內(nèi)貯存物，它只和 XPAo 有關(guān)，但并不包含在 XPAO 中。它是 顆粒態(tài)磷的一部分，并可通過(guò)化學(xué)分析而得。從化學(xué)計(jì)量學(xué)角度考慮，假定聚磷酸 鹽的組成為： (Ko． 33Mgo． 33P03)n。 Xs[M(COD)／ L3】一慢速可降解基質(zhì) 污水處理工藝設(shè)備系統(tǒng)模型研究與仿真 慢速可降解基質(zhì)指高分子量、膠體態(tài)和顆粒態(tài)的有機(jī)物，它們必須經(jīng)過(guò)胞外水 解后才能夠被降解，假定水解產(chǎn)物 (SF)可以發(fā)酵。 XTSs[M(TSS)／ L3】一總懸浮固體 TSS 將總懸浮固體引進(jìn)生物動(dòng)力學(xué)模型，是為了通過(guò)化學(xué)計(jì)量學(xué)來(lái)計(jì)算它們的質(zhì)量 濃度。 TSS的預(yù)測(cè)十分重要，是因?yàn)榱兹コ统恋砩婕暗交钚晕勰嗟臒o(wú)機(jī)部分。 2． 1． 2ASM2模型描述 LAWQ活性污泥系列模型的描述最顯著的特征是采用矩陣的形式來(lái)描述活性污 泥系統(tǒng)中各種組分的變化規(guī)律和相互關(guān)系，矩陣元素為化學(xué)計(jì)量系數(shù) ASM2沿承了 ASMl模型的描述方式，行號(hào)用 j 表示，列號(hào)用 i 表示。矩陣最上面一行從左到右列出列 出了模型所包含的 19種反應(yīng)組分，左邊第一列從上到下列出了 19種生物反應(yīng)過(guò)程。 行和列的交叉處為組分對(duì)應(yīng)過(guò)程的化學(xué)計(jì)量系數(shù)，正負(fù)號(hào)表示該組分在轉(zhuǎn)換過(guò)程中 的增減情況，如果數(shù)值為空項(xiàng)，則表示這一組分不參與過(guò)程變化，相應(yīng)的化學(xué)計(jì)量 系數(shù)為零。對(duì)模型采用此種矩陣方式描述，可以方便地描述所有可能的轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì) 所有組分的影響及各組分的表現(xiàn)轉(zhuǎn)化速率 (見(jiàn)表 2． 1 至 25)。 序數(shù) 過(guò)程 sF SNH． Spo． SI SAu【 Xs Xrss fsl l 好氧水解 1 一 fs． V1， NH4 V1。 PO● V1． ALK ． 1 V1． TSS fsl 2 缺氧水解 1 一 fs， V2， NH． V2． PO‘ V2． ALK ． 1 V2． TSS 3 厭氧水解 1 一 fsI V3， NH‘ V3， PO● fsI V3． ALK 1 V3． TSS 序 過(guò)程 Soz sF S^ SNO， SN： XI Xs XH 數(shù) 1 1 4 基于 SF的好氧生長(zhǎng) 卜瓦 l Yh 1 1 5 基于 SA 的好氧生長(zhǎng) 1 1 YH Yh 1 1 一 YH 1 一 YH 6 基于 SF 的缺氧生長(zhǎng) (反硝化 ) l YH 2． 86YH 2。 86YH 1 1 一 YH 1—— YH 7 基于 SA 的缺氧生長(zhǎng) (反硝化 ) 1 YH 2． 86YH 2． 86YH 8 發(fā)酵 ． 1 l 9 溶菌 fx， 1 一 fx． ． 1 第 2 章活性污泥工藝