【文章內(nèi)容簡介】 則致力于活性污泥數(shù)學(xué)模型理論及計算機模擬技術(shù)在國內(nèi)的普及、應(yīng)用和發(fā)展。國 6 第 1 章 總論 家 “ 十五 ” 科技攻關(guān)計劃重大項目 “ 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 ” 為核心的新一輪國務(wù)院機構(gòu)改革方案出臺，國家環(huán)?？偩稚駷榄h(huán)境保護部， 環(huán)境保護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， 實現(xiàn)資源的整合，提高工作效率。我國對環(huán)保重視的程度越來越大，作為污染防治 的重點項目，污水處理模型的研究會進一步對我國環(huán)保事業(yè)做出貢獻。 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 “ 十一五 ” 規(guī)劃的出臺，國家發(fā)展改革委、水利部、建設(shè)部印發(fā)了《節(jié) 水型社會建設(shè) “ 十一五 規(guī)劃》，對 “ 十一五 ” 期間全國節(jié)水型社會建設(shè)作出全面部 署。我國在今后數(shù)年內(nèi)將建設(shè)大批污水處理廠，需要實行最優(yōu)化設(shè)計和運行管理， 我國在模型研究和應(yīng)用方面與國外的差距應(yīng)該借機進行縮小，以提高城市污水處理 廠設(shè)計和運行管理水平，減少投資和運行成本，提高處理效果，這無論是在實際應(yīng) 用方面或是在理論方面都具有重要意義。 國外模擬應(yīng)用軟件發(fā)展相對成熟，但其設(shè)計是基于國外污水處理廠的實際運行， 與我國實際情況有一些偏差，其軟件進軍中國市場還需進行一些調(diào)整與修改，加上 價格昂貴，因此在國內(nèi)污水處理廠實際生產(chǎn)中并沒有被普及使用。 因此加強模型分析研究以及有較強商業(yè)化潛力的軟件的自主開發(fā)，不僅對于我 國順利實現(xiàn)節(jié)水型社會建設(shè) “ 十一五 ” 規(guī)劃意義重大，對于我國自主專業(yè)化軟件產(chǎn) 業(yè)同樣意義深遠。 1． 4． 2 本研究的主要內(nèi)容及方法 以前國內(nèi)開發(fā)的一些軟件程序以面向過程為主，對于操作人員專業(yè)水平，以及 計算機操作水平，編程能力要求較高，在實際污水處理廠運行時需要專家進行指導(dǎo) 培訓(xùn)，且開發(fā)出來的軟件均為對特定工藝流 程進行模擬，工藝模擬較單一，適應(yīng)性 不強，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算，借助其他軟件的強大計算能力，減化了編程過程，但用戶 在使用該軟件時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 號模型進行模擬軟件的開發(fā)，開發(fā)平臺選擇功 能強大的 Microsoft Visual C++6． 0，軟件操作界面通俗易上手，人機交流友好，通過流 7 污水處理工藝設(shè)備系統(tǒng)模型研究與仿真 程線來傳遞信息數(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，采用單反應(yīng)器模型，可以對實際工藝情況進行改造，預(yù)測出改造效果。軟件對用戶 電腦配置要求很低，軟件為綠色安裝文件，無須安裝，隨裝隨用，且仿真模擬計算 程序封裝獨立，無須安裝其他數(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，詳細對軟件的使用 過程進行說明，并針對該廠出水水質(zhì)將模型化學(xué)計量學(xué)參數(shù)和動力學(xué)參數(shù)進行分析 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)上對該廠傳統(tǒng) 工藝參數(shù)進行優(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 年國際水污染控制與研究協(xié)會 IAWPRC(現(xiàn)更名為國際水質(zhì)協(xié)會 IAWQ)組織 專家在經(jīng)過 4 年的收集、分析、討論、歸納，于 1986 年推出了活性污泥 1 號數(shù)學(xué)模型 (Activated Sludge Model NO． 1 簡稱 ASMl)． ASMl 模型將微生物反應(yīng)的基本過程及其 相關(guān)組分以矩陣形式表達。該模型包括 8 個反應(yīng)過程、 13 種組分、 5 個化學(xué)計量學(xué)系 數(shù)、和 14 個動力學(xué)參數(shù)。由于其模型結(jié)構(gòu)簡單，速率表達關(guān)系清晰，化學(xué)計量關(guān)系 準確，相關(guān)參數(shù)值豐富，便于實現(xiàn)計算機編程計算，因此被廣泛接受，并被大量應(yīng) 用于國外城市污水處理廠的設(shè)計和運行管理中。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 雖然在實踐中獲得了很好的應(yīng)用，但是沒有包含活性 污泥的除磷過程【 26】【 271。 為了滿足污水排放標準對氮、磷的要求，國際水質(zhì)協(xié)會 IAWQ 又組織多國專家于 1995 年推出活性污泥法 2 號模型 (ASM2)，它不僅包含污水中含碳有機物和氮的去除過 程，還包含生物除磷和化學(xué)除磷過程。 2． 1 ASM2 模型介紹 ASM2模型包含有 19個組分、 19個反應(yīng)過程、 22個化學(xué)計量系數(shù)和 42個動力學(xué)參 數(shù)。與 ASMl 類似， ASM2 也采用矩陣來描述各有關(guān)物質(zhì)濃度、反應(yīng)速率、反應(yīng)動力 學(xué)參數(shù)及化學(xué)計量學(xué)系數(shù)之間的關(guān)系。這樣，使用者能同時看出各種反應(yīng)對各種物 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過程的化學(xué)計量系數(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 淀池中通過沉淀／濃縮來測定濃度，而溶解態(tài)組分 “S?” 只在水中進行遷移。 一、 9 個溶解態(tài)組分 “S?” 的定義： SA[M(COD)／ L3】一發(fā)酵產(chǎn)物 可按乙酸 (鹽 )來考慮。由于發(fā)酵包含在生物過程中，發(fā)酵產(chǎn)物必須同其他溶解 性有機物分開來模擬。它們是發(fā)酵反應(yīng)的最終產(chǎn)物。對所有化學(xué)計量學(xué)計算，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 堿度是用來反映生物反應(yīng)中電荷的連續(xù)性。引進堿度的概念是為了預(yù)測pH值降 低會對某些生物過程產(chǎn)生抑制。在化學(xué)計算中， 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)有機物 SI的主要特征是在污水處理過程中不能被進一步降解。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】一氮氣 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) 因為亞硝酸鹽氮不作為一個獨立的模型組分，因此，假定 SNo。，包含硝酸鹽氮與 亞硝酸鹽氮。在所有化學(xué)計量學(xué)計算中，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)無機磷 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 個顆粒態(tài)組分 “X? 的定義 XAoT[M(COD)／ L3】一硝化菌 硝化菌負責(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，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物。 XI[M(COD)／ L3】 — 惰性顆粒態(tài)有機物 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中為了表達化學(xué)除磷過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)計量學(xué)計算中，均假定這一組分為 Fe(OH)3。也可用其他化學(xué)式代表這個組分，但 相應(yīng)的模型中化學(xué)計量學(xué)和動力學(xué)參數(shù)需進行調(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。對所有化學(xué)計量學(xué)計算，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)計量學(xué)和動力學(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 個功能性組分；雖然 XpnA 不能直接用化學(xué)法測定，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，并可通過化學(xué)分析而得。從化學(xué)計量學(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)的有機物，它們必須經(jīng)過胞外水 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 將總懸浮固體引進生物動力學(xué)模型，是為了通過化學(xué)計量學(xué)來計算它們的質(zhì)量 濃度。 TSS的預(yù)測十分重要，是因為磷去除和沉淀涉及到活性污泥的無機部分。 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)計量系數(shù) ASM2沿承了 ASMl模型的描述方式，行號用 j 表示，列號用 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)過程。 行和列的交叉處為組分對應(yīng)過程的化學(xué)計量系數(shù)，正負號表示該組分在轉(zhuǎn)換過程中 的增減情況，如果數(shù)值為空項，則表示這一組分不參與過程變化，相應(yīng)的化學(xué)計量 系數(shù)為零。對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)化過程對 所有組分的影響及各組分的表現(xiàn)轉(zhuǎn)化速率 (見表 2． 1 至 25)。 序數(shù) 過程 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 過程 Soz sF S^ SNO， SN： XI Xs XH 數(shù) 1 1 4 基于 SF的好氧生長 卜瓦 l Yh 1 1 5 基于 SA 的好氧生長 1 1 YH Yh 1 1 一 YH 1 一 YH 6 基于 SF 的缺氧生長 (反硝化 ) l YH 2． 86YH 2。 86YH 1 1 一 YH 1—— YH 7 基于 SA 的缺氧生長 (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