活性污泥数学模型在污水处理中的研究进展 5页

第34卷第7期工业水处理Ｖｏｌ．34Ｎｏ．7２０14年7月ＩｎｄｕｓｔｒｉａｌＷａｔｅｒＴｒｅａｔｍｅｎｔJul.，２０14专论与综述活性污泥数学模型在污水处理中的研究进展王文英，黄勇，顾晓丹，陆森强（苏州科技学院环境科学与工程学院，江苏苏州215011）［摘要］活性污泥数学模型是由国际水协会的专家经过多年的收集、分析、比较、归纳而提出的，包含了碳氧化、硝化、反硝化和生物除磷过程，可作为一种辅助工具指导污水厂的运行，为污水厂的升级改造、优化运行提供指导。主要综述了活性污泥数学模型在污水处理应用中的研究进展，提出了废水特征参数测定方法的确定、评价体系的制定，指出完全混合反应池个数的计算是活性污泥数学模型应用的难点。［关键词］活性污泥数学模型；污水处理；废水特征参数；评价体系［中图分类号］X703［文献标识码］A［文章编号］1005-829X（2014）07-0001-04ResearchprogressintheapplicationofmathematicalmodelofactivatedsludgetowastewatertreatmentWangWenying，HuangYong，GuXiaodan，LuSenqiang（DepartmentofEnvironmentalScienceandEngineering，UniversityofScienceandTechnologyofSuzhou，Suzhou215011，China）Abstract：Activatedsludgemathematicalmodel，includingcarbonoxidation，nitrificationanddenitrificationphosphorusremovingprocesses，hasbeenproposedthroughcollection，comparisonandconclusionformanyyearsbyexpertsofInternationalWaterAssociation.Itcanbeusedasanauxiliarytoolforprovidingguidancefortherunningofwastewatertreatmentplants，wastewaterplantupgrading，andoperationoptimization.Theresearchprogressintheapplicatioonofactivatedsludgemodeltowastewatertreatmentaresummarized，thedeterminingmethodforwastewatercharacteristicparametersareaffirmed，andevaluationofthesystemisworkedout.Thecalculationofthenumberofcompletelymixedreactorsisthekey鄄problemintheapplicationofactivatedsludgemathematicalmodel.Keywords：mathematicalmodelofactivatedsludge；wastewatertreatment；wastewatercharacteristicparameters；evaluationsystem活性污泥数学模型（ASM1-ASM3）〔1-4〕是由国际1活性污泥数学模型在污水处理应用中的水协会（IAWQ）于1983年组织专家在前人建立的研究进展活性污泥模型的基础上经过多年的收集、分析、比活性污泥数学模型作为一种新型的研究手段，较、归纳而提出的一种污水处理用模型，它解决了之在污水处理中得到了广泛的应用，国内外研究者对前数学模型中存在的两个问题〔1〕：（1）微生物衰减过活性污泥数学模型作了大量的研究，这些研究主要程按内源呼吸理论来描述，未考虑代谢残余物的再集中在利用活性污泥数学模型指导污水厂的设计改利用；（2）仅描述了污水中含碳有机物的去除过程，造、优化控制等方面。无法模拟预测氮和磷的降解。目前，研究者在利用活性污泥数学模型对污水目前，我国污水厂面临着污水处理效率低，污水厂的设计改造过程、优化控制过程方面，普遍采用两厂不能满负荷运行，能量消耗大，大部分的运行控制种方法：一种是针对存在的问题依据经验设定几种都依靠操作人员的经验来实现，缺乏可靠的理论依工艺方案或者设定不同的工况、优化参数组合的方据的现状。法，采用模型分别对几种方案进行模拟，根据模拟结果选取最佳的方案，如U.Sarkar等〔5〕针对印度［基金项目］国家自然科学基金（50938005）1\n专论与综述工业水处理２０14-07，34（7）Titagarh污水处理厂COD、TSS、氨氮和硝态氮去除决污水厂存在的问题，但该方法在实际应用中还存率低的问题，为了改善出水水质对Titagarh污水处在困难，因为污水厂是一个开放的系统，其水质易受理厂的Bardenpho工艺提出了几种改进方式，并通外界因素如温度、天气等的影响，无法对其进行控过STOTA软件对几种方案分别进行动态模拟，并根制，因此目前还难以实现。据模拟结果来确定最佳的改进方案。方案一是考虑2活性污泥数学模型在应用中的难点到完全混合的概念，将原Bardenpho工艺中好氧区目前，国内外在活性污泥数学模型的应用方面划分成3个以形成推流式，根据氨氮的浓度来控制主要存在的问题包括：（1）废水特征参数的测定方不同阶段溶解氧的需要量，方案二是考虑到自养菌法；（2）完全混合反应池个数的确定；（3）评价标准。裂解进入缺氧区，同时为了预防自养菌和异养菌的竞争，提供了一个单独的自养区域，将进水流量分2.1废水特征参数测定方法的研究进水水质测定的准确性会对模拟结果产生直接为两股分别进入改良的Bardenpho工艺，方案三是的影响，而进水水质参数的确定过程中COD组分的在方案二的基础上考虑到两股流一同进入改良的确定是最重要的，但是目前对COD组分的测定还没Bardenpho工艺会增加后续氨氮浓度的问题，将两有提出一种统一的标准方法。COD组分的划分是以股流量分别进入各自的改良的Bardenpho工艺。蓝莓等〔6〕针对上海市长桥污水厂存在的问题，即出水其生物降解性为基础的，不可生物降解物质是生物惰性的，在经过活性污泥系统后没有形态上的变化。氨氮、总氮不能满足新的排放标准，提出了不同建依据它们的物质形态分为可溶的和颗粒的两部分。议方案，分别通过增加好氧区和缺氧区的体积来减惰性溶解有机物以进入系统相同的浓度排出系统。少出水氨氮和总氮的浓度。模拟结果显示，因为增惰性悬浮有机物被活性污泥捕捉，并随剩余污泥排加好氧池和缺氧池的体积可以延长水力停留时间出系统。可生物降解部分分为易生物降解物质和慢从而使硝化作用和反硝化作用更完全，因此可达到速生物降解物质，为了便于模拟，易生物降解物质被降低出水氨氮和总氮的目的。当作可溶物来处理，而慢速生物降解基质被当作颗虽然采用上述方法能够达到改善出水水质的粒物处理。表1中列出了不同国家生活污水中COD目的，但是这种方法一般是根据存在的问题来提出组分的比例分配〔9〕可能存在的原因，然后依据经验提出几种不同的方。案，根据模拟结果来确定最佳方案，其适用范围具表1不同国家生活污水中COD组分有局限性，只适用于某种特定的情形，并不能从根污水来源SS/%SI/%XH/%XS/%XI/%中国〔10〕11.1±2.29.9±2.016.9±1.838.9±10.723.3±9.8本上解决污水厂的问题。因此，在这方面还有待进丹麦〔11〕271584017法国〔12〕5.85.81834.917.3一步研究，并提出一种通用的解决方法从本质上解瑞士〔13〕3.6±2.34.0±2.511.1±4.538.5±11.142.9±11.2决问题。瑞典〔14〕8.7±2.114.0±5.312.3±4.656.0±3.69.0±1.0另一种是根据经济或技术上的要求建立目标土耳其〔15〕101585017注：SS为易生物降解有机物；SI为溶解性不可生物降解有机物；XH函数，以活性污泥数学模型作为状态方程，以出水为异养菌；XS为慢速降解性有机物；XI为惰性颗粒性有机物。水质为约束条件，同时根据研究目的或要求选择从表1可以看出，不同国家生活污水中的COD合适的控制变量，如L.Benedetti等〔7〕为了减少组分在COD中所占的比例有明显的差异，说明了组Oostende污水厂的能耗，以活性污泥数学模型为状分受管网和结构的质量及生活习惯的影响较大，证态方程，以出水水质满足排放要求为前提，建立了明了测定COD组分的必要性，同时也说明了寻找到一个用来评估污水厂能耗的模型。通过对曝气控制适合我国国情的组分测定方法的重要性。器的合理控制来达到减少污水厂能耗的目的。舒国内外关于COD组分的测定还没有提出统一海涛等〔8〕为了优化污水厂的能耗，以ASM1为基础，的标准方法，目前国内外研究者主要参考以下4个建立了曝气系统简化数学模型。以曝气量能量消耗指南：（1）STOWA指南；（2）BIOMATH指南；（3）模最小为目标函数，以氨氮质量浓度<4mg/L为限制型校正的WERF指南；（4）HSG指南。在不同的国家条件，由此计算推导出的控制方法不仅满足了出水所用的指南不一样，如在荷兰的许多污水处理厂中水质要求，而且使曝气能耗最小。采用STOWA指南，而北美采用的标准方法是模型从理论上讲，工程经济法可以作为一种工具解2\n工业水处理２０14－07，34（7）王文英，等：活性污泥数学模型在污水处理中的研究进展校正的WERF指南。对各种污水厂的氧化沟进行研究而确定的，可以作我国对于活性污泥数学模型中COD组分的测为一种参考依据。定方法的研究主要是基于WERF指南和STOWA指2.3污水厂模拟结果的评价标准的研究南，也有采用其他指南的。郝二成等〔16〕根据荷兰废水评价标准是用来判定模拟结果与实测结果的吻特性指南（STOWA指南），针对实际污水处理厂工艺合程度，因此，评价标准的制定非常重要，但是目前模拟得出了一套废水COD组分的测定方法，但是该国内外还没有提出一种统一的判定方法。研究者们测定方法只适用于实际污水处理厂，而对实验室的普遍采用的方法是通过误差的方法或者根据图形的单独试验模拟不可靠，主要原因是污水处理厂的实拟合程度来判别或者是根据经验。表3列出了不同际模拟与实验室模拟相比灵敏度较低。表2中列出研究者对模拟结果的评价。了目前关于COD组分的测定方法。表3不同研究者对模拟结果的评价模型评价指标误差范围表2COD组分的测定方法ASM1〔6〕COD、TN、NH+-N＜10%COD4组分测定方法ASM1〔18〕NO--N、NH+-N＜6%34通过长期的溶解性COD试验测定，氧化20d后剩余的ASM2〔19〕COD、TN、NH+-N1.05%~9.17%溶解性COD可以认为等同于SI；从较长固体停留时间4SASM2D〔20〕COD、TN、NO--N＜10%I的连续性小试或中试试验中测得，出水中溶解性COD3的（90%~95%）是惰性的，可用S表示；直接测定污水处ASM2d〔21〕NO--N、PO3--P＜10%I34理厂二沉池出水的可溶性COD，90%~95%可看作SIASM2〔22〕NH+-N、NO--N、COD0.9%~2.8%43氧（OUR）或者硝酸盐（NUR）的呼吸试验来估计；SA蒸馏法；气相色谱法；五点pH滴定法（5P-VFA）（国外应用的较多）从表3可以看出，虽然不同研究者在对模拟结SS耗氧速率呼吸计量法；物化法果与实测结果的比较过程中所产生的误差范围有所S生物法（基于OUR或NUR的呼吸试验）；F不同，但是一般认为COD、TN、NH+-N、NO--N、化学法；物理法；物化法43XS总COD减去其余组分；间歇试验或者连续性试验估计PO3--P指标的误差在10%以内的误差范围是可被4连续性试验或中试试验测得，通过比较测定的活性XI污泥产量和预测的污泥产量来获得对XI的估计；接受的。误差范围存在差异与研究者在废水的选取、总COD减去其余组分参数的设定、参数的测定方法的选择等方面存在差注：SI为溶解性不可生物降解性有机物；SA为发酵产物；SF为可发酵的易生物降解有机物。异有关，导致模拟过程中所产生的误差不同，这也说明了很难推出统一的评价标准。因此，在评价标准方从表2可以看出，目前国内外关于COD组分的面还有待进一步研究。确定一般通过物理、化学、生物等试验方法来估算。虽然通过试验方法能够测定COD各组分组成，但是3结语一般都不准确，在实际的模拟过程中往往还需要对近年来，活性污泥数学模型不仅加深了研究者这些组分的组成做进一步的调整。因此，在COD组对污水处理各阶段污染物变化特征的理解，而且为分的测定方面还有待进一步的研究。污水处理厂的设计改造、优化控制等提供了指导，已2.2完全混合反应池个数的确定研究成为国内外活性污泥领域的研究热点。为了更好地目前，国内外污水厂的许多工艺都是利用氧化利用活性污泥数学模型，在废水特征参数的测定方沟工艺，在利用活性污泥数学模型的过程中，需要将法、完全混合反应池个数的计算、评价标准的制定等氧化沟以多个完全混合反应池近似替代，但是国内方面还有待进一步研究。外还没有提出一种统一的方法来确定完全混合反应池个数，也鲜有文献报道完全混合反应池个数的确参考文献定方法。［1］HenzeM.ActivatedSludgeModelNo.2［R］.IAWQ：IAWQScien鄄目前普遍采用的确定完全混合反应池个数的方tificandTechnicalReports，1995.［2］HenzeM，GuijerW，HenzeM，etal.ActivaedsludgemodelNo.1［R］.法有两种：一种是通过曝气转碟的个数来确定好氧IAWPRC：ScientificandTechnicalReport.No.1，1987.区的个数及结合实测的氧化沟沿层DO的浓度分布［3］HenzeM，GuijerW，MinoT，etal.ActivatedsludgemodelNo.2D，情况来确定缺氧区的个数〔17〕，这种方法的不足之处ASM2D［J］.WaterScienceandTechnology，1999，39（1）：165-182.是需要确定DO测定的位置及测定点的个数，一般［4］GujerW，HenzeM，MinoT，etal.ActivatedsludgemodelNo.3［J］.是依据经验选取的，缺乏可靠的理论依据；另一种是WaterScienceandTechnology，1999，39（1）：183-193.［5］SarkarU，DasguptaD，BhattacharyaT，etal.Dynamicsimulationof基于经验公式确定，经验公式是研究者经过长时间3\n专论与综述工业水处理２０14-07，34（7）activatedsludgebasedwastewatertreatmentprocesses：Casestudies［15］OkutmanD，OvezS，OrhonD.HydrolysisofsettleablesubstrateinwithTitagarhSewageTreatmentPlant，India［J］.Desalination，2010，domesticsewage［J］.BiotechnologyLetters，2001，23（23）：1907-252（1/2/3）：120-126.1914.［6］蓝莓，李雯，吴宏举，等.基于ASM1的城市污水厂优化诊断与改［16］郝二成，周军，赵颖，等.活性污泥2号模型中进水COD组分确造［J］.中国给水排水，2009，25（12）：65-68.定方法研究［J］.给水排水，2008，34（4）：32-36.［7］BenedettiL，AmerlinkY，RolesJ，etal.Model鄄basedoptimizationof［17］IacopozziI，InnocentiV，Marsili鄄LibelliS，etal.Amodifiedactivat鄄controllersettingsattheWWTPofOostende：trade鄄offbetweenNedsludgemodelNo.3（ASM3）withtwo鄄stepnitrification鄄denitrifi鄄removalandenergysavings［C］∥ProceedingsoftheWaterEnviron鄄cation［J］.EnvironmentalModeling&Software，2007，22（6）：mentFederation：WaterEnvironmentFederation，2011：568-574.847-861.［8］舒海涛，罗健旭.基于简化ASM1模型的污水处理厂曝气系统优［18］PrintempsC，BaudinA，DormoyT，etal.Optimisationofalarge化控制［J］.计算机与应用化学，2012，29（1）：67-70.WWTPthankstomathematicalmodeling［J］.WaterScienceand［9］张亚雷，李咏梅.活性污泥数学模型［M］.上海：同济大学出版Technology，2004，50（7）：113-122.社，2003：50-60.［19］艾海男，张代均，何强，等.基于ASM2的快速易生物降解COD［10］周振，吴志超，王志伟，等.基于活性污泥模型的污水COD组分组分表征方法构建［J］.环境工程学报，2011，5（9）：2005-2008.划分方案研究［J］.环境科学，2010，31（6）：1478-1482.［20］李佟，李军，刘伟岩，等.数学模型在污水处理厂优化控制过程［11］HenzeM.Characterizationofwastewaterformodelingofactivated中的应用［J］.给水排水，2009，35（11）：222-225.sludgeprocess［J］.WaterScienceandTechnology，1992，25（6）：［21］SwinarskiM，MakiniaJ.SystemswithanextentionoftheIWAacti鄄1-15.vatedsludgemodels［J］.WaterEnvironmentResearch，2012，84（8）：［12］GinestetP，MaisonniorA，SperandioM.WastewaterCODcharac鄄3266-3282.terization：biodegradabilityofphysico鄄chemicalfractions［J］.Water［22］MinoT，SanPredroDC，YamamotoS，etal.ApplicationoftheScienceandTechnology，2002，45（6）：89-97.IAWQactivatedsludgemodeltonutrientremovalprocess［J］.Wa鄄［13］KappelerJ，GujerW.Estimationofkineticparametersofheterotro鄄terScienceandTechnology，1997，35（8）：111-118.phicbiomassunderaerobicconditionsandcharacterizationof————————wastewaterforactivatedsludgemodeling［J］.WaterScienceandTechnology，1992，25（6）：125-139.［作者简介］王文英（1989—），硕士。电话：18862185667，E鄄mail：977604244@qq.com。通讯联系人：黄勇，教授，硕士生导［14］XuShulan，HultmanB.Experienceinwastewatercharacterization师。andmodelcalibrationfortheactivatedsludgeprocess［J］.WaterScienceandTechnology，1996，33（12）：89-98.［收稿日期］2014-03-18（修改稿）∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥∥·简讯·福岛核污水处理设备3套系统全部恢复运行2014年6月23日，东京电力公司宣布，福岛第一核电站别恢复运行。污水处理设备“多核素去除设备”（ALPS）3套系统中，唯一停C系统起初计划19日重启，但因配管衔接部分发现腐蚀运的C系统已恢复运行。至此，ALPS所有系统时隔近3个月而延期。同时运行。ALPS是去除污水中氚以外62种放射性物质的设备。每据东电介绍，由于去除污水中碳酸盐的过滤器出现问套系统有望处理约250t/d污水。东电正在持续进行试运行，题，ALPS的3套系统3月以后相继停运。此后进行了更换成力争实现正式运行。改良型过滤器的作业。5月份及6月9日，B系统和A系统分我国城市污水处理率已达87%，村庄仅为8%在2014年6月20日上午召开的第八届环境技术产业量为城市和县城总量的总和，村庄未处理的污水总量是城市论坛上，住建部村镇建设司司长赵晖说，截止到2012年，城未处理污水总量的1.5倍。市污水处理率已达到87%，但村庄的污水处理率只有8%。赵晖表示，住建部正在抓紧修订乡村建设规划条例，增此外，截止2012年，县城的污水处理率接近80%，但建设农村环境治理一章，明确政府治理农村垃圾污水的责任。制镇的污水处理率不到30%。建制镇未处理而外排的污水总此外，住建部将制定有关农村人居环境治理的“十三五”规划。4\n活性污泥数学模型在污水处理中的研究进展作者：王文英，黄勇，顾晓丹，陆森强，WangWenying，HuangYong，GuXiaodan，LuSenqiang作者单位：苏州科技学院环境科学与工程学院,江苏苏州,215011刊名：工业水处理英文刊名：IndustrialWaterTreatment年，卷(期)：2014(7)引用本文格式：王文英.黄勇.顾晓丹.陆森强.WangWenying.HuangYong.GuXiaodan.LuSenqiang活性污泥数学模型在污水处理中的研究进展[期刊论文]-工业水处理2014(7)