基于asm2d模型对污水处理工艺的模拟与优化 58页

'硕士学位论文①有机负荷法通常有两种表示方法：污泥负荷和容积负荷。污泥负荷是指单位重量活性污泥在单位时间内所承受的BOD5量；容积负荷是指单位容积曝气池在单位时间内所承受的BOD5量。基本设计参数为Ls和Lv，它们的取值一般根据经验确定。由于水质千差万别且处理要求不同致使Ls和Lv的取值范围很大：‘就以常规活性污泥法来说，我国的推荐取值范围为：污泥负荷：Ls=O．2-O．4KgBOD5／(KgMLSS·d)容积负荷：Lv=O．4-O．9KgBOD5／(m3池容·d)可以看出最大值与最小值相差一倍，在其他条件不变的情况下，计算出的池容大小也可能相差一倍，这对经验较少的设计人员来说是难以操作的。②污泥泥龄法的基本设计参数为ec。根据泥龄的选择基本可以看出工艺是否能实现硝化与反硝化。其推荐值的取值范围较小，相对有机负荷法有很多优越性，越来越受到设计人员的认可与重视。以上两种计算方法，都需要合理地确定MLSS浓度，在其他条件不变的情况下，MLSS增大或是缩小一倍将极大地影响池容的大小，而直接影响工程的基建投资。③数学模型法是采用活性污泥数学模型，结合反应器原理，利用现有的数值计算方法开发的计算机模拟软件，并以此为基础，进行系统设计的方法。这些计算机软件大多界面友好、使用方便，使用者能清晰地选择所需工艺以及主要参数。国外发达国家已有有很多利用计算机软件成功设计的案例。1．2．2系统运营管理及优化城市污水处理厂的启动、运行及优化是污水处理厂运营管理的重要组成部分。其中，系统启动是运行的基础；而运行的成功(出水达到设计要求)仅是污水处理系统运营的最低阶段；而通过系统的优化，使污水处理系统的各个操作单元达到最优化的状态(能量输入最低、出水达标)，从而经营成本最低，才是污水厂运营管理的最终目标。根据污水处理厂的运行阶段，污水处理厂必须进行三方面的管理和优化阳‘1幻：①系统启动。系统接种可采用间接培养或自培养的启动方式。系统启动的核心是如何使微生物获得最大的增殖速度并在保持污泥活性的前提下将污泥最大限度的保持在系统内。②日常管理。启动运行前，所有分析装备(物理分析、化学分析、生物分析)必须能正常运行，且分析误差应在规定的范围内，以保证分析结果真实反应系统运行状态和处理效果，为启动运行提供技术和数据支持。对污水处理厂的入流水质、流量变化、污泥呼吸速率、反应器流态、沉淀池污泥浓度分布等进行全面测试和评估。 基于ASM2D模型对污水处理工艺的模拟及优化③系统优化。根据各种工况(入流水质、流量、温度、负荷等)的变化，通过计算机软件计算，适时的调整运行参数(回流比、污泥泥龄、曝气量等)以取得较好的应对效果，使污水处理厂的各项运营指标达到或接近最优状态。1．3活。眭污泥法与数学模型结合1．3．1数学模型所谓数学模型就是用数学分析的方法和工具来描叙废水生物处理过程。对反应器内的各过程如基质降解、微生物生长等作出定量描叙，将每个过程的速率及其涉及的反应物质用表达式表达出来，结合化工领域的反应器理论与微生物学理论，找出表达式中各参数的数学关系。其核心为两个方面：系统过程的描叙和相应的过程反应速率的建立。对每一过程入流中任一组分(基质)建立相应的物料平衡方程，对于N种组分，则可建立N个方程。一旦过程速率可以解析表达，通过对这些方程联立求解并代入适宜的边界条件，即可计算出每种物质在反应器内的变化。1．3．2活性污泥法数学模型发展历程传统的活性污泥数学模型始于20世纪50年代中期，其中最具代表性的有Eckenfelder等基于VSS(挥发性悬浮固体)积累速率经验公式提出的活性污泥模型；McKinney等基于污泥全混假设提出的活性污泥模型和Lawrence。Mccany等基于微生物生长动力学理论提出的话性污泥模型n3‘州。这3种模型均假设：(1)反应在稳态条件下进行，即整个反应器中的微生物浓度不随时间变化，进水基质浓度也不随时间变化：(2)反应系统只有两种组分，即微生物和以BOD5或COD表示的底物；(3)反应器完全混合，微生物和底物的浓度不随位置变化。显然，这些模型都对实际的生化反应系统作了很大简化。其区别仅在于有机物降解速率表达式和活性污泥组分划分的差异。但是，这些稳态模型不能解释和描叙废水生物处理中其他常见的有机物去除；不能描叙出水中有机物浓度随进水浓度变化的现象；也不能很好地预测实际观察中存在的有机物浓度增加时，微生物增长速率变化的滞后效应。活性污泥法动态模型主要有3种：机理模型、时间序列模型和语言模型。语言模型主要指专家系统，其研究尚处在初始阶段。时间序列模型又称为辨识模型，对监测控制系统的要求较高。机理模型目前主要有3种：①Andrews模型一特点是引入底物在生物絮体(活性污泥)中的贮存机理，区别溶解和非溶解性底物，解释有机物的快速去除现象，预测实际中观察到的底物浓度增加时微生物增长速度变化的滞后现象和耗氧速率的瞬变响应特性。②WRc模型一强调了非存活细胞的生物代谢活性，认为有机物的降解可以在不伴随微生物量增长的情况下完成。 硕士学位论文③IAWQ(原IAWPRC现IAWQ)模型一1987年IAwQ推出了活性污泥1号模型(ActivatedSludgeModelNo．1)，简称ASMl，将Monod动力学与活性污泥反应器中各种过程结合起来：继而于1995年推出了更为复杂的活性污泥2号(ASM2)及2d(ASM2D)号模型：随着对活性污泥机理研究的深入，1999年推出的活性污泥3号模型(ASM3)则代表了新一代模型研究的开始。本课题模拟程序的编制采用ASM2D模型，以下是对ASM系列模型的简单介绍：ASMl采用了Dold等人1980年提出的死亡一再生理论对反应器内的微生物生长、衰减等过程进行了模型化处理，反映生物处理系统中的碳氧化、硝化和反硝化过程。ASMl包含13个组分，8个反应。ASM2是ASMl的延伸，沿用了该模型的概念，也采用了死亡一再生理论描叙微生物衰减过程。ASM2对碳、氮和磷的去除机理进行了详细的描叙。从ASMl到ASM2，最主要的变化是加入了磷去除机理的描叙。ASM2包含19个组分，19个反应，22个化学计量参数和42个动力学参数。ASM2d对ASM2稍有延伸，它增加了两个过程来说明聚磷菌(PAO)可利用胞内有机储存产物进行反硝化。较好的解释了反硝化聚磷现象，ASM2D被看作是进一步研究和发展活性污泥系统脱氮除磷过程动力学的平台和参考。ASM3是ASMl的改进，随着人们对ASMl中仍然存在的一些问题的深入研究和对有机物储存机理认识的深化以及计算方法的进步，课题组在1999年推出了ASM3。ASM3所涉及的主要反应过程为活性污泥系统中的碳氧化、硝化和反硝化。ASM3C是ASM3的改进和调整。在某些国家，由于污水中存在的一些重金属物质(Hg、Cr、Ag等)包含在分析过程中，致使COD．Cr化学法行不通，这是应用ASM3模型时的一个严重局限。为了便于ASM3的应用，课题组提出了以ASM3C替代ASM3。在ASM3C中，有机物变量以有机碳而不是以COD表达。这就允许使用TOC替代COD．Cr来度量污水及活性污泥特征。1．4研究的现状和意义随着国际水协(IAWQ)自1986年推出活性污泥1号模型以及计算机技术近年来的迅猛发展，针对活性污泥系统的各种数学模拟软件不断涌现n钉。利用数学模型，结合反应器原理，借助于各种软件开发平台MATLAB，VISIUALB和VISIUALC等开发出的相应设计、模拟及诊断软件，对新建污水处理厂进行优化设计，对新建和己建污水处理厂进行系统模拟和科学管理在欧美等发达国家己经十分普遍。与此相应的各种商业软件、教学软件也应运而生。到目前为止，欧美等国的大型水工程公司、环境咨询公司以及著名高等院校的环境工程系均具备自主开发的模拟器，并在应用中不断地改进和完善。如克鲁格公司(Kruger)的Efor、环境系统公司(Biosystem)的Biowin、流体工程咨询公司(Hydromatics)的GPX．S等。 基于ASM2D模型对污水处理工艺的模拟及优化①美国Clemson大学根据ASMl编制的SSSP程序，是公认的第一个活性污泥模拟软件。该程序可对污水处理进行稳态模拟和动态模拟，显示氨氮去除率、污泥泥龄、水力停留时间、回流比、溶解氧、耗氧速率等45个变化速率之间的关系曲线。该软件模拟污水厂稳定运行的基本假设是；剩余污泥从各曝气池排出，排放量与各曝气池的体积成正比：出水中没有活性污泥，二沉池中也没有活性污泥的积累，即所有活性污泥均回流至曝气池或以剩余污泥形式排出：在二沉池中没有发生任何反应。汪慧贞。们等人利用SSSP程序对北京市高碑店污水厂、北小河污水厂(均采用传统活性污泥法)及上海市曲阳污水厂(生物吸附法)进行了稳态模拟，肯定了SSSP程序在我国污水处理厂的适应性。模拟过程发现，除了YA、bA、fp、ixb、ixp、KoH等8个参数由于变化较小不需要测定外，其他参数则应实验后确定。并建议污水厂在使用SSSP程序之前，先测定适应于本污水厂特征的参数值，以提高模拟的准确性。②DHIWaterEnvironment开发的基于整个ASM系列的模拟仿真软件EFOR，目前已有许多版本。该软件能够模拟活性污泥中的碳氧化、硝化与反硝化和生物除磷过程，包括传统活性污泥工艺、分段进水、交替硝化反硝化、氧化沟工艺等，获得稳态与动态的出水效果。陈立凹u在利用EFOR程序对某城市污水处理厂的奥贝尔氧化沟工艺设计进行负荷波动的动态模拟时发现：经过适当的修正，活性污泥模型能够比较真实地模拟活性污泥工艺。运用活性污泥模型能够使复杂环境条件下的复杂变化明朗化，并给出最终的综合影响效果，弥补了人脑思维的不足。该模型作为开展污水处理新技术开发、工艺设计计算方法研究和计算机模拟软件开发的通用平台，适合我国国情值得推广。③GPS．X(theGeneralPurposeSimulatOr)是由Hydrom鲫Ltis公司开发的面向对象、模型独立的交互式商业化软件，它为用户提供了通过菜单和图形驱动污水处理厂模型的界面。该软件于1991年第一次发布，既可在个人电脑Windows环境下，也可在Solaris工作站上运行，目前在世界范围内使用广泛。④WEST由Hemmis公司于1995年开发，适合不同层次的人员使用(模型编写研究人员、模型构建使用人员和污水处理厂管理人员)。WEST的活性污泥库中包含ASMl、ASM2、ASM2d、ASM3，ASM系列的温度校正模型以及沉淀池模型等，加上各种单元模块就可以用于模拟A／O、A2／O和延时曝气等各种变形工艺。WEST仍在不断地扩充其模型库，现已能描叙的其他工艺有USBR、IDEA和BAF及污泥浓缩、脱水、焚烧等单元。顾国维乜21在应用WEST软件进行仿真设计功能研究时发现：WEST软件能够较好的模拟污水厂，在污水处理厂分析与管理上由很大的优势，可以作为一种经 硕士学位论文济有效的污水厂设计辅助工具。我国在模型的应用方面起步较晚乜钔，但近年来发展较快，取得了一些成绩如：西安建筑科技大学瞳4’261的彭党聪等人从上世纪90年代末就开始了该领域的工作。以ASMl和ASM2污泥模型为基础，用VB6．O编制出A／O和A2／O工艺的模拟应用程序。先后在西安周边地区的污水厂进行了稳态和动态的模拟，并利用实际值对程序参数进行了校正，得出能够较精确模拟实际情况的参数系统。在此基础上利用程序改变运行的工况、建筑物的尺寸、停留时间、回流比等对出水情况进行预测，得到的预测值与理论的推测十分的接近。用程序对污水厂优化和改造方案进行模拟，能够得到较优方案；利用校正后的程序还进行了一些指导设计的工作，得到较好的工艺参数。同济大学乜卜剜的顾国维等人也在此领域做了大量的工作。他们的工作重心主要是对入流组分进行分析研究以及对模型中许多参数的确定给出了方法。通过这一系列的工作，为模拟的顺利进行提供了坚实的理论基础，使其能够较准确的反应实际情况。浙江大学口0。321在ASM2的基础上利用matlab语言编写的模拟软件与自动控制相结合来在线管理污水处理厂的运行情况。此领域的研究将是未来污水处理的一个主要方向，为国内此领域的发展提供了基础和依据，缩小了与国外的差距。除了这几个主要的课题组外，在其他大学和科研机构也有不少人在开展这方面的工作如：季民口31等人根据国内典型活性污泥法污水处理厂的工艺状况，对IAWQ活性污泥模型作了适当简化，在WINDOWS操作平台上用MATLAB数学软件开发出的一套适用于普通推流式活性污泥工艺的数学模拟系统ASPS．CO(考虑了8个组分和3个生化过程)。用该模拟系统模拟天津市纪庄子污水处理厂的实际运行情况表明：模拟结果与实测数据吻合较好，证明ASPS．CO是基本可行的。施汉昌口引等在IAwQ数学模型的基础上开发出城市污水处理厂(活性污泥工艺)运行模拟、预测专家系统软件。并采用实际的运行、化验数据模拟了曝气池的运行状况，对曝气池出水的COD日变化值和改变曝气池进水条件下的出水水质变化趋势及运行所达到稳定所需时间进行了预测。结果表明，该软件能够比较精确地预测出①曝气池出水COD的日变化情况②改变曝气池进水条件时的出水变化情况及达到稳定运行时需要的时间。杨青等利用ASMl，对采用A／O工艺的上海某城区污水处理厂的碳化、硝化、反硝化过程进行计算机动态模拟，并根据模拟结果建议该厂运行过程中应降低A段的溶解氧。杨青还将ASM3应用于上海某城区污水处理厂的改造中。首先利用ASM3对该污水厂的处理工艺进行计算机动态模拟，模拟结果表明出水中的COD、BOD、氨氮的模拟值与实测值基本吻合。说明ASM3对城市污水处理厂进行模拟 基于AS莉至年藉鞴寺锩聚淼强竿矗蘸蓄符影簿=≯薹蓁蠢耋；霎雾雾耄囊翼囊垂耄宦蚕蓁重垂蓁蓁蓁墼琴羹薹；耋耋雾霪雾霸羹薹|霎雾薹羹蓁薹蓁雾蓁；一雾蓁霎耋宴霞终Ⅵ蚕墓嵫萋i羹涵孽重鏊冀耋臻绻僚措羹霉堙；看处理效果好蚕甬鼢≈刚籍翻引群斟篓稀j丽秭斟勤羹匦翱主要疗尝围誉些蓄i秽挺蓁婴氇耄薹莩霎蚕堕斟辱群器声一拦岔犁耀；海蓁萋{羹；菱矍；薹薹垦邱诼荤廷塑性，通过数学模型的研究有助于描叙和理解活性污泥系统的反应过程，不仅可以为设计提供理论上的指导；还可以指导实际的生产运行：将模型和控制理论及方法结合起来，就可按处理水质的要求，达到优化运行的目的。因此，数学模型是一个具有重要理论意义和使用价值的工具。1983年原国际水污染研究与控制协会IAWPRC(现名为国际水质协会，IAWQ)成立了活性污泥通用模型国际研究小组。IAWQ于1987年推出了活性污泥1号模型，是活性污泥模型发展的里程碑口引。在随后的几十年里又陆续推出ASM2、ASM2D、ASM3、ASM3C四个模型，其中ASM2D与ASM3C分别是对二号和三号模型的修正∞8一们。表格2．1介绍了各模型的基本构成以及它们之间的区别与联系。2．2模型的假设与使用局限当要模拟一个污水处理系统时，必须作出一定程度的简化和假设，以使模型易于应用H¨。它们有些和其物理结构系统本身有关，而有些则和数学模型相关。通常这些简化和假设是隐含的，往往被用户忽略。但是这些假设一旦被破坏，则会严重影响模拟结果的有效性。下面例举了活性污泥数学模型的主要假设和使用局限。2．2．1模型的假设①系统运行时温度恒定。因为许多系数是温度的函数，如果将温度的波动考虑进去，将使速率表达式十分复杂。②pH值恒定且接近中性。③不考虑进水中组分构成情况的变化。换句话说，就是假设速率表式中的系数是恒定值，然而实际情况是水质随时间时刻变化。④模型中没有考虑N，P和其他无机营养物对有机物质去除及细胞成长的限制。"x 硕士学位论文理解。本课题的目的就是通过对国际水质协会活性污泥2D号模型(ASM2D)的研究，结合深圳市城市污水水质特性，模拟深圳市城市污水处理厂的运行情况。并在此基础上，提出污水处理厂优化运行的方案。通过本课题的研究为我国的活性污泥系统模拟软件的发展提供一些基础和依据，从而缩小我国在模型使用方面与国外的差距，为我国城市污水处理厂的科学设计、运行管理及优化尽一点绵薄之力。1．5课题的主要研究内容①对活性污泥2D模型(ASM2D)包含的组分、生化反应的速率方程、化学计量参数、动力学参数进行解析。②以ASM2D为基础，利用MATLAB语言编制出深圳市罗芳厂一期MUCT工艺的模拟程序。③采用深圳市罗芳污水处理厂2006年5月．10月的实测数据检验模拟程序。而后对模型动力学参数进行灵敏度分析，并以此为依据进行参数的校核。④应用校核后的模拟程序对罗芳厂一期可实现工艺A2／O、UCT、MUCT进行模拟分析，研究溶解氧、回流比、泥龄等参数变化时对系统出水的影响，并提出较优的运行工况。⑤通过对深圳市罗芳污水处理厂不同进水水质情况的分析，提出应对不同进水水质情况下污水处理厂较优的工艺应对方案。 硕士学位论文表2．1各模型基本构成及区别联系模型ASMlASM2ASM3组分可溶性情譬有机物质害虢溶解氧s。一燃。三篡：慢速可生亨降解基质然鼍铵加篓导sNH。一：硝戮》3：瑟颗擞嚣P金麟x≥属赫唔≯硝酸饕‰盐氮蓁毳善委篡髓礞紫黼溶解蠛降脯黝菌瑞黧脯机异瓣蕊藏颗粒豢备脯黝菌珊嚣慨机蔷糌哭1．ASM3是对AsMl的改进，主要是将前者的衰减过程和水解过程改成更鬻薯蠢翟嘉雹薯釜篥，跚毗砩棚肭敝栽襁酾偿皴利肽系2．ASM2是为满足除磷的要求在ASMl基础上提出的，考虑到除磷的需要使其包括更多的组分和反应过程。⑤异养菌不随时间发生菌种的改变，这一假设与动力学系数恒定的假设在本 基于ASM2D模型对污水处理工艺的模拟及优化质是一致的；不考虑基质浓度梯度、反应器构造等对活性污泥沉降性能的影响。⑥颗粒态有机物质的生物网捕过程瞬间完成。⑦有机物质与有机氮的水解以相同的速率同时发生。⑧微生物的衰减与电子受体的形式无关。2．2．2模型使用局限模型的实际使用必须遵守约束条件，这一点很重要。因为在数学上可行的，不一定在实践中可行，下面例举了一些必须遵守的约束条件：①微生物的净生长率和sI汀必须在合适的范围内，以保证能形成微生物絮体。例如当SRT降到3d以下时，活性污泥系统中污泥沉降有可能遇到严重问题。由于模型没有考虑到污泥沉降，所以用户必须保证所用的条件使得污泥能良好的沉降。②污泥的良好沉降性能也受到进入二沉池中固体浓度的影响。例如在数学上可以应用大的污泥浓度来得到系统中短的水力停留时间。然而，这种交换在实际中不能实现，因为无法保证高污泥浓度情况下的出水水质。③反应器曝气池死区不得大于50％，否则污泥沉降性能将恶化。④曝气反应器中的混合强度必须控制在适当的范围内，以保证污泥的沉降性能。2．3ASM2D模型介绍近年来随着反硝化聚磷菌的发现，而ASM2模型缺乏此现象的相关描叙。于是ASM2D模型就应运而生，在此模型中增加了两个过程来说明聚磷菌(PAO)可利用胞内有机贮存物进行反硝化，其余部分与ASM2模型相同。ASM2D在模拟硝酸盐和聚磷酸盐动力学方面比ASM2更精确、完整。此模型被看作是进一步研究和发展活性污泥系统脱氮除磷过程动力"x 硕士学位论文(2)sALK【mol(Hc03’)／L3】一污水的碱度碱度是用来估计生物反应过程中电荷的连续性。引进碱度的概念是为了预测PH值降低对某些生物过程的抑制。在化学计算中，SALK假定为重碳酸盐碱度HC03。。(3)SF【M(COD)／L3】一可发酵的易生物降解有机物可由异养菌直接降解的发酵基质。(4)sI[M(coD)／L3】一惰性溶解态有机物SI的主要特征是在污水处理过程中不能被进一步降解。这种组分可由入流带入，也可以是颗粒态基质Xs水解的产物。(5)SN2【M(N)／L’】一氮气N2假定SN2是反硝化的唯一产物。同S02一样，SN2易受气体交换的影响。(6)SNH4十[M(N)／L3】一氨氮为使电荷平衡，假设全部SNH4+以NH4+形式存在。(7)SN03【M(N)／L3】一硝酸盐氮与亚硝酸盐氮(N03’+N02’)因为亚硝酸盐氮不作为一个独立的模型组分。因此假定SN03包含硝酸盐氮与亚硝酸盐氮。在所有化学计量学计算中，假定SN03全部为N03。。(8)S02【M(02)／L’】一溶解氧S02受气体交换的影响。(9)SP04[M(P)／L3】一溶解态无机磷主要为正磷酸盐。考虑电荷平衡，假定SP04包含50％的H2P04。和50％的HP04z。，并且与PH值无关。颗粒态组分有lO个，分别为：(1)xAuT[M(coD)／L3】一硝化菌硝化菌负责硝化，它们是好氧自养菌。ASM2D中，假定硝化菌直接把氨氮SNH4氧化为硝酸盐氮SN03(硝化菌包括亚硝化毛杆菌和硝化杆菌)。(2)XH【M(COD)／L3】一异养菌这类微生物假定是“全能’’异养微生物，它们可以在好氧和缺氧(反硝化)条件下生长，并且在厌氧(发酵)条件下的活性也很高。它们可以将颗粒性基质Xs水解，并能在一切环境条件下利用所有可降解的有机物。(3)xI[M(coD)／L3】一惰性颗粒性有机物这种物质在活性污泥系统中不能被降解，它们只能靠活性污泥的聚集作用从污水中去除。XI可以由入流带入系统，也可以是处理系统中微生物衰退的产物。(4)xM。oH【M(Tss)／L3】一金属氢氧化物ASM2D中为了表达化学除磷过程而提出了这一组分，它代表了可能与磷酸盐结合的金属氢氧化物。它们可以来自污水本身，也可以由外部投加到系统中的。 硕士学位论文组分归类、组合、简化从而使模型不仅易阅读而且易于数学处理。IAWQ专家组以矩阵的形式清晰地表达了整个生物过程和相应的组分速率(见式2．1)，任一生物过程j中的任一组分i的反应速率粕为该过程的速率表达式pi与其相应的速率折算系数vij的乘积i即：：乃，=％p，。(2．1)一个组分在n个过程中的速率则为相应过程速率之和，即：．jL以2∑％马～(2．2)jIl2．3．2．2连续性方程每个组分在不同反应过程中有相应的速率折算系数v与之对应，也就是说一个反应过程针对不同的组分会给出相应的速率折算系数。这些系数的求得是依靠连续性方程以及最基础的化学计量系数。速率折算系数和基本化学计量参数通常都叫做化学计量参数，但两者内涵不同。其关系是：速率折算系数通过式2．3和表2．2提供的最基本化学计量参数求取。国际水质协会给出了基本化学计量参数的典型值，而由此得到的折算系数也是典型值。ASM2D的任一反应过程中，元素、电子(或COD)及静电荷是守恒的。即在某一反应过程中，某种组分消耗时，该组分中元素、电子及净电荷就会转变为另一种或几种组分中的元素、电子及净电荷，但整个反应过程中，所有物质质量守恒。连续性方程是以COD、氮、磷、总悬浮固体及电荷守恒为基础。即：∑b屯=o(2．3)式中：屹一过程j中组分i的折算系数。乞一将组分i的单位转化成物质c的单位的转化因子，即基本化学计量系数。式(2．3)中的c表示五种质量守恒中的一种。任一反应过程j中的COD、电荷、氮元素、磷元素和总悬浮固体都必须符合方程2．3。下面以异养茵基于SF的好氧生长过程为基础，取COD守恒来说明式2．3的用法。该过程中与COD有关的组分有：S02、SF和XH。ASM2D中该过程以异养菌的生长速率为基础(即异养菌的化学计量系数为1)。根据monod方程，生长19的微生物xH需要七的基质sF。而溶解氧的折算系数则需根据连续性方程求取。由于S02、SF和XH都是以COD为单位的，因此式2．3中这三个组分的i。i为1．在矩阵中约定的符号为：负号表示消失，正号表示产生，氧以负COD表示。由此得到如下连续性方程：1‘(一1)×：}×1+l×l+(一1)×i4名0D×l=o(2．4) 式2．4中(-1)表示COD的消失和氧气，计算得出溶解氧在该过程的折算系数为(1一寺)。从氮守恒可计算％。的折算系数；从磷守恒可计％。的折算系数；从电荷守恒可计算SALK的折算系数；从总固体守恒可计算总悬浮固体的折算系数。表2．2总结了方程2．3中转化因子i。i的值，这些转化因子以化合物的定义为基础，根据化学计量学确定。表2．2用于AsM2D守恒方程中的转换因子‘指标鬻靴g鼢揣支磊％√怒，lS02g(02)．1SFSASNH4SN03SP04SISALKSN2XIXsXHX队0XPPXPHAXAuTXTssXMeOHg(COD)g(N)g(P)g(COD)mol(HC03。)g(N)g(COD)g(P)g(COD)g(CoD)g(TSS)l一64／141．24／14llN，SFlP’SF1lN．SIlIN．XIlN。XSIN．BMlN。BMlN．BM1IP．SI．1／64l／14．1／14—1．5／31·llP．XIlP．XSlP．BM1IP．BMlTSS．XIlTSS．XSlTSS．BM3．23O．60lTSS．BM．1★119XMcPg(TSS)0．2051注：①表中空格数值为0。②ici的单位为Mc，Mi，例如，iN，2=iN，sFg(N)，g(COD)。③★由于TSS被计入2次，这个因子必须为负值。④所有绝对值依据组分的化学组成确定。所有因子i。i都是模型的参数，应从实验中估计。⑤表中i。i的典型值见表2．82．3．3ASM2D的反应过程ASM2D的反应过程包括了微生物过程和磷的化学沉淀过程。它描叙了微生物的水解、生长、衰减以及磷的化学沉淀等21个过程，每个过程都有不同的速率表达式。2．3．3．1水解过程．1&23456789mU屹B¨：2插"博 硕士学位论文废水中的慢速可生物降解有机物Xs通常以大分子、胶体及颗粒态存在，这些物质水解后才能被微生物利用。水解反应由胞外酶(自由酶或固定酶)催化完成，一般认为典型的水解过程是表面反应。它是具有水解酶的微生物将慢速可生物降解基质分解为小分子有机物的过程。大量试验证明：水解反应与可利用的电子供体有关，根据可利用电子供体的不同，ASM2D中将水解反应划分为3种：①好氧条件(S0>O)下，慢速可生物降解基质的水解过程。②缺氧条件(So≈0，SNo>0)下，慢速可生物降解基质的水解过程，这一过程明显比好氧水解过程慢。③厌氧条件(S0~O，SNo≈0)下，慢速可生物降解基质的水解过程。在上述的水解反应中，慢速可生物降解基质Xs降解为易生物降解基质SF，同时产生一小部分惰性有机物质SI。由于水解时Xs中的氮、磷元素以及电子被释放出来，因此该过程会引起模型中SNH4、SP04和SALK浓度的变化。变化量就是每个组分在此过程中的折算系数与该过程的反应速率的乘积，而折算系数可以通过式2．3和表2．2提供的最基本化学计量参数求取。表2．3列出了水解过程各组分的速率折算系数。表2．3水解过程各组分速率折算系数注：①SNH4，SP04，SALK和xTss的折算系数可借助于表2．2，从连续性方程2．3计算而得。例如：Vl，P04=-【(1一fsI)iP"sF+fSIiP’sI-liP’xs】／l。②折算系数的典型值就是利用基本化学计量系数的典型值计算得出。水解过程速率方程式采用表面反应模式，并考虑到电子供体变化，设置了氧和硝酸盐双重开关函数。ASM2D中的三种水解反应的速率存在如下的关系：好氧水解)缺氧水解)厌氧水解，模型增加小于1的系数qN03和11fe来表示这种关系。三个水解过程的速率表达式如下：(1)好氧水解讲氓n去。毒氏xH亿5，(2)缺氧水解肛K“№击·芒蠢‘热xn亿6， 基于AsM2D模型对污水处理工艺的模拟及优化sP04(i=5)％=-0．004(成+成)一0．02(岛+岛+n3+岛4+岛8)+O·铂+0i01(风+岛+A5+A9)+(n6+成l—nl—A2一如)SI(i=6)r6=OSAⅨ(i=‘7)r16=0．OOl(n+户2+户3+p4)+O．021(p12+p5)+O·014(p6一风)+O．002(p9+A5+p19)+0．048(p20+p21)+O．009plo+O．011p14+0．016(pll—A6一A7)一O．044p13一O．6pI。+0．036p17S№(i=8)r3=O．07p12+0．21(p6+p7+A4)S02(i=9)r9=-0．6(p4+p5+户13)一0．2pll一18plsXI(i=lO)rlo=O．01(岛+A5+p19)Xs(i=11)‘l=一(pl+户2+p3)+0．9(p9+p15+p19)XH(i=12)r12=(p4+p5+p6+p7)一p9XPA0(i=13)r13=A3+户14·n5XPP(i=14)r14=-o．4plo+Al+A2一p16X跗A(i=15)r15=plo一0．2(pll+J|D12)一1．6(p13+p14)一A7XAlJlr(i=16)h6=p18一A9XAlJlr(i=17)r16=．o．75(pl+p2+p3)+(p4+ps+p6+p7)一O·69plo·O．15(办+A5+p19)+3．1l(pll+户12)一3．23p16+O．9p18·0．06(户13+户14+A7)+1．42(p20—p21)X舢(i=18)r18=3．45(见l—p20)XMeP(i=19)r19=4．87(p2l一户20)“。以上分别p代表模型的21个反应过程，各组分反应速率方程中的系数就是各组分在不同反应中对应的折算系数，它们的值是通过连续方程2．3以及计算得出，得到的值即是典型值。下面以sNH4为例说明折算系数的计算过程：f3=A(n+仍+岛)+B(成+成)+C(风+岛+A2)+D(岛+A3+n7)(3．2)+E风+Fn6(1一乓I)iN娜+A+岛×iN．sl+(一1)×iN。)(s=0(3·3)一弓·iⅣ。跖+fⅣ，蹦+B=o(3·4)工HiN删+C知(3·5)fⅪ×iN．Ⅺ+(1一fⅪ)iN，Ⅺ+(一1)iN，蹦+D=O(3．6)(一1)×iN．sF+E=0(3．7)1 硕士学位论文转化为发酵产物SA。由于发酵过程中产生带负电发酵产物SA，有电荷的变化。因此，该过程碱度SALK会发生变化，碱度的变化可通过连续性方程求得。9为异养菌的溶解。该过程表示异养菌的所有衰退过程，其速率与环境条件无关。兼性异养微生物过程速率表达式如下：(4)基于可发酵基质SF的生长胪地去·去·击‘毒℃‘去，毒莨xu亿8，(5)基于发酵产物SA的生长肛玩去‘矗，纛‘芒鬣‘靠。毒舞xn亿9，’“K02+S02KA+SASA+SFKNH．+SNH．KP+S吼KALK+SALK“、7(6)基于可发酵基质SF的反硝化加地吣去’去’纛‘丧‘去。去亿㈨．—jbLx。KAuc+SAu【“(7)基于可发酵基质SA的反硝化俨懒去。纛‘蠹‘丧‘去。去亿⋯．—』≥Lx。KALK+SAu【“(8)发酵肛q向去·≤繁·去·去K亿m(9)溶菌p9=bHXH(2．13)2．3．3．3聚磷菌过程生物聚磷过程是具有聚磷功能的微生物(X队o)以聚合磷酸盐的形式聚积磷酸盐的过程。ASM2D对ASM2稍有延伸，它增加了两个过程来说明聚磷菌可利用胞内有机贮存产物进行反硝化。与ASM2假定PAO仅在好氧条件下生长不同，ASM2D包含了反硝化的PAO。它假定这些微生物可在好氧(So>0)和缺氧(So≈0，SN03>O)条件下生长，它们只能基于胞内贮存的有机物XPHA进行生长。这个假定是ASM2D的严格约束条件，可使模型进一步延伸。表2．5列出了聚磷菌过程各组分的折算系数。下面具体说明表2．5中各过程 硕士学位论文程都可导致PAO的衰减和损失。由于贮存产物XPP和XPHA与生物量X队。是分开考虑的，因此，这三种组分对应于不同的衰减过程。三个过程对于其所损失的组分来说都是一级反应。如果3个速率常数相同，则微生物的组成不会因为衰减而改变。有实验证明，XPP衰减得比X队。和XPHA快。聚磷菌过程速率表达式如下：(10)XPHA的贮存舢～熹‘毒蠢。瓶x啪仁㈣(11)Xpp的好氧贮存川‰’去‘去。彘。摄‘亿㈣Km戤·xPP／xPA0YK即+KMA)(．KPIiA+x即／xPAoAPAo(12)Xpp的缺氧贮存此叫·‰鲁·去(2．16)(13)XPHA的好氧生长邱=‰击‘(2．17)(14)XPHA的缺氧生长彬叫3‰鲁‘去亿㈣(15)X队。的溶解45曲PAOX啪盏QJ9)(16)XPP的分解46曲私即纛Q20)(17)XPHA的分解47扎眦X眦彘Q21)2．3．3．4硝化过程硝化过程假设为一步反应，即硝化菌将氨氮SNH4直接转化为硝酸盐氮SN03的过程，模型未包含硝化中间组分亚硝酸盐。实际匕，模拟硝化过程中亚硝酸盐蠢㈣蒴 硕士学位论文注：①sNH4，sP04，SALx和xTss的折算系数可借助于表2．2，从连续性方程2．3计算而得。②表中空格表示该过程中此物质的浓度不会发生变化。③各序数为跟随表2．6后排列。(21)再溶解硝2铀x啪彘(2．25) 硕士学位论文0．07、D=0．03l、E=O．03，F-一4．24，其它组分速率方程中的系数司按此方法一一通过计算得出。3．1．3参数体系模拟程序中的参数体系对模拟结果的精确性有较大影响。进水的水质和水量情况、构筑物的参数和工艺运行控制参数都可以通过对污水厂进行调查得到且变化较小，一般对模拟不会造成较大的影响。但化学计量参数和动力学参数受到进水水质情况、温度情况等各种具体环境因素的影响，进而影响模拟精度H7‘删。本课题采用的处理方法是：在程序参数体系的初始定义中，全部采用国际水质协会发布的典型值。而后对动力学参数进行灵敏度分析，以确定参数对出水水质的影响程度，化学计量参数相对较为稳定，不对其进行校核采用典型值；再根据模拟值和实测值之间的差距，对动力学参数进行调整，以得到适合具体水质和环境情况的参数体系。3．1．4微分方程组的编制在模拟城市污水处理厂的过程中，其核心内容就是要计算出反应池(曝气池)中各组分浓度的变化情况。每个组分的浓度变化情况的计算对应一个微分方程，ASM2D模型中的19个组分分别对应一个微分方程，而后联立求解即得到模拟结果。各组分在反应器中对应的微分方程如下：sF鲁=专(Q血z血+rlV—Q叫z哪)(3．9)sA訾=专(Qhzh+r2V．Q叫z哪)(3．10)sNH4警=专(Q缸z缸+r3V-Q吡z咖)-。(3．11)sN。3譬=专(Q^+r4V—Q咖z叫)(3．12)sP04等=专(Q^+r5V·Q吡z砸)(3．13)s-警=专(Q血z缸+r6V—Q哪z哪)(3“)sALK等=专(Q。z。+r7V—Q哪z“)(3．15)sN2譬=专(Q通zh+rsV—Q咖z砌)(3．16) 基于ASM2D模型对污水处理工艺的模拟及优化s。2鲁=专(Q^+r9V-Q硼z哪)(3．17)xI警=专(Q诅z缸+rIoV-Q咖z删)(3．18)xs鲁=吉(Q血zh‰V·Q硼z喊)(3．19)xH警=专(Q^+r12V·Q哪z咖)(3．20)xPA。尘乒=专(Q缸z缸+rl，V-Q哪z吡)(3．21)XPP警=专(Q^+r14V—Q瞅z删)(3．22)xPHA争s囊l翼羹羹羹。羹藏薹整i§霎蓊!墓辇羹=雾}蓁莲羞鬻囔囊；鲢训墓鳓l}羹墼l堡蛾囊e薏l羹耍垂菱鬟羹a蔷．I奏篓i鋈差事i薹蘩羔纛t餐霜霆藩塞·蚕≥氢魏§|耋萋萋l羹燮蠢；蓬l薹蠢慧冀·丝墨霉蠹?；蓁冀％囊骺!翼懿铸驯篓蚕雾釜禹睇翰耋j|墼翥嗜型渣诗缓耄；霆霄￥T缉荩认为该厂的供氯量能洒蓁瀚降囊鎏微牵囊剖翮引篙赫甏槲韵季载；臻逢港滢璐罐臻，副耶～鬟幕锚为型雾囊翼饯简化模型变成一个包含13个常微分方程的方程组。②将曝气池分成4段，且把每段看成是全混反应器。③二沉池不考虑微生物的物质代谢活动，仅起固液分离作用且完全分离。在回流污泥的浓度中可溶性物质浓度与混合液中的浓度相同，颗粒性物质浓度是混合液浓度的倍数关系，随污泥回流比不同而改变。3．2．2构筑物尺寸及工艺参数深圳市罗芳污水处理厂一期的设计灵活性，生物段可以实现刖O、A2／O、UCT、MUCT四种工艺。在本课题的研究阶段，污水处理厂为克服碳源不足问题采用了 硕士学位论文有机物，实现反硝化。释磷过程中所需碳源可能得不到满足，特别是当C／N，C／P比值较低时，对释磷过程的影响更加明显，不利于磷的去除。MUCT工艺就是为了克服上述A2／O工艺不足而提出来的一种工艺形式。通过国内外的研究和实践发现此工艺在低碳源的情况下，能够有效地克服Az／O工艺的不足，兼顾脱氮除磷的要求。具体流程如图3．2所示：内回流I内回流Ⅱ图3．2MUCT工艺流程在整个工艺的模拟过程中对模型进行了适当的简化，对反应器提出了几个假设：‘①模型中不考虑惰性溶解有机物(SI)，氮气(SN2)，金属氢氧化物(XM。oH)，金属磷酸盐(XM。P)，总悬浮固体(XTss)共5个组分；认为该厂的供气量能满足曝气池中微生物生化反应所需的氧气量，好氧段溶解氧恒定为1．5mg／L；经过以上简化模型变成一个包含13个常微分方程的方程组。②将曝气池分成4段，且把每段看成是全混反应器。③二沉池不考虑微生物的物质代谢活动，仅起固液分离作用且完全分离。在回流污泥的浓度中可溶性物质浓度与混合液中的浓度相同，颗粒性物质浓度是混合液浓度的倍数关系，随污泥回流比不同而改变。3．2．2构筑物尺寸及工艺参数深圳市罗芳污水处理厂一期的设计灵活性，生物段可以实现刖O、A2／O、UCT、MUCT四种工艺。在本课题的研究阶段，污水处理厂为克服碳源不足问题采用了MUCT工艺。模拟采用06年5月到10月MUCT工艺所用工艺运行参数。具体的情况如表3．1所示：3．2．3进水水质分析入流水质作为ASM2D模型的过程控制参数，对模拟结果有至关重要的影响。如何快速、准确地对入流水质进行定量的测量，是模拟工作正常进行的关键之一。ASM2D将参与活性污泥过程的物质(入流组分)划分为六大类Hp531：ASM2D将参与活性污泥过程的物质划分为六大类：含碳有机物(SA，SF，Sl，X1，Xs，XH，XPAo，XPHA，XAuT)；含氮有机物(SNH4，SN03，SN2)；含磷有机物(SP04，XPP，XMeP，XM。oH)；溶解氧(S02)；碱度(SALK)和总悬浮固体(XTss)。这种分割是基于微生物反应原理和方便合理表达其相应动力学过程而划分的。在对罗芳厂一期进水水质 基于ASM2D模型对污水处理工艺的模拟及优化构筑物尺寸单座平均日处理量(m3／d)单座容积(m3)表观停留时间(h)污泥浓度(m∥L)回流污泥浓度(m∥L)回流量(m3／d)污泥龄2组，L×B×H=7l×38．13×7m／单池，超高：0．6m每组分为7个廊道厌氧：缺氧：好氧=l：2：3．51．2．1．5220060500内回流I37000-48000170521．2-1．5320059504．2．5．2350047500污泥回流溶解氧(mg／L)0O．11．5进行实际测定的过程中，还做了以下的假设和简化：①根据国内其他课题组在入流组分确定时所采用原则和进水的实际特征，本模拟假设进水聚磷菌XPAo为零与之相关的XpHA、Xpp也为零。而XM。oH、XM。P除非外部投加，一般也不会存在于城市污水中，默认为零。②城市污水进水中的溶解氧(S02)、自养菌(xAuT)、硝酸盐(SN03)为零。氮气(SN2)是反硝化的产物，故进水中氮气的含量也为零。因此，根据以上原则初步确定入流由SA，SF，SI，Xl，Xs，XH，SNH4，SP04，SALK九组分构成。3．2．3．1含碳组分的测定描叙废水中含碳物质的指标有TCOD(总化学需氧量)、FCOD(过滤后化学需氧量)、PCOD(颗粒态化学需氧量)等“‘。弱1。描叙含碳物质可生物降解性的指标有BOD5(5日生物化学需氧量)，以上指标的测定方法都较为成熟，行业内都规定了它们相应的标准测量方法。这些常规指标与ASM2D中的含碳组分的关系如下：TCOD；FCOD+PCOD(3．28)FCOD=SA+SF+Sl(3．29)PCOD；Xs+Xl+XPHA+XH+X队o+XAuT(3．30)通常城市污水中自养菌(XAuT)和聚磷菌(XPAo)为零，XPHA是聚磷菌(XPAo)的细胞内贮存物，进水中聚磷菌为零，它的细胞内贮存物XPHA也为零。因此，进水中总COD的表达式可简化为：TCOD=SA+"x 基于ASM2D模型对污水处理工艺的模拟及优化XI=TCOD-(SA+SF+SI+Xs+XBH)(3．35)3．2．3．2含氮组分的测定进水组分中一般不含氮气，而其他两个组分氨态氮(SNH4)和硝态氮(SN03)均可采用标准分析方法直接测定晦"。3．2．3．3含磷组分的测定Z入流的SP04可以通过标准分析方法直接测量。3．2．3．4碱度的测定入流的碱度(SALK)可用酸碱电位滴定法直接测定。3．2．3．5进水组分测定结果由于模型对水质的组分划分较细，测定方法不同于常规指标的测定方法且没有统一的标准，使得模拟过程中对水质的分析变得较为繁琐。本课题采用上节介绍的方法对进水水质进行分析，时间集中在2006年11月．12月。得到碳、氮、磷组分中各细分组分占COD、TN、TP的百分比情况，具体数值如表3．2所示：组分AsM2。组分实测比例(％)典篙例端蕊二1篡悉含碳颗粒惰性有机物XI12．510-15组分慢速可生物降解底物Xs5530-60颗粒性异养菌XH7．55·15PCOD硝化菌X棚O，0-1聚磷菌XPAoO0·l聚磷菌细胞内贮藏的有机物质XPHAOO·13．2．4稳态模拟过程在水质水量及其周围环境保持不交的条件下，生物系统经过一段时间运行后，池中各组分达到稳定，模拟程序对此过程进行模拟称为稳态模拟。本课题通过对深圳市罗芳污水处理厂2006年全年进水的水质水量；污水厂全年工艺运行的具体情况；城市污水处理厂自身的工艺特点进行分析。最后确定稳态模拟的时间段为2006年5月到10月，一次稳态过程为一个月。 硕士学位论文3．3稳态模拟结果分析对稳态模拟结果进行分析的主要目的是验证模型选择是否合理、程序编写是否正确以及参数选取是否合理。本研究分析了ASM2D模拟程序稳态模拟结果中的生物量、COD、氮组分及磷组分的变化情况。3．3．1生物量分析及曝气池沿程分析3．3．1．1生物量分析生物系统中的微生物对有机物、氮以及磷的去除起到极为重要的作用，于是对池中生物量的准确计算是整个模拟过程的基础。图3．3描叙了对罗芳厂一期MUCT工艺进行稳态模拟时，反应器中异养菌、聚磷菌和硝化菌随时间变化的情况。图中生物量所取具体数值是取模拟过程中9月份的好氧段值。3503002250L^×≤200‘訾150ov簧100500O510152025303540455055单位(d)120010008003＼600兽400委200O图3．7模拟过程中生物量随时间变化情况由图3．3可知，生物系统达到稳态时，异养菌的量占到总生物量75％左右，聚磷菌和自养菌分别占生物总量21％和4％。模拟的稳态结果与污水厂实际情况是较为吻合的。异养菌占到生物总量的绝大部分，自养菌次之，聚磷菌最少。3．3．1．2曝气池各段分析曝气池各段分别担负着不同的处理功能，污染物在各段的浓度变化情况都是有规律可循的。图3．4和图3．5分别描叙了污染物的浓度在各段的变化情况。所用数据是取九月份系统运行50天后达到的稳态值。由图3．8和图3．9可以看出氨氮浓度沿各段逐渐减少，硝酸盐氮沿程增加主要是由于污泥回流、内回流II的稀释作用以及好氧段自养菌的硝化作用将氨氮转化成硝酸盐氮。磷酸盐在厌氧段达到高值后沿各段逐渐减少，并且递减速度呈加快的趋势，在缺氧段磷酸盐的减少主要是由于反硝化聚磷菌的作用。ASM2D的最大修正就是加入了反硝化聚磷过程，这使得模型能模拟出磷酸盐在缺氧段就开始减少的实测现象。在其他模型中聚磷作用只有在好氧段才会进行，模拟不出磷酸盐在缺氧 基于ASM2D模型对污水处理工艺的模拟及优化段就会减少的结果与实测现象不符。而在好氧段由于有专职聚磷菌的参与使得磷酸盐的浓度减少加快。XPP聚磷酸盐和XPHA有机贮藏物的浓度配合磷酸盐的浓度变化分别为增大和减少。^一刍3聪普^聪疆2520毫15目苫10厶5O厌氧缺氧1缺氧2好氧图3．8氨氮、硝氮在曝气池各段的变化情况厌氧缺氧1缺氧2好氧图3．9磷在曝气池各段的变化情况以上生物量分析以及曝气池各段的分析说明程序在编制和计算过程中模型的选取，参数的选取和程序的计算方法大体上是合理的，在此基础上进行的模拟工作也是可行的。一3．3．2污染物的分析分别对罗芳厂2006年5月到10月出水的COD、氮和磷的实测值与模拟值进行比较分析，检验模型选取、参数选取以及计算方法的合理程度，从而为模拟程序的进一步优化工作提供依据和方向。3．3．2．1CODCOD是污水中最主要的污染物质，它主要靠微生物的同化作用合成新的细胞和异化作用将其分解成C02、H20以及NH3等简单无污染的物质。图3．4描叙了出水中COD模拟结果和实测结果的情况。由下图可以看出对COD的模拟还是较为准确的，误差一般在lO％以内，误 硕士学位论文4567891011时间(月)图3．10COD实测值与模拟值比较差最大发生在6月份为15％。3．3．2．2氮城市污水中氮是由有机氮和无机氮组成。而有机氮是由有机物中的氮及微生物体内的氮组成。这部分氮在数学模型模拟中，认为是通过水解过程转变为无机氮(即氨氮)，氨氮通过硝化菌的硝化作用转化为硝酸盐氮，硝酸盐氮通过反硝化作用转化为氮气，从而达到氮的无害化处理。本研究模拟的系统，出水中总氮的组成主要是硝酸盐氮而氨氮的浓度较低。由图3．11和图3．12可以看出，硝酸盐氮的模拟值和实测值之间的误差较大，一般在50％左右；而氨氮由于其绝对值较小的原因，两值之间的误差也较大。在模拟程序的校核过程中应该对影响硝酸盐氮出水浓度的参数重点关注，因为出水总氮的主要构成来自硝酸盐氮；在保证好硝酸盐氮精度的情况下，再对关系到出水氨氮浓度的参数进行适度的调整，以得到最佳的模拟效果。2．01．5一＼∞31．0腻城0．5O．04时间(月)图3．1l氨氮实测值与模拟值比较1011 KN03影响一般。表3．4水解过程动力学参数灵敏度分析结果3．4．．2．2兼性异养微生物过程异养微生物XH主要负责可降解基质Xs的水解，可发酵有机基质SF和发酵产物SA的好氧降解、SF和SA的缺氧氧化及硝酸盐SN03的还原、SF到SA的厌氧发酵，以及微生物的衰退和溶解。异养微生物过程包括12个动力学参数。从表3-4可以看出，异养微生物过程的动力学参数阳、KF、bH对COD有较小影响，其它参数无影响；nN03和K02对N03一-N和TN影响较大，阳、bH、KA和KN03对N03一．N和TN影响较小，其它基本无影响；腑、bH和K02对TP影响很大，nN03、KF和KA对TP影响较大，qfe、Kfe、KN03和KALK对TP影响一般，KNH4对TP有较小影响，其它基本无影响。表3．5兼性异养微生物过程动力学参数灵敏度分析结果3．4．2．3聚磷菌过程聚磷菌过程主要是通过聚磷菌的释磷和吸磷作用来去除污水中的磷。聚磷菌过程主要包括8个反应，聚磷菌(PAO)的细胞内贮存物XPHA的贮存，聚磷酸盐 XPP的好氧／缺氧贮存，聚磷菌X队。的好氧／缺氧生长，聚磷菌XPA0的溶解，聚磷酸盐XPP的分解，聚磷菌(PAO)的细胞内贮存物XPHA的分解，包括18个动力学参数。从表3．5可以看出，聚磷菌过程的动力学参数对出水COD指标基本没有影响；qPHA和rlN03对N03一一N和TN的影响一般，b队。和KA对N03一一N和TN的影响较小，其它参数基本没有影响；qPHA、qPP、p队o、b队o、KA、Kmax对TP的影响很大，rIN03、bPP和KIPP对TP的影响较大；bP队、KPs、KPP、KALK对TP的影响一般，其它参数影响较小。表3．6聚磷菌过程动力学参数灵敏度分析结果3．4．2．4自养菌过程硝化过程是一步反应，即从氨氮SNH4直接到硝酸盐氮SN03的过程，包括6个动力学参数。从表4可以看出，硝化过程的动力学参数对COD无影响；pAuT、bAuT对N03一．N的影响一般，K02、KNH3和K札K对N03一．N影响较小，KP无影响；肛AuT、bAuT、K02和KNH3对TN的影响较小，其它参数无影响；pAuT、bAuT、K02、KNH3对TP的影响一般，KP影响较小，KP无影响。 基于ASM2D模型对污水处理工艺的模拟及优化3．4．2．5小结①除异养微生物过程的动力学参数阳、bH和KF对COD指标有较小影响外，其它各参数基本没有影响。②水解过程中Kh、11N03、11fc和Kx，异养微生物过程中11N03和K02，聚磷菌过程中m03和qP队对N03．N和TN影响一般，自养菌过程pAuT和bAuT对N03．N指标影响一般。其它参数对N指标影响较小或基本无影响。在参数的校核过程中，关于N指标主要考虑以上几个参数。③水解过程中Kh、11N03、11fe和Kx，异养微生物过程中阳、bH和K02，聚磷菌过程中qPHA、qPP、pPAo、bPA0、KA、KmaX，总共13个参数对TP影响很大，其它参数也有不同程度的影响。3．5参数校核通过灵敏度分析，大致了解了各动力学参数对出水水质的影响情况。从利用典型参数进行模拟的结果可以看出：对于氮和磷的模拟，实测值和模拟值之间还有不小的差距，COD之间的差别较小。在以下参数的校核过程中，首先考虑对氮影响较大的参数进行校核，在这一基础上再考虑对磷影响较大的参数，其中关于氮的校核主要是针对硝酸盐氮因为出水总氮的绝大部分是它贡献。COD基本没有考虑因为其模拟结果本身就较准并且各参数对其出水浓度影响也较小。图3．7和图3．8分别对硝酸盐氮和总磷的实测值、校核前值以及校核后值作出比较。由下图可以看出校核后的值明显较典型值要精确，在下一章污水厂优化方案的选取中，就是采用校核后的参数体系对各工艺形式和各工艺运行状态进行模拟而后提出优选方案。从图中也可以看出即使是校核后的模拟结果与实测值之间还是存在不小的差距，差距形成的原因主要有以下几点：①国际水质协会提供的模型是一个与实际不断靠近的模型。ASM2D虽然是现今最为全面的模型架构，但是与曝气池中的实际情况还是难免存在差距。②本研究对曝气池的流态、二沉池的功能等都进行了适当的简化，与实际的 硕士学位论文4567891011时间(月)图3．14硝酸盐氮三值之间的比较4567891011时间(月)图3．15总磷三值之间的比较情况也存在差距。③在研究过程中涉及的各种试验难免存在误差，这些误差传递到模拟过程中对模拟的精度必然产生影响。3．6本章小结①在ASM2D的基础上利用MATLAB语言编制出模拟罗芳厂一期MUCT工艺的模拟程序。②通过曝气池内生物量分析、污染物沿程变化分析以及出水水质模拟值和实测值比较分析可以确定模型选取、参数选取以及计算方法的选取是合理的。③通过动力学参数灵敏度分析，找出了各参数对出水污染物浓度的影响程度，为参数校核提供依据。④对模型的动力学参数进行了校核，使得模拟程序的计算结果更为精确。O86420；培籍甾霍76543210O0O0o瓷3骜翟 硕士学位论文4．1．2污泥泥龄分析由于硝化菌的世代时间较长，活性污泥在系统内的停留时间必须达到一定的时间，才能保证硝化菌的聚集以达到硝化的效果。分析结果如图4．2所示：2016^一、12目V腻8骣34567891011121314泥龄(天)图4．2污泥泥龄变化分析由上图可以看出当污泥泥龄达到9．10d时，系统具有较好的硝化效果，而当污泥泥龄小于7d时硝化效果明显减弱。由于聚磷菌的世代时间较短，泥龄长短对其影响较小，泥龄选择主要考虑硝化作用的正常进行。考虑到水质水量的波动、合适的活性污泥浓度和较好的硝化效果，建议将污泥泥龄设为12d左右。4．1．3工艺各回流量分析工艺中各回流是为了保证反硝化作用正常进行以及维持系统内的活性污泥浓度。通过对各回流的分析可以找到在满足以上要求情况下，较为适中的回流比例同时达到节能的目的。4．1．3．1MUCT各回流量分析MUCT工艺中具有三个回流系统，qrl是将混合液从缺氧一段末端回流到厌氧池前段以保证厌氧段的活性污泥浓度和释磷作用的完成；qr2是将混合液从好氧末端回流到缺氧二段前段以保证硝酸盐氮能够进行反硝化作用达到脱氮的目的；qr3是将活性污泥从二沉池回流到缺氧一段的前段以保证系统内具有合适的污泥浓度。分析结果如图4．3和4．4所示：从下图可以看出当qrl小于100％时除磷的效果明显减弱，当其保持在100％-120％时除磷效果保持稳定；随着回流比的增大系统对硝酸盐氮的去除也有少许增强，因为回流带回一部分硝化液。建议维持现有的回流比120％不变，开启两台回流泵。 基于AsM2D模型对污水处理工艺的模拟及优化^一＼普、一一腻钼锱普87O20406080100120140160180200回流比(％)图4．3MUCT各回流比变化对脱氮影响32．532＼曾占1．5嫠，蹈l0．5O020406080100120140160180200回流比(％)图4．4MUCT各回流比变化对除磷影响从上图可以看出当qr2大于80％后对硝酸盐氮去除基本没有影响，因为在缺氧二段制约反硝化作用的主因是碳源而不是混合液回流；此回流变化对除磷基本没有影响。建议在现有运行工况下关掉一台回流泵，保持一台，回流比为90％。从上图可以看出qr3的变化空间较小，考虑到二沉池回流污泥浓度的限制和系统内污泥浓度的保持。建议现有工况不变，保持两台污泥回流泵工作，为95％。4．1．3．2对UCT各回流调整UCT工艺中具有三个回流系统，qrl是将混合液从缺氧段末端回流到厌氧池前段以保证厌氧段的活性污泥浓度和释磷作用的完成；qr2是将混合液从好氧末端回流到缺氧段前段以保证硝酸盐氮能够进行反硝化作用达到脱氮的目的：qr3是将活性污泥从二沉池回流到缺氧段的前段以保证系统内具有合适的污泥浓度。分析结果如图4．5和4．6所示： 硕士学位论文^一＼∞目V膝捌锱普6．565．554．54O20406080100120140160180200回流比(％)32．5^≤2bo31．5攀1蹈工0．50图4．5UCT各回流比变化对脱氮影响O20406080100120140160180200回流比(％)图4．6UCT各回流比变化对除磷影响从上图可以看出随着qrl逐渐增大，除磷效果明显加强；随着回流比的增大系统对硝酸盐氮的去除也有少许增强，因为回流带回一部分硝化液。建议维持现有的回流比120％不变，开启两台回流泵。从上图可以看出随着qr2逐渐增大反硝化效果得到了加强而除磷的效果渐渐恶化。因为回流比过大使得未被反硝化作用去除的硝化液随qrl回流到厌氧段的．前段，影响释磷效果从而影响除磷。建议开启一台回流泵，回流比为90％。从上图可以看出qr3的变化空间较小，考虑到二沉池回流污泥浓度的限制和系统内污泥浓度的保持。建议现有工况不变，保持两台污泥回流泵工作，为95％。4．1．3．3对Az／o各回流调整A2／O工艺中具有二个回流系统，qrl是将混合液从好氧末端回流到缺氧段前端以保证硝酸盐氮能够进行反硝化作用达到脱氮的目的；qr2是将活性污泥从二沉池回流到厌氧段的前端以保证系统内具有合适的污泥浓度。分析结果如图4．7、 基于ASM2D模型对污水处理工艺的模拟及优化4．8所示：6．5310．8^茜o．6占罄o·4蹰O．20O20406080100120140160180200回流比(％)图4．7A2／O各回流比变化对脱氮影响UZO4U6080100120140160180200回流比(％)图4．8A2／o各回流比变化对除磷影响从上图可以看出随着qrl逐渐增大，硝化效果增强而除磷效果减弱。主要是因为硝化液的回流过大，部分硝酸盐氮不能被完全反硝化，从而影响厌氧段释磷的效果，最后影响除磷的效果；而一定的硝化液回流又是脱氮的保证。建议回流比90％，开启一台泵。从上图可以看出随着qr2逐渐增大，反硝化效果没有明显的变化但除磷的效果逐渐恶化。主要是因为回流污泥中含有大量的硝化液使得反硝化作用也在厌氧池中进行，而与释磷作用争夺碳源，从而影响除磷的效果，特别是当进水碳源较少时。同时考虑到二沉池回流污泥浓度的限制和系统内污泥浓度的保持。建议回流比为70％．80％。4．1．3．4小结通过以上的分析，得出了各工艺在正常进水条件下较优的运行参数，并计算出其出水水质，结果如图4．9所示：从下图可以看出三种工艺的除磷效果相近，但是采用A2／0或UCT时在脱氮方面具有优势，且能兼顾到除磷的要求。主要是由于MUCT工艺优先考虑释磷的48-^《誉v聪捌蓉普 硕士学位论文氨氮硝氮磷图4．9正常进水条件下各工艺出水水质碳源需求，从而影响了反硝化过程中碳源的供给，使其脱氮效率比A2／O和UCT工艺低。建议在正常进水情况下采用A2／O或UCT工艺。4．2异常进水水质条件下各工艺比较由于截污工程的影响，罗芳厂2006年11月和12月的进水水质明显变差。针对进水水质明显恶化的情况，对各工艺在此种情况下的运行情况进行了模拟，从而得出合适的工艺形式。计算数据采用那段时间的平均值，各工艺的运行参数采用上节的建议值。COD=240mg／L氨氮=26mg／LP04=2．2mg／LTN=38mg／LTP=3．8mg／L水量=50000m3／d由图4．1O可以看出在异常水质的情况下，A2／O和UCT工艺在除磷效果得到保证的情况下，在脱氮方面仍具有优势4．3进水C／N变化对脱氮除磷影响分析充足的碳源是脱氮除磷过程正常进行的基础。当进水中的碳源有限时，碳源在脱氮和除磷两过程中的分配变得十分重要。以上讨论的三种工艺在碳源的分配上各有不同，通过模拟计算各工艺在C／N发生变化时的出水水质，可以找出不同C／N时的合适工艺形式。具体的计算结果如下图4．11和4．12所示：由上图可以看出当C小比小于4．2时，各工艺的除磷效果将出现不同程度的恶化。主要是由于反硝化和释磷过程都需要碳源，当碳源紧张时难免对工艺的除磷效果产生一定的影响。特别是A2／O和UCT工艺，在碳源的分配时没有优先考虑释磷的需要。当C／N比变小时除磷效果减弱得较为严重，当C／N小于4时，此两种工艺除磷效果就难以得到保证，达不到一级A的标准。而MUCT工艺由于优先分配释磷所需碳源，受C肘比影响相对较小，基本能够达到排放标准。三种工艺在脱氮方面差距不是很明显，其中MUCT工艺由于优先考虑到除磷的碳源满87654321O厂1＼∞吕 硕士学位论文②在普通水质及异常水质情况下采用A2／O或UCT工艺较好。因为在不影响除磷的情况下，这两种工艺有较好的脱氮效果；在C／N小于4．2的情况下使用MUCT工艺较好，因为此工艺能在进水碳源相对不足的情况下，使除磷效果得到保证，且能够兼顾脱 基于ASM2D模型对污水处理工艺的模拟及优化结论和建议ASM2D作为模拟生物同时除磷和硝化．反硝化的基础，与ASM2相比，在模拟硝酸盐和磷酸盐动力学方面，ASM2D更加精确。ASM2D被看作是进一步研究和发展活性污泥模型的平台。本研究通过对ASM2D的解析和应用取得如下结论：1．通过对深圳市罗芳污水处理厂一期MUCT工艺模拟结果的分析，说明ASM2D基本上能反映城市污水生物处理的除碳、脱氮和除磷各过程。2．根据模型对进水组分的划分，对深圳市罗芳污水处理厂进水水质各组分进行了分析与测定，并给出了各组分与常规组分的比例。含碳组分S卜SA、SF、X卜Xs、XH分别占到常规组分COD的6．25％、6．25％、12．5％、12．5％、55％、7．5％，其他含碳组分XAuT、XPAo、XP队基本不存在于进水中；含氮和含磷组分按照常规组分测定方法测定。3．对模型动力学参数进行了灵敏度分析，明确了各参数对出水水质影响程度的大小。在此基础上分别将参数qPHA、rlN03、KN03从典型值调整到3．5、O．4、0．4，再进行工艺模拟得到了更精确的模拟结果。4．利用校核后的模拟程序对罗芳厂一期可实现工艺A2／O、UCT、MUCT进行模拟分析。提出了A2／O、UCT、MUCT工艺曝气池溶解氧保持在1．5mg／L一2mg／L，污泥泥龄维持在12d一14d，内回流和污泥回流分别在90％、60％一70％，120％、90％、95％，120％、90％、95％的优化方案。5．分析了进水水质发生变化时，各工艺的表现。在此基础上提出了在普通水质及异常水质情况下采用A2／O或UCT工艺，在C／N小于4．2的情况下使用MUCT工艺的应对方案。模拟工作是一个不断完善、不断精确的过程，为达到更好的模拟效果有以下几点建议：1．对进水水质特征的分析是模型应用的基础，对模拟结果影响较大。本研究对水质分析时间较短，建议对水质进行长时间的监测，积累更多的数据，并对测定方法进一步规范。2．在反应器的假设当中，本研究视曝气池是全混反应器：二沉池不考虑微生物的物质代谢活动，仅起固液分离作用且完全分离。这样的假设与实际情况存在一定的出入，有必要对反应器的研究更加深入，更加贴近事实。3．本研究所作的是稳态模拟过程，假设进水水质水量稳定，工艺运行及周围环境稳定，所用模拟数据以月平均为基础。为达到更好的模拟效果，有必要进行动态模拟的研究，模拟数据以天或时为基础，从而更详细精确的模拟出反应器的工作状态。 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