污水处理工艺设备系统模型研究与仿真

污水处理工艺设备系统模型研究与仿真内容摘要：

则致力于活性污泥数学模型理论及计算机模拟技术在国内的普及、应用和发展。 国 6 第 1 章 总论 家 “ 十五 ” 科技攻关计划重大项目 “ 水安全保障技术研究 ” 的重要组成部分 “ 城市 污水再生利用 ” 课题对处理污水水质提出了更高要求。 特别是 2020年 3 月 11日，以“ 大 部制 ” 为核心的新一轮国务院机构改革方案出台，国家环保总局升格为环境保护部， 环境保护部的组建能从根本上理顺环境部门、农业部、林业部、水利部之间的关系， 实现资源的整合，提高工作效率。 我国对环保重视的程度越来越大，作为污染防治 的重点项目，污水处理模型的研究会进一步对我国环保事业做出贡献。 1． 4 本研究的主要内容，方法及意义 1． 4． 1 本研究的意义 随着我国 “ 十一五 ” 规划的出台，国家发展改革委、水利部、建设部印发了《节 水型社会建设 “ 十一五 规划》，对 “ 十一五 ” 期间全国节水型社会建设作出全面部 署。 我国在今后数年内将建设大批污水处理厂，需要实行最优化设计和运行管理， 我国在模型研究和应用方面与国外的差距应该借机进行缩小，以提高城市污水处理 厂设计和运行管理水平，减少投资和运行成本，提高处理效果，这无论是在实际应 用方面或是在理论方面都具有重要意义。 国外模拟应用软件发展相对成熟，但其设计是基于国外污水处理厂的实际运行， 与我国实际情况有一些偏差，其软件进军中国市场还需进行一些调整与修改，加上 价格昂贵，因此在国内污水处理厂实际生产中并没有被普及使用。 因此加强模型分析研究以及有较强商业化潜力的软件的自主开发，不仅对于我 国顺利实现节水型社会建设 “ 十一五 ” 规划意义重大，对于我国自主专业化软件产 业同样意义深远。 1． 4． 2 本研究的主要内容及方法 以前国内开发的一些软件程序以面向过程为主，对于操作人员专业水平，以及 计算机操作水平，编程能力要求较高，在实际污水处理厂运行时需要专家进行指导 培训，且开发出来的软件均为对特定工艺流 程进行模拟，工艺模拟较单一，适应性 不强，推广潜力不大，而且软件通常是结合其他软件如 (MATLAB， SIMULINK) 共同完成仿真程序计算，借助其他软件的强大计算能力，减化了编程过程，但用户 在使用该软件时还需安装其他辅助软件。 鉴于已开发的软件中存在的这些问题，本 研究力图开发出新的应用模拟软件。 本研究基于活性污泥数学 ASM2 号模型进行模拟软件的开发，开发平台选择功 能强大的 Microsoft Visual C++6． 0，软件操作界面通俗易上手，人机交流友好，通过流 7 污水处理工艺设备系统模型研究与仿真 程线来传递信息数据，可以模拟任一活性污泥工艺流程，仿真软件的适用性大大加 强，采用单反应器模型，可以对实际工艺情况进行改造，预测出改造效果。 软件对用户 电脑配置要求很低，软件为绿色安装文件，无须安装，随装随用，且仿真模拟计算 程序封装独立，无须安装其他数学软件，仿真软件。 本研究以模拟淮南首创第一污水处理厂的氧化沟工艺为例，详细对软件的使用 过程进行说明，并针对该厂出水水质将模型化学计量学参数和动力学参数进行分析 调整优化，得出适合该厂水质的活性污泥生物处理模型，并在此基础上对该厂传统 工艺参数进行优化，得出适宜于该厂的最佳工艺参数。 8 第 2 章活性污泥工艺设备系统数学模型 第 2 章活性污泥工艺设备系统数学模型 1 983 年国际水污染控制与研究协会 IAWPRC(现更名为国际水质协会 IAWQ)组织 专家在经过 4 年的收集、分析、讨论、归纳，于 1986 年推出了活性污泥 1 号数学模型 (Activated Sludge Model NO． 1 简称 ASMl)． ASMl 模型将微生物反应的基本过程及其 相关组分以矩阵形式表达。 该模型包括 8 个反应过程、 13 种组分、 5 个化学计量学系 数、和 14 个动力学参数。 由于其模型结构简单，速率表达关系清晰，化学计量关系 准确，相关参数值丰富，便于实现计算机编程计算，因此被广泛接受，并被大量应 用于国外城市污水处理厂的设计和运行管理中。 但是自 ASMl 推出以后，生物除磷工 艺逐渐得到发展和普及， ASMl 虽然在实践中获得了很好的应用，但是没有包含活性 污泥的除磷过程【 26】【 271。 为了满足污水排放标准对氮、磷的要求，国际水质协会 IAWQ 又组织多国专家于 1995 年推出活性污泥法 2 号模型 (ASM2)，它不仅包含污水中含碳有机物和氮的去除过 程，还包含生物除磷和化学除磷过程。 2． 1 ASM2 模型介绍 ASM2模型包含有 19个组分、 19个反应过程、 22个化学计量系数和 42个动力学参 数。 与 ASMl 类似， ASM2 也采用矩阵来描述各有关物质浓度、反应速率、反应动力 学参数及化学计量学系数之间的关系。 这样，使用者能同时看出各种反应对各种物 质浓度变化的影响。 ASM2模型写成矩阵形式，模型矩阵共有 19行 19列，表示活性污泥过程的 19种生 物化学反应和 19种模型组分，行和列的交叉处为组分对过程的化学计量系数。 此外， 模型矩阵还给出了各反应的反应速率。 2． 1． 1 模型组分 ASM2 模型将处理系统中的 19 个组分分为两类：溶解态 “S?” 和颗粒态 “K。 在 活性污泥系统内，假定颗粒态组分和活性污泥有关 (絮凝到活性污泥上 )，它们可在沉 淀池中通过沉淀／浓缩来测定浓度，而溶解态组分 “S?” 只在水中进行迁移。 一、 9 个溶解态组分 “S?” 的定义： SA[M(COD)／ L3】一发酵产物 可按乙酸 (盐 )来考虑。 由于发酵包含在生物过程中，发酵产物必须同其他溶解 性有机物分开来模拟。 它们是发酵反应的最终产物。 对所有化学计量学计算，假定 9 污水处理工艺设各系统模型研究与仿真 SA是乙酸，实际上也表示了所有其他发酵产物。 SmK[moI(HC0i)／ L3】一污水的 HC03碱度 碱度是用来反映生物反应中电荷的连续性。 引进碱度的概念是为了预测pH值降 低会对某些生物过程产生抑制。 在化学计算中， SALK 假定为重碳酸盐碱度HCOi。 SF口汀 (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，不包含发酵产物。 SI[M(COD)／ L3】 — 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， 也可是颗粒态基质 Xs 水解的产物。 sN：瞰 (N：》几 3】一氮气 N2 假定 SN：是反硝化的唯一产物，同 So：一样，SN：易受气体交换的影响。 SNH。 [M(N)／ L3】一氨氮 为使电荷平衡，假设全部 sNH4以 NH毒的形式存在。 SN03[M(N)／ L3】一硝酸盐氮与亚硝酸盐氮 (N0i+NOi) 因为亚硝酸盐氮不作为一个独立的模型组分，因此，假定 SNo。 ，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 SNo，全部为 NO；。 so： [M(02∥ 卜一溶解氧 So：受气体交换的影响。 Sp04【 M(P)／ L3】一溶解态无机磷 主要为正磷酸盐。 为了电荷平衡，假定 SP 吼。 包含 50％的 H2POi 和 50％的 HP04， 并且与 pn 值无关。 ss【 M(coD)／ L3】一易生物降解基质 在 ASM2 中， Ss 表示 SF 和 SA 的总和。 二、 10 个颗粒态组分 “X? 的定义 XAoT[M(COD)／ L3】一硝化菌 硝化菌负责硝化，它们是好氧自养菌。 ASM2中，假定硝化菌把氨氮 SNH,直接氧 】 O 第 2 章活性污泥工艺设备系统数学模型 化为硝酸盐氮 SN03(硝化茵包括亚硝化毛杆菌和硝化杆菌 )。 XH[M(COD)／ L3卜一异养菌 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。 XI[M(COD)／ L3】 — 惰性颗粒态有机物 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。 XMa)H[M(TSS)／ L3卜一金属氢氧化物 ASM2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。 在所有化 学计量学计算中，均假定这一组分为 Fe(OH)3。 也可用其他化学式代表这个组分，但 相应的模型中化学计量学和动力学参数需进行调整。 XM。 p[M(COD)／ L3卜一金属磷酸盐 MeP04 这一组分是结合磷与金属氢氧化物得出的。 对所有化学计量学计算，假定这一组 分为 FeP04。 也可以用其他沉淀物代替之，但需要调整化学计量学和动力学参数。 XpAo[M(COD)／ L3】一聚磷 菌 PAO 这一组分代表所有具有聚磷功能的微生物，XPAO的质量浓度不包括其细胞内部贮 存物 XPP和 XPHA，而仅代表 “ 纯 ” 生物量。 XpHA[M(COD)／ L3卜一聚磷菌 (PAO)的胞内贮存物 包括聚羟基链烷酸脂 (PHA)、糖原等， XPHA 只同 XpAO 有关，但并不包含在 XpAO 中， XpHA 不能直接同分析测得的 PHA 或糖原质量浓度相比较，仅是为建模而设的一 个功能性组分；虽然 XpnA 不能直接用化学法测定，但可在 COD 分析中得到反映，以 满足 COD 的连续性。 从化学计量学角度考虑，假定 PHA 的化学组成为：聚 p 羟基丁酸 (C4H602)n。 Xpp[M(P)／ L3卜一聚磷酸盐 聚磷酸盐是 PAO 的胞内贮存物，它只和 XPAo 有关，但并不包含在 XPAO 中。 它是 颗粒态磷的一部分，并可通过化学分析而得。 从化学计量学角度考虑，假定聚磷酸 盐的组成为： (Ko． 33Mgo． 33P03)n。 Xs[M(COD)／ L3】一慢速可降解基质 污水处理工艺设备系统模型研究与仿真 慢速可降解基质指高分子量、胶体态和颗粒态的有机物，它们必须经过胞外水 解后才能够被降解，假定水解产物 (SF)可以发酵。 XTSs[M(TSS)／ L3】一总悬浮固体 TSS 将总悬浮固体引进生物动力学模型，是为了通过化学计量学来计算它们的质量 浓度。 TSS的预测十分重要，是因为磷去除和沉淀涉及到活性污泥的无机部分。 2． 1． 2ASM2模型描述 LAWQ活性污泥系列模型的描述最显著的特征是采用矩阵的形式来描述活性污 泥系统中各种组分的变化规律和相互关系，矩阵元素为化学计量系数 ASM2沿承了 ASMl模型的描述方式，行号用 j 表示，列号用 i 表示。 矩阵最上面一行从左到右列出列 出了模型所包含的 19种反应组分，左边第一列从上到下列出了 19种生物反应过程。 行和列的交叉处为组分对应过程的化学计量系数，正负号表示该组分在转换过程中 的增减情况，如果数值为空项，则表示这一组分不参与过程变化，相应的化学计量 系数为零。 对模型采用此种矩阵方式描述，可以方便地描述所有可能的转化过程对 所有组分的影响及各组分的表现转化速率 (见表 2． 1 至 25)。 序数 过程 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 厌氧水解 1 一 fsI V3， NH‘ V3， PO● fsI V3． ALK 1 V3． TSS 序 过程 Soz sF S^ SNO， SN： XI Xs XH 数 1 1 4 基于 SF的好氧生长 卜瓦 l Yh 1 1 5 基于 SA 的好氧生长 1 1 YH Yh 1 1 一 YH 1 一 YH 6 基于 SF 的缺氧生长 (反硝化 ) l YH 2． 86YH 2。 86YH 1 1 一 YH 1—— YH 7 基于 SA 的缺氧生长 (反硝化 ) 1 YH 2． 86YH 2． 86YH 8 发酵 ． 1 l 9 溶菌 fx， 1 一 fx． ． 1 第 2 章活性污泥工艺。