活性污泥法數(shù)學(xué)模型的發(fā)展與應(yīng)用展望-教育文檔資料

1、活性污泥法數(shù)學(xué)模型的發(fā)展與應(yīng)用展望文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 :B1 引 言污水處理方法中 , 活性污泥法具有處理效果好、運(yùn)行成本低等特點(diǎn) , 成為控制環(huán)境污染的一項(xiàng)主要方法。到目前為止 , 幾乎所有的城市污水廠都使用活性污泥法, 該法在環(huán)境工程中處于非常重要的地位。近十多年來 , 活性污泥法有了很大的發(fā)展 , 如: 氧化溝處理技術(shù)、生物脫氮除磷工藝 (A/O 、A2/O) 等 , 不僅能去除有機(jī)碳 , 還能同時(shí)去除營養(yǎng)物質(zhì)氮和磷。 但在生物處理理論深度的發(fā)展上 , 卻還做的遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠 , 對(duì)生物處理的數(shù)學(xué)模型研究得也不夠。由于污水成分和活性污泥法處理過程的復(fù)雜性 , 必須加快開展數(shù)學(xué)模型的研究 , 從而更深刻

2、地認(rèn)識(shí)所研究的現(xiàn)象和規(guī)律。數(shù)學(xué)模型有助于描述和理解活性污泥系統(tǒng)的反應(yīng)過程 , 對(duì)設(shè)計(jì)提供理論上的指導(dǎo)。 模型有助于模擬活性污泥系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化和對(duì)各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)的影響 , 可以指導(dǎo)實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行。 將模型和控制理論及方法結(jié)合起來 , 就可按處理水質(zhì)要求 , 達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行的目的。數(shù)學(xué)模型是一個(gè)具有重要理論意義和實(shí)用價(jià)值的重要工具?；钚晕勰喾〝?shù)學(xué)模型研究 , 經(jīng)歷了從簡單擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)到采用經(jīng)典的微生物生長動(dòng)力學(xué)模型 , 經(jīng)歷了根據(jù)廢水生物處理過程的特性進(jìn)行過程動(dòng)態(tài)分析、探索辨識(shí)建模的發(fā)展過程, 實(shí)現(xiàn)了以研究活性污泥工藝的動(dòng)態(tài)過程, 達(dá)到了系統(tǒng)高效率低能耗運(yùn)行的目的 , 并開發(fā)出相應(yīng)的商業(yè)化活性污泥軟件

3、。2 活性污泥模型的發(fā)展2.1傳統(tǒng)的活性污泥模型傳統(tǒng)的活性污泥模型研究始于20 世紀(jì) 50 年代中期 , 其中具有代表性的有Eckenfelder等基于揮發(fā)性懸浮固體(VolatileSuspended Solid,VSS)積累速率經(jīng)驗(yàn)公式提出的活性污泥模型,Mckinney 等基于活性污泥全混假設(shè)提出的活性污泥模型,Lawrence 、McCarty 等基于微生物生長動(dòng)力學(xué)理論提出的活性污泥模型。 但是 , 這些靜態(tài)模型只考慮了污水中含碳有機(jī)物的去除。并沒有考慮氮磷的去除過程 , 不能解釋和描述污水生物處理中常見的有機(jī)物“快速去除”和出水中有機(jī)物濃度隨進(jìn)水濃度變化的現(xiàn)象 , 也不能很好地預(yù)測(cè)

4、實(shí)際觀察中存在的有機(jī)物濃度增加時(shí) , 微生物增長速率變化的滯后效應(yīng)。此外 ,Monod 方程并不能預(yù)測(cè)有機(jī)物濃度降低時(shí)活性污泥過程的瞬變響應(yīng)。因此, 傳統(tǒng)的活性污泥模型雖然參數(shù)求解和計(jì)算過程相對(duì)簡單, 但無法精確地模擬污水處理中氧利用的動(dòng)態(tài)變化, 不能很好地描述活性污泥系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。2.2活性污泥 1 號(hào)模型 ASM11975 年 ,Andrews 提出了“存儲(chǔ)代謝”機(jī)理, 該機(jī)理認(rèn)為在活性污泥法污水處理過程中, 非溶解性有機(jī)物和部分溶解性有機(jī)物首先被生物絮體快速吸附, 以細(xì)胞內(nèi)貯存物的形式被貯存,然后再被微生物利用。 1987 年,Mogens 等在總結(jié)前人尤其是南非的 Marais 和

5、Dold 等人工作的基礎(chǔ)上 , 提出 IWA活性污泥 1 號(hào)模型 ASM1。 ASM1采用了 Dold 等人提出的“死亡再生 (death2regeneration) ”的模型化方法 , 但未接受“貯存代謝”機(jī)理 , 而采用“死亡再溶解”機(jī)理 , 體現(xiàn)了對(duì)代謝殘余物的再利用。ASM1包括了碳氧化、硝化和反硝化過程 , 以矩陣形式描述了污水中好氧和缺氧條件下所發(fā)生的有機(jī)碳水解、 微生物生長和衰減等 8 個(gè)反應(yīng)過程。 模型包含 13 種組分、 5 個(gè)化學(xué)計(jì)量參數(shù)和14 個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。模型可以很好地描述活性污泥法污水處理系統(tǒng)的構(gòu)造狀況、進(jìn)水水質(zhì)特性以及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)。 ASM1是模擬硝化和反硝化的良好

6、工具 , 促進(jìn)了關(guān)于模型和污水特性描述的進(jìn)一步研究 , 自推出以來在歐美得到廣泛應(yīng)用 , 但模型并未包含磷的吸收和釋放過程 , 無法模擬包含除磷過程的污水處理系統(tǒng) , 限制了 ASM1的進(jìn)一步應(yīng)用。2.3 活性污泥 2 號(hào)模型 ASM2為了彌補(bǔ) ASM1的不足 ,IWA 專家組于 1995 年推出含有 19 種組分、19 個(gè)反應(yīng)過程、 22 個(gè)化學(xué)計(jì)量參數(shù)及 42 個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的活性污泥 2 號(hào)模型 ASM2。ASM2是 ASM1的延伸 , 沿用了 ASM1的概念, 包含了 ASM1的所有工藝過程 , 即碳和氮的去除 , 還包含生物除磷過程 , 增加了厭氧水解、發(fā)酵及生物除磷、化學(xué)除磷等8 個(gè)

7、反應(yīng)過程。從 ASM1到 ASM2最顯著的變化是使所描述的生物有了細(xì)胞內(nèi)部構(gòu)造 , 而不再簡單地用生物總量來表示。然而,ASM2不區(qū)分個(gè)體細(xì)胞的組成, 而是考慮微生物的平均組成。該模型可以對(duì)化學(xué)需氧量 (ChemicalOxygen Demanded,COD)、氮磷去除的綜合處理工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬。ASM2不是生物除磷模型的最終形式,它介于簡單和復(fù)雜之間, 是許多關(guān)于正確的模型應(yīng)該是什么樣子的不同觀點(diǎn)的一個(gè)折中方案。它更應(yīng)該被看作是模型進(jìn)一步發(fā)展的一個(gè)概念平臺(tái)。2.4活性污泥 2D號(hào)模型 ASM2D隨著對(duì)生物除磷機(jī)理的認(rèn)知, 在隨后推出的活性污泥2D號(hào)模型 ASM2D中又加入了聚磷菌在缺氧條件下

8、的生長過程, 使其含19 種組分、 21 種反應(yīng)、 22 個(gè)化學(xué)計(jì)量參數(shù)及45 個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。ASM2D解決了 ASM2中沒有解決的與聚磷菌有關(guān)的反硝化問題, 增加了兩個(gè)過程來說明聚磷菌可利用細(xì)胞內(nèi)的有機(jī)貯存產(chǎn)物進(jìn)行反硝化。與 ASM2相比 , 在模擬硝酸鹽和磷酸鹽動(dòng)力學(xué)方面,ASM2D更準(zhǔn)確。 ASM2D被看作是進(jìn)一步研究和發(fā)展活性污泥系統(tǒng)除磷脫氮過程動(dòng)力學(xué)模型的平臺(tái)和參考。2.5活性污泥 3 號(hào)模型 ASM3隨著對(duì)有機(jī)物貯存試驗(yàn)認(rèn)識(shí)的深化, 針對(duì) ASM1在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題 , 1998 年 IWA推出了活性污泥3 號(hào)模型 ASM3。ASM3所涉及的主要反應(yīng)過程和ASM1相同 , 即以

9、處理生活污水為主的活性污泥系統(tǒng)的碳氧化過程和硝化、反硝化過程, 但沒有包括生物除磷過程 , 側(cè)重點(diǎn)也由水解轉(zhuǎn)為有機(jī)物的貯存。該模型修正了ASM1的某些缺陷 , 增加了有機(jī)物的存儲(chǔ)過程, 將以水解反應(yīng)為代表的衰減過程改為用內(nèi)源呼吸過程來解釋, 從而更逼真地展示了衰減過程。由于ASM3將異養(yǎng)菌的“死亡再生”循環(huán)過程與硝化菌的衰減過程清晰地分開了 , 因此 ASM3的 COD數(shù)據(jù)流圖比ASM1簡單了許多。 ASM3含有 13 種組分、 12 個(gè)反應(yīng)過程、 6 個(gè)化學(xué)計(jì)量參數(shù)和 21 個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。迄今為止 ,ASM3模型尚未經(jīng)過大量不同的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證 , 模型結(jié)構(gòu)對(duì)存儲(chǔ)現(xiàn)象的描述還有待改善。3 活性

10、污泥數(shù)學(xué)模型研究與應(yīng)用展望經(jīng)過各國學(xué)者將近半個(gè)世紀(jì)的不斷研究和探索, 活性污泥模型得到了長足的發(fā)展, 并在實(shí)際應(yīng)用中逐步顯示出了其價(jià)值, 但與人們的要求還有差距。 隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和人們對(duì)環(huán)境質(zhì)量要求的不斷提高 , 活性污泥數(shù)學(xué)模型必將會(huì)有更大的發(fā)展, 可能主要集中于以下幾個(gè)方面:3.1活性污泥過程機(jī)理的深入研究活性污泥模型及其軟件的開發(fā)研究, 是近年來水污染控制領(lǐng)域的活躍分支。 雖然活性污泥模型的發(fā)展已極大地促進(jìn)了活性污泥軟件的開發(fā)和應(yīng)用, 但過程機(jī)理的準(zhǔn)確描述還相差甚遠(yuǎn)。進(jìn)一步開展活性污泥的過程機(jī)理研究, 開發(fā)和完善曝氣池和二沉池的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型 , 提高模型的計(jì)算精度和適用范圍, 仍是今

11、后的主要研究方向。3.2快速自動(dòng)模擬預(yù)測(cè)及控制系統(tǒng)模型的完整性和精確性以其自身的復(fù)雜性為代價(jià), 當(dāng)代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用, 使復(fù)雜的運(yùn)算過程變得簡單, 并且國外已開發(fā)出幾套商業(yè)化的模擬軟件, 而軟件的運(yùn)行首先必須要有原始數(shù)據(jù)的輸入。 如今 , 監(jiān)測(cè)、分析的方法和手段不斷進(jìn)步, 各類物質(zhì)( 溶解氧、溫度、 pH等) 的在線實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)已在實(shí)踐中有所運(yùn)用?？梢灶A(yù)計(jì) , 在不久的將來 , 把自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)和活性污泥模擬軟件聯(lián)合起來組成一個(gè)系統(tǒng), 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將原始數(shù)據(jù)傳輸至模擬系統(tǒng), 由模擬系統(tǒng)對(duì)出水水質(zhì)進(jìn)行模擬預(yù)測(cè) , 并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)運(yùn)行參數(shù)( 曝氣量、排泥量、水力停留時(shí)

12、間等 ) 進(jìn)行調(diào)節(jié) , 以保證出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。這樣一套高度自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)分析模擬、預(yù)測(cè)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的建立, 對(duì)污水處理廠的工作效率、 管理水平的提高以及處理設(shè)施的穩(wěn)定、高效運(yùn)行等都將具有空前的意義。3.3污水處理廠設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)活性污泥模型是目前污水處理廠設(shè)計(jì)的主要方法 , 基于各類模型而開發(fā)出的各種設(shè)計(jì)軟件 , 使設(shè)計(jì)工作的自動(dòng)化程度有所提高, 但這些軟件主要針對(duì)于單體構(gòu)筑物或少數(shù)幾個(gè)處理單元 , 智能化、系統(tǒng)化程度不高。 未來的設(shè)計(jì)軟件可能只需要少數(shù)幾個(gè)基礎(chǔ)資料的輸入 , 就會(huì)自動(dòng)完成整個(gè)污水處理廠的全部設(shè)計(jì)工作 ,包括最佳方案確定、構(gòu)筑物尺寸計(jì)算、管道設(shè)計(jì)、平面及高程布置、投資和運(yùn)行成本的估算等。活性污泥軟件的開發(fā) , 還應(yīng)著力提高其科研功能 , 尤其在非線性系統(tǒng)理論和模型辨識(shí)技術(shù)應(yīng)用方面, 使用戶能夠針對(duì)特定的工藝過程 , 獨(dú)立進(jìn)行過程分析和參數(shù)確定 , 完成軟件的二次開發(fā)。4 結(jié) 語活性污泥法數(shù)學(xué)模型歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展 , 已經(jīng)從簡單靜態(tài)模型發(fā)展到今天的復(fù)雜動(dòng)態(tài)模型 , 其在污水處理廠設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理以及科學(xué)研究中的作用日益突出 , 尤其是 ASM系列模型的推出 ,大大地推動(dòng)了活性污泥法數(shù)學(xué)模型的廣泛應(yīng)用。 計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)一步拓展了它的應(yīng)用空間 , 各類設(shè)計(jì)、模擬軟件層出不窮。盡管模型本身還存在許多