基于ASMs的城市污水處理模擬軟件

基于ASMs的城市污水處理模擬軟件研究摘要：本文主要要研究了基于于活性污泥數(shù)數(shù)學(xué)模型(ASMss)開(kāi)發(fā)的污水水處理廠模擬擬軟件。文章章分析了典型型模擬軟件的的特點(diǎn)與基本本模擬過(guò)程及及原理，并針針對(duì)模擬軟件件應(yīng)用中存在在的問(wèn)題提出出了建議。關(guān)鍵詞：活性污污泥數(shù)學(xué)模型型模擬軟件軟測(cè)量StudyoofMunnicipaalWasstewatterAppplicaationssbaseedonASMsAbstracct:ThhispaaperddiscusssesttypicaalwasstewatterappplicaationssbaseedonASMsandttheirdiffeerencee.Thhemaiinmoddelinggsteppsanddproggramrrouteareaalsoiintrodduced..Asaaresuult,tthepaaperggivessomessuggesstiontodeealwiithsoomeprroblemmswhiichliimitttheefffectiiveusseofappliicatioons.Keywordds:acctivattedslludgemodells,moodelinngappplicattion,softmonittor活性污泥法處理理污水的理論論與工藝研究究一直是污水水處理領(lǐng)域的的熱點(diǎn)。隨著著國(guó)內(nèi)外對(duì)活活性污泥數(shù)學(xué)學(xué)模型的研究究，及國(guó)際水水協(xié)（IWA）推出的活活性污泥數(shù)學(xué)學(xué)模型系列模模型（ASMs）的發(fā)展與與廣泛應(yīng)用，以ASMs為機(jī)理模型開(kāi)發(fā)的污水處理模擬軟件的研究也隨之發(fā)展起來(lái)。目前，國(guó)際上開(kāi)發(fā)的基于ASMs污水處理模擬應(yīng)用軟件較多，如WEST，SSSP,ASIM,EFOR等商用軟件，及一些根據(jù)MATLAB、VB、Dephi等編程工具開(kāi)發(fā)的模擬程序。這些軟件各有各的特點(diǎn)，在具體應(yīng)用中也是各有所長(zhǎng)。下面以商用軟件及自主開(kāi)發(fā)研究軟件分別討論這些軟件的特點(diǎn)與應(yīng)用。一、污水處理模模擬軟件的特特點(diǎn)1.商用型軟軟件目前國(guó)際上開(kāi)發(fā)發(fā)的活性污泥泥數(shù)學(xué)模型模模擬軟件中，應(yīng)應(yīng)用較成功的的商用軟件有有EFOR軟件、WEST軟件、STOAT軟件等。它它們可以用于于科學(xué)研究、開(kāi)開(kāi)發(fā)新工藝、輔輔助設(shè)計(jì)與工工藝方案選擇擇及用于污水水處理廠的運(yùn)運(yùn)行管理及專(zhuān)專(zhuān)業(yè)教學(xué)等。其其中EFOR軟件是由DHIWWaterEnvirronmennt開(kāi)發(fā)的廢水水處理工藝開(kāi)開(kāi)發(fā)和模擬用用軟件，目前前在國(guó)外普遍遍使用。該軟軟件主要基于于活性污泥1號(hào)和2號(hào)模型，能能夠模擬活性性污泥法中的的碳氧化、硝硝化與反硝化化和生物除磷磷過(guò)程，包括括傳統(tǒng)活性污污泥工藝、分分段進(jìn)水、交交替硝化反硝硝化、氧化溝溝工藝、AB法及生物化化學(xué)同時(shí)除磷磷工藝等，獲獲得穩(wěn)態(tài)與動(dòng)動(dòng)態(tài)的出水效效果。此外，它它還提供了默默認(rèn)的模型參參數(shù)推薦值及及進(jìn)水IWA模型組分劃劃分比例。許許多研究表明明，通過(guò)一定定的參數(shù)校正正后，EFOR軟件可以進(jìn)進(jìn)行污水處理理模擬，且模模擬結(jié)果與實(shí)實(shí)際較符合。WEST(WorlldWiddeEngginefforSiimulattion,TrainningaandAuutomattion)軟件是比利利時(shí)HEMMIIS公司開(kāi)發(fā)研究究的基于整個(gè)個(gè)ASM系列（ASM1、ASM2、ASM2d、ASM3等）的模擬擬仿真軟件，它它吸收了EFOR軟件的優(yōu)點(diǎn)點(diǎn)，并開(kāi)拓了了EFOR軟件所不具具有的優(yōu)點(diǎn)。由由于它提供了了許多工藝模模板，有許多多可供選擇的的工藝模型，因因而可模擬的的工藝多，且且具有很大的的開(kāi)放性和靈靈活性。ASIM(ActiivateddSluddgeSiimulattionPPrograam)是EAWAGG(SwiissFeederallInsttituteeforEnvirronmenntSciienceandTTechnoology))基于ＡＳＭ1編制而成的的，其最初主主要用于教學(xué)學(xué)、科研和咨咨詢(xún)。目前的的版本是在1994年8月推出的ASIM33.0(它能對(duì)活性性污泥系統(tǒng)進(jìn)進(jìn)行仿真)，它可以應(yīng)應(yīng)用于目前存存在的大多數(shù)數(shù)生化動(dòng)力學(xué)學(xué)模型，也可可對(duì)目前存在在的大多數(shù)具具有脫氮功能能的活性污泥泥工藝進(jìn)行模模擬。SSSP(SimuulatioonofSinglleSluudgePProcessses)程序由美國(guó)Clemsson大學(xué)根據(jù)ASM1編制,可對(duì)污水處處理進(jìn)行穩(wěn)態(tài)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)態(tài)模擬。汪慧慧貞等人利用用SSSP程序?qū)Ρ本┚┦懈弑晡畚鬯畯S、北小小河污水廠(均采用傳統(tǒng)統(tǒng)活性污泥法法)及上海市曲曲陽(yáng)污水廠(生物吸附法)進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)態(tài)模擬,其結(jié)果與實(shí)實(shí)際運(yùn)行結(jié)果果吻合。這些軟件中，以以EFOR軟件與WEST軟件的應(yīng)用用范圍最廣，尤尤其是WEST軟件，幾乎乎可以模擬所所有的活性污污泥法工藝，而SSSP等軟件則基本是針對(duì)脫氮為主工藝的模擬。研究型軟件除了商用型軟件件外，國(guó)內(nèi)外外研究活性污污泥數(shù)學(xué)模型型的研究者結(jié)結(jié)合所研究的的數(shù)學(xué)模型與與工藝開(kāi)發(fā)了了相應(yīng)的模擬擬軟件。這些些軟件多是采采用相對(duì)簡(jiǎn)便便實(shí)用的編程程編譯開(kāi)發(fā)，如MATLAB、VisualBasic、Delphi等。不同的編程語(yǔ)言特點(diǎn)也影響了其所開(kāi)發(fā)的軟件的特點(diǎn)。如MATLAB在表達(dá)ASMs的模型矩陣與求解組份方程過(guò)程中有很大優(yōu)越性，因此，用MATLAB編程可以很方便地模擬指定工藝的各過(guò)程出水。然而，單純的MATLAB模擬軟件界面相對(duì)單調(diào)；而VisualBasic語(yǔ)言簡(jiǎn)單易學(xué)，又有相對(duì)好的人機(jī)界面，模擬軟件操作簡(jiǎn)單，但是在求解復(fù)雜的非線性組分方程時(shí)，靈活性受限制；用Delphi編程可以實(shí)現(xiàn)較好的人機(jī)界面連接與方程求解，但是，針對(duì)大量的方程求解時(shí)，其優(yōu)越性不如MATLAB。通常，以模擬研研究為主所開(kāi)開(kāi)發(fā)的模擬軟軟件在界面上上都不如商用用軟件完美，而而且往往只是是固定一個(gè)工工藝而開(kāi)發(fā)的的。但是，由由于研究者研研究的工藝與與水質(zhì)參數(shù)值值都比商用軟軟件更接近當(dāng)當(dāng)?shù)氐奈鬯幪幚韽S，具有有很好的針對(duì)對(duì)性，而且所所采用的機(jī)理理模型是在一一定的實(shí)驗(yàn)研研究基礎(chǔ)上進(jìn)進(jìn)行一定優(yōu)化化的ASMs，因此其模模擬結(jié)果也往往往要優(yōu)于直直接所采用的的商用軟件。二、模擬軟件的的基本模擬過(guò)過(guò)程與原理雖然這些模擬軟軟件各有特點(diǎn)點(diǎn)，但是在模模擬過(guò)程與原原理上，都是是萬(wàn)變不離其其宗，這些模模擬程序或軟軟件都是以ASMs為核心，結(jié)結(jié)合實(shí)際污水水生物處理工工藝過(guò)程，進(jìn)進(jìn)行編程模擬擬，其主要模模擬過(guò)程是類(lèi)類(lèi)似的，基本本步驟與原理理如下：流程標(biāo)準(zhǔn)化要模擬活性污泥泥城市污水處處理工藝，首首先要對(duì)污水水處理廠工藝藝流程進(jìn)行流流程標(biāo)準(zhǔn)化。一一個(gè)基于n個(gè)完全混合合反應(yīng)器（CSTR）的典型流流程可用來(lái)描描述任何連續(xù)續(xù)流活性污泥泥工藝。圖1活性污污泥法的流程程標(biāo)準(zhǔn)化此流程中，用QQin,C00分別代表進(jìn)進(jìn)水的流量與與濃度，k可為1到n的任一數(shù)值值。因此，第第k池中的各個(gè)個(gè)屬性可代表表各反應(yīng)池的的屬性，其體體積為V(k)；池內(nèi)組分分濃度為Ck；進(jìn)水分流流的流量Qin*iinf(k))，濃度為C0；q(l,,k),CCl表示第l池流入第k池的混合液液流量與濃度度；q(k,l),Ckk表示第k池流出到第l池的混合液液流量與濃度度；其進(jìn)入的的二沉池污泥泥回流量為Qr*r((k)；二沉池的的體積為V(n+11)，其污泥回回流量與濃度度分別是Qr和Cn＋1。由此可寫(xiě)出第kk池的實(shí)際進(jìn)進(jìn)水流量和濃濃度，其實(shí)際際出水流量等等于進(jìn)水流量量，出水濃度度等于反應(yīng)器器中的濃度。第k池的實(shí)際進(jìn)水量為所有流到k池的流量之和，即為進(jìn)水分流流量（）加上污泥回流量（）再加上所有流入到k池的混合液流量（），可以寫(xiě)為：；k池的實(shí)際進(jìn)水濃度則由下式計(jì)算可知：；根據(jù)變化量＝輸輸入量－輸出出量＋反應(yīng)量量，對(duì)第k池進(jìn)行質(zhì)量量平衡，可得得到：；其中中，表示反應(yīng)應(yīng)量，與反應(yīng)應(yīng)過(guò)程中的組組分i有關(guān)，通過(guò)過(guò)計(jì)算相應(yīng)的的ASMs求得。對(duì)于于組分i,,其反應(yīng)速速率r(i)＝。結(jié)合以上公式，得得出第k池中組分i的質(zhì)量平衡衡方程為：；；此方程為對(duì)對(duì)組分i的質(zhì)量平衡衡方程編程的的基本通式。式式中，Ci（k）表示第k反應(yīng)池中組組分i濃度，是未未知數(shù)。在計(jì)計(jì)算k池進(jìn)水濃度度時(shí)，不僅需需要這些參數(shù)數(shù)，而且需要要知道二沉池池回流污泥里里組分i的濃度Ci（n+1）。而對(duì)于二二沉池的出水水濃度與污泥泥回流濃度與與流量，是通通過(guò)一定的二二沉池機(jī)理模模型，設(shè)定一一定步長(zhǎng)，結(jié)結(jié)合實(shí)際污水水處理工藝中中的污泥停留留時(shí)間SRT，剩余污泥泥量等來(lái)計(jì)算算。由此得到到每一個(gè)反應(yīng)應(yīng)池中每一個(gè)個(gè)組分的質(zhì)量量平衡方程，再再求解模型，得得到這些組分分的濃度。對(duì)對(duì)于穩(wěn)態(tài)模擬擬求解，質(zhì)量量平衡方程的的左邊＝0，方程組有有唯一數(shù)值解解：；對(duì)于非非穩(wěn)態(tài)情況，平平衡方程的左左邊＝0，再給定邊邊界條件的情情況下（t＝0時(shí)的組分濃濃度），能夠夠得到后續(xù)時(shí)時(shí)刻t的各池組分分濃度數(shù)值解解，得出組分分濃度隨時(shí)間間的變化的動(dòng)動(dòng)態(tài)值。2.方程求解解確定了工藝流程程與進(jìn)水流量量、模擬模型型及相應(yīng)的水水質(zhì)特性參數(shù)數(shù)、模型參數(shù)數(shù)后，用一定定的編程語(yǔ)言言編譯模型矩矩陣，求解組組分方程，得得到工藝各過(guò)過(guò)程的出水水水質(zhì)。求解的的基本路線可可歸納如下：：圖2模型求求解基本路線線結(jié)果校正得到工藝處理各各出水的模型型組分濃度值值后，進(jìn)行靈靈敏度分析，結(jié)結(jié)合實(shí)測(cè)值，根根據(jù)模擬結(jié)果果與實(shí)測(cè)結(jié)果果之間的差距距，調(diào)整模型型組分參數(shù)，校校正并驗(yàn)證模模型。經(jīng)過(guò)反反復(fù)校正與驗(yàn)驗(yàn)證，得到較較穩(wěn)定的結(jié)果果，確定出污污水水質(zhì)的模模型參數(shù)值，合合理地建立起起可行的機(jī)理理模型。基于于此模型，就就可以進(jìn)行實(shí)實(shí)際污水廠的的動(dòng)態(tài)模擬與與預(yù)測(cè)，分析析工藝處理效效果，優(yōu)化工工藝，保證污污水處理結(jié)果果可行。通過(guò)合理的調(diào)整整后，在采用用同一活性污污泥數(shù)學(xué)模型型為機(jī)理分析析模擬同一工工藝后，模擬擬軟件能得到到較一致的結(jié)結(jié)果。如對(duì)IWA研究中所提提出的單個(gè)CSTR穩(wěn)態(tài)解的求求解，用典型型的模擬軟件件得到的結(jié)果果之間差距很很小(見(jiàn)表1)。表1單個(gè)CCSTR反應(yīng)器出水水結(jié)果組分IWA報(bào)道結(jié)果果VisualBasicc模擬值Delphi模模擬值MATLAB模模擬值WEST模擬值值XI(g/m33)888.89-888.89888.88889.17XBH(g/mm3)1450.3111451.21449.2551449.3661451.222XBA(g/mm3)90.3990.790.4790.9792.59XP(g/m33)737.08737.6736.57736.7738.58XS(g/m33)29.4625.829.4329.4329.41XND(g(NN)/m3)2.542.62.542.542.56SS(g/m33)2.622.62.922.912.66SNH(g(NN)/m3)0.410.30.3650.360.38SNO(g(NN)/m3)33.3140.440.3540.3933.38SALK(mool(HCOO3)/m3)2.832.32.323.344.5SI(g(N))/m3)40-404040SND(g(NN)/m3)0.930.930.930.930.94Kla124.9-134.7130125這不僅說(shuō)明IWWA開(kāi)發(fā)的ASMs是較成功的的機(jī)理模型，也也表明用不同同語(yǔ)言編譯的的模擬軟件在在模擬過(guò)程中中異曲同工，能能實(shí)現(xiàn)對(duì)污水水處理的模擬擬。三、存在問(wèn)題與與建議措施雖然目前國(guó)內(nèi)外外研究均表明明IWA開(kāi)發(fā)的ASMs是較成功的的活性污泥法法污水處理的的機(jī)理模型，并并且已開(kāi)發(fā)的的活性污泥數(shù)數(shù)學(xué)模型模擬擬軟件較多，但但是模型與軟軟件在具體應(yīng)應(yīng)用于實(shí)際污污水處理廠的的過(guò)程中還是是存在著一些些問(wèn)題。主要要是數(shù)據(jù)的獲獲取問(wèn)題：在在模擬過(guò)程中中，模擬軟件件需要輸入大大量的參數(shù)與與組分值，而而實(shí)際污水廠廠很難完全提提供這些數(shù)據(jù)據(jù)且有些參數(shù)數(shù)與組分其測(cè)測(cè)試方法都無(wú)無(wú)法確定或是是無(wú)法測(cè)定，模模型的復(fù)雜性性使其還是停停留在實(shí)驗(yàn)室室研究，在實(shí)實(shí)際污水處理理廠的應(yīng)用中中很難得以大大量推廣。另另外，模擬軟軟件本身還存存在一些問(wèn)題題：商用軟件件制作精美，但但是其模擬過(guò)過(guò)程中往往對(duì)對(duì)所有組分采采用同一個(gè)步步長(zhǎng)，使得模模擬精度不高高，并且容易易出錯(cuò)，導(dǎo)致致結(jié)果有所偏偏差；自主開(kāi)開(kāi)發(fā)的研究型型軟件具有很很大針對(duì)性，往往往是固定一一個(gè)工藝或是是一個(gè)模型，但但是在實(shí)際應(yīng)應(yīng)用中，則其其包裝與界面面相對(duì)單調(diào)，不不是完全傻瓜瓜型的。針對(duì)這些些問(wèn)題，本人人提出如下建建議：實(shí)驗(yàn)室研究與軟軟件模擬相結(jié)結(jié)合解決數(shù)據(jù)據(jù)問(wèn)題：在實(shí)實(shí)驗(yàn)室條件下下測(cè)定大量污污水處理廠的的水質(zhì)參數(shù)，統(tǒng)統(tǒng)計(jì)分析我國(guó)國(guó)污水處理廠廠的典型水質(zhì)質(zhì)參數(shù)值與水水質(zhì)特性參數(shù)數(shù)值；對(duì)于目目前無(wú)法測(cè)定定的組分與參參數(shù)，采用模模擬軟件對(duì)出出水結(jié)果的模模擬與參數(shù)校校正來(lái)間接獲獲?。辉跈C(jī)理理模型研究較較成熟的基礎(chǔ)礎(chǔ)上，合理簡(jiǎn)簡(jiǎn)化模型，確確立關(guān)鍵性參參數(shù)與組分，可可減少需調(diào)整整和測(cè)試的模模型參數(shù)與組組分個(gè)數(shù)；商用軟件與自主主開(kāi)發(fā)的研究究型軟件取長(zhǎng)長(zhǎng)補(bǔ)短：吸引引商用軟件的的優(yōu)點(diǎn)，在自自主開(kāi)發(fā)的軟軟件上增強(qiáng)其其界面操作功功能；針對(duì)固固定工藝用研研究所得的模模型與參數(shù)值值，調(diào)節(jié)組分分方程的計(jì)算算步長(zhǎng)，減小小模擬偏差，以以作實(shí)際污水水處理廠的專(zhuān)專(zhuān)用模擬軟件件進(jìn)行最有效效的應(yīng)用。進(jìn)一步研究可以以嘗試用模擬擬軟件結(jié)合機(jī)機(jī)理模型研究究，開(kāi)發(fā)出常常規(guī)監(jiān)測(cè)參數(shù)數(shù)如CODcr、BOD5、總氮、總總磷等的軟測(cè)測(cè)量與污水處處理廠的參數(shù)數(shù)反饋與控制制，實(shí)現(xiàn)污水水處理智能控控制。參考文獻(xiàn)：Argamann，“Asteeady-sstatemodellforthessingleesluddgeacctivattedslludgesysteem-1.Modelldesccriptiion”,Watt.Ress.,v229,n11,1377-145,,19955.Gujer,Henzee,etal.,“TheaactivaatedssludgeemodeelNo..2:BBiologgicalphospphorussremooval”,Watt.Scii.Tecch.,vv31,nn2,122-22,1995..Henze,Gujerr,etal.,“Acitvvatedsludggemodde