ASM-CN模型在城市污水廠運行中的應用

ASM-CN模型在城市污水廠運行中的應用*摘要：ASM-CN模型主要描述了碳氧化和硝化過程，其中模型組分、反應過程和參數(shù)的數(shù)量都少于ASM1，從而提高了該模型在城市污水廠中的實用性。通過測定模型組分、化學計量系數(shù)和動力學參數(shù)，為模型的應用提供了重要的前提和基礎。最后利用ASM-CN模型對實際城市污水廠的運行進行了動態(tài)模擬，模擬結果良好，驗證了ASM-CN模型的實用性和有效性，并且也驗證了模擬程序的準確性。關鍵詞：活性污泥數(shù)學模型，簡化，城市污水廠，模擬ApplicationofActivatedSludgeModel－CarbonizationandNitrationtotheWastewaterTreatmentPlantAbstract:ASM-CNmodeldescribesthecarbonoxidationprocessandnitrationprocess.Theamountofcomponents,processesandparametersofASM-CNisfewerthanthatofASM1,sothepracticabilityofASM-CNmodelisenhanced.Themeasurementofcomponentsandparametersisalsostudied.Finally,ASM-CNmodelisappliedtosimulatetheoperationofthepracticalwastewatertreatmentplants,agoodresultsareachieved.Keywords:activatedsludgemodelsimplicationwastewatertreatmentplantsimulation活性污泥1號模型（ASM1）自從1987年推出以來，一直受到廣泛關注，是影響最廣、應用最多的活性污泥數(shù)學模型之一。但該模型在實際應用中也存在一些問題，如反應過程復雜、參數(shù)眾多等，這在一定程度上限制了該模型的推廣使用。為了更方便地將該模型應用到實際污水廠的設計運行中，筆者以ASM1為研究平臺，在此基礎上進行合理的簡化，建立了簡化的活性污泥數(shù)學模型（ASM-CN）。然后利用Matlab語言編制了模擬程序，并通過合理的路線對污水廠的實際運行進行了模擬。1ASM-CN模型的建立1.1模型建立的依據(jù)ASM-CN模型是在ASM1的基礎上進行合理的簡化而建立的，其簡化依據(jù)主要有以下幾方面：（1）大部分城市污水廠都采用傳統(tǒng)活性污泥法，不包括缺氧池，因此為了更廣泛、靈活的使用活性污泥數(shù)學模型，在ASM-CN模型中只考慮了碳氧化和硝化過程，不考慮反硝化過程，即不考慮異養(yǎng)菌的缺氧生長反應。（2）由于氨化動力學參數(shù)不易量化，而且這一過程很快，幾乎不影響模型的預測【1】，此外，氨化反應是在異養(yǎng)型微生物分解含氮的溶解性有機物時進行的，氨化速率可能與溶解性基質的去除速率成比例【2】，所以在ASM-CN模型中忽略了氨化反應，假設微生物的衰減可形成氨氮。（3）顆粒性有機氮的水解過程是伴隨著顆粒性有機物的水解過程進行的，所以不考慮顆粒性有機氮的水解過程，同時取消顆粒性有機氮和溶解性有機氮兩種組分。（4）在通常的活性污泥系統(tǒng)中，進水中慢速生物降解有機物與活性微生物的相對濃度一般都處于較低的水平，慢速生物降解有機物的水解一般都受其自身濃度的控制【3】，所以采用一級反應方程表示水解過程。（5）在生物系統(tǒng)中，代謝惰性顆粒有機物和進水中的惰性顆粒有機物具有相同的物理和生化性質，都不參與任何生化反應，以剩余污泥的形式排放，所以在ASM-CN模型中將兩種組分合并成為惰性顆粒有機物，以XI表示。*國家自然科學基金金重點項目(501338010))及上海市2001~~2003年度重點學學科建設的資資助項目。1.2模型的結構根據(jù)上述依據(jù)，經(jīng)過合理的簡化后，ASM-CN模型只包含10個組分和5個反應過程，表1給出了組分和反應過程的關系，并列出了相關的化學計量系數(shù)和反應速率表達式。表1ASM-CN模型反應過程和組分矩陣表組分i工藝過程j1SI2SS3XI4XS5XB.H6XB.A7SO8SNO9SNH10SALK工藝過程速率1異養(yǎng)菌的生長12自養(yǎng)菌的生長13異養(yǎng)菌的衰減fI1-fI-14自養(yǎng)菌的衰減fI1-fI-15水解1-1從表1對ASM-CN模型的描述中可以看出，無論是組分、反應過程還是化學計量系數(shù)、動力學參數(shù)，其數(shù)量都比ASM1少，這意味著可以減小模型參數(shù)測定的工作量和模擬中的計算量，從而提高了該模型在城市污水廠中的實用性。2模擬程序的建立及模擬路線2.1模擬程序的建立傳統(tǒng)活性污泥法的工藝流程一般是由單級完全混合反應器（CSTR）和二沉池組成。根據(jù)數(shù)學模型的建模原則（即單位時間單位體積系統(tǒng)內組分的變化量，等于進入該系統(tǒng)的組分總量，減去離開該系統(tǒng)的組分總量，加上該組分的反應總量），完全混合反應器內溶解性i組分和顆粒性j組分的物料平衡方程為：（1）（2）式（1）和式（2）中：S0,i－溶解性i組分的進水濃度（g/m3）；Sf,i－溶解性i組分的出水濃度（g/m3）；X0,j－顆粒性j組分的進水濃度（g/m3）；Xf,j－顆粒性j組分的出水濃度（g/m3）；dh－水力稀釋率；dx－顆粒性物質稀釋率。利用公式（1）和公式（2）就可以列出曝氣池中10個狀態(tài)變量的物料平衡方程，組成一個10階的微分方程組。本文采用Matlab語言編制程序對這個10階的微分方程組進行求解。2.2模擬路線目前活性污泥數(shù)學模型雖然還不能完全用于整個城市污水廠處理系統(tǒng)的控制和設計，但是可以根據(jù)所確定的設計參數(shù)，對各種指標的影響變化進行分析，根據(jù)模擬結果來選擇工藝或者進行優(yōu)化控制。圖1顯示了應用簡化活性污泥數(shù)學模型模擬城市污水廠運行的主要路線。ⅠⅠ、確定目標Ⅱ、定義污水廠Ⅲ、數(shù)據(jù)收集與整理Ⅳ、確定模型結構Ⅴ、參數(shù)校核Ⅵ、模型驗證Ⅶ、實現(xiàn)目標圖1模擬路線3ASM-CN模型的應用3.1城市污水廠概況上海某城市污水廠處理的污水主要是周圍居民區(qū)的生活污水及少量工業(yè)廢水，實際處理流量為55000m3/d左右。進水COD約為300mg/L，SS約為100mg/L，TN約為45mg/L，NH3-N約為30mg/L，pH約為7.5。該污水廠采用活性污泥法二級處理工藝（主要工藝流程見圖2），曝氣池有2個，每個分為4個廊道，每個廊道為45×6×6m3，曝氣池污泥負荷為0.3kgBOD5/kgMLSS.d，水力停留時間約5.6h；輻流式沉淀池有4個，直徑為30米，水深6.1米（進水口深2.3米），表面負荷為1m3/(m2.h)，水力停留時間約2.5h，污泥回流比為60％，回流污泥含水率為98％，污泥平均停留時間為8d左右。圖2污水廠主要工藝流程3.2模型組分的確定該污水廠多年來的監(jiān)測數(shù)據(jù)皆為常規(guī)分析項目，對進水特性的描述仍然是以COD、BOD5和SS為主，沒有與ASM-CN模擬程序相對應的模型組分劃分。因此，合適的數(shù)據(jù)轉換設計將成為決定ASM-CN模擬程序在該污水廠模擬成敗的關鍵因素。文獻中提供了多種進水常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)與模型組分的轉換方法【2,4】，但筆者認為不同地區(qū)不同時段的水質特性差異很大，文獻推薦的轉換方法不一定適合上海地區(qū)的生活污水水質，因此在對上海城市污水廠的運行進行模擬時一定要結合該廠的水質特性分析。本文分別利用呼吸計量法和物化法對該污水廠的曝氣沉砂池出水、初沉池出水和二沉池出水的水質特性進行了詳細分析【5】，確定了曝氣沉砂池出水和初沉池出水中各有機組分占總COD的比例（見表2）。本文將按照表2列出的曝氣沉砂池出水中各組分占總COD的比例對污水廠的進水進行劃分，得出各組分的濃度后再進行模擬。表2主要有機組分占總COD比例組分曝氣沉砂池出水中中占總COD比例（％）初沉池出水中占總總COD比例（％）SI5.5211.38SS22.0613.57XI31.0339.61XS33.6625.53XBH7.448.803.3模型參數(shù)的確定通過對該污水廠的靈敏度分析可知【5】，YH、μmH、bH、μmA及bA對曝氣池中的有機組分、出水指標濃度都有比較顯著的影響，這說明微生物在處理過程中處于核心地位，對所有反應過程都有直接影響，因此對這幾個參數(shù)的準確測定也非常重要。但由于目前很難用現(xiàn)有的方法測定bA，文獻【1】對其范圍進行了報道，所以本文在模擬污水廠的運行時直接采用該參數(shù)的推薦值，而對其它幾個參數(shù)進行了實際測定。根據(jù)實際測定結果【5】，針對該污水廠，YH為0.71，μmH為5.70d-1，bH為0.48d-1，μmA為0.45d-1。其余8個參數(shù)先采用國際水質協(xié)會推薦的默認值（20℃），在參數(shù)校核過程中進行適當調整。由動力學參數(shù)的測定研究可知【5】，溫度（尤其是水溫）對于反應速率有著非常重要的影響，因此也會引起ASM-CN模擬程序中的模型參數(shù)值的變動。本文對污水廠的2002年4、5、6月的常規(guī)監(jiān)測數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，該廠這3個月的水溫在13～20℃內變化，因而在模擬污水廠的運行時必須把溫度對參數(shù)的影響考慮在內，本文采用Arrhenius公式對模型參數(shù)進行修正。采用的溫度修正因子如表3所示，修正后的參數(shù)值見表4。表3溫度修正因子【2】參數(shù)θ參數(shù)θYH和KS、YA1.00μmA1.11FI和iXB1.00KOA1.00bH和bA1.10KNH1.14μmH1.09kh1.06表4模擬程序的參數(shù)取值參數(shù)4月（13℃）5月（14℃）6月（20℃）YH0.710.710.71YA0.240.240.24FI0.070.070.07iXB0.0860.0860.086μmH3.123.405.70bH0.250.270.48KS20.020.020.0μmA0.220.240.449bA0.050.060.10KNH0.400.461.0KOA0.60.60.6kh66.570.51003.4污水廠運行的模擬分析采用表2中的比例對進水COD進行組分劃分，動力學參數(shù)和化學計量系數(shù)采用表4中的數(shù)值，分別利用EFOR商務軟件和ASM-CN模擬程序對污水廠2002年4、5、6月的變化數(shù)據(jù)進行了模擬分析，獲得了這3個月的出水COD濃度、SS濃度、NH3-N濃度和NOX-N濃度的變化趨勢，并與實際出水的各指標濃度進行比較，得出了圖3～圖8的變化曲線。圖34月份出水COD、SS濃度變化曲線圖44月份出水NH3-N、NOX-N濃度變化曲線圖55月份出水COD、SS濃度變化曲線圖65月份出水NH3-N、NOX-N濃度變化曲線圖76月份出水COD、SS濃度變化曲線圖86月份出水NH3-N、NOX-N濃度變化曲線在模型參數(shù)一定的條件下，模擬結果只與進水條件有關，因此EFOR軟件和ASM-CN程序模擬的出水COD、SS及NH3-N變化趨勢與進水相應指標的變化趨勢相近，而實測出水指標濃度受外界環(huán)境影響較大，相應的變化幅度較大，與模擬結果相比有幾個點的誤差比較大，但總體來說，出水COD、SS及NH3-N濃度的模擬效果較好，模擬誤差控制在11％以內。相反，NOx-N濃度模擬誤差很大，尤其是6月份的模擬誤差達到132.50%和138.25%，其原因可能是因為污水廠曝氣池內溶解氧濃度較低，生物反應系統(tǒng)可能發(fā)生了同時硝化反硝化作用，部分NOX-N轉化為N2的形式排出系統(tǒng)，導致最終二沉池出水的實測NOX-N濃度較低，而在ASM1和ASM-CN模型中沒有描述同時硝化反硝化作用，所以模擬的二沉池出水NOX-N濃度大于其實測濃度。此外，從模擬結果還可以看出，EFOR模擬結果與ASM-CN模擬結果比較接近，這就進一步驗證了ASM-CN模型的實用性和有效性，并且也驗證了模擬程序的準確性。結論通過合理簡化建立的活性污泥數(shù)學模型(ASM-CN)無論組分、反應過程還是模型參數(shù)，其數(shù)量都比ASM1少，這意味著可以減小模型組分和參數(shù)測定的工作量和模擬中的計算量，從而提高了該模型在城市污水廠中的實用性。對實際城市污水廠的模擬結果表明，ASM-CN程序模擬的出水COD、SS及NH3-N變化趨勢與進水相應指標的變化趨勢相似，而實測出水指標濃度受外界環(huán)境影響較大，相應的變化幅度較大，與模擬結果相比有幾個點的誤差比較大，但總體來說，出水COD、SS及NH3-N濃度的模擬效果較好，模擬誤差控制在11％以內。從模擬結果還可以看出，EFOR模擬結果與ASM-CN模擬結果比較接近，這就進一步驗證了建立的活性污泥系統(tǒng)數(shù)學模型的實用性和有效性，并且也驗證了模擬程序的準確性。ASM-CN模型可以通過模擬來反映模型參數(shù)和運行方式的改變對廢水處理系統(tǒng)性能的影響，在對出水水質變化和各處理構筑物運行條件的變化進行詳細分析后，可以制訂出污水處理廠的優(yōu)化運行方案，從而可以在提高出水水質、降低能耗等方面進行改進，因此該模型具有較高的實用價值。參考文獻：張亞雷，李詠梅譯，活性污泥數(shù)學模型，同濟大學出版社，2002。張錫輝，劉勇弟譯，廢水生物處理（第二版），化學工業(yè)出版社，2003。SollfrankU.,etal.,(1992).Temperat