活性污泥模型asm模型的建立與應(yīng)用

活性污泥模型asm模型的建立與應(yīng)用

0活性污泥數(shù)學(xué)模型的研究據(jù)統(tǒng)計(jì)，在“42”期間，87%的中國(guó)城市有建設(shè)污水處理廠的計(jì)劃，即建設(shè)約1500個(gè)規(guī)模小于2萬(wàn)米的廢水處理廠。目前國(guó)內(nèi)已建成的污水處理設(shè)施中超過(guò)90%的核心工藝采用活性污泥法,在進(jìn)行工程設(shè)計(jì)時(shí)都是根據(jù)工程設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì),存在較大的弊端。數(shù)學(xué)模型法是現(xiàn)代科學(xué)研究的重要手段,利用數(shù)學(xué)模型描述活性污泥系統(tǒng)的反應(yīng)過(guò)程,有助于給工程設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo);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,可知實(shí)際生產(chǎn)運(yùn)行情況;將模型和控制理論及方法結(jié)合起來(lái),就可按處理水質(zhì)的要求,達(dá)到優(yōu)化運(yùn)行的目的。從1987年第一個(gè)活性污泥模型的提出,目前活性污泥模型(ASM)已經(jīng)從靜態(tài)發(fā)展到動(dòng)態(tài),國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了ASM系列的十余種模型,并開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序和軟件如SSSP,DSP,GPS-X等。中國(guó)在活性污泥數(shù)學(xué)模型的研究方面起步較晚、研究較少。本文對(duì)活性污泥模型進(jìn)行了綜述,并對(duì)這些模型做了評(píng)價(jià)和比較,為國(guó)內(nèi)活性污泥的研究方向提供建議。1模型的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展上世紀(jì)80年代至今,國(guó)內(nèi)外學(xué)者建立了十余種活性污泥模型/復(fù)合模型以及相應(yīng)的多種應(yīng)用程序和軟件。1.1asm1的計(jì)量單元研究活性污泥1號(hào)模型(ASM1)包含動(dòng)力學(xué)參數(shù)14個(gè),化學(xué)計(jì)量系數(shù)5個(gè),組分13種,模型以矩陣的形式描述反應(yīng)過(guò)程:有機(jī)物降解、衰減、水解、微生物生長(zhǎng)等,采用“死亡-再溶解”機(jī)理(如圖1),體現(xiàn)了對(duì)代謝殘余物的再利用,模型未包含磷的去除。ASM1建模時(shí),速率方程不能完全描述系統(tǒng)內(nèi)部發(fā)生的活動(dòng),而且有機(jī)物濃度表示方法混亂,學(xué)者因此引入了開(kāi)關(guān)函數(shù),確定COD為計(jì)量單位,并對(duì)溶解性惰性有機(jī)物、易生物降解有機(jī)物、顆粒惰性有機(jī)物的測(cè)定方法進(jìn)行了研究,如Marais等提出用沉淀物理化學(xué)法來(lái)測(cè)定易生物降解有機(jī)物以及溶解性惰性有機(jī)物,該方法簡(jiǎn)便快捷,對(duì)設(shè)備要求低,但它并不是根據(jù)生物降解速度的不同來(lái)區(qū)分有機(jī)物降解的難易性,所以對(duì)易生物降解有機(jī)物只是一個(gè)粗略的估計(jì)值。Nowak等提出用物料平衡物理化學(xué)法,利用活性污泥系統(tǒng)內(nèi)部COD平衡和氮平衡得出含碳組分和含氮組分的值,但該方法在測(cè)定過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生誤差,只能估算模型組分。國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者對(duì)ASM1進(jìn)行了研究,如Lim等基于ASM1建立了一個(gè)多元參數(shù)誤差最小化的系統(tǒng)模型。國(guó)內(nèi)學(xué)者丁永偉等將活性污泥的Lawrence-McCarty模式、ASM1、數(shù)學(xué)模型和底物在生物膜內(nèi)的Fickian擴(kuò)散理論相結(jié)合,提出了三種復(fù)合工藝的數(shù)學(xué)模型,對(duì)底物的去除和微生物的增長(zhǎng)做了更詳細(xì)的描述。國(guó)外ASM1模型研究已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化開(kāi)發(fā)階段,美國(guó)Clemson大學(xué)將ASM1模型編成計(jì)算機(jī)應(yīng)用程序SSSP(simulationofsinglesludgeprocess),軟件源于序貫?zāi)K法的編程思想。SSSP軟件可以顯示模型中所包含的變化速率之間的關(guān)系曲線,包括泥齡、回流比、耗氧速率等,可以對(duì)污水處理廠進(jìn)行穩(wěn)態(tài)模擬和動(dòng)態(tài)模擬。1.2長(zhǎng)期型1號(hào)基準(zhǔn)仿真模型國(guó)際水協(xié)會(huì)(IWA)和歐盟科學(xué)技術(shù)合作組織(COST)合作開(kāi)發(fā)了活性污泥污水處理基準(zhǔn)仿真模型BSM1,為活性污泥處理過(guò)程自動(dòng)控制方案的開(kāi)發(fā)建立了一個(gè)平臺(tái),但在建立此模型的時(shí)候仿真時(shí)間太短,擾動(dòng)數(shù)據(jù)不完善,所以Rosen等提出了一個(gè)“長(zhǎng)期型1號(hào)基準(zhǔn)仿真模型”(Long-TermBenchmarkSimulationModelNo.1,BSM1_LT),其主要目的是促進(jìn)長(zhǎng)期性的控制方案和過(guò)程監(jiān)控的評(píng)估。此模型在建立的時(shí)候只考慮了局部處理單元,對(duì)于一個(gè)仿真模擬真實(shí)污水處理廠的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)是完全不夠的,所以在BSM1_LT的基礎(chǔ)上,Jeppsson等提出了“2號(hào)基準(zhǔn)仿真模型”(BenchmarkSimulationModelNo.2,BSM2),其主要目的是實(shí)現(xiàn)在全廠范圍內(nèi)對(duì)控制性能進(jìn)行長(zhǎng)期評(píng)估。隨后,Benhalla等基于ASM1建立了BSM1線性模型,這個(gè)線性模型最主要的特征是其線性時(shí)間恒定不變,而且保留了生物學(xué)參數(shù)和ASM1模型的原始尺寸,因此,部分研究者認(rèn)為其將來(lái)還可能取代ASM1模型。1.3推流式活性污泥法仿真系統(tǒng)國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有學(xué)者在從事實(shí)用軟件方面的研究。ScienceTrav2ellerInternational公司目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出針對(duì)好氧系統(tǒng)推出的活性污泥穩(wěn)態(tài)模擬軟件SASSPro,還有用于市政污水處理廠優(yōu)化的軟件STOAT以及BiowinProcessAdvisor軟件。中國(guó)大多的仿真軟件都是以MATLAB為開(kāi)發(fā)工具,編寫復(fù)雜,并且軟件的可視性和易用性較差,不利于推廣。有學(xué)者結(jié)合推流式活性污泥的具體工藝,利用LabVIEW軟件和其自帶的基本函數(shù)庫(kù),開(kāi)發(fā)出推流式活性污泥法仿真系統(tǒng),并探討了其在水處理仿真中的實(shí)際應(yīng)用。2007年,于廣平等在此研究基礎(chǔ)上,針對(duì)ASM1應(yīng)用進(jìn)行合理的簡(jiǎn)化,得到了適合描述活性污泥碳去除過(guò)程推流式工藝的ASP-CR模型,并對(duì)溶解氧組分進(jìn)行了特殊處理———用現(xiàn)場(chǎng)的測(cè)量值代替預(yù)測(cè)值,而且對(duì)反應(yīng)組分、反應(yīng)過(guò)程和參數(shù)進(jìn)行了適當(dāng)?shù)南鳒p,ASP-CR模型只包含7種組分、3個(gè)反應(yīng)過(guò)程和8個(gè)參數(shù),并在該模型的基礎(chǔ)上建立了污水處理仿真系統(tǒng),解決了數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和參數(shù)校正的問(wèn)題。1.4沉池網(wǎng)絡(luò)模型的建立活性污泥數(shù)學(xué)模型包括反應(yīng)池模型和二沉池模型。對(duì)于二沉池,基于固體通量理論的一維通量模型使用較多,而將兩種模型耦合并應(yīng)用于整個(gè)活性污泥過(guò)程仿真和預(yù)測(cè)的研究不多。Cote將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模技術(shù)與數(shù)學(xué)模型結(jié)合,實(shí)時(shí)估計(jì)出水懸浮固體(SS)濃度、出水化學(xué)耗氧量(COD)濃度、出水氨氮濃度以及混合液溶解氧濃度(DO),雖然此研究方法計(jì)算量大,而且實(shí)時(shí)控制效果不是很好,但為后來(lái)學(xué)者建立二沉池簡(jiǎn)化模型奠定了基礎(chǔ)。還有學(xué)者將質(zhì)量守恒的二沉池一維通量模型與反應(yīng)池活性污泥二號(hào)模型耦合,對(duì)活性污泥過(guò)程進(jìn)行模擬與優(yōu)化研究。喬俊飛等在ASM1的基礎(chǔ)上,建立了能夠反映二沉池出水水質(zhì)關(guān)鍵參數(shù)的簡(jiǎn)化模型,該模型解決了控制系統(tǒng)不易于控制器設(shè)計(jì)的問(wèn)題,而且解決了計(jì)算量較大、實(shí)時(shí)控制效果不是很好的問(wèn)題。1.5預(yù)處理裝置簡(jiǎn)介在污水處理系統(tǒng)中,主要節(jié)能措施有對(duì)曝氣量、內(nèi)外回流量等的優(yōu)化控制。Samuelsson等研究了活性污泥處理污水系統(tǒng)中操作費(fèi)用最小化的控制策略,而且進(jìn)行了仿真研究,說(shuō)明了其可行性。Fikar等以某一小型廢水處理廠為研究對(duì)象,考慮了出口處約束條件,以能量消耗最小為前提,確定了最優(yōu)的曝氣/非曝氣時(shí)間,對(duì)污水處理的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行了優(yōu)化。目前國(guó)外已經(jīng)有用于生化除氮(BNR)廢水處理預(yù)曝氣裝置分析設(shè)計(jì)和操作優(yōu)化的商業(yè)化預(yù)曝氣工藝軟件DSP(dynamicsimulatorforprefer2menters)。在國(guó)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,舒海濤等用AMPL建模語(yǔ)言進(jìn)行建模,建立了基于ASM1模型的曝氣系統(tǒng)簡(jiǎn)化數(shù)學(xué)模型,該模型采用IPOPT解法器進(jìn)行求解,解決了以曝氣能量消耗最小為目標(biāo)函數(shù)的曝氣系統(tǒng)優(yōu)化控制問(wèn)題,優(yōu)化控制節(jié)約了40%的能耗,而且此曝氣的過(guò)程經(jīng)驗(yàn)證是有效的。1.6asm2模型活性污泥2號(hào)模型是國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)(IAW)于1995年推出的,仍然包含復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程19種,42個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和22個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù),該模型增加了PAO(phosphorusaccumulatingorganisms)有關(guān)的反應(yīng)過(guò)程,而且包含磷的吸收和釋放、酵解、厭氧水解。ASM2模型提出,該模型過(guò)程中的PAOs(聚磷微生物)由兩部分組成,其中一部分可以反硝化,但在ASM2中,這一部分沒(méi)有得到詳細(xì)的描述。而且由于ASM1和ASM2推出的時(shí)候,計(jì)算的能力有限,模型的發(fā)展還是受到了抑制。為了簡(jiǎn)化,模型規(guī)定了很多的假設(shè):如假定異氧菌生物量和聚磷菌生物量是均勻的,并且不隨時(shí)間變化;有機(jī)物質(zhì)、有機(jī)氮和有機(jī)磷酸鹽的水解是相耦合的,而且是同時(shí)發(fā)生的。在ASM2基礎(chǔ)上,丹麥DHI水動(dòng)力研究所基于ASM1和ASM2開(kāi)發(fā)了EFOR軟件,由EFORApS公司與以MogensHenze教授為首的IAWQ活性污泥模型國(guó)際專家組聯(lián)合開(kāi)發(fā),該軟件能夠獲得穩(wěn)態(tài)與動(dòng)態(tài)的出水效果。1.7asm2d模型活性污泥2d模型是由IAW于1999年推出的,國(guó)內(nèi)外在ASM2d模型方面的研究不是很多,該模型是對(duì)去除活性污泥系統(tǒng)中的化學(xué)需氧量(COD)、氮、磷等綜合生物處理過(guò)程進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬的數(shù)學(xué)模型,在ASM2的基礎(chǔ)上增加了兩個(gè)過(guò)程來(lái)說(shuō)明聚磷菌可利用胞內(nèi)有機(jī)貯存產(chǎn)物來(lái)進(jìn)行反硝化。ASM2d模型雖然在引入聚磷菌的同時(shí)考慮了磷沉降的問(wèn)題,但該模型未考慮NO、K、Mg和亞硝酸鹽對(duì)生物除磷的抑制。Smolders代謝模型也是對(duì)含磷有機(jī)物去除的一個(gè)模型,該模型將對(duì)生物除磷過(guò)程具有實(shí)質(zhì)性意義的糖原作為重要的組分進(jìn)行利用研究,但該模型是否可應(yīng)用到連續(xù)性活性污泥模型中尚且未知,所以董珊燕等提出應(yīng)該將這兩個(gè)模型的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái),建立結(jié)構(gòu)完整、參數(shù)較少、辨識(shí)簡(jiǎn)單的模型。1.8活性污泥碳氧化硝化模型慢速生物降解有機(jī)物的水解一般都受其自身濃度的控制,隨著溫度的降低,慢速生物降解有機(jī)物以及不可生物降解有機(jī)物的濃度會(huì)發(fā)生變化,這些都會(huì)影響活性污泥處理水的效果。Sollfrank等就針對(duì)溫度對(duì)廢水特征的影響進(jìn)行了研究,而且對(duì)慢性生物降解有機(jī)物的去除做了相應(yīng)的研究;Roeleveld等對(duì)進(jìn)水常規(guī)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了研究,而且提供了模型組分的轉(zhuǎn)換方法。這些研究都為后來(lái)活性污泥碳氧化硝化模型的建立奠定了理論基礎(chǔ)。在國(guó)外學(xué)者研究的基礎(chǔ)上,劉芳等以活性污泥1號(hào)模型為開(kāi)發(fā)平臺(tái),建立了活性污泥碳氧化硝化簡(jiǎn)化模型(ASM-CN模型),模擬誤差控制在11%以內(nèi),模型還可以通過(guò)模擬來(lái)反映模型參數(shù)和運(yùn)行方式的改變對(duì)廢水處理系統(tǒng)性能的影響,從而對(duì)水質(zhì)以及各裝置運(yùn)行情況進(jìn)行具體分析后得出可行的運(yùn)行參數(shù),提高了此模型的實(shí)用性。因?yàn)樵贏SM-CN模型中,異氧菌衰減系數(shù)(bH)、異氧菌最大比增長(zhǎng)速率(μmH)和自養(yǎng)菌最大比增長(zhǎng)速率(μmA)對(duì)活性污泥系統(tǒng)的性能有顯著的影響,所以劉芳等同年著重研究了這3個(gè)參數(shù),并對(duì)這3個(gè)參數(shù)的測(cè)定過(guò)程的影響因素進(jìn)行了分析。1.9asm3和asr3對(duì)生物除磷過(guò)程的模擬ASM3模型被認(rèn)為是未來(lái)新模型的研究標(biāo)準(zhǔn),它不以水解作為重點(diǎn),而是引入有機(jī)物在微生物體內(nèi)的貯存及內(nèi)源呼吸過(guò)程,只強(qiáng)調(diào)細(xì)胞內(nèi)部的活動(dòng)過(guò)程。因?yàn)锳SM1和ASM2推出的時(shí)候,計(jì)算能力有限,為了簡(jiǎn)化計(jì)算,只用“死亡-再生”理論來(lái)描述衰減過(guò)程(圖2),而ASM3用內(nèi)源呼吸(圖3)真實(shí)地反映了衰減過(guò)程,而且ASM3對(duì)胞內(nèi)過(guò)程進(jìn)行了詳細(xì)的描述,并且使得衰減過(guò)程更適應(yīng)環(huán)境條件,降低了水解的重要性。在ASM1中,異氧菌衰減和硝化菌衰減的相互作用影響嚴(yán)重,容易混淆,而在ASM3中,對(duì)這兩組生物體的所有轉(zhuǎn)換過(guò)程都進(jìn)行了清晰的區(qū)分,并以相同的模式進(jìn)行描述;ASM3假定水解過(guò)程是獨(dú)立于電子供體而進(jìn)行的,與ASM1相比,減弱了水解對(duì)耗氧速率和反硝化速率的控制作用,減弱了水解的重要性;ASM3更注重胞內(nèi)貯存物的描述,并且允許衰減過(guò)程更適應(yīng)環(huán)境條件的改變。ASM3包含13個(gè)組分,12個(gè)生化過(guò)程。在ASM3中,雖然ASM2中的生物除磷過(guò)程不包含在內(nèi),但很容易就可以添加進(jìn)去。Xie等基于ASM3建立了反硝化模型,結(jié)果表明新的模型能在反硝化的過(guò)程中反映可溶性微生物的形成與基質(zhì)消耗之間的關(guān)系。Liwarska-Bizukojc等將ASM3對(duì)復(fù)雜活性污泥模型的模擬結(jié)果,和現(xiàn)有的一些大型污水處理廠所應(yīng)用的BioWin軟件中的應(yīng)用結(jié)果進(jìn)行比較,實(shí)測(cè)值和模擬值已經(jīng)基本吻合。Trutnau等提出了基于ASM3的耦合模型,用TOC含量來(lái)描述各模塊組分中的除磷過(guò)程。目前Hydromantis公司已經(jīng)開(kāi)發(fā)了基于ASM3的面向?qū)ο?、模型?dú)立的交互式商業(yè)化軟件GPS2X(thegeneralpurposesimulator)。1.10對(duì)微生物的作用FCASM3模型是在充分分析活性污泥系統(tǒng)生物反應(yīng)的機(jī)理上建立的,是活性污泥系統(tǒng)生物去除營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的細(xì)觀機(jī)理模型,該系統(tǒng)將微生物劃分為8類菌群,包含31種組分、72個(gè)子過(guò)程。其主要特點(diǎn)就是充分考慮微生物間的相互作用,將微生物進(jìn)行了細(xì)分。有學(xué)者在FCASM3模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了相關(guān)研究。如王如意等對(duì)全耦合模型(FCASM3)進(jìn)行了校核,動(dòng)態(tài)模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)結(jié)果一致,為此模型的優(yōu)化改進(jìn)提供了理論依據(jù)和科學(xué)的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。但由于FCASM3模型在建立的時(shí)候,沒(méi)有充分考慮場(chǎng)與場(chǎng)(生物場(chǎng)、水力場(chǎng)和溫度場(chǎng))之間的相互關(guān)系,所以孫培德等在全耦合活性污泥模型(FCASM3)的基礎(chǔ)上建立了活性污泥系統(tǒng)生物場(chǎng)-水力場(chǎng)-溫度場(chǎng)耦合模型(FCASM3-Hydro-Temp),該模型既能準(zhǔn)確反映活性污泥系統(tǒng)污染物去除過(guò)程,又充分考慮水力以及溫度的多場(chǎng)耦合。1.11asm3模型的應(yīng)用ASM3C模型是ASM3模型的一個(gè)調(diào)整版本,有機(jī)物變量是以有機(jī)碳而不是以COD來(lái)表達(dá)