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1、浙江大学 硕士学位论文 基于 ASM2的活性污泥法数学建模及模型参数校正 姓名：秦亚桐 申请学位级别：硕士 专业：系统工程 指导教师：马龙华 20060201 摘要 活性污泥法具有处理效率高、运行费用低的优点，是城市污水厂使用最多的 工艺，但是活性污泥法的设计运行水平还非常依赖于经验。本课题研究的目的在 于建立准确易用的活性污泥机理数学模型，用理论指导实践，减少对经验的依赖。 目前，国内外学者对活性污泥法数学模型的研究主要集中在 IAWQ组织提出 的 ASM1之上，对其随后提出的包含除磷效果的 ASM2的研究几乎还是空白。 然而，由于 ASM1并没有包含磷的去除，在水体富营养化日趋严重的今天，
2、这 不能不说是一大遗憾。出于这种考虑，有必要对 ASM2进行研究，建立适合具 体工艺要求的 ASM2简化模型。 文中首先阐述了国内外活性污泥模型的发展与应用现状，逐一介绍了比较有 影响力的机理模型、稳态模型和动态模型，并详细介绍了活性污泥脱氮除憐原理 及污水处理 A2/0工艺的发展过程。 其次，详细讨论了活性污泥模型的简化方法，并推导出 ASM2的过程动力学 方程。同时基于固体通量理论 和一维二沉池的各层的物料平衡，介绍了二沉池澄 清一浓缩过程动力学模型，通过一定的假设条件，提出了一种基于 ASM2的二 沉池改进模型，由此建立了基于 A2/0工艺包含二沉池的 ASM2模型，并进行了 仿真分析。
3、 再次，为了能够真实准确的反映污水处理厂的运行工况，尽量降低模型模拟 值与污水厂出水实际值之间的误差，对提出的改进模型进行了动力学参数灵敏度 分析，通过灵敏度分析及温度影响分析，校正了模型的动力学参数，并提出了模 型参数校正函数，使模型能够运用到实际污水厂自动控制之中。 最后介绍了活性污泥工艺软件的发展现状 及发展方向，并简单介绍了作者参 与开发的一个活性污泥工艺软件。 关键字：污水处理，数学模型，活性污泥法， ASM2, A2/0工艺，二沉池，灵敏 度分析，工艺软件 Abstract Activated sludge processs merit has great disposal eff
4、iciency and low operates expenses. So it uses mostly in municipal wastewater treatment plant, but the design and operation of activated sludge process depend on experience very much. The purpose of the task is setting up activated sludge mechanism mathematic model. And it can instruct practice with
5、theory and reduce the reliance on experience. Currently, all researchers have focused their all energy on the ASM1 of IAWQ, and almost nobody have paid any energy on the following model ASM2, in which the remove of Phosphorus is included. Because of the absence of Phosphoric Removal, ASM1 has obviou
6、s limitation and it prevents ASM Vs farther development, especially in now days of more attention put on the remove of Phosphorus. Just for this, we should pay more attention on the research of ASM2, build the suitable model for factual technicSj and put it into actualizes on wastewater treatment pl
7、ant. Firstly, this paper introduces the development and application domestic and international activated sludge model. It introduced more powerful mechanism model, stable state model and dynamic model one by one, and then the principle&process of activated sludge process including nitrogen and phosp
8、horus removal are reviewed detailed, meanwhile the typical technicsA2/0) of activated sludge process is introduced. Secondly, the assumption method of activated sludge model is discussed, and based on the solid flux concept and a mass balance around each layer expatiate a one-dimensional settler mod
9、el of secondary clarifier, then establish the model of secondary clarifier on the base of the activated sludge model(ASM2). Through giving some assumptions a model including secondary clarifier is constructed on the A2/0 process, and then simulates it. Thirdly, in order to presenting the factual sit
10、uations of sewage plant, the analysis of stoichiometric coefficients is required. Considering the sensitive and temperature effect, the coefficients are calibrated. Then construct a function that can be using in the real-time control of sewage plant. Finally, introduce the development of process sof
11、tware of activated sludge model and a developing process software which author is involved in. Keywords: wastewater treatment, mathematics model, activated sludge process, ASM2, A2/0 technicsf secondary clarifier, sensitive analysis, process software 第一章绪论 1.1引言 我国是世界上少数几个资源大国之一，但人均拥有资源量很少。持续的人口 增长，
12、地表水和地下水的污染，使我国水资源短缺严重，我国河川年流量 27000-28000亿 m3,居世界第六位，但人均占有水量仅为 2400-2500m3,仅列世界 第 110位，为世界人均水量的 1/4,我国己被联合国列为 13个水资源贫乏国家之一。 目前我国缺水城市达 335座，据预测， 2010年、 2030年和 2050年城市需水量将分 别达到 1290亿 m3, 1730亿 m3和 2070亿 m3,水资源紧缺，是制约中国经济发展难 以克服的因素。 为解决这一问题，当前所采用的解决方式主要包括传统模式与非传统模式。 传统模式是指通过开发地表水和地下水的方式来增加淡水资源的可利用量：而非 传
13、统模式则借助于非传统水资源的开发利用，采用可持续的水资源利用模式实现 对水资源的再利用。非传统水资源包括：节约用水，提高用水效率；雨水利用； 污水的再处理与利用。与非传统模式相比，传统模式在淡水资源不变的情况下， 只能治标而不能治本。本文将重点对非传统模式的污水再处理与利用进行讨论。 1.2活性污泥法 发展现状 活性污泥法是污水处理中典型的好氧生物处理方法，自 1913年在英国试验成 功以來己有近百年的历史，由于其较好的处理效果和较方便的管理，因而在城市 污水处理中得到广泛应用。传统的活性污泥法是指通过微生物在好氧条件下，利 用污水中的有机物或部分无机物为培养基质进行的生物合成和生物分解的代谢
14、 活动。在此过程中，污染物一部分被微生物降解以维持其生命活动而得以去除， 另一部分则用来合成新的微生物并通过从反应器中的部分排除而维持反应器中 的主体一微生物的平衡。由此可见，活性污泥法的目标是去除污水中的有机质， 以 有机质作为生长基质的微生物是整个工艺的主体，从而创造主体微生物生长所 需的环境条件如营养、温度、 PH、 供氧气等为整个工艺功能发挥优劣的关键 活性污泥法的广泛应用是由于它具有许多明显的优点。它使用范围广，既能 有效处理城市生活污水，也能处理多种工业有机废水：其处理规模可在千吨 /曰 至万吨 /日之间变化；可以连续运行，也可以间歇运行。这种巨大的适应能力是 其他的废水处理工艺所
15、不具备的。活性污泥法具有良好的灵活性，这表现在多方 面。首先，它具有多种不同的运行方式。每一种 运行方式都有其独特的性能；其 二，它能在较大的负荷范围内有效的工作，这样就具备了对不同废水特性、环境 和其他制约条件以及处理要求的良好的适应能力；此外，它是可控制的，活性污 泥法能以合理的费用达到相当高的出水水质要求。 活性污泥法也存在以下缺点：首先污泥产量高，污泥的产率与负荷和泥龄密 切相关。在高负荷的的活性污泥种，剩余污泥量及其处理问题是一个重要的考虑 因素，而对低负荷系统，如延时曝气、氧化沟来说，这一问题不十分明显。其次， 运行操作较为复杂，要求高。活性污泥法的运行中有多种过程控制的手段，如污
16、 泥的回流，剩余污泥的排放和氧的供给等。在对过程控制缺乏足够的认识和深入 研究的情况下，这对矛盾中的复杂性一面就会成为影响工艺选择和运行效果的不 利因素。其三，容易出现污泥膨胀等运行问题，影响工艺性能。随着活性污泥处 理工艺的推广，人们对它的认识也不断深入，为解决实际问题的需要，从工艺流 程布置上，活性污泥法产生如下十余种形式：传统活性污泥法 (CMAS)62、 完全 混合活性污泥法 (CAS)61、 循环式活性污泥法 (CAST)M、 延时曝气活性污泥法 (EAAS)、 纯氧曝气活性污泥法 (HPOAS)65、选择器活性污泥法 (SAS)、 序批式活 性污泥法 (SBR)66、多点进水活性污
17、泥法 (SFAS)、 活性生物滤池 (ABF)， 氧化沟 55等。 1.3活性污泥数学模型的发展 建立完善、实用的数学模型不仅对污水生物处理过程的设计和运行管理有重 要意义，对控制策略的设计也具有借鉴意义。 活性污泥法作为废水生物处理的方法，经过近百年的发展，已经成为一种较 为成熟的工艺。它具有较好的处理效果和低廉的处理费用，在城市污水厂中得到 广泛的应用。在活性污泥法的发展过程中，对它的处理过程、反应机理的研究越 来越深入，而每 一次的研究进展都会以简练的数学模型的形式表达出来，一个好 的数学模型对于工程有重要的指导作用和经济价值。 活性污泥法处理污水起源于 1912年，它主要是利用污泥中的
18、微生物对污水中 污染物的降解转化作用，最早的数学模型要追溯到微生物学上的相关研究 495 1913年， Michaelis和 Menten做了大量动力学实验，研究纯酶对纯底物的降解 关系，提出了 Michaelis-Menten方程。这个方程能够表达底物浓度与酶促反应速 度之间的关系。因为一切生化反应都是 在酶的作用下完成的，所以 Michaelis Meiiten方程能够间接说明微生物降解底物速度与底物浓度的关系，在废水生物处 理工程中有广泛的应用。 1942年 Monod24提出以 Michaelis-Menten公式为基础的 Monod方程，指出微生 物的生长速率与微生物浓度及某些限制性
19、底物浓度之间的关系 47。 20世纪 50年代 后期， Eckenfelder、 McKinney、 Lawrence和 McCarty等人以 Monod方程为基础， 引入化工领域的反应器理论及微生物学的生物化学理论，将基质降解、微生物生 长及各参数之间的关系用数学模型来表示，建立有代表性的 Eckenfelder、 McKinney和 Lawrence McCarty活性污泥法传统静态模型 47。 20世纪 80年代，美国的 J.F.Andrews提出了 Andrews动态模型。随后，英国水 研究中心提出 WRc动态模型。分别运用不同的机理解释了传统静态模型无法解释 的某些现象，但这类模型仍
20、存在两个主要问题： 微生物衰减过程按内源呼吸理 论来描述，未考虑代谢残佘物的再利用； 仅描 述了污水中含碳有机物的去除过 程，无法模拟预测氮和磷的降解。 为解决这两个问题 1983年国际水协会 （ IWA)组织专家在前人活性污泥模 型的基础上进行了长达 4年的收集、分析、比较、归纳，于 1986年开始陆续提出 了 ASM1-ASM31333】 模型。 ASM模型以矩阵的形式对活性污泥法污水处理过程内 部组分及反应过程进行表述。 ASM系列模型目前被广泛应用于污水处理模型研 究和过程仿真，很多专门的污水处理过程设计和仿真软件都是以它们为基础的。 1.3.1静态活性污泥模型 传统静态模型以 20世
21、纪 50 70年代推出的 Eckenfelder， McKinney和 Lawrence-McCarty模型为代表，这些模型所采用的是生长一衰减机理 11。 Eckenfelder模型 该模型是 W.W.Eckenfelder对间歇试验反应器内微生物的生长情况进行观察 后于 1955年提出的。当微生物处于生长率上升阶段时，基质浓度高，微生物生长 速度与基质浓度无关，呈零级反应： dX dt *X (1.1) 当微生物处于生长率下降阶段时，微生物生长主要受食料不足的限制生物的 增长与基质的降解遵循以下反应关系： 色： K， X dt 2 当微生物处于内源代谢阶段时微生物进行自身氧化： dX-X)
22、 (1.2) dt K3*X (1.3) (2) McKinney模型 该模型是由 R.E. McKinney于 20世纪 60年代初发表的。与 Eckenfcldet模型相 比，McKinney模型忽略了微生物浓度对基质去除速度的影响，认为在活性污泥 反应器内，与微生物浓度相比，它属低基质浓度。微生物处于生长率下降阶段时， 代谢过程为基质浓度所控制，遵循一级反应动力学。 McKinney模型可以表述为： dF_ dt -K*X (1.4) McKinney模型首次提出活性物质的概念，认为活性污泥中只有部分具有活性 的微生物对基质降解起作用。虽然当时还无法直接测定活性物质，但这一概念的 提出，
23、为活性污泥模型的研究开拓了新的思路。 (3) Lawrence-McCarty模型 A.W. Lawrence和 P.L. McCarty于 1970年提出的 Lawrence-McCarty模型，最先 将Monod方程引入污水处理领域，该模型的基本方程式为： Y*U-Kd (1.5) U 二 v K + S (1.6) 该模型的突出之处是强调了细胞平均停留时间（污泥龄）的重要性，由于污 泥龄可以通过控制污泥的排放量进行调节，因此增加了模型在实际应用中的可操 1.3.2动态活性污泥模型 以上提到的各种静态模型已经能够进行污水厂的初步设计，通过对污水组分 和污泥组分的分类，比较准确的计算完全馄合
24、活性污泥工艺的反应池体积、需氧 量、污泥产量等重要数据。但是存在如下几个缺点： (1) 这些模型都假设泥龄超过 3天的活性污泥系统中，悬浮固体中没有源于 进水的颗粒可降解有机物，从而不必考虑颗粒有机物降解歩骤中的水解过程。所 有有机物的降解速度认为是相同的。这个假设仅在进水中的基质被去除完全的条 件下有效，这时稳态模型主要考虑组分转化的数量关系而不是转化速度 (2) 对于复杂的活性污泥系统，不同的反应池侧重不同的功能。对于前置缺 氧池来说，基质被基本去除的前提不成立，这时以上模型就会产生较大误差。 0)实际污水厂总是处在变化过程中，进水的水质水量有变化，每天的气温 也有变化。采用平均值计算的各
25、种设计参 数不能保证在水质变化较大情况下污水 厂出水仍然达标。 (4) 现在污水厂具有自动控制的要求，稳态模型只能提供长期预测数据，不 能提供短期预测数据，不符合自控要求。 基于以上缺点 .有必要发展活性污泥的动态模型，不仅能够预测物质转化的 数量关系，而且能够预测物质转化速度。 (i) ASM系列模型 国际水协会 OWA)于 1983年组织南非、日本、美国、丹麦、荷兰等 5国专 家成立活性污泥通用模型国际研究小组，致力于新的活性污泥数学模型的开发， 并于 1987， 1995和1999年陆续推出丁 3套模型 11 ASM1:该模型着重于污水生物处理的基本原理、过程及其动态模拟，首次 把氮的去
26、除纳入模型 ASM1描述了活性污泥去除有机物和硝化反硝化的生物过 程，它包含有 13个鉬分和 8个反应过程 =活性污泥法处理污水的核心过程是微 生物利用基质的生长过程，同时发生的还有微生物的衰减和底物的降解前变化如 水解和氨化等过程。 在 ASM1中，微生物的生长 (底物降解 )采用了 Monod方程的形式，而不是稳 态模型中 常用的 Eckenfdder方程。因为稳态条件下，完全混合反应器中底物浓 度比较低，能够简化成对底物的一级反应。但是在动态模拟中 ，反应池中的底物 度比较低，能够简化成对底物的一级反应。但是在动态模拟中，反应池中的底物 浓度是有高有低，改用 Mcmod方程能够在更大范围
27、内获得更合理的描述。 微生物衰减是包括生物死亡、细胞分解、生物捕食等多种途径的复杂过程， 在以往的模型里都是利用内源呼吸机理进行表达，衰减过程发生 COD损失。可 是实验表明，在无氧条件下，微生物也会发生衰减过程，这个过程可能是以硝酸 盐为电子受体，或者是发酵过程。不同情况下有不同比例的 COD损失。如果不 同情况分别描述会使模型复 杂化，因此 ASM1采用了 Dold等人的死亡再生模型， 认为微生物会以相同速率衰减，同时不考虑这个过程中的 COD损失，这个过程 中时机发生的 COD损失通过参数调整被转移到微生物生长过程。虽然两种衰减 模型都是采用一级反应动力学，但是衰减产物不同 衰减系数和化
28、学计量参数的 取值也不同。 ASM1模型可以写成矩阵形式，模型矩阵共有 8行 13列，表示活性污泥过程的 8种生物化学反应和 13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 t2e： p9。 _ ASM2:实践证明 ASM1是一种很有用的工具，在欧美得到广泛使用。但其主 要缺陷是未包含除磷过程。为此， IWA于 1995年推出了 ASM2。 该模型沿用 ASM1 的矩阵表示形式和物质平衡计算两大特点，引入聚磷微生物 XPAO,将生物和化学 除磷过程纳入模型中。 对污水除磷过程， ASM2进行了如下描述： 活性污泥污水厂的除磷现象分为化学除磷和
29、生物除磷两方面； 化学除磷指的是污水中的磷酸盐和金属离子结合，以化学沉淀的形式去 除。这个过程包括磷酸盐沉淀的形成和溶解两方面，这里用磷酸盐沉淀物和铁铝 氢氧化物的平衡表示化学反应的进行程度； 生物除磷指的是污水中的磷酸盐被聚磷菌吸收然后通过剩余污泥排出系 统。它又可以分为无反硝化能力聚磷菌除磷和有反硝化能力聚磷菌除磷两种； 在厌氧和好氧条件下，两种除磷菌具有相同的功能，循环发生释磷和吸磷 作用。而在缺氧条件下 ,只有后一种聚磷菌具有利用硝酸盐氧化有机物同时吸磷 的能力； 磷的吸收和释放实质是细胞内的磷聚合物颗粒和细胞外磷酸盐的不同形 态磷化合物相互转化，同时伴随能量的吸收和释放这个能量来源于
30、好氧缺氧条 件下有机物 的氧化，同时用于厌氧条件下细胞内 PHA的合成； 只有几种低级挥发酸能够在厌氧条件下被聚磷菌利用合成 PHA。 它们都是 厌氧发酵过程的产物。 ASM2共有 19中组分、个生物化学反应过程、 22个化学计量系数和 42个动 力学参数。 ASM2基本保留了 ASM1己经覆盖的生物反应过程，新增加的过程分 为：原有组分在厌氧条件下的相关反应过程，如厌氧发酵、厌氧水解等；新组分 的相关反应过程，如聚磷菌的释磷、吸磷、生长与衰减等。相对于 ASM1， ASM2 也做了简化，它不再区分污水中的惰性有机颗粒和微生物代谢的惰性颗粒物，也 取消了 ASM1中含氮有机物的水解过程和氨化过
31、程。颗粒有机氮的水解和氨化过 程都不是独立过程，而是和颗粒有机物的水解和降解过程同步发生，没有单独表 达的必要，矩阵表达也不够简洁。另外 ASM2不仅有有机氮的变化，还有有机磷 的变化，如果将有机磷的水解也单独列出，化学计量矩阵就更庞大了。这里采用 了连续性方程来解决这个问题。由于至今对生物除磷的机理还未完全了解， ASM2的应用还存在一些限制 11722。 ASM3: 1999年 IWA推出了 ASM3n_，不包含除磷过程。 ASM3相对于 ASM1进行了较大的 修改： 简化了颗粒有机物水解过程，认为好氧条件和缺氧条件具有相同的水解速 率； 增加的胞内储存物组分，水解产物不再直接降解，而是先
32、储存再降解； 异养菌生长不是基于易降解有机物等水解产物，而是基于胞内储存物： 微生物衰减改用内源呼吸理论，不仅细胞代谢会消耗氧气，胞内储存物也 消耗氧气。 由于 ASM3推出时间不长，它的准确性和实用价值还需要通过大量试验和实 际使用进行验证。 (2) Andrews 模型 147 由美国的 J.F. Andrews等于 20世纪 80年代提出。该模型提出了存储一代谢机理 (图 U) 该机 理认为 在活性污泥过程中，非溶解性有机物和部分溶解性有机 物首先被生物絮体快速吸附，以细胞内储存物 XSTO的形式被储存，然后再被微生 物利用。这一机理的引入，合理解释了有机物的 快速去除 现象，很好的预测