惠若瑾，黃 明

（安徽建筑大學 環(huán)境與能源學院，安徽合肥，230022）

SBR工藝的MATLAB動態(tài)系統(tǒng)模擬仿真研究

惠若瑾，黃 明

（安徽建筑大學 環(huán)境與能源學院，安徽合肥，230022）

仿真技術是融合了多學科的一門技術。它以信息技術為基礎，計算機等專用設備為工具，利用系統(tǒng)模型對實際或設想的系統(tǒng)進行動態(tài)模型試驗。SIMULINK作為MATLAB最重要的組件之一，提供了一個動態(tài)系統(tǒng)建模、仿真和綜合分析的集成環(huán)境。本文通過對活性污泥3號模型進行合理簡化，有效解決了模型的主要參數和污水成分的測量問題，也通過對污水數據進行仿真運行，證明了仿真模型能對SBR工藝進行較好的仿真。

仿真技術 活性污泥3號模型 城市污水 SBR工藝

0 引 言

SBR（Sequence Batch Reactor)作為一種間歇曝氣方式運行的污水處理技術，因為具有工藝簡單，造價低，效率高，出水穩(wěn)定可靠的優(yōu)點，是我國污水處理的一種重要工藝，被許多中小型污水廠采用[1,2]。近年來隨著該工藝的發(fā)展，逐漸利用計算機仿真技術對SBR工藝處理機理進行動態(tài)分析和模擬，得到了越來越多的重視[3]。

目前在SBR工藝模型的研究進展和應用現狀階段，提出像Andrews模型，Monod模型和IWA（國際水質協(xié)會）組織的ASM1、ASM2、ASM3（活性污泥1號、2號、3號模型）[3,4]，后者提出的三種模型是較為成熟、使用更廣泛的活性污泥模型。本文選用ASM3模型微生物動力表達式，結合合肥朱磚井污水廠SBR工藝，運用SIMULINK建立該工藝的仿真模型，以驗證COD濃度的變化情況。

1 活性污泥模型的應用

1.1 SBR工藝

合肥朱磚井污水廠SBR處理工藝流程分四個階段：進水/曝氣、沉淀、排水、閑置階段。其工藝流程見圖1。

圖1 污水處理廠SBR工藝流程圖

該污水廠污水包括生活污水、工業(yè)污水及截留的初期雨水，進水COD濃度在320 mg/L左右，出水COD濃度達到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B，即 COD≤60 mg/L。

1.2 反應模型

ASM1和ASM3主要描述了碳氧化、硝化及反硝化過程[4]，ASM2不僅描述了含碳有機物和氮的去除，還包括生物化學除磷，模型全面但復雜，所以不考慮2號模型[5]。ASM1經過多年應用漸漸發(fā)現了該模型的缺陷，比如組分中如顆粒性有機氮等參量在實際應用時難測量；模型中異養(yǎng)和自養(yǎng)微生物并未完全分開[6]，導致生物反應計算時會相互影響。ASM3修正了ASM1某些缺陷，增添了有機物存儲過程，以水解為代表的衰減過程改為內源呼吸過程，從而更形象地展示了衰減過程[7]，ASM3根據監(jiān)測困難而選取一些容易監(jiān)測的組分因子作為模型參量值輸入，所以選擇ASM3作為反應模型。

1.2.1 反應模型條件假定

仿真模型包括SBR工藝進水/曝氣、反應、沉淀、出水等工序。為避免反應的不確定性，使模型更可靠，并保證每個工序要循序進行，因此假定反應中的活性污泥是在如下工作條件下發(fā)生的[8]：

1.反應器溫度恒定；

2.池內營養(yǎng)充分，微生物成分和組分不變，僅是濃度發(fā)生變化；

3.沉淀過程是靜置沉淀（固液分離)，過程中不發(fā)生生化反應。

1.2.2 模型的簡化依據

ASM系列模型復雜性導致無法將完整模型直接運用于污水廠的設計、模擬和運行控制[3]，同時也考慮到污水廠設計和運行管理的整體情況，所以對ASM3模型進行合理簡化，簡化依據如不考慮顆粒性有機氮的水解過程，因為顆粒性有機氮的水解過程是伴隨著顆粒性有機物水解過程進行的[8,9]；僅強調污水廠SBR工藝碳氧化過程，不考慮氮磷組分，所以氮磷對有機物去除、細胞生長的影響不作考慮；同時也忽略胞內分泌物和其他無機營養(yǎng)物的影響；自養(yǎng)菌生長狀況對COD的影響很小，故自養(yǎng)菌生長衰退過程忽略不計。

模型簡化后矩陣中組分和生物反應過程及其相關參數減少。經過簡化的ASM3組分矩陣列表[6,8,9]，見表1。ASM3模型組分和參數分布含義，見表2。

表1 簡化的ASM3組分矩陣列表

表2 ASM3模型組分和參數分布

1.2.2.1 進水過程模型

進水模型是將進水過程中一些常規(guī)可檢測到的污染因子轉化為模型內的組分因子， 但考慮到進水過程較短，且進水過程中不曝氣，污泥污水也未充分接觸反應，所以假設此過程不發(fā)生化學反應，只進行組分配分（見圖2）。

圖2 進水過程配分圖

1.2.2.2 反應過程模型

SBR工藝進水階段的反應過程存在微生物反應。反應模型構建思路是把進水過程中得出的模型所需的組分參數，根據反應的物料平衡關系式，計算出反應過程后各組分濃度和反應階段各組分濃度的變化情況。

理想條件下，進水階段各組分物料平衡關系式：

進水停止時，反應器達到最大水量，此時進水量Q為0，于是開始進入反應期，這時進水曝氣反應階段的物料平衡關系表達式為：

Q—進水流量；mg/d3

V0—進水前曝氣池內留有的混合液體積；mg/L

V—SBR池中混合液體積；mg/L

ri—組分i的增加速率

通過SIMULINK工具建立SBR工藝反應過程的仿真模型，根據組分物料平衡關系，建立反應過程模型，見圖3。

圖3 SBR工藝反應過程模型圖

SBR工藝反應過程模型主要包含了進水、反應、曝氣、出水四個部分：

1.進水部分：進水過程中部分組分的輸入值；

2.反應部分：反應過程中各組分的變化量；

3.曝氣部分：曝氣過程中溶解氧的增加量；

4.出水部分：出水過程中各種組分的變化量的累積作用，各組分濃度的輸出值。

1.2.2.3 沉淀過程模型

反應過程結束后，SBR反應器開始進入沉淀過程，本文選擇了Takacs于1991年提出的沉淀速率方程表述靜置沉淀過程。計算公式：

Xn—層n中的懸浮固體濃度；g/m3

Vmax—最大理論沉降速度；m/d

rh—干擾沉淀的沉降參數；m3/g

rp—懸浮組分的沉降參數；m3/g

Xmin—可獲得的懸浮固體的最小濃度 Xmin=fns*Xf；g/m3

fns—入流的懸浮固體中不可沉降比例；

Xf—入口污泥濃度；g/m3

SBR工藝沉淀過程和常規(guī)工藝的沉淀過程的區(qū)別表現如下：

（1）常規(guī)工藝是一邊進水一邊沉淀，SBR工藝則是靜置沉淀；

（2）常規(guī)工藝沉淀池進水集中在上部或中部某一位置，SBR工藝沉淀過程進水是沿池高均勻分布；

模型假設條件：SBR池入流瞬間懸浮物均勻的分布在進水層的各個斷面，僅考慮垂直方向上的流動，同時不考慮微生物的生物降解的情況。

在垂直方向上將SBR池分成均勻的10層，以第n層為研究對象，各層物料平衡關系表達如下：根據物料平衡關系的原則，單位時間內某層的懸浮固體濃度的變化量就是單位時間內懸浮固體濃度的靜增量[10]：

hn—第n層的高度，m；即H/N

H—反應器總高度，m

N—反應器劃分的層數

沉淀過程的仿真模型，見圖4。

圖4 SBR工藝第n層的沉淀過程仿真模型圖

1.2.2.4 出水過程模型

出水過程模型是將模型中的組分參量合成為常見的可檢測到的一些參量，比如COD、BOD、SS等，作為簡化的ASM3模型，我們可以根據出水的參量來確定ASM3模型中的參量。出水過程的模型，見圖5。

圖5 SBR工藝出水組合模型圖

1.3 小結

SBR工藝模型分為進水過程模塊、曝氣模塊、反應模塊、沉淀模塊、出水過程模塊。反應模塊主要是反應池內進水曝氣階段的仿真模擬，沉淀模塊主要包括沉淀階段對顆粒性有機物沉降的仿真模擬，但是沉淀階段為靜置沉淀泥水分離，生物反應較弱，出水過程生物反應忽略不計，所以本文主要研究曝氣反應階段。

2 仿真模型的運行和驗證分析

為了保證仿真模型的穩(wěn)定精確，仿真模型運行前尚需要輸入諸如動力學、化學計量等參數，其中幾組參數采用ASM3模型的經驗值；在調試過程中發(fā)現仿真模型與實際存在一定的差距,于是修正了部分參數值。最后，將模型輸出結果與SBR工藝在線傳輸設備的實際結果進行比較。

2.1 工藝參數

動力學參數和化學計量學參數見表3。將進水COD組分根據模型組分進行劃分，模擬出水組分也要轉換為常規(guī)指標COD，結合呼吸計量法對進水COD組分劃分[12]，出水組分濃度轉換為常規(guī)指標采用ASM3模型模擬程序進行分析。組分濃度比例，見表4。

表3 活性污泥法ASM3采用的動力學參數和化學計量參數表

表4 組分劃分表

2.2 仿真模型結果分析

綜合實驗條件和簡化模型兩方面，SBR工藝在線設備僅對COD濃度進行分析，同時與仿真模型輸出的COD濃度進行比較。實際出水數據與仿真模型輸出數據，見圖6。

圖6 SBR工藝處理污水的進水和出水COD仿真數值比較曲線

從圖6可以看出，實際出水COD值和仿真出水COD值較為接近，而趨勢上存在個別差異，鑒于簡化的活性污泥模型是在一定的假設條件下建立的，仿真運行中的溶解氧濃度取為固定值，實際運行時溶解氧濃度僅能控制在某個范圍，剩余污泥量會隨實際情況發(fā)生微小變化，而且外界環(huán)境變化對水溫和進出水質量產生擾亂，在仿真運行中將溫度設為恒定，也忽略天氣影響。因此，要實現對污水廠SBR工藝進行更嚴密精準的仿真模擬，仍需進行細節(jié)完善[14]，在污水處理技術的仿真應用方面尚需做更深入的研究。

3 結論與展望

在簡化的活性污泥3號模型基礎上，利用SIMULINK工具建立的SBR工藝仿真模型驗證了組分COD濃度的變化情況。將簡化模型應用到污水處理的仿真模型中，增強了模型的可操作性和實用性。SIMULIN K工具中方便直觀的圖形接口，能很好的實現仿真模擬。仿真運行結果表明：簡化的活性污泥模型能較好的模擬污水廠SBR工藝處理過程。

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Simulation Research on MATLAB Dynamic System Simulation of SBR Process

HUI Ruojin, HUANG ming

(Environment and Energy Engineering School,Anhui Jianzhu University,Hefei,230022,China)

Simulation technology is a combination of multi-disciplinary technology.Basing on information technology, it adopts the special equipment such as computer as the tool, and uses the system model to carry on the dynamic model test for the actual or envisaged system. SIMULINK is one of the most important components of MATLAB, It provides an integrated environment for dynamic system modeling, simulation and comprehensive analysis. In this paper, the model of activated sludge model 3 is simplified, and the main parameters of the model and the measurement of sewage component have been solved effectively. Through simulation and operation of sewage data，it has been proved that the simplified activated sludge model can be applied well used to simulate the SBR process.

simulation technology; activated sludge model No.3;municipal sewage; SBR

X703.1

A

2095-8382(2016)06-057-04

10.11921/j.issn.2095-8382.20160613

2016-03-01

水體污染控制與治理科技重大專項（2014ZX07303003)

惠若瑾（1992-），女，碩士研究生，主要研究方向給水排水優(yōu)化設計。