杜圣軍

（浙江環(huán)科工程監(jiān)理有限公司浙江杭州310007）

淺談A2O活性污泥系統(tǒng)的模擬和驗(yàn)證

杜圣軍

（浙江環(huán)科工程監(jiān)理有限公司浙江杭州310007）

國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)（IAWQ）推出的活性污泥數(shù)學(xué)模型系列（Activated Sludge Model 1～3），即ASM模型。本文以數(shù)學(xué)軟件MatLab作為研究工具，使用國(guó)際水協(xié)（IWA）公布的活性污泥一號(hào)模型（ASM1）對(duì)浙江某污水廠(chǎng)的A2O工藝建立數(shù)學(xué)模型并且加以模擬，并將模擬結(jié)果和該廠(chǎng)同期的水質(zhì)監(jiān)測(cè)結(jié)果進(jìn)行橫向比較，發(fā)現(xiàn)兩者結(jié)果基本吻合，偏差在可容忍的范圍之內(nèi)。

活性污泥一號(hào)模型；工藝建模；數(shù)學(xué)模擬

1　前言

基于米門(mén)方程和莫諾模式，污水處理專(zhuān)家自從20世紀(jì)下半葉開(kāi)始相繼提出了勞倫斯-麥卡蒂模式、艾肯菲爾德模式等描述活性污泥過(guò)程中微生物和有機(jī)污染物相互作用機(jī)理的數(shù)學(xué)模型［1］。但這些早期的數(shù)學(xué)模型都是靜態(tài)模型，對(duì)于特定條件下污水廠(chǎng)的設(shè)計(jì)或運(yùn)行條件的確定（如根據(jù)設(shè)計(jì)流量、進(jìn)水水質(zhì)確定反應(yīng)池容積）是有效的，但不適用于指導(dǎo)污水廠(chǎng)長(zhǎng)期、動(dòng)態(tài)的運(yùn)行?；谶@樣的需求，描述活性污泥系統(tǒng)動(dòng)態(tài)生化過(guò)程的數(shù)學(xué)模型誕生了。國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)（IWA）從20世紀(jì)80年代末期開(kāi)始相繼推出了活性污泥數(shù)學(xué)模型，即ASM（Activated Sludge Model），以微分方程和矩陣的形式的來(lái)表述活性污泥系統(tǒng)中各組分的相互關(guān)系，并給出了對(duì)應(yīng)的動(dòng)力學(xué)過(guò)程。ASM 1，ASM 3只包含去除有機(jī)物和氮的過(guò)程，ASM 2則還包括去除磷的過(guò)程。

2　活性污泥一號(hào)模型簡(jiǎn)述

活性污泥1號(hào)數(shù)學(xué)模型（ASM 1）包括了碳氧化、硝化和反硝化過(guò)程，以矩陣形式描述了污水中好氧和缺氧條件卜所發(fā)生的有機(jī)碳水解、微生物生長(zhǎng)和衰減等8個(gè)反應(yīng)過(guò)程。模型包含13種組分、5個(gè)化學(xué)計(jì)量參數(shù)和14個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。模型可以很好地描述活性污泥法污水處理系統(tǒng)的構(gòu)造狀況、進(jìn)水水質(zhì)特性及系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)、ASM 1是模擬硝化和反硝化的良好工具，促進(jìn)了關(guān)于模型和污水特性描述的進(jìn)一步研究，自推出以來(lái)在歐美得到廣泛應(yīng)用，但模型并未包含磷的吸收和釋放過(guò)程，無(wú)法模擬包含除磷過(guò)程的污水處理系統(tǒng)［2］。

3　實(shí)廠(chǎng)建模

3.1本文以某污水處理廠(chǎng)的A2O工藝為模擬對(duì)象，建立該廠(chǎng)工藝的數(shù)學(xué)模型。工藝建模和模擬的整體技術(shù)路線(xiàn)由下列步驟組成：（1）確定和模型的目標(biāo)性能（研究的主要目標(biāo)，生化工藝還是全廠(chǎng)流程）；（2）基礎(chǔ)信息和數(shù)據(jù)的收集、整理分析（核心的運(yùn)行數(shù)據(jù)、構(gòu)筑物信息、配水方式）；（3）建立工藝系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型（把復(fù)雜的工藝流程簡(jiǎn)化成反應(yīng)器動(dòng)力學(xué)能解決的數(shù)學(xué)問(wèn)題）；（4）模型求解（利用數(shù)值方法求解）。

3.2在對(duì)真實(shí)污水廠(chǎng)進(jìn)行建模之前，需要對(duì)該廠(chǎng)的基礎(chǔ)信息、運(yùn)行數(shù)據(jù)等做調(diào)研和搜集，包括以下內(nèi)容：（1）基本的工藝流程（以生化工藝為代表的二級(jí)處理流程為核心）；（2）主要構(gòu)筑物（生化池、沉淀池）的尺寸；運(yùn)行報(bào)表中記錄的各項(xiàng)進(jìn)、出水質(zhì)和處理水量；（3）各項(xiàng)主要的操作運(yùn)行參數(shù)（曝氣量、污泥回流量、內(nèi)回流量等）。

在得到詳細(xì)的基礎(chǔ)信息之后，即可針對(duì)A2O工藝基于A(yíng)SM 1模型建立生化池的物料平衡，并且把復(fù)雜的工藝流程簡(jiǎn)化、抽象成反應(yīng)器的連接，整體的數(shù)學(xué)過(guò)程以微分方程的形式來(lái)表達(dá)，最后得到一個(gè)包含多個(gè)反應(yīng)過(guò)程的微分方程組。通過(guò)求解，獲得各種模型組分隨時(shí)間的變化規(guī)律，得到出水COD、出水氨氮等主要水質(zhì)指標(biāo)濃度的仿真結(jié)果。

圖1　某污水廠(chǎng)A2O工藝流程示意圖

由于該微分方程組沒(méi)有解析解，只能借助數(shù)值解法來(lái)獲得近似求解結(jié)果。本文使用MatLab軟件為求解工具，通過(guò)在MatLab中直接調(diào)用ode45求解器的方式來(lái)獲取數(shù)值解［3］。

4　模型驗(yàn)證及結(jié)果分析

模型采取該污水廠(chǎng)在2015年9月的運(yùn)行數(shù)據(jù)作為模型的輸入?yún)l件。截取其中5天的進(jìn)水量、進(jìn)水水質(zhì)作為模型輸入，得到相應(yīng)的模擬結(jié)果，和出水水質(zhì)5日均值對(duì)比如圖2～3所示。

圖2　出水COD的模擬和實(shí)測(cè)

圖3　出水氨氮的模擬和實(shí)測(cè)

圖4　出水總氮的模擬和實(shí)測(cè)

分別對(duì)各項(xiàng)出水水質(zhì)的模擬結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果取平均值，其偏差結(jié)果參見(jiàn)表1。

表1　模擬和實(shí)測(cè)結(jié)果的偏差

5　結(jié)論和展望

通過(guò)對(duì)浙江省某污水廠(chǎng)A2O工藝的建模和模擬，將2015年9月的部分進(jìn)水、運(yùn)行數(shù)據(jù)均值作為模型的輸入，將對(duì)應(yīng)的模擬結(jié)果作為輸出，再和現(xiàn)場(chǎng)的出水?dāng)?shù)據(jù)均值進(jìn)行對(duì)照。結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果和現(xiàn)場(chǎng)出水結(jié)果吻合程度較好，COD、氨氮、總氮的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的均值的偏差絕對(duì)值分別為0.2、0.05和 0.7，在預(yù)期可容忍的偏差范圍以?xún)?nèi)，可以理想地重現(xiàn)污水廠(chǎng)的運(yùn)行狀況。

［1］趙振，林衛(wèi)青，活性污泥數(shù)學(xué)模型在污水處理中的研究進(jìn)展［J］.上海環(huán)境科學(xué)，2003，22（8）：581.

［2］季民，霍金勝，活性污泥法數(shù)學(xué)模型的研究與應(yīng)用［J］.中國(guó)給水排水，2001，Vol17，No.8.

［3］劉吉明，基于M ATLAB的活性污泥系統(tǒng)模擬.太原理工大學(xué)碩士研究生論文，36-37：39.

杜圣軍（1982—），男，碩士研究生，主要從事工作為環(huán)境監(jiān)理等。