袁睿澤

(陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 西安 710300)

污水監(jiān)測指的是利用先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，對(duì)環(huán)境或者水資源當(dāng)中的污染因素進(jìn)行觀察、監(jiān)控、測定，并以現(xiàn)代化手段深入分析監(jiān)測結(jié)果，進(jìn)而評(píng)價(jià)環(huán)境或水體質(zhì)量，記錄環(huán)境與水體質(zhì)量長期以來的變化情況，為相關(guān)的改進(jìn)或預(yù)防措施提供數(shù)據(jù)依據(jù)。在我國城鎮(zhèn)化建設(shè)水平不斷提高的大背景下，城鎮(zhèn)地區(qū)常住人口數(shù)量逐年增加，污水污染由原先的農(nóng)村分散式污染轉(zhuǎn)變成城鎮(zhèn)集中式污染，一定程度上加大了污水處理的難度[1-3]。經(jīng)過多年來的研發(fā)與技術(shù)積累，我國在監(jiān)測技術(shù)方面取得了長足的進(jìn)步，針對(duì)不同污染物質(zhì)的傳感器設(shè)備開始應(yīng)用于污水監(jiān)測中，尤其是在5G技術(shù)開始投入規(guī)?；褂玫那闆r下，污水?dāng)?shù)據(jù)的采集也更加便利，污水?dāng)?shù)據(jù)資源更加豐富，同時(shí)也對(duì)污水處理過程控制提出了更高的要求。相比于其他化工技術(shù)來說，污水處理系統(tǒng)普遍存在耦合性、滯后性、非線性等方面的特點(diǎn)，難以精準(zhǔn)控制各項(xiàng)污水處理指標(biāo)。因此，需要通過特定的數(shù)學(xué)模型對(duì)污水處理過程中各項(xiàng)參數(shù)的變化情況加以描述，進(jìn)而持續(xù)調(diào)整污水處理方案[4-6]。2018年，歐盟科學(xué)技術(shù)與合作組織與國際水質(zhì)協(xié)會(huì)開展合作并開發(fā)了“1號(hào)基準(zhǔn)仿真模型”BSM1，該模型逐漸被世界各國應(yīng)用于污水處理廠的長期的動(dòng)態(tài)特性。研究將針對(duì)污水處理監(jiān)測的一般需求建立基于BSM1仿真平臺(tái)的數(shù)學(xué)模型，并對(duì)該模型在污水監(jiān)測工作中的可行性進(jìn)行分析[7-8]。

1 BSM1基準(zhǔn)仿真模型概述

BSM1基準(zhǔn)仿真模型以A2O工藝流程為基礎(chǔ)，由活性污泥法1號(hào)模型所構(gòu)成，用于描述污水處理過程的沉淀反應(yīng)和生化反應(yīng)，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。該模型沉淀共有10層。Z代表組分濃度、Q代表流量[9-10]。

圖1 BSM1結(jié)構(gòu)

依照污水處理生物脫氮的基本原理，整個(gè)生化處理流程的核心是硝化反應(yīng)和消化反應(yīng)，其中最重要的變量為硝態(tài)氮濃度。為了合理控制回流液中溶解氧含量，避免破壞前端缺氧池缺氧環(huán)境，該系統(tǒng)需要嚴(yán)格控制5號(hào)池中的溶解氧濃度[11-12]。由此可知，BSM1控制回路的基本原理在于通過控制氧傳遞系數(shù)來控制2號(hào)池的硝態(tài)氮濃度和5號(hào)池的溶解氧濃度。

BSM1基準(zhǔn)仿真模型能夠從動(dòng)力學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)等多個(gè)角度反映污水處理的脫氮過程，基于A2O工藝流程交換反應(yīng)信息，對(duì)13種組分的反應(yīng)過程加以描述，具體組分見表1。其中，X代表顆粒性組分，S代表可溶性組分[13]。

表1 ASM1中所有組分

在BSM1基準(zhǔn)仿真模型中，污水的生物處理過程總共包括8個(gè)過程，具體內(nèi)容如下。

(1)異養(yǎng)微生物的好氧生長。當(dāng)異養(yǎng)菌處于氧容量充分環(huán)境時(shí)將通過易生物降解有機(jī)物促進(jìn)生產(chǎn)，生長速率計(jì)算方法為：

(1)

(2)異養(yǎng)微生物的缺氧生長。當(dāng)異養(yǎng)菌處于缺氧環(huán)境時(shí)將通過硝態(tài)氮和易生物降解有機(jī)物促進(jìn)生長，生長速率計(jì)算方法為：

(2)

(3)自養(yǎng)微生物的好氧生長。當(dāng)自養(yǎng)菌處于氧容量充分環(huán)境時(shí)將通過氨氮促進(jìn)生長，生長速率計(jì)算方法為：

(3)

(4)異養(yǎng)微生物的衰減。本次研究默認(rèn)微生物在任意環(huán)境均有相同的死亡速率，并逐漸轉(zhuǎn)化為易溶生物可降解有機(jī)氮、生物衰減產(chǎn)生的顆粒產(chǎn)物、慢性可生物降解有機(jī)物，則異養(yǎng)微生物的衰減速率計(jì)算方法為：

ρ4=bHXBH

(4)

(5)自養(yǎng)微生物的衰減。自養(yǎng)微生物的衰減過程可以參照異養(yǎng)微生物衰減進(jìn)行描述，衰減速率計(jì)算方法為：

ρ5=bAXBA

(5)

(6)易溶生物可降解有機(jī)氮的氨化。污水中的微生物在逐漸死亡的同時(shí)，易溶生物可降解有機(jī)氮也會(huì)隨之發(fā)生氨化反應(yīng)，氨化速率的計(jì)算方法為：

ρ6=kaSNDXBH

(6)

(7)緩慢生物降解有機(jī)物的水解。經(jīng)過水解轉(zhuǎn)化后的慢性可生物降解有機(jī)物會(huì)生產(chǎn)能夠被微生物快速降解的有機(jī)物，進(jìn)而促進(jìn)微生物的生產(chǎn)，水解速率的計(jì)算方法為：

(7)

(8)緩慢生物降解有機(jī)氮的水解。經(jīng)過水解后的顆粒性生物可降解有機(jī)氮會(huì)產(chǎn)生能夠被微生物快速降解的有機(jī)氮，其水解速率的計(jì)算方法為：

(8)

以上8個(gè)反應(yīng)速率計(jì)算方法中所包含的動(dòng)力學(xué)參數(shù)見表2。根據(jù)各項(xiàng)反應(yīng)速率計(jì)算方法可知，在有機(jī)底物濃度較低的情況下，反應(yīng)速率會(huì)隨著有機(jī)底物濃度的增加而增加，在反應(yīng)速率達(dá)到最高的情況下，反應(yīng)速率并不會(huì)因有機(jī)底物濃度的提升而增加。

表2 ASM1中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)

在發(fā)生生物反應(yīng)的過程中，各組分的反應(yīng)隨之發(fā)生，并且由一種或幾種微生物的反應(yīng)所構(gòu)成。反應(yīng)速率的計(jì)算方法：

(9)

不同組分反應(yīng)速率計(jì)算方法為：

r1=0

(10)

(11)

r3=0

(12)

r4=(1-fp)ρ4+ρ4(1-fp)ρ5-ρ7

(13)

r5=ρ1+ρ2-ρ4

(14)

r6=ρ3-ρ5

(15)

r7=fpρ4+fpρ5

(16)

(17)

(18)

(19)

r11=-ρ6+ρ8

(20)

r12=(iXB-fpiXP)ρ4+(iXB-fpiXP)ρ5-ρ8

(21)

(22)

以上公式中所包含的化學(xué)計(jì)量參數(shù)見表3。

表3 ASM1中的化學(xué)計(jì)量參數(shù)X

基于物料守恒原則，各生化反應(yīng)池內(nèi)的組分之間必然存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系，設(shè)BSM1結(jié)構(gòu)圖(圖1)中的5個(gè)生化池分別為k1、k2、k3、k4、k5，各生化池的體積為V1、V2、V3、V4、V5，則有如下所示的生化池物料平衡方程：

(23)

(24)

式(23)默認(rèn)同一反應(yīng)池內(nèi)進(jìn)水流量與出水流量相等且同步發(fā)生，并將k號(hào)池中13種組分反應(yīng)速率的組合向量記為rk；式(24)中的進(jìn)水流量等于首端入水、外匯流量和內(nèi)回流量之和。

2 SIMULINK模型搭建

研究通過SIMULINK平臺(tái)來搭建基于BSM1的生化池反應(yīng)模型，進(jìn)而對(duì)生化反應(yīng)前后各組分的變化狀況進(jìn)行模擬。該模型的輸出變量和狀態(tài)變量同為14個(gè)，輸出變量包括水流量和13種組分，狀態(tài)變量包括氧傳遞系數(shù)和13組分，總計(jì)輸入15個(gè)(氧傳遞系數(shù)、水流量和13種組分)，以5號(hào)反應(yīng)池為例，該生化池反應(yīng)模型如圖2所示。

圖2 單個(gè)反應(yīng)生化池反應(yīng)模型

圖2中flow為水流信息，該模型的輸入為由氧傳遞系數(shù)以外的其他輸入變量所組成的列向量，由于反應(yīng)池的排水流量等于入水流量，所以輸入、輸出流量數(shù)據(jù)也可以直接連接。設(shè)5號(hào)ASM1數(shù)學(xué)模型為Br5，以微分方程(23)為例，該程序應(yīng)當(dāng)綜合13個(gè)微分方程對(duì)各組分的變化情況進(jìn)行計(jì)算。由于各反應(yīng)池均有相同的反應(yīng)流程，并且全部遵循ASM1數(shù)學(xué)模型的動(dòng)作原理，因此各反應(yīng)池也都可以采用相同的建模方法。各組分狀態(tài)數(shù)值更新流程如圖3所示。

圖3 生化池狀態(tài)變量更新流程

3 BSM1基準(zhǔn)仿真平臺(tái)測試

為了保證模型仿真的真實(shí)性，本次研究在污水處理廠采集了14 d的真實(shí)數(shù)據(jù)，具體包括暴雨、雨、晴天3種天氣下的工況數(shù)據(jù)。晴天入水流量變化如圖4所示，晴天入水可溶性組分濃度變化如圖5所示，晴天入水難溶性組分濃度變化如圖6所示，雨天入水流量變化如圖7所示。

圖4 晴天入水流量變化

圖5 晴天入水可溶性組分濃度變化

圖6 晴天入水難溶性組分濃度變化

經(jīng)統(tǒng)計(jì)分析可知，污水處理系統(tǒng)的入水情況每7 d為一個(gè)周期，與城市居民的活動(dòng)規(guī)律相符。根據(jù)圖4可知，周一至周四入水流量較小，周五、周六、周日污水處理工作量較少；根據(jù)圖5和圖6可知，顆粒懸浮物和氨氮排放量明顯超標(biāo)，在同一個(gè)周期內(nèi)，入水流量的增加會(huì)帶動(dòng)入水組分的提升，此時(shí)流量和濃度未發(fā)生明顯波動(dòng)；根據(jù)圖7可知，由于第8—11天受降雨影響，入水流量在當(dāng)日突增。

圖7 雨天入水流量變化

研究為了對(duì)基于BSM1的生化池反應(yīng)模型的正確性進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)該模型實(shí)施為期100 d的開環(huán)仿真實(shí)驗(yàn)。BSM1開環(huán)仿真模型如圖8所示。其穩(wěn)態(tài)輸入數(shù)據(jù)為晴天入水?dāng)?shù)據(jù)的平均值，設(shè)定5號(hào)池氧傳遞系數(shù)84 m3/d、內(nèi)回流量55 336 m3/d、污泥排量385 m3/d、污泥回流量18 446 m3/d。

圖8 BSM1開環(huán)仿真模型

經(jīng)過計(jì)算機(jī)處理后得到的運(yùn)行結(jié)果見表4。根據(jù)國際水協(xié)會(huì)提供的參考值與仿真對(duì)比穩(wěn)態(tài)出水?dāng)?shù)據(jù)可知，基于BSM1的生化池反應(yīng)模型具有充分的可行性，所得到的仿真值與參考值十分接近，能夠應(yīng)用于一般的污水監(jiān)測工作，該組數(shù)據(jù)也包括了入水流量以及13種組分，基本可以滿足污水處理工作實(shí)踐可能遇到的所有情況。

表4 穩(wěn)態(tài)出水?dāng)?shù)據(jù)

4 結(jié)語

本次研究詳細(xì)介紹了BSM1基準(zhǔn)仿真數(shù)學(xué)模型在污水監(jiān)測中的工作原理與應(yīng)用策略，闡述了該模型下污水的生物處理過程與各組分反應(yīng)速率的計(jì)算方法，提出了基于BSM1的生化池反應(yīng)模型并通過仿真模擬的方式對(duì)該模型的可行性進(jìn)行了驗(yàn)證。經(jīng)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，基于BSM1的生化池反應(yīng)模型的仿真結(jié)果與實(shí)際參考值十分接近，將該模型應(yīng)用于污水監(jiān)測具有較為充分的可行性。