淺談A2O活性污泥系統(tǒng)的模擬和驗證

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)的模擬和驗證

杜圣軍

（浙江環(huán)科工程監(jiān)理有限公司浙江杭州310007）

國際水質(zhì)協(xié)會（IAWQ）推出的活性污泥數(shù)學模型系列（Activated Sludge Model 1～3），即ASM模型。本文以數(shù)學軟件MatLab作為研究工具，使用國際水協(xié)（IWA）公布的活性污泥一號模型（ASM1）對浙江某污水廠的A2O工藝建立數(shù)學模型并且加以模擬，并將模擬結(jié)果和該廠同期的水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果進行橫向比較，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)。

活性污泥一號模型；工藝建模；數(shù)學模擬

1　前言

基于米門方程和莫諾模式，污水處理專家自從20世紀下半葉開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程中微生物和有機污染物相互作用機理的數(shù)學模型［1］。但這些早期的數(shù)學模型都是靜態(tài)模型，對于特定條件下污水廠的設計或運行條件的確定（如根據(jù)設計流量、進水水質(zhì)確定反應池容積）是有效的，但不適用于指導污水廠長期、動態(tài)的運行。基于這樣的需求，描述活性污泥系統(tǒng)動態(tài)生化過程的數(shù)學模型誕生了。國際水質(zhì)協(xié)會（IWA）從20世紀80年代末期開始相繼推出了活性污泥數(shù)學模型，即ASM（Activated Sludge Model），以微分方程和矩陣的形式的來表述活性污泥系統(tǒng)中各組分的相互關系，并給出了對應的動力學過程。ASM 1，ASM 3只包含去除有機物和氮的過程，ASM 2則還包括去除磷的過程。

2　活性污泥一號模型簡述

活性污泥1號數(shù)學模型（ASM 1）包括了碳氧化、硝化和反硝化過程，以矩陣形式描述了污水中好氧和缺氧條件卜所發(fā)生的有機碳水解、微生物生長和衰減等8個反應過程。模型包含13種組分、5個化學計量參數(shù)和14個動力學參數(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、進水水質(zhì)特性及系統(tǒng)運行參數(shù)、ASM 1是模擬硝化和反硝化的良好工具，促進了關于模型和污水特性描述的進一步研究，自推出以來在歐美得到廣泛應用，但模型并未包含磷的吸收和釋放過程，無法模擬包含除磷過程的污水處理系統(tǒng)［2］。

3　實廠建模

3.1本文以某污水處理廠的A2O工藝為模擬對象，建立該廠工藝的數(shù)學模型。工藝建模和模擬的整體技術(shù)路線由下列步驟組成：（1）確定和模型的目標性能（研究的主要目標，生化工藝還是全廠流程）；（2）基礎信息和數(shù)據(jù)的收集、整理分析（核心的運行數(shù)據(jù)、構(gòu)筑物信息、配水方式）；（3）建立工藝系統(tǒng)的數(shù)學模型（把復雜的工藝流程簡化成反應器動力學能解決的數(shù)學問題）；（4）模型求解（利用數(shù)值方法求解）。

3.2在對真實污水廠進行建模之前，需要對該廠的基礎信息、運行數(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處理流程為核心）；（2）主要構(gòu)筑物（生化池、沉淀池）的尺寸；運行報表中記錄的各項進、出水質(zhì)和處理水量；（3）各項主要的操作運行參數(shù)（曝氣量、污泥回流量、內(nèi)回流量等）。

在得到詳細的基礎信息之后，即可針對A2O工藝基于ASM 1模型建立生化池的物料平衡，并且把復雜的工藝流程簡化、抽象成反應器的連接，整體的數(shù)學過程以微分方程的形式來表達，最后得到一個包含多個反應過程的微分方程組。通過求解，獲得各種模型組分隨時間的變化規(guī)律，得到出水COD、出水氨氮等主要水質(zhì)指標濃度的仿真結(jié)果。

圖1　某污水廠A2O工藝流程示意圖

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

4　模型驗證及結(jié)果分析

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

圖2　出水COD的模擬和實測

圖3　出水氨氮的模擬和實測

圖4　出水總氮的模擬和實測

分別對各項出水水質(zhì)的模擬結(jié)果和實測結(jié)果取平均值，其偏差結(jié)果參見表1。

表1　模擬和實測結(jié)果的偏差

5　結(jié)論和展望

通過對浙江省某污水廠A2O工藝的建模和模擬，將2015年9月的部分進水、運行數(shù)據(jù)均值作為模型的輸入，將對應的模擬結(jié)果作為輸出，再和現(xiàn)場的出水數(shù)據(jù)均值進行對照。結(jié)果發(fā)現(xiàn)模擬結(jié)果和現(xiàn)場出水結(jié)果吻合程度較好，COD、氨氮、總氮的穩(wěn)態(tài)仿真結(jié)果和實測結(jié)果的均值的偏差絕對值分別為0.2、0.05和 0.7，在預期可容忍的偏差范圍以內(nèi)，可以理想地重現(xiàn)污水廠的運行狀況。

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

［2］季民，霍金勝，活性污泥法數(shù)學模型的研究與應用［J］.中國給水排水，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。