活性污泥数学模型研究进展
#formatDate(2009-08-03 13:46:26.0)
 

污水的活性污泥法生物处理,由于具有处理效果好、运行成本低等特点而成为污水处理的一项基本与主要的方法。目前,我国有80%以上的城市污水厂都用活性污泥法处理。随着计算机技术的不断发展,水处理技术要求对活性污泥处理过程进行仿真与控制。因此,国际水协(IWA)在总结已有废水生物处理数学模型的基础上,相继推出了3套活性污
泥数学模型(ASM系列),为活性污泥过程仿真与控制提供了重要的理论基础。ASM 自从推出以来,在欧美国家的实际工程和科学研究中得到了广泛应用。在我国,此领域的研究尚处于起步阶段,与国际先进水平存在着很大差距。

1 活性污泥数学模型(ASMs)的发展

IWA在总结已有的各种污水生物处理数基础上,于1987年推出活性污泥1号模型(ASM1)Ⅲ。该模型不仅包括含碳有机物的去除过程,还描述了通过硝化和反硝化作用对含氮物质的去除。模型中包括8个子过程、13种组分、14个动力学参数和5个化学计量学系数。ASM1未包括生物除磷过程。

1995年,IWA专家组提出活性污泥2号模型(ASM2)E2 3。与ASM1相比,它包含了磷的吸收和释放,增加了厌氧水解、发酵及生物除磷和化学沉淀等反应过程。ASM2非常庞大,它包含19种物质、19种反应、22个化学计量系数以及42个动力学参数。

1999年,IWA又推出了ASM2d[3],对ASM2作了进一步完善和延伸,可同时模拟生物除磷和硝化一反硝化。ASM2d共包括19种组分、21种反应、22个化学计量系数及45个动力学参数。与ASM2相比,在模拟硝酸盐和磷酸盐动力学方面,ASM2d更准确。

1999年,IWA还推出了活性污泥3号模型(ASM3) 。该模型更深入考虑了胞内存贮过程,并考虑环境因素对衰减过程的修正,把溶解性、颗粒性有机氮的降解与微生物的水解、衰减和生长结合在一起,包含氧化、硝化和反硝化过程,没有包括生物除磷过程。

2 活性污泥数学模型(ASMs)在我国的研究现状

我国学者对ASM系列模型也做了大量的研究工作,主要包括以下几个方面。

2.1 ASM修改模型

由于ASM模型的复杂性,以及对污水处理生物反应机理的深化,很多学者在ASM模型基础上进行修改产生了一系列新的模型。这些模型或是简化模型结构,减少反应过程和模型组分,或是对其机理进行扩展,或是引入新的概念。

2.2 ASM系列模型进水组分和参数的测定研究

ASM模型对水质组分进行了详细的划分,从而引出众多的组分浓度需要确定的问题。但由于当前检测、分析的方法和手段的限制,许多水质组分还不能直接或准确确定。并且由于ASM模型对处理过程的过于细化,引入了多达几十个的化学计量学和动力学参数,增加了模型应用的难度。为此,许多学者对ASM模型进水组分和参数的测定做了研究。

2.3 用ASM系列模型进行模拟的研究

活性污泥数学模型开发的根本目的就是能够应用到实际中,指导实际生产运行。随着对污水处理生物反应机理认识逐渐深化,以及对ASM 系列模型进水组分、参数的研究日趋成熟,同时由于计算机技术的高速发展,以及各种活性污泥工艺软件的相继开发,用ASM系列模型对实际污水处理厂进行模拟已经成为可能。近年来,对这方面的研究已经有了大量的文献报道。

特别值得一提的是,从事污水处理厂运行诊断控制已有多年的历史、经验和技术积淀的上海市政工程设计研究总院, 自IWA活性污泥模型推出以来,以IWA活性污泥模型为平台开发完成了涵盖面广泛、功能全面和技术先进的专家系统。专家系统的核心组成部分已经在工程上成功应用,有效地控制了污水处理厂的污泥膨胀和浮沫问题,取得了良好的环境效益、经济效益和社会效益。污水厂运行诊断控制专家系统的其他组成部分的研究也已经取得了不同程度的进展,预警控制系统作为本系统的技术难点也已经基本开发完成,正在进行中试规模的参数校正工作。

以上研究表明,我国在IWA活性污泥模型的研究及应用上虽然取得了一定的成果,但研究工作还只处于起步阶段,要缩短与国际先进水平的差距,还有很多研究工作要做。

3活性污泥数学模型(AsMs)发展前景

IWA活性污泥数学模型有助于新建废水处理系统的精确设计,有助于对现有废水处理系统的优化运行管理,也有助于对现有废水处理系统的处理能力或功能进行科学评估,为扩建提供重要依据。因此,活性污泥数学模型近年来在污水处理中受到了广泛的关注,但模型的使用还是有一定的困难,主要体现在:(1)模型组分的分析和测定;(2)机理的进一步研究;(3)模型中各参数的校正;(4)模型的简化。

针对上述困难,研究人员将通过以下几方面工作来解决:

(1)模型中废水水质组分的进一步细化和水质组分测定方法的简单化、标准化研究。污水水质特性是数学模型最重要的部分,而且目前的水质参数测定方法比较费时费力,测试结果不够稳定,今后还需进一步加强这方面的研究力度。刘芳建议对不同地区的废水特性按季节进行详细测定,得出废水中各模型组分的较为准确的比例范围,便于以后使模型时可按比例对废水的常规检测数据进行划分,得出各组分的浓度。

(2)加深对活性污泥过程中生化反应机理的研究,如有机碳氧化、生物硝化/反硝化过程之间的相互作用关系等,以促进活性污泥模型的发展。目前的脱氮数学模型还是基于传统的硝化反硝化理论,曝气池和缺氧池分工明确。但实际污水厂为降低运行能耗,曝气池常采用低溶解氧运行,在曝气池发生明显的脱氮作用。曝气池到缺氧池的大流量回流也会带入不可忽视的溶解氧。王闯认为今后要加强研究降低溶解氧对硝化和反硝化反应速率影响的定量关系,使模型有更广泛的使用范围。

(3)加强对二沉池模型的进一步研究。二沉池是活性污泥工艺的重要组成部分。目前大型污水厂都采用辐流式沉淀池,但目前对辐流式二沉池模型研究较少,今后要把辐流式沉淀池的研究作为重点内容。此外也要加深对动态条件下二沉池模型的研究,以获得动态条件下二沉池内出现的瞬变响应,如浓缩污泥区高度、污泥浓度的分布、底流污泥浓度的瞬变过程以及由此造成的曝气池污泥浓度的变动。

(4)进一步优化基于数学模型基础上的各种污水处理工艺系统流程的设计。目前国外的部分研究不仅能够在众多的污水处理流程中选择最优化的系统流程,而且还能同时实现工艺系统方案优化设计的目的,但国内对这方面研究甚少,也是以后研究的重点。

(5)污水处理厂在线实时自动监测技术的推广和应用,尽快使自动监测技术和活性污泥模拟软件结,组建污水处理厂快速自动模拟预测和控制系统。叶玲平还从国产和进口仪表的性价比,操作以及维修等方面进行比较并建议仪表国产化。

(6)当务之急是尽快收集和整理全国范围内污水处理厂的运行数据和基础资料,加快具有自主知识产权软件的开发工作。