USST_Arts_117121359活性污泥模型在实际工程中应用的研究

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3.0 牛悦 2025-01-09 4 4 2.8MB 61 页 15积分

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摘要

国际水协开发的活性污泥模型为污水生物处理系统的设计优化和运行提供了

一个有价值的工具。本文就是在 GPS-X 软件上利用 ASM3 模型对实际水处理厂的

工艺进行模拟，利用模拟系统完成实际工程运行参数的优化工作，为 ASM3 号模

型在实际水处理工艺中的应用提供思路。

首先回顾了活性污泥数学模型的发展历史,逐一介绍了历史上比较有影响的机

理模型、稳态模型和动态模型,清楚地勾勒出活性污泥数学模型的发展轨迹，并着

重对 ASM3 号模型的反应过程、参数意义进行了解析。

然后根据水厂实际的工艺基础数据在 GPS-X 软件上利用 ASM3 号模型完成对

水厂的建模，以水厂实测的进水数据、国际水协推荐的参数典型值进行稳态模拟

发现出水 COD 和氨氮的模拟值与实测值存在较大的差异。

对模型的参数进行灵敏度分析，发现对 COD 模拟效果影响较大的参数依次为

fSI、YH和Ysto,O2；对氨氮模拟效果影响较大的参数依次为 µ

A、KA.NH4 和bA.O2.。之

后将 fSI 调整为 0.05，µ

A调整为 1.2，发现模拟值与实测值能够较好的吻合。经过

多次的动态模拟研究，验证了模型的正确性和可靠性。

最后利用验证后的模型对实际工艺运行技术参数进行优化，发现在硝化液回流

比为 160%、污泥回流比 80%、剩余污泥量为 280 m3/d 时，工艺依旧可以取得较理

想的去除效果并有效降低了能耗，实现了优化的目的。

关键词：ASM3 号模型灵敏度分析动态模型工艺优化

Abstract

The activated sludge model developed by the international water association provides

a valuable tool for the design optimization and operation of the waste-water biological

treatment system. This paper is on the GPS - X software using ASM3 model to simulate

the process of practical water treatment plant on the GPS - X software, using the

simulation system to complete parameters optimization of the actual project operation,

Provide ideas for the application ASM3 model in the practical water treatment process.

At beginning, this paper reviews the development history of the activated sludge

model, introduces the influential mechanism model, steady-state model and dynamic

model, describes the development track of the activated sludge mathematical model,

and specially analyzes the reaction process and parameter meaning of the ASM3 model.

Besides, based on the practical data of the water plant, the water plant model is

established by utilization of the ASM3 model in the GPS-X software. By conducting the

steady-state model of the practical input data and the typical parameter value

recommended by the international water association, it is found that there exists a

certain difference between the model output value and the practical output value of

COD and NH4-N.

The sensitivity analysis is conducted for the model parameter, results show that: (1)

the influence of each parameter on the COD model ranks from fSI to YH and Ysto,O2

successively; (2) the influence of each parameter on the NH4-N model ranks from µA to

KA.NH4 and bA.O2 successively. Then, fSI and µ

A are adjusted to be 0.05 and 1.2

respectively, and it is found that the model value matches the practical value. By

numerous dynamic model researches, the established model proves to be accurate and

reliable.

Finally, by utilization of the verified model, this paper optimizes the practical

operation parameters. It is found that when the nitrifying liquid reflux ratio and the

sludge reflux ratio reaches 160% and 80% respectively, it can still achieve an ideal

removal effect and reduce the energy consumption, which realizes the optimization

purpose.

Key Word: The activated sludge model 3, Sensitivity analysis, Dynamic

model, Process optimization

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ..................................................... 1

1.1 概述 ....................................................... 1

1.1.1 课题背景 ............................................... 1

1.1.2 国内外研究现状 ......................................... 2

1.2 课题研究目的及意义 ......................................... 3

1.3 课题研究主要内容 ........................................... 4

第二章活性污泥数学模型的理论基础 ................................ 5

2.1 基本概念 ................................................... 5

2.2 活性污泥模型的发展历程 ..................................... 5

2.2.1 微生物模型 ............................................. 6

2.2.1.1 Michaelis-Menten 方程 ................................ 6

2.2.1.2 Monod 方程 ......................................... 6

2.2.2 传统活性污泥模型 ....................................... 6

2.2.3 活性污泥动态模型 ....................................... 6

2.2.3.1 Andrews 模型 ........................................ 7

2.2.3.2 Wrc 模型 ........................................... 7

2.2.3.2 ASM 模型 .......................................... 7

第三章活性污泥三号模型 ......................................... 10

3.1 模型组分 .................................................. 10

3.1.1 溶解性组分含义 ........................................ 11

3.1.2 颗粒性组分含义 ....................................... 11

3.2 ASM3 模型反应过程 ........................................ 12

3.3 ASM3 模型典型的动力学参数值 .............................. 13

3.4 ASM3 化学计量学 .......................................... 14

第四章污水厂工艺模型的建立 ..................................... 17

4.1 技术路线 .................................................. 17

4.2 处理工艺介绍 .............................................. 17

4.2.1 工艺流程 .............................................. 18

4.2.2 处理水量和主要构筑物 ................................. 18

4.3 利用 GPS-X 软件建立模型 .................................... 19

4.3.1 软件介绍 ............................................. 19

4.3.2 绘制工艺流程 .......................................... 19

4.3.3 定义工艺运行模型 ...................................... 20

4.3.3.1 入流组分比例系数的确定 ............................ 20

4.3.3.2 模型参数赋值 ...................................... 22

4.4 稳态模拟 .................................................. 22

第五章参数校正与模型验证 ....................................... 24

5.1 灵敏度分析 ................................................ 24

5.1.1 灵敏度分析方法 ....................................... 24

5.1.2 灵敏度分析结果 ....................................... 24

5.2 模型验证 .................................................. 26

5.2.1 参数校正 .............................................. 26

5.2.2 动态模拟 ............................................. 26

第六章运用模型进行工艺优化 ..................................... 49

6.1 内回流比 .................................................. 49

6.2 污泥回流比 ................................................ 50

6.3 剩余污泥量 ................................................ 51

结论 ............................................................ 52

参考文献 ........................................................ 53

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .................. 57

致谢 ............................................................ 58

第一章绪论

1.1 概述

1.1.1 课题背景

近年来，社会经济得到了快速的发展，现代化水平有了很大提高，但水环境

污染问题变得越来越尖锐。水环境的污染使我国的水资源紧缺状况不断加剧，给

社会造成了巨大的经济损失，更影响到了公众饮用水安全以及水产品的食用安全，

直接威胁到了公众的健康甚至生命。正因为如此，水污染控制受到了广泛的关注。

作为水污染控制的重要措施，污水处理一直是研究的热点。在污水处理中最

广泛使用的方法就是活性污泥法，它是利用微生物去除污水中的可生物降解有机

物以及能被活性污泥吸附的悬浮固体和其它一些物质。活性污泥处理系统一般是

由曝气池、二沉池、污泥回流和剩余污泥排放系统所组成的[1]。活性污泥法的特点

是既能适用于大流量的污水处理，也能用于小流量的污水处理，运行的方式灵活

且费用较低。目前国内外知名的特大型污水处理项目所使用的处理工艺基本上都

是活性污泥处理工艺。但是活性污泥法也存在自身的缺陷，活性污泥处理工艺一

次性的投资过大，对于运行的管理要求较高以及普遍存在能耗过高等问题[2,3,4]。为

了能够更好地对活性污泥工艺进行优化，活性污泥数学模型的研究越来越受到国

内外的重视。数学模型有助于理解活性污泥系统的内在反应过程，对活性污泥工

艺的设计提供理论指导；数学模型还可以模拟活性污泥系统中的动态变化以及各

项水质指标受到的影响情况，可以指导实际工艺的运行；数学模型结合自动化控

制技术可以提高整个工艺的管理水平，既保证了水质的达标，也达到了工艺优化

的目的。活性污泥系统是一个各种因素相互作用，各种过程相互耦合的复杂的系

统，而且系统受环境因素的影响较大。因此，在建立数学模型时需要通过一些假

设对模型进行合理的简化。传统的活性污泥模型的优点是形式简单，变量的测定、

动力学参数的确定以及方程的求解都比较方便，稳态模拟的结果也基本满足工艺

的要求，曾经在污水处理厂的系统设计和运行管理中得到了广泛的应用。但是传

统活性污泥模型只是一个笼统的黑箱模型，不能够动态地反应活性污泥工艺的典

型特点，也无法描述活性污泥系统的瞬时变化响应特性，所以应用范围受到了很

大的限制，尤其是不能有效地进行系统的动态模拟研究，针对这些问题，国际水

污染研究与控制协会(IAWQ)推出了 ASM 系列活性污泥数学模型[5,6]。

环境工程是一门综合类学科，污水处理系统更是涉及到生物、化学、流体力

学等多方面的原理，因此软件的研究比较困难。但 ASM 系列模型的推出有效地推

动了活性污泥系统计算机模拟软件的开发与应用。1988 年，美国 Clemsno 大学利

用ASM1 模型编写出了计算机应用程序 SSSP (Simulation of Single Sludge process)，

上海理工大学硕士学位论文

SSSP 软件也是世界上公认的第一个活性污泥工艺软件。此后活性污泥模型应用软

件发展迅速，又出现了 EFOR 软件、ASM1 软件、SMIBA 软件和 GPS-X 软件等[7]。

表1-1 列举了一些典型的开发软件[8,9]。

表1-1 国内外常用污水处理软件

软件名称

特征

GPS-X

应用 ASM 系列模型，同时包含了其他处理单元的模型

SSSP

应用 ASM1 号模型

EFFOR

应用 ASM1 号模型和沉淀池模型

ASIM

应用 ASM1 号和 ASM2 号模型，并包含其他处理单元模型

SBRSIM

应用 ASM1 号模型模拟 SBR 工艺

1.1.2 国内外研究现状

自1987 年以来，国际水协（IWAQ）的课题组相继发布了 ASM1、ASM2、ASM3、

ASM2d 这四个版本的活性污泥数学模型。还有很多的国外学者也对 ASM 模型做

了深入的理论分析、实验以及在工程中的应用研究，发表了很多研究成果，这些

成果充分地表明 ASM 系列模型在构造仿真系统、对实际工艺进行优化和降低成本

以及提高实际工程安全可靠性方面有着重要的价值[10,11]。

近年来，国内外对于活性污泥模型的运用都取得了很大进展，Carrette R[12]等

人在 ASM2D 模型的基础上对 Tielt 城市生活污水厂进行了模拟，该污水厂的进水

有41%来自于纺织厂，当纺织厂停止向污水厂排放污水时，对污水处理系统的动

力学有很大的影响。利用专家决策法，仅仅能获得四个参数：厌氧水解速率降低

修正因子、缺氧水解速率降低修正因子、自养菌的衰减速率、聚磷菌、PHA、聚

磷酸盐的衰减速率。通过选择合适的模型尺寸进行试验，成功地得到了进水水质

参数。

Wichern M[13]等人采用 ASM3和EAWAG 研究出的生物脱氮模型对德国三个不

同规模并采用三种不同处理工艺的污水处理厂进行了模拟，分别是采用前置反硝

化的 Koblenz 污水厂，采用同时反硝化和强化生物除磷的 Hildesheim 污水厂，采

用中间反硝化和强化生物除磷的 Duderstadt 污水厂，并对动力学参数和化学计量

参数的选择进行了阐述。

Larrea L[14]等人对一个小村庄污水厂的 SBR 在20℃下的脱氮效果进行试验研

究，两次试验分别设七次和三次混合与曝气的间隙阶段，并用 ASM 模型模拟对结

果进行校正，结果表明采用不同的间隙次数和不同的氧转移系数(KLa)得到一个很

宽的 NO3--N 出水，同时在用 ASM 模型模拟结果的迭代基础上，给出了一个 SBR

工艺的设计程序。

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