活性污泥法数学模型的发展与应用展望
文献标识码:B 1引言
污水处理方法中,活性污泥法具有处理效果好、运行成本低等特点,成为控制环境污染的一项主要方法。到目前为止,几乎所有的城市污水厂都使用活性污泥法,该法在环境工程中处于非常重要的地位。
近十多年来,活性污泥法有了很大的发展,如:氧化沟处理技术、生物脱氮除磷工艺(A/O、A2/O)等,不仅能去除有机碳,还能同时去除营养物质氮和磷。但在生物处理理论深度的发展上,却还做的远远不够,对生物处理的数学模型研究得也不够。
由于污水成分和活性污泥法处理过程的复杂性,必须加快开展数学模型的研究,从而更深刻地认识所研究的现象和规律。数学模型有助于描述和理解活性污泥系统的反应过程,对设计提供理论上的指导。模型有助于模拟活性污泥系统的动态变化和对各项水质指标的影响,可以指导实际的生产运行。将模型和控制理论及方法结合起来,就可按处理水质要求,达到优化运行的目的。
数学模型是一个具有重要理论意义和实用价值的重要工具。
活性污泥法数学模型研究,经历了从简单拟合实验数据到采用经典的微生物生长动力学模型,经历了根据废水生物处理过程的特性进行过程动态分析、探索辨识建模的发展过程,实现了以研究活性污泥工艺的动态过程,达到了系统高效率低能耗运行的目的,并开发出相应的商业化活性污泥软件。
2活性污泥模型的发展 2.1传统的活性污泥模型
传统的活性污泥模型研究始于20世纪50年代中期,其中具有代表性的有Eckenfelder等基于挥发性悬浮固体(VolatileSuspended Solid,VSS)积累速率经验公式提出的活性污泥模型,Mckinney等基于活性污泥全混假设提出的活性污泥模型,Lawrence、McCarty等基于微生物生长动力学理论提出的活性污泥模型。但
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是,这些静态模型只考虑了污水中含碳有机物的去除。并没有考虑氮磷的去除过程,不能解释和描述污水生物处理中常见的有机物“快速去除”和出水中有机物浓度随进水浓度变化的现象,也不能很好地预测实际观察中存在的有机物浓度增加时,微生物增长速率变化的滞后效应。此外,Monod方程并不能预测有机物浓度降低时活性污泥过程的瞬变响应。因此,传统的活性污泥模型虽然参数求解和计算过程相对简单,但无法精确地模拟污水处理中氧利用的动态变化,不能很好地描述活性污泥系统的动态特性。
2.2活性污泥1号模型ASM1
1975年,Andrews提出了“存储――代谢”机理,该机理认为在活性污泥法污水处理过程中,非溶解性有机物和部分溶解性有机物首先被生物絮体快速吸附,以细胞内贮存物的形式被贮存,然后再被微生物利用。1987年,Mogens等在总结前人尤其是南非的Marais和Dold等人工作的基础上,提出IWA活性污泥1号模型ASM1。ASM1采用了Dold等人提出的“死亡――再生(death2regeneration)”的模型化方法,但未接受“贮存――代谢”机理,而采用“死亡――再溶解”机理,体现了对代谢残余物的再利用。
ASM1包括了碳氧化、硝化和反硝化过程,以矩阵形式描述了污水中好氧和缺氧条件下所发生的有机碳水解、微生物生长和衰减等8个反应过程。模型包含13种组分、5个化学计量参数和14个动力学参数。模型可以很好地描述活性污泥法污水处理系统的构造状况、进水水质特性以及系统运行参数。ASM1是模拟硝化和反硝化的良好工具,促进了关于模型和污水特性描述的进一步研究,自推出以来在欧美得到广泛应用,但模型并未包含磷的吸收和释放过程,无法模拟包含除磷过程的污水处理系统,了ASM1的进一步应用。
2.3活性污泥2号模型ASM2
为了弥补ASM1的不足,IWA专家组于1995年推出含有19种组分、19个反应过程、22个化学计量参数及42个动力学参数的活性污泥2号模型ASM2。ASM2是ASM1的延伸,沿用了ASM1的概念,包含了ASM1的所有工艺过程,即碳和氮的去除,还包含生物除磷过程,增加了厌氧水解、发酵及生物除磷、化学除磷等8个反应过程。从ASM1到ASM2最显著的变化是使所描述的生物有了细胞内部构造,而不再简单地用生物总量来表示。然而,ASM2不区分个体细胞的组成,而
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是考虑微生物的平均组成。该模型可以对化学需氧量
(ChemicalOxygenDemanded,COD)、氮磷去除的综合处理工艺进行动态模拟。ASM2不是生物除磷模型的最终形式,它介于简单和复杂之间,是许多关于正确的模型应该是什么样子的不同观点的一个折中方案。它更应该被看作是模型进一步发展的一个概念平台。
2.4活性污泥2D号模型ASM2D
随着对生物除磷机理的认知,在随后推出的活性污泥2D号模型ASM2D中又加入了聚磷菌在缺氧条件下的生长过程,使其含19种组分、21种反应、22个化学计量参数及45个动力学参数。
ASM2D解决了ASM2中没有解决的与聚磷菌有关的反硝化问题,增加了两个过程来说明聚磷菌可利用细胞内的有机贮存产物进行反硝化。与ASM2相比,在模拟盐和磷酸盐动力学方面,ASM2D更准确。ASM2D被看作是进一步研究和发展活性污泥系统除磷脱氮过程动力学模型的平台和参考。
2.5活性污泥3号模型ASM3
随着对有机物贮存试验认识的深化,针对ASM1在实际应用中出现的问题,1998年IWA推出了活性污泥3号模型ASM3。ASM3所涉及的主要反应过程和ASM1相同,即以处理生活污水为主的活性污泥系统的碳氧化过程和硝化、反硝化过程,但没有包括生物除磷过程,侧重点也由水解转为有机物的贮存。该模型修正了ASM1的某些缺陷,增加了有机物的存储过程,将以水解反应为代表的衰减过程改为用内源呼吸过程来解释,从而更逼真地展示了衰减过程。由于ASM3将异养菌的“死亡――再生”循环过程与硝化菌的衰减过程清晰地分开了,因此ASM3的COD数据流图比ASM1简单了许多。ASM3含有13种组分、12个反应过程、6个化学计量参数和21个动力学参数。迄今为止,ASM3模型尚未经过大量不同的实验数据验证,模型结构对存储现象的描述还有待改善。
3活性污泥数学模型研究与应用展望
经过各国学者将近半个世纪的不断研究和探索,活性污泥模型得到了长足的发展,并在实际应用中逐步显示出了其价值,但与人们的要求还有差距。随着科学
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技术的进步和人们对环境质量要求的不断提高,活性污泥数学模型必将会有更大的发展,可能主要集中于以下几个方面:
3.1活性污泥过程机理的深入研究
活性污泥模型及其软件的开发研究,是近年来水污染控制领域的活跃分支。虽然活性污泥模型的发展已极大地促进了活性污泥软件的开发和应用,但过程机理的准确描述还相差甚远。进一步开展活性污泥的过程机理研究,开发和完善曝气池和二沉池的动态数学模型,提高模型的计算精度和适用范围,仍是今后的主要研究方向。
3.2快速自动模拟预测及控制系统
模型的完整性和精确性以其自身的复杂性为代价,当代计算机技术的发展和应用,使复杂的运算过程变得简单,并且国外已开发出几套商业化的模拟软件,而软件的运行首先必须要有原始数据的输入。如今,监测、分析的方法和手段不断进步,各类物质(溶解氧、温度、pH等)的在线实时自动监测技术已在实践中有所运用。可以预计,在不久的将来,把自动监测技术和活性污泥模拟软件联合起来组成一个系统,在线监测系统对进水水质进行监测并将原始数据传输至模拟系统,由模拟系统对出水水质进行模拟预测,并根据预测结果对运行参数(曝气量、排泥量、水力停留时间等)进行调节,以保证出水水质的稳定性。这样一套高度自动化的监测――分析――模拟、预测――调节系统的建立,对污水处理厂的工作效率、管理水平的提高以及处理设施的稳定、高效运行等都将具有空前的意义。
3.3污水处理厂设计自动化系统
活性污泥模型是目前污水处理厂设计的主要方法,基于各类模型而开发出的各种设计软件,使设计工作的自动化程度有所提高,但这些软件主要针对于单体构筑物或少数几个处理单元,智能化、系统化程度不高。未来的设计软件可能只需要少数几个基础资料的输入,就会自动完成整个污水处理厂的全部设计工作,包括最佳方案确定、构筑物尺寸计算、管道设计、平面及高程布置、投资和运行成本的估算等。活性污泥软件的开发,还应着力提高其科研功能,尤其在非线性系统理论和模型辨识技术应用方面,使用户能够针对特定的工艺过程,进行过程分析和参数确定,完成软件的二次开发。
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4结语
活性污泥法数学模型历经半个世纪的发展,已经从简单静态模型发展到今天的复杂动态模型,其在污水处理厂设计、运行管理以及科学研究中的作用日益突出,尤其是ASM系列模型的推出,大大地推动了活性污泥法数学模型的广泛应用。计算机技术的发展进一步拓展了它的应用空间,各类设计、模拟软件层出不穷。
尽管模型本身还存在许多的问题,并且在模型的应用过程中也存在一些难题,但是随着对活性污泥工艺生化过程的深入研究、计算机技术的飞速发展以及测量手段的进步,活性污泥法数学模型的应用必定更为广泛。但在我国,在模型的研究和使用方面起步较晚,这一领域的研究还未完全展开,当务之急是迈开具体使用的步伐,加速全国范围内的基础资料的收集和具有自主知识产权的软件的开发,逐步缩小我国在模型研究和使用方面与国外的差距。
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