数学模型在污水处理厂中的应用

数学模型在污水处理厂中的应用

发帖人: bluesnail 点击率: 487

郝二成，常江，周军，甘一萍

（北京城市排水集团有限责任公司，北京 100063）

摘要：综述了数学模型的发展历史，以及它在国内外污水处理厂中的应用情况，并对模型应用的问题和前景进行了分析。

关键词：数学模型；模拟；污水处理厂

模拟是污水处理设计和运行控制的本质部分，数学模型的核心是从反应机理出发，在一定条件下，在时间和空间范围内模拟、预测污水处理的实际过程。数学模型的应用可以大大减少我们的实验工作量，不仅提高了工作效率，而且节省了大

量人力、物力和财力。

在发达国家，应用数学模型从事污水处理工艺开发、设计及实现污水处理厂运行管理的精确控制，已相当普遍，而

我国在这一方面尚处于起步阶段，扩展的空间很大。

1 数学模型的发展

活性污泥法是废水生物处理中应用最广泛的方法之一。起初对活性污泥过程的设计和运行管理主要依靠经验数据，自20世纪50年代后期，Eckenfelder等人基于反应器理论和生物化学理论提出活性污泥法静态模型以来，动态模型研究不断发展，已

成为国际废水生物处理领域的研究热点。

传统静态模型以20世纪50 ~ 70年代推出的Eckenfelder、Mckinney、Lawrence-McCarty模型为代表，这些模型所采用的是生长－衰减机理。传统静态模型因为具有形式简单、变量可直接测定、动力学参数测定和方程求解较方便，得出的稳态结果基本满足工艺设计要求等优点，曾得到广泛应用。然而，长期实际应用也表明，这种基于平衡态的模型丢失了大量不同平衡生长状态间的瞬变过程信息，忽视了一些重要的动态现象，应用到具有典型时变特性的活性污泥工艺系统时，存在许多问题：无法解释有机物的“快速去除”现象；不能很好的预测基质浓度增大时微生物增长速度变化的滞后，要突破这些局限，

必须建立动态模型。

污水生物处理的动态模型主要包括Andrews模型、WRC模型、BioWin模型、UCT（University of Cape Town）模型、活性污泥数学模型、生物膜模型和厌氧消化模型等，其中以活性污泥数学模型研究进展最快，应用也最广。1983年，IAWQ（国际水质协会）成立了一个任务小组，以加快污水生物处理系统的设计和管理实用模型的发展和应用。首要任务是测评现有的模

型，第二个任务是对碳氧化、硝化和反硝化的单污泥系统性能进行预测的最简单的数学模型达成共识。最终的成果是1987年的Activated Sludge Model No.1（ASM1）。1995年和1999年又分别推出了No.2、No.2D和No.3模型，大大推动了数学模型的发

展及应用。

2 数学模型在国外污水处理厂的应用

对于污水生物处理厂确定运行条件来说，基于数学模型的模拟分析是强大的工具之一。目前，国际上对数学模型的应用正方兴未艾，欧美、日本等国家不少工程技术公司已广泛开始应用数学模型研发新工艺，变“小试－中试－应用”为“小试－模拟－应用”这一现代研发模式，可以说数学模拟技术已经成为污水处理工艺研发、设计、运行三位一体的超级辅助工具。

在澳大利亚，BioWin模型应用比较广泛。D W de haas和M C Wentzel在试验室的研究表明，早期的BioWin版本（大约1994 ~ 2000年期间在澳大利亚广泛应用）由于特定的关键参数默认设置不适当，影响了脱氮速度。旧版本的BioWin模型预测的脱氮速率大约是UCT实验室脱氮污泥系统小试研究测得K2速率的3倍多。设计中，为保证较高的脱氮速率、较小的缺氧区和较大的内循环比，最终会导致实际出水硝酸盐和总氮浓度比模型预测的高，这可能对污水处理厂的改进和运行产生重要影响。最新发布的BioWin版本已经修订了默认设置，就脱氮速率来说这使它更接近旧版本的UCT类模型。之后，D W de haas 和M C Wentzel对Victoria Point污水处理厂进行了现场模拟试验研究。研究对每日测得的进水、反应器和出水数据进行观察，发现实测数据和预测数据有很好的一致性。这也就证实了BioWin最新的设置默认值比较适合该类型的污水处理厂。如今，BioWin 模拟包已经有了很大的扩展，除了活性污泥，还包括了单元处理的成分（例如，除砂、初沉、固体分离和厌氧消化）。这样提

高了模型的应用范围，但也增加了其复杂性。

Wichern M等利用ASM3及其校正版EAWAG Bio-P-Module对德国KOBLENZ、HILDESHEIM、DUDERSTADT等3个不同处理工艺的污水处理厂进行了动态模拟，结果表明，只要对ASM3模型中少数参数作适当的校正，就可以取得相当好的预测效果。Mikose J等应用SimWorkTM软件对某污水处理厂的运行进行了模拟，使系统在低温（<10℃）情况下仍保持较高的硝化效果，同时又不影响系统反硝化及生物增强性除磷的效果。运行结果显示，系统硝化效率可提高50% ~ 80%，生物增强性除磷效率可提高45% ~ 75%，但却不影响反硝化的效率，总氮的去除率仍然可从原来的70%提高到80%。这些数据为污水处理厂的运行带来很大帮助。G. KOCH等利用瑞士城市污水处理厂数据对ASM3模型进行了校正，校正后的ASM3用标准的系列参数可以成功地模拟污泥产量和反硝化能力。DAMIR BRDJANOVIC等开发了一种组合模型，称Deflt bio-P模型，仅调整这种组合模型中3个默认参数就能很好地描述Haarlem Waarderpolder污水处理厂。Naoyuki Funamizu等利用改进的ASM2模型模拟了Sapporo市污水厂的脱氮情况。此外，从1995年至今，荷兰大约有100多座污水处理厂应用数学模型进行动态模拟，取得了较好的效果；R.Carrette 等用IAWQ ASM No.2D模型对Tielt污水处理厂进行了模拟；还有Makinia J等在波兰北部选择了2个大型污水处理厂进行了稳

态模拟等。

在数学模型的应用中，模拟软件及程序是必不可少的，而在众多的软件及程序中，AQUASIM是最容易掌握的，因为它的界面比较友好，由四个对话框组成；用户根据需要选择或填充所需的内容和数据，数学模型的建立比较容易；利用AQUASIM 的灵敏性，可以帮助我们分析参数，确定问题的原因。它的应用范围也比较广泛，不仅可用于悬浮增长活性污泥数学模型运算，而且也能进行一维固定生物膜数学模型运算。此外，AQUASIM还可以进行河流、湖泊水质模型计算。应用AQUASIM软件进行模拟