污水处理厂工艺改造及运行优化数学模型

污水处理厂工艺改造及运行优化数学模型

供稿人：宋鸿

    数学模型是进行工艺选择、设计、运行的决策支持方式，也是一种强有力的优化工具。活性污泥系统是一个多因素、多变量相互作用、多种反应过程相互耦合的复杂系统，对其建立模型较为复杂。计算机技术的发展使数学模型的快速求解成为可能，使这些数学模型日益显示出他们在工程应用与试验研究中的巨大作用。

    在众多的活性污泥数学模型中，国际水协会（IWA）推出的活性污泥数学模型（ASM1～3）应用广泛。早在1982年，国际水协会的前身国际水污染控制协会（IAWPRC）就成立了活性污泥法设计和操作数学模型攻关研究课题组，并于1987年推出活性污泥1号模型（ASM1），引起了强烈的反响。随着对活性污泥法机理研究的深入、分析测试水平及计算能力的提高，该模型不断地发展。国际水协相继于1995年推出了活性污泥2号模型（ASM2），1998年推出了3号模型（ASM3），1999年又把2号模型ASM2拓展为ASM2d，这些都极大地推动了活性污泥法数学模型的研究。这些模型可方便地用于新建、改建污水厂的方案设计，也可用于已有污水厂的静态、动态模拟、运行状况预测和工艺改进。

    ASM2包含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、化学除磷的8个反应过程。它含19种组分、19种反应、22个化学计量系数及42个动力学参数，但还是不能准确地反映活性污泥系统中的生物除磷过程。国际水协数学模型课题组对ASM2进行了补充，成为ASM2d。它加入了聚磷菌的缺氧条件下的生长过程，使其含19种组分、21种反应、22个化学计量系数及45个动力学参数。

    Keller, J.将一维水力学模型和改性ASM2d结合预测SBR工艺污泥沉降速度、污泥浓度、溶液组成、SBR非混合阶段的生物工艺过程。在大规模SBR系统中进行校正，结果发现该模型可以准确地预测整个SBR工艺的性能。R. Carrette利用ASM2d模型对含有大比例纺织废水(约占41％左右)的城市污水进行研究，采用3个自动采样器，在30天内24小时不间断地每隔2h采样一次，样品冷却到4℃，被送至实验室进行分析，共分析（10+10+12）X12X30=11520个水质数据，同时对厌氧池的出水进行在线监测磷酸盐。结果显示，当大量的纺织废水排入污水处理厂时，采用间歇测定法对ASM系列中的废水水质成分进行测定，同时对ASM2d中的4个参数(厌氧水解减速因子η_fe、反硝化减速因子η_NO3、自养衰减系数b_AUT以及聚磷茵有关的衰减系数b)进行校正，就能较好地预测氮磷的去除效果。Larrea L等用ASM2d模型对交替运行和分步进水污水处理工艺进行试验研究，通过对几个关键参数进行校正，所有预测效果与实际基本吻合。

    国际水协的ASM系列模型在我国的应用还不是很广泛，除了ASM1与ASM2研究较多外，对ASM2d与ASM3的研究较少。目前我国在污水处理厂工艺设计与运行管理中仍普遍采用传统的经验法，不可避免地存在滞后性和机械性的弱点，并已成为困扰我国污水处理行业发展的一大问题。正确应用数学模型可使运行管理及设计工作更具科学性、前瞻性和灵活性。

    ASM模型的参数众多，需要对水质详细测量。对于不同地区的污水处理系统，需要对化学计量系数和动力学参数进行校正，此外ASM系列模型也需要不断。因此要用于预测或评价活性污泥处理工艺连续运行的效果，还需要做进一步的工作。国外的研究人员把ASM模型与其他模型相结合取得了较好的效果，我国也应该在这方面争取突破，实现污水处理厂全厂模型化。