利用活性污泥数学模型对废水生物处理工艺的模拟研究

摘要

本文以反应器动力学为基础，以数学软件MatLAB及其附属的SimuLink工具箱为平台，旨在利用国际水质污染与控制协会(IAWQ)推出的活性污泥数学模型(Activated Sludge Model)系列，适当结合二次沉淀池模型，来对常见的废水生物处理工艺进行模拟研究和验证。本文介绍了主流活性污泥数学模型的发展历程和相关背景知识，以及如何针对具体工艺建立并求解数学模型的方法。主要包括活性污泥一号模型(ASM1)和活性污泥二号模型(ASM2)的设定和它们各自的组分，反应速率以及模型参数。另外介绍了沉淀池模型的背景知识，包括Takacs速率沉降模型和二沉池的一维分层模型。利用“欧盟科学技术合作计划”组织提供的专门用来验证模型的COST624&682基准，建立了相应的工艺数学模型，模拟的结果与基准提供的参考数值呈现高度的一致性，从而验证了模型的合理性；通过调整工况参数的方法模拟了A/O脱氮，A/O除磷，A2/O同步脱氮除磷等工艺，比较了不同工艺脱除氮磷的特性和优劣，以及工况参数对最终模拟结果的影响，确定了A/O脱氮工艺中各工艺参数的大致取值范围，根据模拟结果，适当结合生物除磷机理，简要分析了为何A2/O能实现同时脱氮除磷而A/O除磷工艺却无法达到这个目标的原因，从而为如何在实际工艺运行中选择适合的工艺类型，并确定较佳工况提供了参考。通过分析ASM1模型的动力学参数和化学计量系数，筛选出对模拟结果会产生重大影响的参数，为模拟工作中确定和估算参数提供了参考；通过对废水水质特性的分析，制订了将实际水质监测指标转换成ASM1模型组分的方案；并沿用上述工作的成果，根据上海龙华污水处理厂的A/O工艺建立相应的模型，通过适当划分工艺流程和确定反应时间的方法加以模拟，发现出水COD和氨氮的模拟结果和实际监测结果比较接近，而出水硝酸盐氮的误差却很大，并分析了原因，从而为数学模型在实际运行中的应用提供了参考。