污水处理厂活性污泥工艺过程模拟

摘要

我国污水处理厂的建设和发展已有八十多年的历史，污水处理厂从无到有，从小到大，尤其是近二十年来有了突飞猛进的发展。但我国现有的采用活性污泥工艺的污水处理厂和其它处理设施，有相当数量的不能正常稳定运行，这基本上是由于控制、管理等方面的原因造成的。随着我国城市污水排放量的日益增加，国家必须投入大量的资金进行处理，以满足水环境和水资源保护的需要。研究和开发活性污泥数学模型和污水处理厂计算机应用软件，对提高我国污水处理设施运行效率和现代化水平具有深刻的现实意义和广阔的应用前景。活性污泥工艺数学模型以经典的微生物生长动力学模型为基础，经历了从传统数学模式到动态模型的发展过程，本论文重点阐述了针对曝气池的传统模型、Andrews模型、WRc模型、主流模型IWAs系列模型、生物除磷模型的进展情况，及动态模型的改进和目前存在的一些非机理模型。此外本论文还探讨了沉淀池模型的建模基础，及一些学者采用的模拟求解方法。根据污水处理厂各处理构筑物的特性进行合理的模型概化，建立污水处理厂活性污泥工艺数学模型。本论文以ASM2d和ASM3模型为基础，通过合理地假定和系统分割，建立了生物反应过程脱氮除磷去除有机物的机理模型，探讨污水中的常规监测数据与模型组分间的关系，为二者在模拟过程中的相互转化提供依据。采用等距离和固定横截面积的一维层模型对二沉池进行建模。基于对活性污泥系统的建模，采用面向对象的软件工程方法，侧重于面向对象的分析和设计，以Microsoft(R)的Visual Basic软件作为开发平台，利用对象的方式调用MATLAB(R)软件编制的模块对其计算功能进行扩充，成功实现了污水处理厂模拟与控制软件的各项功能。该软件可对多种活性污泥工艺进行过程模拟，采用默认的模型参数和多级完全混合反应器串联的方法，实现推流式工艺、多点进水工艺、吸附再生工艺、前置反硝化工艺、Bardenpho工艺及生物除磷工艺等活性污泥工艺曝气池的过程模拟，并对各工艺运行的主要影响因素，如污泥龄、污泥回流比、内回流比及缺氧好氧比例等对过程的影响进行模拟和探讨。二沉池的模拟以前置反硝化工艺为例，采用经转化的曝气池出水作为二沉池的进水，模拟预测二沉池出水和底流中SS的浓度及SS在二沉池中的浓度分布。在采用上述软件进行实例工艺的过程模拟时，首先需对模型参数进行校核。针对生物反应过程模型动力学参数和化学计量学系数进行灵敏度分析，提出并采用改进的灵敏度分析方法确定各参数对过程的影响程度，为模型校核和应用提供理论依据。对某实际污水处理厂的活性污泥工艺进行过程模拟，根据模拟结果和实际测定数据的误差，调整了反应动力学参数和二沉池模型的参数，以获得较为满意的模拟结果。活性污泥工艺过程模拟的最终目的是实现该系统的优化与控制。本论文探讨了活性污泥系统包括一级处理系统、曝气池、回流污泥、污泥消化、污泥脱水等子系统的控制问题。采用遗传算法对模型的动力学参数进行优化，以减小某实际污水处理厂模拟值与实测值间的误差，并以该污水处理厂水温是否高于12℃为界，以满足新的《城镇污水处理厂污染物排放标准》和污染物排放总量控制为目标进行运行工艺参数优化。在现有工艺经运行参数优化仍不达标的情况下，采用Hybrid工艺进行改造，并对此工艺进行过程模拟。关键词：活性污泥模型 曝气池 沉淀池 软件开发 面向对象技术 过程模拟 灵敏度分析 参数校核 优化控制 遗传算法

目录

文摘

英文文摘

声明

绪论

1、研究背景分析

2、我国污水处理厂现状

3、本论文的研究目的和意义

4、论文的研究框架

5、论文的创新点和成果价值

第一章 活性污泥工艺数学模型的发展

1.1微生物模型

1.1.1 Monod模型

1.1.2微生物综合模型

1.2活性污泥工艺传统数学模型

1.2.1 Eckenfelder模型

1.2.2 Mckinney模型

1.2.3 Lawrenee-McCarty模型

1.3活性污泥工艺动态模型的基础理论

1.3.1贮存—代谢机理

1.3.2存活—非存活细胞代谢作用机理

1.3.3细胞体的“死亡—再生”作用机理

1.3.4非溶解性底物的水解机理

1.3.5溶解性残余物的形成机理

1.4活性污泥工艺数学模型进展

1.4.1 Andrews模型

1.4.2 WRc模型

1.4.3 IWA模型

1.4.4生物除磷模型进展

1.4.5模型的改进

1.4.6非机理模型

1.4.7 ASM活性污泥模型存在的问题

1.5沉淀池模型进展

1.5.1沉淀池模型基础

1.5.2改进的沉淀池模拟方法

1.6活性污泥工艺数学模型在中国的发展

第二章 活性污泥工艺数学模型的建立

2.1建立数学模型的一般方法

2.2活性污泥工艺数学模型方法

2.3生物反应过程数学模型的建立

2.3.1模型假设

2.3.2模型中的组分

2.3.3反应过程定义

2.3.4反应过程化学计量学

2.3.5反应过程动力学表述

2.4污水的水质特性

2.4.1污水中的有机组分

2.4.2污水中的氮组分

2.4.3污水中的磷组分

2.4.4生物反应过程模拟所需数据

2.5生物反应过程模型的求解

2.5.1活性污泥工艺曝气池的概化

2.5.2生物反应过程模型的求解

2.6二沉池数学模型的建立

2.6.1质量守恒定律

2.6.2二沉池数学模型的建立

2.6.3二沉池模型的数值解法

第三章 污水处理厂模拟与控制软件开发

3.1活性污泥工艺模拟与控制软件概述

3.2面向对象的软件方法学

3.2.1面向对象方法简介

3.2.2面向对象方法的主要优点

3.2.3面向对象的主要方法

3.3软件需求分析

3.3.1可行性研究

3.3.2用户需求分析

3.4面向对象的软件分析过程

3.4.1对象分类，建立类图的对象层

3.4.2定义属性与服务，建立类图的特征层

3.4.3定义结构与连接，建立类图的关系层

3.4.4划分主题，建立主题图

3.5面向对象的软件设计过程

3.5.1面向对象设计的准则

3.5.2软件的总体设计

3.5.3软件的详细设计

3.6软件实现的程序设计语言

3.6.1程序设计语言的功能

3.6.2程序设计语言的选择

3.6.3程序设计的技巧、风格和效率

3.7污水处理厂模拟与控制软件系统

3.7.1软硬件系统需求

3.7.2用户界面设计

第四章 多种活性污泥工艺的过程模拟

4.1活性污泥工艺数学模拟基础

4.1.1模拟水质

4.1.2模拟计算方法

4.2单级完全混合反应器

4.2.1单级完全混合反应器全过程模拟

4.2.2污泥龄对单级完全混合反应器的影响

4.3推流式活性污泥工艺

4.3.1推流式活性污泥工艺全过程模拟

4.3.2污泥龄对推流式活性污泥工艺的影响

4.3.3污泥龄对各级反应器的影响

4.3.4污泥回流比对各级反应器的影响

4.4吸附再生活性污泥工艺

4.4.1吸附再生工艺全过程模拟

4.4.2污泥龄对吸附再生工艺的影响

4.4.3污泥回流比对吸附池和再生池的影响

4.4.4吸附池占系统总体积的比例的影响

4.5多点进水活性污泥工艺

4.5.1多点进水活性污泥工艺全过程模拟

4.5.2污泥龄对多点进水活性污泥工艺的影响

4.5.3污泥龄对各级反应器的影响

4.5.4回流比对各级反应器的影响

4.6前置反硝化工艺

4.6.1前置反硝化工艺全过程模拟

4.6.2污泥龄对前置反硝化工艺的影响

4.6.3内回流比对好氧池和缺氧池的影响

4.6.4好氧池占系统总体积的比例的影响

4.7 Bardenpho工艺

4.7.1 Bardenpho工艺的全过程模拟

4.7.2污泥龄对Bardenpho工艺的影响

4.8生物除磷工艺

4.8.1生物除磷工艺全过程模拟

4.8.2污泥龄对生物除磷工艺的影响

4.8.3厌氧池占系统总体积的比例的影响

4.9二沉池的模拟

4.9.1二沉池的模拟

4.9.2系统污泥回流比对二沉池的影响

第五章 活性污泥工艺数学模型的校核

5.1模型参数校核的方法

5.1.1专家法

5.1.2灵敏度分析法

5.1.3过程工程法

5.1.4其它数学方法

5.2生物反应过程模型参数灵敏度分析

5.2.1动力学参数灵敏度分析

5.2.2化学计量学系数灵敏度分析

5.2.3灵敏度分析小结

5.3改进的灵敏度分析法

5.3.1水解和异养菌反应过程动力学参数分析

5.3.2聚磷菌反应过程动力学参数分析

5.3.3自养菌反应过程动力学参数分析

5.3.4改进的灵敏度分析小结

5.4模型参数校核的原则

5.5活性污泥数学模型校核实例研究

5.5.1上海某污水处理厂概况

5.5.2曝气池和二沉池模型的建立

5.5.3模拟数据

5.5.4模型的实际校核

第六章 活性污泥工艺的优化控制

6.1活性污泥工艺的控制

6.1.1活性污泥工艺自动控制系统概述

6.1.2反馈控制

6.1.3活性污泥工艺控制系统的组成

6.1.4活性污泥工艺控制系统故障诊断

6.2遗传算法简介

6.2.1遗传算法的基本原理及特点

6.2.2遗传算法的基本步骤

6.2.3遗传算法应用中的一些共性问题

6.2.4遗传算法工具箱

6.3活性污泥工艺数学模型参数的优化

6.4满足新排放标准的活性污泥工艺运行参数的优化

6.4.1改变运行参数后的模拟结果

6.4.2温度不高于12℃时的运行参数优化

6.4.3温度高于12℃时的运行参数优化

6.5污染物排放总量控制的运行参数优化

6.5.1温度不高于12℃时的运行参数优化

6.5.2温度高于12℃时的运行参数优化

6.6某污水处理厂活性污泥工艺的改造

6.6.1 Hybrid工艺概述

6.6.2上海某污水处理厂的改造方案

6.6.3改造工艺的过程模拟

结论

致谢

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文