活性污泥2號(hào)模型的應(yīng)用與校正

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簡(jiǎn)介： 采用國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)提出的活性污泥2號(hào)模型，以MATLAB為工具編制計(jì)算軟件，采用該軟件對(duì)常州市污水廠進(jìn)行計(jì)算，在輸入典型的動(dòng)力學(xué)和化學(xué)計(jì)量參數(shù)值后，計(jì)算結(jié)果表明出水CODcr指標(biāo)大部分得到較好的模擬，但NH3－N、TP和TN出水指標(biāo)模擬值與實(shí)際值有差異。通過對(duì)參數(shù)靈敏度的分析，在考慮溫度影響的條件下，進(jìn)行模型校正，模型校正后，預(yù)測(cè)精度得到顯著提高。
關(guān)鍵字：城市污水 活性污泥法 數(shù)學(xué)模型

Application and Calibration of Activated Sludge Model No. 2
CHEN Xiao-long, YANG Hai-zhen, GU Guo-wei
(State Key fuboratory Of Pollution Control and Resource Reuse, Tongji University, Shanghai 200092, China)

　　Abstract: The activated sludge model No.2 given by IAWQ and the calculating software developed by using MATLAB as the tool were used in calculating Changzhou Sewage Treatment Plant. With the input of typical ki-netic and stoichiometric parameters, the results of the calculation showed that most of the CODcr, figures of the outlet water had been well simulated while there had been differences between the simulation values and the actual values of the NH3-N, TP and TN figures of the outlet water. Having analyzed the sensitivity of the parametersand taken into consideration the effect of temperature, the model was then calibrated. After the calibration of themodel, the accuracy of simulation was significantly improved.
　　Key words: municipal sewage; sewage treatment; activated sludge method; mathematical model

　　國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)（IAWQ）于1995年推出了活性污泥 2號(hào)模型[1]（Activated Sludge Modd No.2，ASM2），ASM2是活性污泥1號(hào)模型^[2](Activated Sludge Model No.1，ASM1）的擴(kuò)展，并沿用了該模型的概念，它包含碳有機(jī)物氧化、脫氮和生物除磷
處理過程，共有19種組分、19種反應(yīng)、22個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)及42個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。ASM2無論是在污水廠的設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理、改造，還是在廢水處理技術(shù)的研究和開發(fā)方面均有重要的使用價(jià)值，在國(guó)外已得到了成功廣泛的使用[3]。我國(guó)在這方面起步很慢，本研究對(duì)ASM2在我國(guó)城市污水廠的實(shí)用性進(jìn)行了驗(yàn)證。
　　模型所用的污水進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)來自常州城北污水廠，污水廠采用A²／O工藝，設(shè)計(jì)流量為5×10⁴m³／d，生物反應(yīng)池的水力停留時(shí)間為11.5h，污泥負(fù)荷為0.15kg［BOD₅]（kg［MLSS］.d），污泥的質(zhì)量濃度為3500mg／L，固體平均停留時(shí)間為20d，污泥回流比100％，厭氧池體積為2900m³，缺氧池體積為5800m³，曝氣池體積為14500m³。由于該污水廠具有除磷脫氮功能，而ASM1沒有考慮除磷過程，所以采用ASM2進(jìn)行模擬研究。污水處理流程的簡(jiǎn)化表示如圖1所示：

1 模擬計(jì)算結(jié)果

　　此穩(wěn)態(tài)計(jì)算程序利用Matlab^[4-6]軟件為平臺(tái)，并根據(jù)ASM2對(duì)常州污水廠運(yùn)行條件進(jìn)行簡(jiǎn)化。假定該廠的供氣量可以滿足好氧池中微生物生化反應(yīng)所需要的氧氣量，即假定曝氣池中溶解氧組分的取值恒定在2.0mg／L，飽和溶解氧的質(zhì)量濃度為8.637mg／L（20℃），系統(tǒng)的操作溫度恒定，二沉池不考慮微生物的物質(zhì)代謝活動(dòng)，僅起固液分離作用且無活性污泥的積累。在這基礎(chǔ)上，將2000年1－12月進(jìn)水組分輸人模型中，可以得到出水的CODcr，NH₃－N，TN，TP的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，模擬結(jié)果見圖2--圖5。

　　從圖2一圖5中可以看到，CODcr，NH₃－N，TN，TP模擬值與污水廠的實(shí)測(cè)值基本相符。CODcr的最大相對(duì)誤差36.5%發(fā)生在12月份，差值為16.11mg／L，其它11個(gè)月份相對(duì)誤差在30％之內(nèi)，其中1，2，3，5月的相對(duì)誤差控制在10％之內(nèi)，因而較好的模擬了CODcr值。
　　NH₃－N，TN和TP指標(biāo)因?yàn)槌鏊袧舛群艿停M有一定的困難，但模擬結(jié)果表明模擬值與實(shí)測(cè)值在同一個(gè)數(shù)量級(jí)別．對(duì)于NH3－N而言，模擬曲線比較平緩，這是因?yàn)闆]有考慮溫度對(duì)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的影響，因而模擬值與實(shí)測(cè)值差別較大。TP的模擬值與實(shí)測(cè)值的變化趨勢(shì)相似，曲線很好的擬合了實(shí)際出水中TP的變化。
　　偏差的存在有多方面的原因，一是模型假設(shè)的部分條件與實(shí)際污水廠運(yùn)行不完全吻合，另外污水廠化驗(yàn)分析不可避免存在一定誤差。盡管有一定的偏差，但模擬結(jié)果得到了良好的描述，因而利用活性污泥2號(hào)模型對(duì)城市污水廠進(jìn)行模擬是可行的。

2 參數(shù)靈敏度和溫度分析

2．1 參數(shù)靈敏度分析
　　在輸入IAWQ給出的模型動(dòng)力學(xué)和化學(xué)計(jì)量學(xué) 參數(shù)的典型值^[7]后，模擬結(jié)果表明出水指標(biāo)大部分得到了較好的模擬，但部分出水的模擬值與實(shí)際值有 較大的誤差，所以需要對(duì)一些參數(shù)進(jìn)行校核，這里以 靈敏度分析為基礎(chǔ)，將模型中的動(dòng)力學(xué)參數(shù)值都增加 其初始值的10％，從而計(jì)算出水的CODcr，TN，TP，NN₃－N的靈敏度，計(jì)算結(jié)果見表1～表4。
　　 由靈敏度計(jì)算結(jié)果表1——表4分析可知，大部 分參數(shù)的靈敏度都比較低（小于1），因此采用I- AWQ的推薦參數(shù)值進(jìn)行模擬是合理的。但仍有些 參數(shù)對(duì)出水水質(zhì)影響較大（靈敏度大于1）。對(duì) CODcr影響較大的動(dòng)力學(xué)參數(shù)有4個(gè)：Kx，bPAO， 異養(yǎng)菌KNH₃－N，b_H。

表1  水解過程動(dòng)力學(xué)參數(shù)靈敏度分析 參數(shù)CODcrNH₃-NTNTP水解速率常數(shù)Kh00.0330.0330.067氧的飽和抑制系數(shù)Ko₂0.50.500.5顆粒性COD的飽和系數(shù)Kx1111缺氧水解速率降低修正因子ηNO₃00.1670.1670.333硝酸鹽的飽和抑制系數(shù)KNO₃^-0.20.20.40.2厭氧水解速率降低修正因子η_fe0132

表2　異氧菌過程動(dòng)力學(xué)參數(shù)靈敏度分析 參數(shù)CODcrNH₃-NTNTP基于基質(zhì)的最大生長(zhǎng)速率μ_H0.0830.01700.017基于發(fā)酵基質(zhì)的生長(zhǎng)飽和系數(shù)K_F0.150.02500.05氨氮的飽和系數(shù)KNH₃-N2202磷的飽和系數(shù)K_P010010堿度的飽和系數(shù)K_ALK0101乙酸的飽和系數(shù)K_A0.0250.02500.05發(fā)酵的最大速率q_fe0.0330.03300.033溶菌速率常數(shù)bH1.50.252.250.25反硝化的速率降低修正固子ηNO₃^-0.1250.53.3750.125

表3  聚磷菌過程動(dòng)力學(xué)參數(shù)靈敏度分析 參數(shù)CODcrNH₃-NTNTPPHA貯存的速率常數(shù)q_PHA00.0330.0330.033聚磷酸鹽的飽和系數(shù)K_pp010010PP貯存的速率常數(shù)q_pp0.0670.1330.0670.4X_pp/X_PAO的最大比率Kmax00.29400.588PHA的飽和系數(shù)K_PHA010020聚磷菌最大生長(zhǎng)速率μ_PAO0000.5聚磷菌溶菌速率常數(shù)b_PAO10.510.5X_PP的分解速率常數(shù)b_PP00.50.50.5X_PHA的分解速率常數(shù)b_PHA0.50.500.5

表4  自氧菌和沉淀再溶解過程動(dòng)力學(xué)參數(shù)靈敏度分析 參數(shù)CODcrNH₃-NTNTP自養(yǎng)菌最大生長(zhǎng)速率0.11.30.70.2自養(yǎng)菌衰減速率b_AUT0.679.334.670.67自養(yǎng)菌氨氮的飽和系數(shù)K_NH3-N010.50.1自養(yǎng)菌堿度的飽和系數(shù)KALK00.60.20.2自養(yǎng)菌氧的飽和系數(shù)KO₂0.20.80.40.2磷沉淀的速率系數(shù)K_PRE00.100.1再溶解速率系數(shù)K_RED0.1670.16700.167

　　對(duì)NH₃－N影響較大的動(dòng)力學(xué)參數(shù)有 10個(gè)：分別是KX，ηfe，異養(yǎng)菌KNH₃-N，Kp，μAUT，bAUT，自養(yǎng)菌KH₃－N，Kpp，KPHA，異養(yǎng)菌KALK。
　　對(duì)TN影響較大的動(dòng)力學(xué)參數(shù)有6個(gè)：分別是KX，ηfe，bH，bPAO，bAUT，反硝化ηNO₃。 對(duì)TP影響較大的動(dòng)力學(xué)參數(shù)有7個(gè)：分別是Kx，ηfe，異養(yǎng)菌KNH3-N，Kp，異養(yǎng)菌KALK，Kpp，KPHA。
2．2 溫度影響分析
　　一切生化反應(yīng)都可以用Arrehenius方程來描述溫度的影響，只是因反應(yīng)不同，參數(shù)有所不同。在ASM2中，受溫度影響的動(dòng)力學(xué)參數(shù)有14個(gè)。分別是：
　　①2個(gè)水解過程動(dòng)力學(xué)參數(shù)：水解速率常數(shù)Kh，顆粒性COD的飽和系數(shù)K。
　?、?個(gè)異氧菌過程動(dòng)力學(xué)參數(shù)：最大生長(zhǎng)速率μH，發(fā)酵最大速率qfe，反硝化校正因子ηNO₃，溶菌速率常數(shù)bH。
　?、?個(gè)聚磷菌過程動(dòng)力學(xué)參數(shù)：PHA的貯存的速率常數(shù)qPHA，PP的貯存的速率常數(shù)qpp，聚磷菌最大生長(zhǎng)速率μPAO，聚磷菌的溶菌速率常數(shù)bPAO，Xpp的分解速率常數(shù)bpp，聚磷菌的分解速率常數(shù)bPHA。
　?、?個(gè)自養(yǎng)菌過程動(dòng)力學(xué)參數(shù)：自養(yǎng)菌最大生長(zhǎng)速率μAUT，自養(yǎng)曲衰減速率bAUT。
　　根據(jù)Arreheniu。方程；kT＝k20℃·exp（T－20))，不同動(dòng)力學(xué)參數(shù)的溫度修正系數(shù)a取值不同。根據(jù)IAWQ工作組撿拾的溫度修正系數(shù)a，不同的動(dòng)力學(xué)參數(shù)的溫度修正系數(shù)見表5。

表5 溫度修正系數(shù)a動(dòng)力學(xué)參數(shù)溫度修正系數(shù)a水解速率常數(shù)Kh0.041顆粒性COD的飽和系數(shù)Kx-0.11基于基質(zhì)的最大生長(zhǎng)速率μ_H0.069發(fā)酵的最大速率q_fe0.069反硝化的速率降低修正固子ηNO₃^-0.069溶菌速率常數(shù)bH0.069PHA貯存的速率常數(shù)q_PHA0.041PP貯存的速率常數(shù)q_pp0.041聚磷菌最大生長(zhǎng)速率μ_PAO0.041聚磷菌溶菌速率常數(shù)b_PAO0.041XPP的分解速率常數(shù)b_PP0.041XPHA的分解速率常數(shù)b_PHA0.041自養(yǎng)菌最大生長(zhǎng)速率μ_AUT0.105自養(yǎng)菌衰減速率b_AUT0.105

3 模型的校正

　　 以 1月份數(shù)據(jù)為例，考慮平均溫度為10℃，根據(jù)表5建議的溫度系數(shù)，修正動(dòng)力學(xué)參數(shù)，得到校正模型，從而對(duì)1月進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行再模擬，得到的出水模擬值為后模擬值，與未校正模型模擬值（前模擬值）進(jìn)行比較，結(jié)果見圖6——圖7：

　　 從上圖中可以看到，經(jīng)過參數(shù)修正后的模擬，比未校正參數(shù)的模擬精度顯著提高，從而說明有些參數(shù)在模型中的重要性，因而模型在實(shí)際污水廠應(yīng)用中，有必要對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正。

4 結(jié)語

　　 本文根據(jù)自行開發(fā)的ASM2軟件，對(duì)常州污水廠進(jìn)行模擬研究，得出以下結(jié)論：
　　 ①實(shí)際計(jì)算比較證明，利用活性污泥2號(hào)模型能充分考慮廢水生物處理自身的特點(diǎn)和工藝特性，較為深人地反映活性污泥生物反應(yīng)過程的主要行為，具有很好的應(yīng)用性，適合我國(guó)污水處理廠的研究管理。
　　 ②通過參數(shù)靈敏度分析，分別對(duì)影響CODcr，NH3-N，TN，TP4個(gè)指標(biāo)的參數(shù)分別考慮，并考慮溫度影響，對(duì)不同動(dòng)力學(xué)參數(shù)進(jìn)行溫度修正。校正后的ASM2模型的預(yù)測(cè)精度得到顯著提高。

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