污水處理廠工藝改造及運行優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

供稿人：宋鴻

    數(shù)學(xué)模型是進行工藝選擇、設(shè)計、運行的決策支持方式，也是一種強有力的優(yōu)化工具?；钚晕勰嘞到y(tǒng)是一個多因素、多變量相互作用、多種反應(yīng)過程相互耦合的復(fù)雜系統(tǒng)，對其建立模型較為復(fù)雜。計算機技術(shù)的發(fā)展使數(shù)學(xué)模型的快速求解成為可能，使這些數(shù)學(xué)模型日益顯示出他們在工程應(yīng)用與試驗研究中的巨大作用。

    在眾多的活性污泥數(shù)學(xué)模型中，水協(xié)會（IWA）推出的活性污泥數(shù)學(xué)模型（ASM1～3）應(yīng)用廣泛。早在1982年，水協(xié)會的前身水污染控制協(xié)會（IAWPRC）就成立了活性污泥法設(shè)計和操作數(shù)學(xué)模型攻關(guān)研究課題組，并于1987年推出活性污泥1號模型（ASM1），引起了強烈的反響。隨著對活性污泥法機理研究的深入、分析測試水平及計算能力的提高，該模型不斷地發(fā)展。水協(xié)相繼于1995年推出了活性污泥2號模型（ASM2），1998年推出了3號模型（ASM3），1999年又把2號模型ASM2拓展為ASM2d，這些都*地推動了活性污泥法數(shù)學(xué)模型的研究。這些模型可方便地用于新建、改建污水廠的方案設(shè)計，也可用于已有污水廠的靜態(tài)、動態(tài)模擬、運行狀況預(yù)測和工藝改進。

    ASM2包含ASM1的所有工藝過程，即碳和氮的去除，還包含生物除磷過程，增加了厭氧水解、發(fā)酵及生物除磷、化學(xué)除磷的8個反應(yīng)過程。它含19種組分、19種反應(yīng)、22個化學(xué)計量系數(shù)及42個動力學(xué)參數(shù)，但還是不能*準確地反映活性污泥系統(tǒng)中的生物除磷過程。水協(xié)數(shù)學(xué)模型課題組對ASM2進行了補充，成為ASM2d。它加入了聚磷菌的缺氧條件下的生長過程，使其含19種組分、21種反應(yīng)、22個化學(xué)計量系數(shù)及45個動力學(xué)參數(shù)。

    Keller, J.將一維水力學(xué)模型和改性ASM2d結(jié)合預(yù)測SBR工藝污泥沉降速度、污泥濃度、溶液組成、SBR非混合階段的生物工藝過程。在大規(guī)模SBR系統(tǒng)中進行校正，結(jié)果發(fā)現(xiàn)該模型可以準確地預(yù)測整個SBR工藝的性能。R. Carrette利用ASM2d模型對含有大比例紡織廢水(約占41％左右)的城市污水進行研究，采用3個自動采樣器，在30天內(nèi)24小時不間斷地每隔2h采樣一次，樣品冷卻到4℃，被送至實驗室進行分析，共分析（10+10+12）X12X30=11520個水質(zhì)數(shù)據(jù)，同時對厭氧池的出水進行在線監(jiān)測磷酸鹽。結(jié)果顯示，當大量的紡織廢水排入污水處理廠時，采用間歇測定法對ASM系列中的廢水水質(zhì)成分進行測定，同時對ASM2d中的4個參數(shù)(厭氧水解減速因子η_fe、反硝化減速因子η_NO3、自養(yǎng)衰減系數(shù)b_AUT以及聚磷茵有關(guān)的衰減系數(shù)b)進行校正，就能較好地預(yù)測氮磷的去除效果。Larrea L等用ASM2d模型對交替運行和分步進水污水處理工藝進行試驗研究，通過對幾個關(guān)鍵參數(shù)進行校正，所有預(yù)測效果與實際基本吻合。

    水協(xié)的ASM系列模型在我國的應(yīng)用還不是很廣泛，除了ASM1與ASM2研究較多外，對ASM2d與ASM3的研究較少。目前我國在污水處理廠工藝設(shè)計與運行管理中仍普遍采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗法，不可避免地存在滯后性和機械性的弱點，并已成為困擾我國污水處理行業(yè)發(fā)展的一大問題。正確應(yīng)用數(shù)學(xué)模型可使運行管理及設(shè)計工作更具科學(xué)性、前瞻性和靈活性。

    ASM模型的參數(shù)眾多，需要對水質(zhì)詳細測量。對于不同地區(qū)的污水處理系統(tǒng)，需要對化學(xué)計量系數(shù)和動力學(xué)參數(shù)進行校正，此外ASM系列模型也需要不斷*。因此要用于預(yù)測或評價活性污泥處理工藝連續(xù)運行的效果，還需要做進一步的工作。國外的研究人員把ASM模型與其他模型相結(jié)合取得了較好的效果，我國也應(yīng)該在這方面爭取突破，實現(xiàn)污水處理廠全廠模型化。