_水蚯蚓_微生物共生系统_细观机理模型_T_FCASM_建立及校验

1、第29卷第12期2009年12月环境科学学报ActaScientiaeCircumstantiaeVol.29,No.12Dec.,2009孙培德,吴革,郭茂新,等.2009.“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型(T2FCASM)建立及校验J.环境科学学报,29(12):2492-2503SunPD,WuG,GuoMX,etal.2009.Asub2microscopicmechanismmodelforinteractionbetweenTubificidaeandmicroorganisms(T2FCASM):modelconstructionandvalidationJ.ActaSci

2、entiaeCircumstantiae,29(12):2492-2503“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型(T2FCASM)建立及校验孙培德,吴革,郭茂新,王如意,宋英琦,楼菊青浙江工商大学环境科学与工程学院,杭州310012收稿日期:2009202228修回日期:2009207217录用日期:2009210223摘要:基于浙江省诸暨市菲达宏宇污水处理厂新型氧化沟工艺的现场长期观察和试验研究,提出“水蚯蚓2微生物共生系统”的新技术原理,获得了“水蚯蚓2微生物共生系统”中污染物输入量与输出量随时间的动态变化规律,并建立了水蚯蚓作用的传递函数,从而实现水蚯蚓在污水处理和污泥降解过程中对污染物

3、去除作用的模拟.以全耦合活性污泥模型(FCASM3)为基础平台,最终建立了污水厂“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型(T2FCASM).,完成了对“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型(T2FCASM)的校验工作.:T2M;同时该模型能够对污水处理厂生物去除有机物及脱氮过程进行较准确的模拟,与实测值存在一定的偏差.关键词:水蚯蚓2微生物共生系统;文章编号:025322468()2:X32文献标识码:A3Asub2microscopicmechanismmodelforinteractionbetweenTubificidaeandmicroorganisms(T2FCASM):modelco

4、nstructionandvalidationSUNPeide,WUGe,GUOMaoxin,WANGRuyi,SONGYingqi,LOUJuqingSchoolofEnvironmentalScienceandEngineering,ZhejiangGongshangUniversity,Hangzhou310012Received28February2009;receivedinrevisedform17July2009;accepted23October2009Abstract:Basedonlong2termdatafromoperationofanew2styleoxidation

5、ditchprocessatZhujiFeida2hongyuwastewatertreatmentplant(WWTP)inZhejiangProvince,weproposeanewprinciplefortheinteractionofTubificidaeandmicroorganismsandobtainedamathematicaldescriptionofpollutantinputandoutputovertimeinthissystem.ThenatransmissionfunctionforinteractionsystemofTubificidaewasconstruct

6、edtosimultaneouslysimulatethepollutantremovalbyTubificidaeduringwastewatertreatmentandsludgedegradation.Finally,bycombiningthetransmissionfunctionfortheTubificidaesystemwithFCASM3(Fullycoupledactivatedsludgemodel3),asub2microscopicmechanismmodelfortheinteractionofTubificidaeandmicroorganisms(T2FCASM

7、)wasestablished.ThevalidationofT2FCASMwascompletedbasedontheresultsofinfluentcomponentmeasurementandrespirometricexperiments.ThedynamicsimulationresultsindicatedthatT2FCASMcouldsimulatereturnedsludgeconcentrationaccurately.Moreover,itcouldsimulatebiologicalcarbonandnitrogenremovalprocessesaccurately

8、,butthedescriptionofphosphorusremovaldeviatedfrommeasurementduetothelowphosphoruslevelintheinfluentoftheZhujiFeida2hongyuWWTP.Keywords:interactionbetweenTubificidaeandmicroorganism;transmissionfunction;sub2microscopicmechanismmodel;wastewatertreatmentplant(WWTP);sitevalidation;sludgereduction31引言(In

9、troduction)为近年来的研究热点(Ratsaketal.,1993;1994;2006;Leeetal.,1996a;1996b;Rensinketal.,1997;Ghyootetal.,2000;Boucheetal.,2000;Liuetal.,2001;Luxmyetal.,2001;Lapinsketal.,基于原生/后生动物捕食细菌的生物法污泥减量技术,因其具有经济和环境友好等显著优点,成基金项目:浙江省自然科学基金重点项目(No.Z507721)SupportedbytheKeyProgramoftheNaturalScienceFoundationofZhejiangP

10、rovince(No.Z507721)作者简介:孙培德(1957),男,教授(博士);3通讯作者(责任作者),E2mail:pdsunBiography:SUNPeide(1957),male,professor(Ph.D.);3Correspondingauthor,E2mail:pdsun12期孙培德等:“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型(T2FCASM)建立及校验24932003;Weietal.,2003a;2003b;2005;2006;梁鹏,2004;Liangetal.,2006a;2006b;Elissenetal.,2006;Huangetal.,2007).水蚯蚓是污水

11、处理系统互作用机制及其模型化研究在国内外未见报道.本研究基于浙江省诸暨市菲达宏宇污水处理厂的现场长期观察和试验研究,提出了“水蚯蚓2微生物共生系统”的新技术原理,获得了“水蚯蚓2微生物共生系统”中污染物的输入量与输出量随时间的动态变化规律,建立了“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型.并以浙江省诸暨市菲达宏宇污水处理厂作为“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型现场校验试验基地,拟开展新模型的大规模现场模拟校验研究工作.旨在探明城镇污水处理厂“水蚯蚓2微生物共生系统”中污泥降解与污水营养物质净化过程的介于宏观与微观之间的量化机制,对中国城镇综合污水处理厂能够提供精确的模拟、预测和控制新技术.(t

12、i中观测到的最大后生动物(Weietal.,2003a),能大量吞噬污泥,属附着型寡毛类蠕虫,可以存在于HRT短、处理量大的反应器中而不会发生流失.由于其受环境影响小,生长稳定,全年都有大量生存,且水蚯蚓在无污染和严重污染的水体中都能存活,通常是最后一种消失的物种(Boucheetal.,1999),因而增加了反应器的可靠性.Rensink等(1996)在研究一种改进的污水处理系统时发现,在塑料载体上自然生长有颤蚓、仙女虫和红斑顠体虫.当没有这些蠕虫存在时,污泥产量为0.4gg,而有这些蠕虫存在时,污泥产量就会降低到0.16gg.Liang等(2006a)提出了测量系统非固态C增加速,、和卷贝

13、的污泥量率0.05、0.06mgmgd和0.04mgmgd.-1-1-1-1-1魏源送等(2005)和王亚炜等(2006)分别用自己研制和开发的适合于颤蚓生长的生物反应器来处理剩余污泥.研究发现,颤蚓生长有助于污泥减量和改善污泥沉降性能;另外,试验过程中都出现了氮、磷的释放,特别是磷的升高尤为明显.上海交通大学陈旸等(2003)对蚯蚓生物滤池处理城市污水进行了实验研究,结果表明,蚯蚓生物滤池处理污水效果较好,COD、BOD、SS、氨氮等各项指标均能达到国家污水综合排放二级标准,且优于普通活性污泥法;而且该方法基本上不产生污泥,工艺流程简单,工程造价低,是一种经济生态型的污水处理新技术.上述国内

14、外文献对水蚯蚓的相关研究报道都只是停留在实验室研究阶段,并未进行工程化的应用和研究,目前只有浙江省诸暨市菲达宏宇污水处理厂以及上海某城市污水处理厂将水蚯蚓应用于大规模的城市污水处理(吴革,2009;杨健等,2008),并取得了较好的效果.同济大学杨健等(2008)对上海某城市污水处理厂蚯蚓生物滤池工水蚯蚓2微生物共生系统”定义为:在污泥/污水生物处理工艺过程中,由污水底物、微生物(细菌、真菌)以及微型动物(原生动物、后生动物、水蚯蚓)所组成的具有污泥减量和污水净化作用的良性循环的共生微型生态系统.“水蚯蚓2微生物共生系统”是一个复杂的系统.水蚯蚓与微生物相互作用并相互影响,由水蚯蚓降解微生物生

15、长代谢所产生的污泥,微生物实现污水中有机物及氮、磷的去除;水蚯蚓的生长代谢产物又重新回到系统中从而影响污染物质的去除.另外,微生物各菌种之间也是相互作用并相互影响,如有机物转化过程分别与生物脱氮和生物除磷过程在好氧状态下竞争溶解氧,在缺氧状态下竞争底物;生物脱氮和生物除磷过程中,在厌氧状态下,硝酸盐的存在会抑制厌氧释磷过程,在缺氧状态下,反硝化菌与反硝化除磷菌竞争硝酸盐等.“水蚯蚓2微生物共生系统”中各生物反应过程的相互作用关系详见图1,其相关模型假设如下:1)由水蚯蚓降解微生物生长代谢过程中所产生的污泥,同时水蚯蚓的生长代谢会对污水中C、N、P等污染物的去除造成一定的影响,污水中底物浓度的变

16、化也会对水蚯蚓的生长代谢造成影响.2)有机物转化过程是所有异养微生物(XOH、XDNS、XDNB、XPAO、XDPB及XGAO)共同作用的结果.3)采用改进的两步硝化2反硝化理论来描述生物脱氮过程,具体控制反应方程式见式(1)(4):亚硝酸菌+-+NH42NO2+2H+H2O(1)艺进行了现场试验研究,通过分析不同水力负荷下蚯蚓生物滤池进出水水质以及蚯蚓生存状况,研究了水力负荷对蚯蚓生物滤池污水处理效果的影响.虽然国内外已经开始关注水蚯蚓在污水处理中的应用及机制研究,但有关水蚯蚓与微生物的相2494-环境科学学报29卷NO24NO3+C2H4O2-22硝酸菌NO3-(2)4)生物除磷过程是非反

17、硝化聚磷菌、反硝化聚磷菌协同作用的结果;同时聚糖菌能与非反硝化聚磷菌、反硝化聚磷菌竞争底物,从而影响系统除磷效果.硝酸还原菌4NO2+2CO2+2H2O(3)8NO2+3C2H4O24N2+8OH-亚硝酸还原菌+6CO2+2H2O(4)图1“水蚯蚓2微生物共生系统”中各生物反应过程相互作用关系图Fig.1TheinteractionofbiologicalreactionprocessesfortheTubificidaeandmicroorganismssystem3污水处理厂现场试验(SitetestatWWTP)3.1污水处理厂概况本研究中采用浙江省诸暨市菲达宏宇污水处理厂作为“水蚯蚓2

18、微生物共生系统”细观机理模型建立及校验的现场试验基地.浙江省诸暨市菲达宏宇污水处理厂采用新型氧化沟工艺,它是基于传统氧化沟工艺上的改进,其工艺流程示意图及相关工艺参数详见图2和表1.在新型氧化沟中,第1沟段为厌氧段,第2沟段为缺氧段,第3、4、5沟段都为好氧段,采用水下机械曝气方式在好氧段布置了复合曝气器.二沉池底部污泥部分回流至厌氧段,保证了厌氧池中的污泥浓度;好氧段3的混合液部分回流至缺氧段,满足了缺氧反硝化脱氮对电子受体的需求.相关研究表明,虽然水蚯蚓具有一定的耐缺氧能力,但是并无污泥减量效果,适量的溶解氧有助于水蚯蚓的生长繁殖(Elissenetal.,2007;诸晖等,2008;He

19、ndrickxetal.,2009).另外,本课题组在该厂的现场试验研究表明,在好氧段悬挂生物填料利于水蚯蚓的密集培养,但水蚯蚓的代谢产物对出水会产生一定的影响.综合以上两点因素,选择在好氧段1中悬挂生物填料,并在生物填料上接种水蚯蚓.这样,既使水蚯蚓共生段后有足够的停留时间对水蚯蚓代谢产物进行生物净化以达到较好的污水处理效果,同时又利用了水蚯蚓能大量吞噬污泥的特性,使得系统具有显著的污泥减量效果.“水图2新型氧化沟工艺流程示意图Fig.2Schematicdiagramofthenew2styleoxidationditchprocess12期孙培德等:“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型

20、(T2FCASM)建立及校验2495蚯蚓2微生物共生系统”解决了传统污水处理工艺中污泥处理与处置这一重大难题,从而大大节省了污水处理厂的运行成本.表1新型氧化沟工艺参数表Table1Technicalparametersofthenew2styleoxidationditchprocessXTSS等组分可以通过常规水质指标的测定直接获得,只有SS,SI,XS,XI,XOH,XDNS,XDNB需通过与COD确立转换关系而进一步确定其浓度,其余进水模型组分因含量很低,假定其浓度近似为零.模型组分的确定方法详见表3.表3污水处理厂进水模型组分确定方法Table3Schemeoftheinfluent

21、modelcomponents工况厌氧段体积V1/m缺氧池体积V2/m33取值17502457245724574059100%100%364.2模型组分SN2,XSTO,OH,XSTO,DNS,XSTO,DNB,XNS,XNB,组分确定方法好氧段1体积V3/m3好氧段2体积V4/m3XPAO,XPHA,PAO,XGLY,PAO,XDPB,XPHA,DPB,近似为零XGLY,DPB,XGAO,XPHA,GAO,XPP,PAO,XPP,DPBSO2SNH4SNO3SNO2SP4SALKXTSSSS,SI,XS,XI,XOH,XDNS,XDNB好氧段3体积V5/m3污泥回流比R混合液回流比r二沉池直

22、径/m二沉池有效水深/m实测溶解氧实测氨氮实测硝酸盐氮实测亚硝酸盐氮实测磷酸盐实测碱度实测总悬浮颗粒物由占COD比例确定3.23.2.1为期一个月(20082092012008209230)的水质现场检测,每天早上8:00进行采样,采样点分别为原水进水口、厌氧段出水口、缺氧段出水口、各好氧段出水口及二沉池出水口.检测的项目主要有:COD、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、总磷、磷酸盐、碱度、悬浮颗粒物(SS)、溶解氧、pH、水温等,各水质指标的检测方法及相关测定仪器见表2.表2水质指标测定项目、方法及实验仪器Table2Indexes,methodsandequipmentformonitoring

23、waterquality4“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型建立(ConstructionofT2FCASM)“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型是在全耦合活性污泥模型(FCASM3)基础上,结合水蚯蚓作用的传递函数而建立的.FCASM3(孙培德等,2008;Sunetal.,2009;王如意等,2008)将活性污泥系统中微生物划分为8大类菌群,包括31种模型组分和72个生化反应子过程,充分考虑了系统中微生物间的相互作用.FCASM3引入了硝化2反硝化过程中的中间产物亚硝酸盐,实现了对两步硝化2反硝化过程的模拟;不仅包含聚糖菌的有关生物反应过程,而且还考虑了聚磷菌(非反硝化聚磷菌和反硝化

24、聚磷菌)以及聚糖菌的厌氧维持过程.4.1水蚯蚓作用的传递函数建立4.1.1“水蚯蚓2微生物共生系统”污泥减量及污水指标CODCr方法密闭快速消解法纳氏试剂比色法紫外分光光度法N2(12萘基)2乙二胺仪器HACHDR/2010COD快速测定仪UV27504紫外可见分光光度计UV27504紫外可见分光光度计UV27504紫外可见分光光度计UV27504紫外可见分光光度计UV27504紫外可见分光光度计-JC101型电热鼓风干燥箱YSI2550A溶解氧仪MODEL868型pH计YSI2550A溶解氧仪氨氮硝酸盐氮亚硝酸盐氮总磷磷酸盐碱度溶解氧pH光度法钼锑抗分光光度法钼锑抗分光光度法酸碱指示剂滴定法

25、溶解氧仪法pH计法悬浮颗粒物重量法处理影响研究(1)“水蚯蚓2微生物共生系统”污泥减量效果研究2008年9月现场试验期间,“水蚯蚓2微生物共生系统”污泥减量效果将通过新型氧化沟工艺好氧段1进水口与出水口处的活性污泥浓度差值(出水口处污泥浓度值减去进水口处污泥浓度值)来反映,详见图3.水温温度计法3.2.2进水模型组分测定本研究采用全耦合活性污泥模型(孙培德等,2008)将进水划分为31种组分,其中模型中的SO2,SNH4,SNO3,SNO2,SPO4,SALK,2496环境科学学报29卷图3新型氧化沟工艺好氧段1中进水口与出水口处MLSS浓度差值波动图Fig.3Thedynamictrendo

26、fMLSSconcentrationdifferencebetweeninfluentandeffluentinaerobicsection1ofthenew2styleoxidationditchprocess由图3可知,口与出水口处MLSS,-1373-1-1mgL之间,-134mgL,表明“水蚯蚓2微生物共生系统”具有较好的污泥减量效果,使得整个活性污泥系统在不排放剩余污泥的情况下,仍能维持系统内污泥浓度的基本平衡.(2)“水蚯蚓2微生物共生系统”对C、N、P影响研究9月份现场试验期间,“水蚯蚓2微生物共生系统”对C、N、P去除影响将通过新型氧化沟工艺好+3-氧段1进水口与出水口处COD

27、、NH42N、PO42P等污染物的浓度差值(出水口处浓度值减去进水口处浓度值)来反映,详见图4.由图4a可见,新型氧化沟工艺好氧段1进水口与出水口处COD差值随时间变化波动较大,并呈现明显的正余弦变化趋势,-1-1在-25mgL与11mgL之间变动,平均变化量-1为-7mgL.由图4b可知,新型氧化沟工艺好氧段1进水口与出水口处氨氮浓度差值随时间变化波动较为明显,且呈明显的正余弦变化趋势,在-2.25-1-1mgL至-0.51mgL之间变动.表明“水蚯蚓2微生物共生系统”对氨氮的去除存在一定的影响.由图4c可知,新型氧化沟工艺好氧段1进水口与出水口处磷酸盐浓度差值变化很小,在-0.041-1-

28、1mgL至0mgL之间变动,平均变化量为-1-0.008mgL,表明“水蚯蚓2微生物共生系统”对新型氧化沟工艺中磷酸盐的去除影响很小,可忽略.图4好氧段1进水口与出水口处污染物浓度差值随时间变化波动图Fig.4Thedynamictrendofpollutantsconcentrationdifferencebetweeninfluentandeffluentinaerobicsection14.1.2水蚯蚓作用的传递函数建立通过以上对诸暨市菲达宏宇污水处理厂新型氧化沟工艺好氧段1的长期现场试验研究发现,“水蚯蚓2微生物共生系统”对COD、氨氮及污泥的去除影响较为明显,且具有明显的规律性;而对

29、磷酸盐的去除影响很小,且无规律性.因此,我们认为该“水蚯蚓2微生物共生系统”对磷酸盐的去除基本没有影响;并通过好氧段1进水口与出水口处COD、氨氮及污泥浓度差值随时间变化数学函数表达式的确定来建立水蚯蚓作用的传递函数.由图4a好氧段1进水口与出水口处COD差值随时间变化趋势图可以看出,COD浓度差值随时间的变化呈正弦趋势变动,于是假设COD差值随时间12期孙培德等:“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型(T2FCASM)建立及校验2497变化函数表达式为y=Asinw(x-x0)+B,采用最小二乘法曲线拟合解算原理,即通过选择合适的参数,使得通过函数表达式算出的数值与实际值之差的平方和最小,得

30、到“水蚯蚓2微生物共生系统”中COD差值(yCOD)随时间变化函数关系式(5).(t-1)-7(R2=0.9628)(5)yCOD=-186式中,yCOD表示“水蚯蚓2微生物共生系统”对COD的净化量.t为时间(d).通过式(5),得到了“水蚯蚓2微生物共生系统”对COD的净化量随时间的变化关系,为了能够使其在模型中得以应用,需知道“水蚯蚓2微生物共生系统”的COD净化瞬时变化速率,可通过对式(5)进行一阶求导获得,得到“水蚯蚓2微生物共生系统”的COD净化瞬时变化速率方程详见式(6).dyCOD(t-1)(=-36dt由图32微共生系统”MLSS2N+数,表达式分别见式(7)和式(8),ML

31、SS及NH42N净化瞬时变化速率方程分别见式(9)和式(10).2+-161(R=yMLSS=480sin68(7)019401)(t-6)-1.38(R2=0.8752)yNH4+2N=0.4(8)dy-=8068dt8dyNH+2N(9)(t-6)(10)4dt通过式(6)、式(9)及式(10),便可知道“水蚯+蚓2微生物共生系统”中COD和NH42N的瞬=-0.22SS、XS、SI、XI、DNBSS,XS,SI,X,DNSDNB,详见表4.表4水蚯蚓作用的传递函数Table4ThetransmissionfunctionofTubificidae过程可溶性生物降解有机物在好氧段1中的瞬时

32、变化速率颗粒性生物降解有机物在好氧段1中的瞬时变化速率可溶性惰性有机物在好氧段1中的瞬时变化速率颗粒性惰性有机物在好氧段1中的瞬时变化速率好氧异氧菌在好氧段1中的瞬时变化速率dXHdtdXdtdXdtdSdtdXdtdSdtdXdt速率方程表达式SS(-3)XS(-3)SI(-3)XI(-3)XOH(-3)XDNS(-3)XDNB(-3)-0.22dSdt(t-1)(t-1)(t-1)(t-1)(t-1)(t-1)(t-1)亚硝酸盐还原菌在好氧段1中的瞬时变化速率硝酸盐还原菌在好氧段1中的瞬时变化速率氨氮在好氧段1中的瞬时变化速率dSNH+2Ndt4(t-6)总悬浮颗粒物在好氧段1中的瞬时变化

33、速率80-884.2“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型建立本研究以全耦合活性污泥模型(FCASM3)为基础平台,结合水蚯蚓作用的传递函数建立了“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型(T2FCASM).基于浙江省诸暨市菲达宏宇污水处理厂新型氧化沟工艺的长期现场观察和水质检测基础上,提出了有关城镇污水厂“水蚯蚓2微生物共生系统”的细观机理模型,模型校验及其应用的系列研究.为使“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型(T2FCASM)能在污水处理厂工艺中进行实际应用,我们分别对新型氧化沟工艺的厌氧段、缺氧段、好氧段1、好氧段2及好氧段3进行建模,可得到控制方程(11)(吴革,2009):2498环

34、境科学学报29卷ittititt=AnaerobicQCinA1,i+RQCset,i-CA1out,+HRT1(1+R)Q(1+R)QCAout,i+rQCOout,i(1+R+r)Qjijivjiji=AnoxicHRT2-CA2out,+ivjiji=Aerobic1C-CO1out+HRT3A2out,iC-CO2out+HRT4O1out,iC-CO3out+HRT5O2out,iv+vjiji(11)=Aerobic2=Aerobic3vjiji式中,HRT1、HRT2、HRT3、HRT4及HRT5分别为新型氧化沟中厌氧段、缺氧段、好氧段1、好氧段2和好氧段3的水力停留时间;i为模

35、型中定义的第i种污染物(i=131);CinA1,i为进入厌氧段的污水中第i-3种污染物的浓度(gm),CAout,3缺氧段的第im,A2out,日这段时间内,进水流量在600mh上下波动,于9月28可见COD波动较,波动较小,在40-160mgL以下,COD去除.虽然进水氨氮浓度也存在较大波动,但-1出水氨氮浓度波动较小,均在2mgL上下波动,且去除率达90%以上.由图8和图9可见,进水中硝酸盐及亚硝酸盐浓度较低,出水中以硝酸盐为主,-1其平均浓度为8.51mgL,基本不含亚硝酸盐,其-1平均浓度仅为0.017mgL.由此可以推测,进水中的氨氮已大部分被转化成氮气的形式排放,实现了较好脱氮效

36、果.由图10可见,进水中磷酸盐含量较低,出水磷酸盐浓度已低至平均0.015mgL.从总体上看,该系统可以较好地实现污染物质生物去除,出水水质较好.-1-3-11i种污染物的浓度-3(gm),CO1out,i1出水进入好氧段2的第i种污染物的浓度(gm-3),CO2out,i为好氧段2出水-3进入好氧段3的第i种污染物的浓度(gm),CO3out,i为好氧段3出水回流到缺氧池的第i种污染-3物的浓度(gm),Cset,i为从二沉池回流到厌氧段-3的第i种污染物浓度(gm);R为污泥回流比(无量纲),r为混合液回流比(无量纲),Q为污水处理3-1厂经初沉池处理后的污水流量(md).v为jiji细菌

37、等微生物的生物反应项,与其相关的动力学方程及化学计量系数矩阵可参见文献(孙培德等,2008);i为水蚯蚓作用的传递函数中的水蚯蚓作用变化项,详见表4.5“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型校验(ModelvalidationforT2FCASM)5.1污水处理厂试验结果5.1.1常规水质指标测定结果2008年9月份现场试验期间,浙江省诸暨市菲达宏宇污水处理厂新3-1型氧化沟工艺的平均进水流量为537mh,其中每天由在线流量计实时监测的流量变化情况详见图5;新型氧化沟工艺进水与出水中COD、氨氮、磷酸盐等污染物的动态变化趋势详见图610.由图5可见,该厂新型氧化沟工艺的进水流量波动较大,特别是

38、2008年9月19日开始至9月27图5新型氧化沟工艺9月份进水流量变化趋势图Fig.5Thedynamictrendofinfluentfluxofthenew-styleoxidationditchprocessinSeptember5.1.2进水模型组分测定结果通过BI22000电解呼吸仪,对进水模型组分进行了呼吸试验,并得到了进水模型组分所占COD比例的变化范围,并结12期孙培德等:“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型(T2FCASM)建立及校验2499合污水处理厂实际情况及模型本身的需要,给出了该厂进水模型组分的具体数值,详见表5.表5进水模型组分所占COD比例变化范围及本模型中所取

39、模型组分具体数值Table5TheactualrangeofinfluentmodelcomponentsandthevalueadoptedinT2FCASM5.2模型校验方法应用开发出的“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型模拟程序,实现了对浙江省诸暨市菲达宏宇污水处理厂新型氧化沟工艺的数值模拟.模型中涉及大量的动力学和化学计量参数,这些参数的取值将直接影响模拟结果,确定这些参数值是模型应用中的一项重要工作.而要对模型中每一个参数都进行测定,不仅费时费力,还受到实验条件等诸多因素的制约,因此,在本次模型校验研究中,首先采用国际水协活性污泥课题组以及EAWAG课题组等在大量实验研究基础上所给

40、出的典型值(王如意等,2008),然后对模型中起关键作用的参数进行灵敏度分析和调整来完成.本模型中(20)详组分SSSIXSXIXOHXDNSXDNB占COD比例变化范围0.1790.2030.0970.2120.2240.2810.1950.2120.0780.1090.0490.0490.0490.063本模型所取具体数值0.190.180.250.200.080.0490.051表(20)6kineticparametersandtheirvaluesforT2FCASM(20)参数bO2,DNB硝酸还原菌的最大好氧内源呼吸速率亚硝酸菌(XNS)最大比生长速率硝酸菌(XNB)最大比生长速

41、率XPHA,PAO贮存速率XPAO最大比生长速率XPAO最大好氧内源呼吸速率XPAO最大缺氧内源呼吸速率XPHA,DPB贮存速率XDPB最大比生长速率XDPB最大好氧内源呼吸速率XDPB最大缺氧内源呼吸速率XGAO最大比生长速率SNO3+SNO2饱和系数SS饱和系数典型值0.20.470.78310.20.2310.20.20.80.54校核值0.10.4233.50.20.020.029.50.20.020.020.42.51单位d-1d-1d-1d-1d-1d-1d-1d-1d-1d-1d-1d-1gm-3gm-3NSNBkPHA,PAOPAObO2,PAObNOx,PAOkPHA,DPB

42、DPBbO2,DPBbNOx,DPBGAOKNOx,PKSS,P5.3模型校核结果分析5.3.1新型氧化沟工艺各生化池出水污染物模拟值与实测值对比研究应用“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型对浙江省诸暨市菲达宏宇污水处理厂新型氧化沟工艺进行了数值模拟研究.二沉池一维动态模型采用固体通量理论建立污泥浓缩基本方程(蒋已刚等,2007),并假设污泥浓缩时不发生扩散行为,二沉池内无生化反应.其中,COD、NH42N、NO32N、NO22N及PO42P模拟值与实测值+-3-的动态对比结果详见图6至图10.由图6可知,“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型对COD的模拟非常接近,而且变化趋势较实际变化趋

43、势稳定,但其模拟值比实测值有所偏低.图6“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型模拟出水COD与实测值对比图Fig.6ComparisonbetweenmeasuredeffluentCODanddynamicsimulatedCODbyT2FCASM2500环境科学学报-29卷这主要是由以下2方面原因造成的:模型在对COD去除描述中,是按照微生物对C、N、P需求的最模拟浓度值比实测值高,NO22N模拟浓度值比实测值低;而模型对各好氧段出水NO32N及NO22N的模拟变化趋势与实际变化趋势基本一致,且模拟值-佳比例来进行COD的模拟去除,而在污水处理厂实际工程运行中,一般不可能一直控制在这个最佳

44、比例;模型所模拟的出水COD值实际上是出水中可溶性COD值,并不包括出水中少量的颗粒性COD.由图7对NH42N的模拟中可以看出,新型氧化沟工艺各反应段模拟值变化趋势与实际变化趋势较一致,特别是对厌氧段的模拟,但其模拟值较实测值偏高.同时可以发现:厌氧段氨氮浓度将减小至原进水氨氮浓度的1/2左右,在好氧段又将大幅度下降.厌氧段溶解氧水平低,将发生氨化作用,会+与实测值也较接近.由此可见,模型对缺氧反硝化的模拟与实际有所偏离.推测可能的原因是系统中-可能存在从NO32N直接到N2的反硝化过程,而模型目前还没有实现对该过程的描述.由图10可见,“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型对新型氧化沟工艺

45、各反应段PO42P的模拟与实际情况存在一定的差异.根据经典除磷机理理论,将会在厌氧段及好氧段分别发生厌氧放磷及好氧吸磷现象,最终实现磷的去除,而在该污水处3-导致氨氮浓度的增加,而同时由于来自二沉池的污泥回流,将起到对厌氧段氨氮浓度的稀释效果,最终导致厌氧段氨氮浓度的表观下降;好氧段溶解氧水平较高,给硝化菌创造了充分的条件,由图83及2-,象,.“2微”细观机理艺的动态模拟结果分析及污水处理机理分析得到以下几点结论:“水蚯蚓2微生物共生系统”细观中可以看出,水中NO32N及-NO22N的模拟值与实测值存在较大差别,NO32N-12期孙培德等:“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型(T2FCAS

46、M)建立及校验2501机理模型能够实现对污水处理厂污染物质去除机理的较准确地模拟,模拟结果与实测结果基本一致.“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型利用两步硝化2反硝化理论实现了对生物脱氮过程的较准确地描述,但仍需进一步改进.“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型对生物除磷过程的模拟,由于该污水处理厂低磷进水的原因,与实测值存在一定的偏差.5.3.2新型氧化沟工艺出水悬浮颗粒物及回流污泥浓度模拟值与实测值对比研究图11显示了“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型模拟新型氧化沟工艺二沉池出水悬浮颗粒物和回流污泥浓度与实测值的动态对比结果.图11二沉池出水悬浮颗粒物和回流污泥浓度模拟值与实测值对比

47、图Fig.11Comparisonbetweenmeasuredandsimulatedconcentrationsofeffluentsuspendedsolidsandreturnsludge2502环境科学学报29卷由图11a可见,“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型对出水悬浮颗粒物的模拟变化趋势与实际变化趋势基本一致,但其模拟值比实测值偏低;由图11b可以看出,“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型对二沉池回流污泥的模拟变化趋势与实际变化趋势基本一致,其模拟值与实测值较为接近.通过以上分析,表明“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型能够实现对污水厂回流污泥浓度的准确模拟,而对于出水悬

48、浮颗粒物的模拟还有待对模型做出进一步改进;同时发现“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型的模拟变化趋势比实际变化趋势较为平缓,这是因为模拟结果主要由模型参数决定,不受环境影响,相对比较稳定,而实际出水悬浮颗粒物、回流污泥浓度以及各生化池污泥浓度受到多种因素的影响(如天气、水力条件等),实际波动较大.6结论(Conclusi1)责任作者简介:孙培德(1957),男,工学博士,教授.2006年曾赴TheUniversityofWesternAustralia(UWA)做访问教授.现任浙江工商大学环境科学与工程学院常务副院长,资源与环境研究所所长,浙江省“151新世纪人才工程”第二层次人才,浙江省高

49、校中青年学科带头人.近年来主持浙江省自然科学基金重点项目“城镇污水厂生物脱氮除磷及优化运行基础理论研究”、国家“863”科技计划项目等10项;出版学术专著4部;国际三大检索(SCI/EI/ISTP)收录论文50篇;获教育部科技进步三等奖(排名第一,1998)等省部厅级奖10余项;国际期刊JournalofAppliedSciences编委.主要研究方向:(1)城镇污水生物处理理论及优化控制技术;(2)环境安全系统数值模拟及优化控制技术.参考文献(References):BoucheML,F,Biagianti2etal.2000.Toxiceffectsbiaquaticoligochaete

50、tubifexJ.Safety,46:246251S,ArsacF,etal.1999.AnoriginalminationprocessdevelopedbytheaquaticoligochaeteTubifextubifexexposedtocopperandleadJ.AquatToxicol,45:917现场长期观察和试验研究,提出“水蚯蚓2微生物共生系统”的新技术原理,获得了“水蚯蚓2微生物共生系统”中污染物的输入量与输出量随时间的动态变化规律,并建立了水蚯蚓作用的传递函数,从而实现水蚯蚓在污水处理和污泥降解过程中对污染物去除作用模拟.2)以全耦合活性污泥模型(FCASM3)为基础

51、平台,结合水蚯蚓作用的传递函数,最终建立了污水厂“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型(T2FCASM).3)通过对浙江省诸暨市菲达宏宇污水处理厂常规水质指标和进水模型组分的测定,完成了“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型的动态模拟校验.在采用国际水协活性污泥课题组以及EAWAG课题组等在大量实验研究基础上所给出的模型参数典型值基础上,通过对模型中的关键性参数进行灵敏度分析和不断调整校核,得到一组适合该污水处理厂实际情况的最佳动力学参数校核值.4)“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型实现了对回流污泥浓度的准确模拟;同时该模型能够对污水处理厂生物去除有机物及脱氮过程进行较准确的模拟,而对生物

52、除磷过程的模拟,由于该污水处理厂低磷进水的原因,与实测值存在一定的偏差.陈旸,肖亿群,邱江平.2003.蚯蚓生物滤池处理城市污水初步试验J.上海交通大学学报(农业科学版),21(4):336339ChenY,XiaoYQ,QiuJP.2003.PreliminaryexperimentforJournalofearthwormbiofiltertotreatmunicipalsewageJ.336339(inChinese)ElissenHJH,HendrickxTLG,TemminkH,etal.2006.Anewreactorconceptforsludgereductionusingaq

53、uaticwormsJ.WaterResearch,40:37133718ElissenHJH.2007.SludgereductionbyaquaticwormsinwastewatertreatmentwithemphasisonthepotentialapplicationofLumbriculusvariegatesD.Wageningen,Netherlands:WageningenUniversityGhyootW,VerstraeteW.2000.Reducedsludgeproductioninatwo2stagemembrane2assistedbioreactorJ.Wat

54、erResearch,34(1):205215HendrickxTLG,TemminkH,ElissenHJH,etal.2009.TheeffectofoperatingconditionsonaquaticwormseatingwastesludgeJ.WaterResearch,43(4):943950HuangX,LiangP,QianY.2007.ExcesssludgereductioninducedbyTubifextubifexinarecycledsludgereactorJ.ShanghaiTransportUniversity(AgriculturalScience),2

55、1(4):JournalofBiotechnology,127:443451黄勇,杨铨大,王宝贞.1997.二沉池的数学模型及瞬变响应特性模拟研究瞬变响应特性J.中国给水排水,13(1):69HuangY,YangQD,WangBZ.1997.Dynamicmodelingandtransientresponsesanalysisofsecondaryclarifier:69(inChinese)ParttransientresponsessimulationJ.ChinaWaterandWastewater,13(1):蒋卫刚,顾国维,俞国平.2007.二沉池动态仿真模型研究J.环境工程学报,1(3):212412期孙培德等:“水蚯蚓2微生物共生系统”细观机理模型(T2FCASM)建立及校验Studyondynamicmodelof2503JiangWG,GuGW,YuGP.2007.secondarysettlersJ.SunPD,WangRY,FangZG.2009.FullyCoupledActivatedSludgeModel(FCASM):ModeldevelopmentJ.BioresourceT