基于asms的城市污水处理模拟软件研究_secret

1、PAGE PAGE 7基于ASMs的城市污水处理模拟软件研究摘要：本文主要研究了基于活性污泥数学模型(ASMs)开发的污水处理厂模拟软件。文章分析了典型模拟软件的特点与基本模拟过程及原理，并针对模拟软件应用中存在的问题提出了建议。关键词：活性污泥数学模型 模拟软件 软测量 Study of Municipal Wastewater Applications based on ASMsAbstract: This paper discusses typical wastewater applications based on ASMs and their difference. The main

2、 modeling steps and program route are also introduced. As a result, the paper give some suggestion to deal with some problems which limit the effective use of applications.Keywords: activated sludge models, modeling application, soft monitor活性污泥法处理污水的理论与工艺研究一直是污水处理领域的热点。随着国内外对活性污泥数学模型的研究，及国际水协（IWA）推

3、出的活性污泥数学模型系列模型（ASMs）的发展与广泛应用，以ASMs为机理模型开发的污水处理模拟软件的研究也随之发展起来。目前，国际上开发的基于ASMs污水处理模拟应用软件较多，如WEST，SSSP, ASIM,EFOR等商用软件，及一些根据MATLAB、VB、Dephi等编程工具开发的模拟程序。这些软件各有各的特点，在具体应用中也是各有所长。下面以商用软件及自主开发研究软件分别讨论这些软件的特点与应用。一、污水处理模拟软件的特点1. 商用型软件目前国际上开发的活性污泥数学模型模拟软件中，应用较成功的商用软件有EFOR软件、WEST软件、STOAT软件等。它们可以用于科学研究、开发新工艺、辅助

4、设计与工艺方案选择及用于污水处理厂的运行管理及专业教学等。其中EFOR软件是由DHI Water Environment开发的废水处理工艺开发和模拟用软件，目前在国外普遍使用。该软件主要基于活性污泥1号和2号模型，能够模拟活性污泥法中的碳氧化、硝化与反硝化和生物除磷过程，包括传统活性污泥工艺、分段进水、交替硝化反硝化、氧化沟工艺、AB法及生物化学同时除磷工艺等，获得稳态与动态的出水效果。此外，它还提供了默认的模型参数推荐值及进水IWA模型组分划分比例。许多研究表明，通过一定的参数校正后，EFOR软件可以进行污水处理模拟，且模拟结果与实际较符合。WEST (World Wide Engine f

5、or Simulation, Training and Automation) 软件是比利时HEMMIS公司开发研究的基于整个ASM系列（ASM1、ASM2、ASM2d、ASM3等）的模拟仿真软件，它吸收了EFOR软件的优点，并开拓了EFOR软件所不具有的优点。由于它提供了许多工艺模板，有许多可供选择的工艺模型，因而可模拟的工艺多，且具有很大的开放性和灵活性。ASIM (Activated Sludge Simulation Program) 是EAWAG (Swiss Federal Institute for Environment Science and Technology) 基于1编

6、制而成的，其最初主要用于教学、科研和咨询。目前的版本是在1994年8月推出的ASIM3.0 (它能对活性污泥系统进行仿真)，它可以应用于目前存在的大多数生化动力学模型，也可对目前存在的大多数具有脱氮功能的活性污泥工艺进行模拟。SSSP (Simulation of Single Sludge Processes) 程序由美国Clemson大学根据ASM1编制,可对污水处理进行稳态模拟和动态模拟。汪慧贞等人利用SSSP程序对北京市高碑店污水厂、北小河污水厂 (均采用传统活性污泥法) 及上海市曲阳污水厂 (生物吸附法) 进行了稳态模拟,其结果与实际运行结果吻合。这些软件中，以EFOR软件与WEST

7、软件的应用范围最广，尤其是WEST软件，几乎可以模拟所有的活性污泥法工艺，而SSSP等软件则基本是针对脱氮为主工艺的模拟。研究型软件除了商用型软件外，国内外研究活性污泥数学模型的研究者结合所研究的数学模型与工艺开发了相应的模拟软件。这些软件多是采用相对简便实用的编程编译开发，如MATLAB、Visual Basic、Delphi等。不同的编程语言特点也影响了其所开发的软件的特点。如MATLAB在表达ASMs的模型矩阵与求解组份方程过程中有很大优越性，因此，用MATLAB编程可以很方便地模拟指定工艺的各过程出水。然而，单纯的MATLAB模拟软件界面相对单调；而Visual Basic语言简单易学

8、，又有相对好的人机界面，模拟软件操作简单，但是在求解复杂的非线性组分方程时，灵活性受限制；用Delphi编程可以实现较好的人机界面连接与方程求解，但是，针对大量的方程求解时，其优越性不如MATLAB。通常，以模拟研究为主所开发的模拟软件在界面上都不如商用软件完美，而且往往只是固定一个工艺而开发的。但是，由于研究者研究的工艺与水质参数值都比商用软件更接近当地的污水处理厂，具有很好的针对性，而且所采用的机理模型是在一定的实验研究基础上进行一定优化的ASMs，因此其模拟结果也往往要优于直接所采用的商用软件。二、模拟软件的基本模拟过程与原理虽然这些模拟软件各有特点，但是在模拟过程与原理上，都是万变不离

9、其宗，这些模拟程序或软件都是以ASMs为核心，结合实际污水生物处理工艺过程，进行编程模拟，其主要模拟过程是类似的，基本步骤与原理如下：流程标准化 要模拟活性污泥城市污水处理工艺，首先要对污水处理厂工艺流程进行流程标准化。一个基于n个完全混合反应器（CSTR）的典型流程可用来描述任何连续流活性污泥工艺。图1 活性污泥法的流程标准化此流程中，用Qin,C0分别代表进水的流量与浓度，k可为1到n的任一数值。因此，第k池中的各个属性可代表各反应池的属性，其体积为V(k)；池内组分浓度为Ck；进水分流的流量Qin*inf(k)，浓度为C0； q(l, k),Cl表示第l池流入第k池的混合液流量与浓度；q

10、(k, l),Ck表示第k池流出到第l池的混合液流量与浓度；其进入的二沉池污泥回流量为Qr*r(k)；二沉池的体积为V(n+1)，其污泥回流量与浓度分别是Qr和Cn1。由此可写出第k池的实际进水流量和浓度，其实际出水流量等于进水流量，出水浓度等于反应器中的浓度。第k池的实际进水量为所有流到k池的流量之和，即为进水分流流量（）加上污泥回流量（）再加上所有流入到k池的混合液流量（），可以写为：；k池的实际进水浓度则由下式计算可知： ；根据变化量输入量输出量反应量，对第k池进行质量平衡，可得到：；其中，表示反应量，与反应过程中的组分i有关，通过计算相应的ASMs求得。对于组分i ,其反应速率r(i)

11、。结合以上公式，得出第k池中组分i的质量平衡方程为：；此方程为对组分i的质量平衡方程编程的基本通式。式中，Ci（k）表示第k反应池中组分i浓度，是未知数。在计算k池进水浓度时，不仅需要这些参数，而且需要知道二沉池回流污泥里组分i的浓度Ci（n+1）。而对于二沉池的出水浓度与污泥回流浓度与流量，是通过一定的二沉池机理模型，设定一定步长，结合实际污水处理工艺中的污泥停留时间SRT，剩余污泥量等来计算。由此得到每一个反应池中每一个组分的质量平衡方程，再求解模型，得到这些组分的浓度。对于稳态模拟求解，质量平衡方程的左边0，方程组有唯一数值解：；对于非稳态情况，平衡方程的左边0，再给定边界条件的情况下（

12、t0时的组分浓度），能够得到后续时刻t的各池组分浓度数值解，得出组分浓度随时间的变化的动态值。2. 方程求解确定了工艺流程与进水流量、模拟模型及相应的水质特性参数、模型参数后，用一定的编程语言编译模型矩阵，求解组分方程，得到工艺各过程的出水水质。求解的基本路线可归纳如下： 图2 模型求解基本路线结果校正得到工艺处理各出水的模型组分浓度值后，进行灵敏度分析，结合实测值，根据模拟结果与实测结果之间的差距，调整模型组分参数，校正并验证模型。经过反复校正与验证，得到较稳定的结果，确定出污水水质的模型参数值，合理地建立起可行的机理模型。基于此模型，就可以进行实际污水厂的动态模拟与预测，分析工艺处理效果，

13、优化工艺，保证污水处理结果可行。 通过合理的调整后，在采用同一活性污泥数学模型为机理分析模拟同一工艺后，模拟软件能得到较一致的结果。如对IWA研究中所提出的单个CSTR稳态解的求解，用典型的模拟软件得到的结果之间差距很小 (见表1)。表1 单个CSTR反应器出水结果组分IWA报道结果Visual Basic模拟值Delphi模拟值MATLAB模拟值WEST模拟值XI(g/m3)888.89-888.89888.88889.17XBH(g/m3)1450.311451.21449.251449.361451.22XBA(g/m3)90.3990.790.4790.9792.59XP(g/m3)7

14、37.08737.6736.57736.7738.58XS(g/m3)29.4625.829.4329.4329.41XND(g(N)/m3)2.542.62.542.542.56SS(g/m3 )2.622.62.922.912.66SNH(g(N)/m3)0.410.30.3650.360.38SNO(g(N)/m3)33.3140.440.3540.3933.38SALK(mol(HCO3)/m3)2.832.32.323.344.5SI(g(N)/m3)40-404040SND(g(N)/m3)0.930.930.930.930.94Kla124.9-134.7130125这不仅说明I

15、WA开发的ASMs是较成功的机理模型，也表明用不同语言编译的模拟软件在模拟过程中异曲同工，能实现对污水处理的模拟。三、存在问题与建议措施虽然目前国内外研究均表明IWA开发的ASMs是较成功的活性污泥法污水处理的机理模型，并且已开发的活性污泥数学模型模拟软件较多，但是模型与软件在具体应用于实际污水处理厂的过程中还是存在着一些问题。主要是数据的获取问题：在模拟过程中，模拟软件需要输入大量的参数与组分值，而实际污水厂很难完全提供这些数据且有些参数与组分其测试方法都无法确定或是无法测定，模型的复杂性使其还是停留在实验室研究，在实际污水处理厂的应用中很难得以大量推广。另外，模拟软件本身还存在一些问题：商

16、用软件制作精美，但是其模拟过程中往往对所有组分采用同一个步长，使得模拟精度不高，并且容易出错，导致结果有所偏差；自主开发的研究型软件具有很大针对性，往往是固定一个工艺或是一个模型，但是在实际应用中，则其包装与界面相对单调，不是完全傻瓜型的。 针对这些问题，本人提出如下建议：实验室研究与软件模拟相结合解决数据问题：在实验室条件下测定大量污水处理厂的水质参数，统计分析我国污水处理厂的典型水质参数值与水质特性参数值；对于目前无法测定的组分与参数，采用模拟软件对出水结果的模拟与参数校正来间接获取；在机理模型研究较成熟的基础上，合理简化模型，确立关键性参数与组分，可减少需调整和测试的模型参数与组分个数；

17、商用软件与自主开发的研究型软件取长补短：吸引商用软件的优点，在自主开发的软件上增强其界面操作功能；针对固定工艺用研究所得的模型与参数值，调节组分方程的计算步长，减小模拟偏差，以作实际污水处理厂的专用模拟软件进行最有效的应用。进一步研究可以尝试用模拟软件结合机理模型研究，开发出常规监测参数如CODcr、BOD5、总氮、总磷等的软测量与污水处理厂的参数反馈与控制，实现污水处理智能控制。参考文献：Argaman，“A steady-state model for the single sludge activated sludge system-1. Model description”, Wat.

18、 Res., v29, n1, 137-145, 1995. Gujer, Henze, et al., “The activated sludge model No. 2: Biological phosphorus removal”, Wat. Sci. Tech., v31, n2, 12-22, 1995.Henze, Gujer, et al., “Acitvated sludge model No. 2d, ASM2d”, Wat. Sci. Tech., v39, n1, 165-182, 1999.Nowak, et al., “Degradation of particulate organic matter-a comparison of different model concepts”, Wat. Sci. Tech., v39, n1, 119-127, 1999.Henze, Gujer, et al., “Activated sludge models ASM1, ASM2, ASM2D and ASM3”,