基于ASMs的城市污水处理模拟软件

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StudyofMunicipalWastewaterApplicationsbasedonASMsAbstract:ThispaperdiscussestypicalwastewaterapplicationsbasedonASMsandtheirdifference.Themainmodelingstepsandprogramroutearealsointroduced.Asaresult,thepapergivesomesuggestiontodealwithsomeproblemswhichlimittheeffectiveuseofapplications.Keywords:activatedsludgemodels,modelingapplication,softmonitor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DHIWaterEnvironment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(WorldWideEngineforSimulation,TrainingandAutomation)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(ActivatedSludgeSimulationProgram)是EAWAG(SwissFederalInstituteforEnvironmentScienceandTechnology)基于ＡＳＭ1编制而成的，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(SimulationofSingleSludgeProcesses)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、VisualBasic、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VisualBasic语言简单易学，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边此流程中，良用更Qin,C谊0戏分别代表进水坊的流量与浓度守，捉k孟可志为像1哭到歪n忙的任一数值。娱因此，告第负k锈池中的各个属些性可代表各反熊应池的属性，房其体积澡为睛V(k粉)触；池内组分浓浸度柏为霜C严k惩；进水分流的都流念量玻Qin*in袜f(k炭)折，浓度遇为赛C增0侄；稍q(l,雕k),C沿l县表示部第影l骆池流入迹第出k溉池的混合液流候量与浓度鲁；辟q(k,l券),C蚁k党表示独第牙k特池流出到屿第较l蠢池的混合液流昼量与浓度；其温进入的二沉池轻污泥回流量剃为勇Qr*r(k无)啦；二沉池的体惠积代为掌V(n+1脑)私，其污泥回流厕量与浓度分别粮是恭Q命r绢和泉C链n勾＋擦1葱。道由此可写出雕第啊k碗池的实际进水挨流量和浓度，波其实际出水流抖量等于进水流胡量，出水浓度丽等于反应器中遇的浓度。涌第享k齿池的实际进水顺量渡为所有流纤到识k客池的流量之和突，即为进水分趁流流量（此）加上污泥回夫流量（零）再加上所有络流入姐到版k嚼池的混合液流玉量（嫌），可以写为以：共；钻k喝池的实际进水吹浓度则由下式音计算可知：膛筒；荒根据变化量＝猾输入量－输出茂量＋反应量，樱对河第滥k云池进行质量平过衡，可得到：牺；其中，储表示反应量，惊与反应过程中菠的组分塞i以有关，通过计奸算相应者的凡ASM嚷s瑞求得。对于组腾分恼i,怒其反应速芝率说r(i烤)侄＝勇。史结合以上公式退，得出臭第服k丘池中组舞分叹i毒的质量平衡方多程为：反；此方程为对亮组呢分饰i嘱的质量平衡方何程编程的基本周通式。式中义，切C刻i右（裳k鹅）表示酿第匹k爪反应池中组烈分稼i挤浓度，是未知忌数。在计眠算神k碍池进水浓度时落，不仅需要这阶些参数，而且限需要知道二沉魄池回流污泥里肢组币分膛i怨的浓懂度雷C阀i巴（厦n+塘1附）个。而对于二沉盲池的出水浓度衬与污泥回流浓滑度与流量，是箱通过一定的二递沉池机理模型祸，设定一定步跑长，结合实际狮污水处理工艺趴中的污泥停留巾时组间六SR玻T忆，剩余污泥量附等来计算。由票此得到每一个半反应池中每一陈个组分的质量折平衡方程，再副求解模型，得遵到这些组分的悟浓度。对于稳锅态模拟求解，登质量平衡方程攀的左边月＝童0偿，方程组有唯坦一数值解：变；对于非稳态午情况，平衡方昨程的左边料＝剂0皇，再给定边界钳条件的情况下识（烛t兆＝壤0粮时的组分浓度变），能够得到格后续时论刻腹t墨的各池组分浓络度数值解，得晶出组分浓度随样时间的变化的裕动态值。棚2.赞晃方程求解嚼确定了工艺流历程与进水流量膏、模拟模型及加相应的水质特数性参数、模型增参数后，用一犁定的编程语言至编译模型矩阵随，求解组分方筐程，得到工艺铜各过程的出水氏水质。求解的霉基本路线可归圣纳如下束：宗斩图衫2锁点模型求解基本冤路线结果校正锡得到工艺处理般各出水的模型呼组分浓度值后乒，进行灵敏度税分析，结合实许测值，根据模看拟结果与实测威结果之间的差谨距，调整模型绪组分参数，校昼正并验证模型掩。经过反复校碧正与验证，得努到较稳定条的结果，确定落出污水水质的倾模型参数值，笔合理地建立起犯可行的机理模拐型。基于此模领型，就可以进秆行实际污水厂泡的动态模拟与涨预测，分析工很艺处理效果，水优化工艺，保忠证污水处理结碍果可行弦。泉报通过合理的调会整后，在采用货同一活性污泥僻数学模型为机紧理分析模拟同栗一工艺后，模雾拟软件能得到地较一致的结果绘。如帖对盒IW听A武研究中所提出促的单跌个颂CST糟R裁稳态解的求解轮，用典型的模乔拟软件得到的形结果之间差距广很顾小吹税(暮见玻表柔1喷)笔。睁表刘1觉送单尼个缸CST棉R识反应器出水结顷果绒组分耀IW旬A照报道结果饮Visual焰Basic坡模拟值鞋Delph血i珠模拟值铲M盘ATLAB近模拟值洗WES盲T朗模拟值灵X仔I愿(统g/m脂3雪)纺888.89竹-觉888.89秃888.88羞889.17惊X道BH土(汉g/m则3匠)浑1450.3务1腐1451.2吴1449.2竹5吵1449.3小6杀1451.2嫩2辣X劫BA斑(瓜g/m烘3闲)慨90.39四90.7央90.47辉90.97悠92.59栋X飞P绞(伯g/m粗3盯)术737.08池737.6毕736.57性736.7办738.58残X亚S秧(醒g/m贯3趟)征29.46查25.8射29.43青29.43磨29.41车X惹ND劝(读g(N)/m己3舞)崇2.54诊2.6未2.54丰2.54技2.56列S季S系(呼g/m脉3奴)厨2.62歉2.6予2.92喘2.91逮2.66锅S称NH紫(害g(N)/m常3志)例0.41唱0.3爱0.365众0.36炕0.38描S踪NO源(园g(N)/m傅3伴)片33.31胃40.4谦40.35轮40.39升33.38据S剧ALK盯(乐mol(HC摄O帐3砌)/m拆3庸)针2.83庄2.3众2.32掌3.34僵4.5国S稳I群(房g(N)/m霞3炊)京40化-唯40呀40扁40校S意ND讨(产g(N)/m盼3牙)嘱0.93沾0.93并0.93懂0.93松0.94择Kla咏124.9踢-冻134.7皆130踏125庭这不仅说滨明司IW谢A纽开发京的槐ASM哄s厌是较成功的机泼理模型，也表京明用不同语言显编译的模拟软煎件在模拟过程甜中异曲同工，无能实现对污水潮处理的模拟。恳三、存在问题斗与建议措施掉虽然目前国内陪外研究均表国明跪IW浩A岸开发昂的摄ASM屑s抄是较成功的活刃性污泥法污水兔处理的机理模雹型，并且已开她发的活性污泥羡数学模型模拟材软件较多，但鹰是模型与软件灰在具体应用于绪实际污水处理毙厂的过程中还缘是存在着一些絮问题。主要是染数据的获取问秧题：在模拟过训程中，模拟软沃件需要输入大吸量的参数与组动分值，而实际朋污水厂很难完若全提供这些数肆据且有些参数搞与组分其测试户方法都无法确薄定或矮是无法测定，污模型的复杂性须使其还是停留摘在实验室研究揉，在实际污水蚀处理厂的应用怎中很难得以大牵量推广。另外冰，模拟软件本映身还存在一些涉问题：商用软扇件制作精美，递但是其模拟过辅程中往往对所冶有组分采用同乘一个步长，使拐得模拟精度不兵高，并且容易闪出错，导致结蜂果有所偏差；闲自主开发的研珠究型软件具有蓄很大针对性，蒸往往是固定一雁个工艺或是一降个模型，但是跨在实际应用中缎，则其包装与规界面相对单调缓，不是完全傻勒瓜型的。翼沾邮针对这些问题番，本人提出如纹下建议：楚实验室研究与每软件模拟相结材合解决数据问浆题：在实验室厦条件下测定大绵量污水处理厂洋的水质参数，悦统计分析我国座污水处理厂的慌典型水质参数袍值与水质特性兰参数值；对于掉目前无法测定昂的组分与参数角，采用模拟软需件对出水结果疾的模拟与参数谋校正来间接获数取；在机理模笋型研究较成熟若的基础上，合赛理简化模型，气确立关键性参勇数与组分，可帜减少需调整和险测试的模型参华数与组分个数块；踪商用软件与自尸主开发的研究铃型软件取长补厚短：吸引商用豆软件的优点，枣在自主开发的饮软件上增强其糕界面操作功能渴；针对固定工逃艺用研究所得烧的模型与参数被值，调节组分千方程的计算步土长，减小模拟猫偏差，以作实饶际污水处理厂斯的专用模拟软恢件进行最有效血的应用。坚进一步研究可扣以尝试用模拟旧软件结合机理后模型研究，开归发出常规监测森参数垃如猪CODc塔r闹、基BOD英5搜、总氮、总磷泥等的软测量与迁污水处理厂的违参数反馈与控三制，实现污水现处理智能控制史。参考文献：辞Argama返n抽，剧“稻Astea汁dy-sta俱temod抬elfor自thes神ingle各sludge系activ候ateds齐ludge层system尾-1.Mo抹delde呢script勤ion湿”虑,Wat.止Res.,萄v29,佛n1,13歌7-145,静1995.铅Gujer,氏Henze讯,eta索l.,主“服Theac尸tivate泻dslud娃gemod抵elNo.秧2:Bi糊ologic舱alpho街sphoru长sremo写val牧”枣,Wat.伍Sci.壮Tech.,阳v31,阶n2,12脉-22,1葛995.急Henze,筐Gujer嘱,eta尘l.,至“自Acitva宽tedsl势udgem御odelN岂o.2d,孤ASM2d撒”围,W