基于ASMs的城市污水處理模擬軟件

基于ASMs的城市污水處理模擬軟件研究摘要：本文主要研究了基于活性污泥數(shù)學(xué)模型(ASMs)開發(fā)的污水處理廠模擬軟件。文章分析了典型模擬軟件的特點與基本模擬過程及原理，并針對模擬軟件應(yīng)用中存在的問題提出了建議。關(guān)鍵詞：活性污泥數(shù)學(xué)模型模擬軟件軟測量StudyofMunicipalWastewaterApplicationsbasedonASMsAbstract:ThispaperdiscussestypicalwastewaterapplicationsbasedonASMsandtheirdifference.Themainmodelingstepsandprogramroutearealsointroduced.Asaresult,thepapergivesomesuggestiontodealwithsomeproblemswhichlimittheeffectiveuseofapplications.Keywords:activatedsludgemodels,modelingapplication,softmonitor活性污泥法處理污水的理論與工藝研究一直是污水處理領(lǐng)域的熱點。隨著國內(nèi)外對活性污泥數(shù)學(xué)模型的研究，及國際水協(xié)（IWA）推出的活性污泥數(shù)學(xué)模型系列模型（ASMs）的發(fā)展與廣泛應(yīng)用，以ASMs為機理模型開發(fā)的污水處理模擬軟件的研究也隨之發(fā)展起來。目前，國際上開發(fā)的基于ASMs污水處理模擬應(yīng)用軟件較多，如WEST，SSSP,ASIM,EFOR等商用軟件，及一些根據(jù)MATLAB、VB、Dephi等編程工具開發(fā)的模擬程序。這些軟件各有各的特點，在具體應(yīng)用中也是各有所長。下面以商用軟件及自主開發(fā)研究軟件分別討論這些軟件的特點與應(yīng)用。一、污水處理模擬軟件的特點1.商用型軟件目前國際上開發(fā)的活性污泥數(shù)學(xué)模型模擬軟件中，應(yīng)用較成功的商用軟件有EFOR軟件、WEST軟件、STOAT軟件等。它們可以用于科學(xué)研究、開發(fā)新工藝、輔助設(shè)計與工藝方案選擇及用于污水處理廠的運行管理及專業(yè)教學(xué)等。其中EFOR軟件是由DHIWaterEnvironment開發(fā)的廢水處理工藝開發(fā)和模擬用軟件，目前在國外普遍使用。該軟件主要基于活性污泥1號和2號模型，能夠模擬活性污泥法中的碳氧化、硝化與反硝化和生物除磷過程，包括傳統(tǒng)活性污泥工藝、分段進水、交替硝化反硝化、氧化溝工藝、AB法及生物化學(xué)同時除磷工藝等，獲得穩(wěn)態(tài)與動態(tài)的出水效果。此外，它還提供了默認的模型參數(shù)推薦值及進水IWA模型組分劃分比例。許多研究表明，通過一定的參數(shù)校正后，EFOR軟件可以進行污水處理模擬，且模擬結(jié)果與實際較符合。WEST(WorldWideEngineforSimulation,TrainingandAutomation)軟件是比利時HEMMIS公司開發(fā)研究的基于整個ASM系列（ASM1、ASM2、ASM2d、ASM3等）的模擬仿真軟件，它吸收了EFOR軟件的優(yōu)點，并開拓了EFOR軟件所不具有的優(yōu)點。由于它提供了許多工藝模板，有許多可供選擇的工藝模型，因而可模擬的工藝多，且具有很大的開放性和靈活性。ASIM(ActivatedSludgeSimulationProgram)是EAWAG(SwissFederalInstituteforEnvironmentScienceandTechnology)基于ＡＳＭ1編制而成的，其最初主要用于教學(xué)、科研和咨詢。目前的版本是在1994年8月推出的ASIM3.0(它能對活性污泥系統(tǒng)進行仿真)，它可以應(yīng)用于目前存在的大多數(shù)生化動力學(xué)模型，也可對目前存在的大多數(shù)具有脫氮功能的活性污泥工藝進行模擬。SSSP(SimulationofSingleSludgeProcesses)程序由美國Clemson大學(xué)根據(jù)ASM1編制,可對污水處理進行穩(wěn)態(tài)模擬和動態(tài)模擬。汪慧貞等人利用SSSP程序?qū)Ρ本┦懈弑晡鬯畯S、北小河污水廠(均采用傳統(tǒng)活性污泥法)及上海市曲陽污水廠(生物吸附法)進行了穩(wěn)態(tài)模擬,其結(jié)果與實際運行結(jié)果吻合。這些軟件中，以EFOR軟件與WEST軟件的應(yīng)用范圍最廣，尤其是WEST軟件，幾乎可以模擬所有的活性污泥法工藝，而SSSP等軟件則基本是針對脫氮為主工藝的模擬。研究型軟件除了商用型軟件外，國內(nèi)外研究活性污泥數(shù)學(xué)模型的研究者結(jié)合所研究的數(shù)學(xué)模型與工藝開發(fā)了相應(yīng)的模擬軟件。這些軟件多是采用相對簡便實用的編程編譯開發(fā)，如MATLAB、VisualBasic、Delphi等。不同的編程語言特點也影響了其所開發(fā)的軟件的特點。如MATLAB在表達ASMs的模型矩陣與求解組份方程過程中有很大優(yōu)越性，因此，用MATLAB編程可以很方便地模擬指定工藝的各過程出水。然而，單純的MATLAB模擬軟件界面相對單調(diào)；而VisualBasic語言簡單易學(xué)，又有相對好的人機界面，模擬軟件操作簡單，但是在求解復(fù)雜的非線性組分方程時，靈活性受限制；用Delphi編程可以實現(xiàn)較好的人機界面連接與方程求解，但是，針對大量的方程求解時，其優(yōu)越性不如MATLAB。通常，以模擬研究為主所開發(fā)的模擬軟件在界面上都不如商用軟件完美，而且往往只是固定一個工藝而開發(fā)的。但是，由于研究者研究的工藝與水質(zhì)參數(shù)值都比商用軟件更接近當(dāng)?shù)氐奈鬯幚韽S，具有很好的針對性，而且所采用的機理模型是在一定的實驗研究基礎(chǔ)上進行一定優(yōu)化的ASMs，因此其模擬結(jié)果也往往要優(yōu)于直接所采用的商用軟件。二、模擬軟件的基本模擬過程與原理雖然這些模擬軟件各有特點，但是在模擬過程與原理上，都是萬變不離其宗，這些模擬程序或軟件都是以ASMs為核心，結(jié)合實際污水生物處理工藝過程，進行編程模擬，其主要模擬過程是類似的，基本步驟與原理如下：流程標準化要模擬活性污泥城市污水處理工藝，首先要對污水處理廠工藝流程進行流程標準化。一個基于n個完全混合反應(yīng)器（CSTR）的典型流程可用來描述任何連續(xù)流活性污泥工藝。圖1活性污泥法的流程標準化此流程中，用Qin,C0分別代表進水的流量與濃度，k可為1到n的任一數(shù)值。因此，第k池中的各個屬性可代表各反應(yīng)池的屬性，其體積為V(k)；池內(nèi)組分濃度為Ck；進水分流的流量Qin*inf(k)，濃度為C0；q(l,k),Cl表示第l池流入第k池的混合液流量與濃度；q(k,l),Ck表示第k池流出到第l池的混合液流量與濃度；其進入的二沉池污泥回流量為Qr*r(k)；二沉池的體積為V(n+1)，其污泥回流量與濃度分別是Qr和Cn＋1。由此可寫出第k池的實際進水流量和濃度，其實際出水流量等于進水流量，出水濃度等于反應(yīng)器中的濃度。第k池的實際進水量為所有流到k池的流量之和，即為進水分流流量（）加上污泥回流量（）再加上所有流入到k池的混合液流量（），可以寫為：；k池的實際進水濃度則由下式計算可知：；根據(jù)變化量＝輸入量－輸出量＋反應(yīng)量，對第k池進行質(zhì)量平衡，可得到：；其中，表示反應(yīng)量，與反應(yīng)過程中的組分i有關(guān)，通過計算相應(yīng)的ASMs求得。對于組分i,其反應(yīng)速率r(i)＝。結(jié)合以上公式，得出第k池中組分i的質(zhì)量平衡方程為：；此方程為對組分i的質(zhì)量平衡方程編程的基本通式。式中，Ci（k）表示第k反應(yīng)池中組分i濃度，是未知數(shù)。在計算k池進水濃度時，不僅需要這些參數(shù)，而且需要知道二沉池回流污泥里組分i的濃度Ci（n+1）。而對于二沉池的出水濃度與污泥回流濃度與流量，是通過一定的二沉池機理模型，設(shè)定一定步長，結(jié)合實際污水處理工藝中的污泥停留時間SRT，剩余污泥量等來計算。由此得到每一個反應(yīng)池中每一個組分的質(zhì)量平衡方程，再求解模型，得到這些組分的濃度。對于穩(wěn)態(tài)模擬求解，質(zhì)量平衡方程的左邊＝0，方程組有唯一數(shù)值解：；對于非穩(wěn)態(tài)情況，平衡方程的左邊＝0，再給定邊界條件的情況下（t＝0時的組分濃度），能夠得到后續(xù)時刻t的各池組分濃度數(shù)值解，得出組分濃度隨時間的變化的動態(tài)值。2.方程求解確定了工藝流程與進水流量、模擬模型及相應(yīng)的水質(zhì)特性參數(shù)、模型參數(shù)后，用一定的編程語言編譯模型矩陣，求解組分方程，得到工藝各過程的出水水質(zhì)。求解的基本路線可歸納如下：圖2模型求解基本路線結(jié)果校正得到工藝處理各出水的模型組分濃度值后，進行靈敏度分析，結(jié)合實測值，根據(jù)模擬結(jié)果與實測結(jié)果之間的差距，調(diào)整模型組分參數(shù)，校正并驗證模型。經(jīng)過反復(fù)校正與驗證，得到較穩(wěn)定的結(jié)果，確定出污水水質(zhì)的模型參數(shù)值，合理地建立起可行的機理模型?；诖四Ｐ?，就可以進行實際污水廠的動態(tài)模擬與預(yù)測，分析工藝處理效果，優(yōu)化工藝，保證污水處理結(jié)果可行。通過合理的調(diào)整后，在采用同一活性污泥數(shù)學(xué)模型為機理分析模擬同一工藝后，模擬軟件能得到較一致的結(jié)果。如對IWA研究中所提出的單個CSTR穩(wěn)態(tài)解的求解，用典型的模擬軟件得到的結(jié)果之間差距很小(見表1)。表1單個CSTR反應(yīng)器出水結(jié)果組分IWA報道結(jié)果VisualBBasic模模擬值Delphi模擬擬值MATLAB模擬值值WEST模擬值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)737.08737.6736.57736.7738.58XS(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這不僅說明IWA開發(fā)的ASMs是較成功的機理模型，也表明用不同語言編譯的模擬軟件在模擬過程中異曲同工，能實現(xiàn)對污水處理的模擬。三、存在問題與建議措施雖然目前國內(nèi)外研究均表明IWA開發(fā)的ASMs是較成功的活性污泥法污水處理的機理模型，并且已開發(fā)的活性污泥數(shù)學(xué)模型模擬軟件較多，但是模型與軟件在具體應(yīng)用于實際污水處理廠的過程中還是存在著一些問題。主要是數(shù)據(jù)的獲取問題：在模擬過程中，模擬軟件需要輸入大量的參數(shù)與組分值，而實際污水廠很難完全提供這些數(shù)據(jù)且有些參數(shù)與組分其測試方法都無法確定或是無法測定，模型的復(fù)雜性使其還是停留在實驗室研究，在實際污水處理廠的應(yīng)用中很難得以大量推廣。另外，模擬軟件本身還存在一些問題：商用軟件制作精美，但是其模擬過程中往往對所有組分采用同一個步長，使得模擬精度不高，并且容易出錯，導(dǎo)致結(jié)果有所偏差；自主開發(fā)的研究型軟件具有很大針對性，往往是固定一個工藝或是一個模型，但是在實際應(yīng)用中，則其包裝與界面相對單調(diào)，不是完全傻瓜型的。針對這些問題，本人提出如下建議：實驗室研究與軟件模擬相結(jié)合解決數(shù)據(jù)問題：在實驗室條件下測定大量污水處理廠的水質(zhì)參數(shù)，統(tǒng)計分析我國污水處理廠的典型水質(zhì)參數(shù)值與水質(zhì)特性參數(shù)值；對于目前無法測定的組分與參數(shù)，采用模擬軟件對出水結(jié)果的模擬與參數(shù)校正來間接獲??；在機理模型研究較成熟的基礎(chǔ)上，合理簡化模型，確立關(guān)鍵性參數(shù)與組分，可減少需調(diào)整和測試的模型參數(shù)與組分個數(shù)；商用軟件與自主開發(fā)的研究型軟件取長補短：吸引商用軟件的優(yōu)點，在自主開發(fā)的軟件上增強其界面操作功能；針對固定工藝用研究所得的模型與參數(shù)值，調(diào)節(jié)組分方程的計算步長，減小模擬偏差，以作實際污水處理廠的專用模擬軟件進行最有效的應(yīng)用。進一步研究可以嘗試用模擬軟件結(jié)合機理模型研究，開發(fā)出常規(guī)監(jiān)測參數(shù)如CODcr、BOD5、總氮、總磷等的軟測量與污水處理廠的參數(shù)反饋與控制，實現(xiàn)污水處理智能控制。參考文獻：Argaman，“Asteady-statemodelforthesinglesludgeactivatedsludgesystem-1.Modeldescription”,Wat.Res.,v29,n1,137-145,1995.Gujer,Henze,etal.,“TheactivatedsludgemodelNo.2:Biologicalphosphorusremoval”,Wat.Sci.Tech.,v31,n2,12-22,1995.Henze,Gujer,etal.,“AcitvatedsludgemodelNo.2d,ASM2d”,Wat.Sci.Tech.,v39,n1,165-182,1999.Nowak,etal.,“Degradationofparticulateorganicmatter-acomparisonofdifferentmodelconcepts”,Wat.Sci.Tech.,v39,n1,119-127,1999.Henze,Gujer,etal.,“ActivatedsludgemodelsASM1,ASM2,ASM2DandASM3”,