廢水處理生物模型概述

958安徽建筑大學(xué)廢水處理生物模型論文專業(yè)：XX級(jí)市政工程學(xué)生姓名：XXXX學(xué)號(hào)：XXXXX課題：廢水處理生物模型概述指導(dǎo)教師：XXXXX年XX月XX日廢水處理生物模型概述XX(安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥，230022)摘要：廢水處理生物模型在污水處理廠的設(shè)計(jì)、運(yùn)行控制和工藝優(yōu)化等方面發(fā)揮著日益重要的作用，目前已成為了污水處理領(lǐng)域的研究焦點(diǎn)。本文綜述了廢水處理生物模型的研究和發(fā)展過(guò)程，并重點(diǎn)介紹IWA模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的特點(diǎn)及其在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，闡述了國(guó)際水協(xié)會(huì)(IWA)推出的活性污泥1號(hào)、2號(hào)、2D號(hào)、3號(hào)模型(ASM1、ASM2、ASM2D、ASM3)各自的特點(diǎn)和使用限制條件;介紹了幾種基于ASM系列的新模型。最后對(duì)模型的研究和應(yīng)用進(jìn)行了展望,有待從完善模型機(jī)理，模型模塊化，混合模型等方面進(jìn)一步的研究生物模型。關(guān)鍵字：生物模型；ASM；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；活性污泥1引言如何提高污水處理效率和過(guò)程優(yōu)化控制策略是國(guó)內(nèi)外污水處理研究領(lǐng)域普遍關(guān)注的問(wèn)題。污水處理過(guò)程具有時(shí)變性、非線性和復(fù)雜性等鮮明特征，這使得污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行和控制極為復(fù)雜。此類困擾可以通過(guò)數(shù)學(xué)模型方法進(jìn)行解決，特別是在當(dāng)今計(jì)算技術(shù)發(fā)展迅猛的前提下，通過(guò)模擬計(jì)算以實(shí)現(xiàn)不同工況條件下、不同設(shè)計(jì)方案的對(duì)照比較，或模擬預(yù)測(cè)未來(lái)短時(shí)內(nèi)的運(yùn)行狀況以便及時(shí)調(diào)整運(yùn)行策略。在我國(guó)當(dāng)前水環(huán)境形勢(shì)下，開(kāi)展污水處理過(guò)程數(shù)學(xué)模型方法研究，即具有重要的理論價(jià)值，也有緊迫的現(xiàn)實(shí)需要。2數(shù)學(xué)模型概述2.1廢水處理生物模型的發(fā)展20世紀(jì)50年代以來(lái)，國(guó)外一些學(xué)者把反映生化過(guò)程機(jī)理的微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)引入污水處理領(lǐng)域⑴。20世紀(jì)80年代末，國(guó)際水協(xié)會(huì)(IWA)提出的活性污泥1號(hào)模型(ASM1)，取得了很大的成功,是早期較為,完善的污水處理數(shù)學(xué)模型研究之一。通過(guò)模擬計(jì)算，使污水處理的設(shè)計(jì)和運(yùn)行更加理論化和系統(tǒng)化,提高了人們對(duì)污水生物處理過(guò)程的認(rèn)識(shí),不僅節(jié)省了大量的經(jīng)濟(jì)成本，而且提高了污水處理相關(guān)工作的質(zhì)量和效率。隨著時(shí)間推移，各式各樣的污水處理數(shù)學(xué)模型不斷出現(xiàn),并且被應(yīng)用于滿足不同的研究和工程目的。與國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家相比我國(guó)的污水處理數(shù)學(xué)模型研究和應(yīng)用稍顯落后，但近年來(lái)發(fā)展十分迅速。我國(guó)較早的污水處理模型研究可以追溯到20世紀(jì)50年代采用美國(guó)大學(xué)Clemson開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)化ASM1模擬軟件SSSP對(duì)北京北小河污水處理廠運(yùn)行進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬⑵。進(jìn)入世紀(jì)以來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水環(huán)境問(wèn)題日顯突出，環(huán)境法規(guī)對(duì)污水排放標(biāo)準(zhǔn)也逐漸嚴(yán)格，如何最低成本地提高污水處理效率、實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放成為亟待解決的問(wèn)題。2.2ASM系列的三套模型國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)(IWA)總結(jié)了以前的研究成果，對(duì)組分的劃分和測(cè)定、過(guò)程的定義以及模型的表達(dá)方式等方面作了進(jìn)一步的改進(jìn)，于1987、1995、1999年先后推出了ASM系列的三套模型⑶。1)ASM1活性污泥1號(hào)模型(ASM1)采用了死亡-再生機(jī)理，體現(xiàn)了對(duì)代謝殘余物的再利用。模型綜合了活性污泥系統(tǒng)中碳氧化、硝化、反硝化的三個(gè)過(guò)程，全面體現(xiàn)了活性污泥系統(tǒng)的主要功能,成為活性污泥過(guò)程模型研究和相關(guān)模擬軟件開(kāi)發(fā)的基礎(chǔ)。模型對(duì)反應(yīng)組分和過(guò)程進(jìn)行了細(xì)致的劃分，包括13種組分,8個(gè)反應(yīng)過(guò)程,14個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)和5個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)，在表述上采用矩陣的形式⑷,可以表達(dá)更多的信息，使模型更加直觀，易于理解，便于計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算。2）ASM2活性污泥2號(hào)模型雖然ASM1自推出以來(lái)得到廣泛的應(yīng)用，但是其未包含除磷過(guò)程。隨著對(duì)水體富營(yíng)養(yǎng)化問(wèn)題重視的提高,水體除磷過(guò)程已經(jīng)不能忽略。由此IWA推出了ASM2。它在ASM1的基礎(chǔ)上引人了生物除磷的過(guò)程，首次將含碳有機(jī)物、含氮有機(jī)物的去除與生物除磷反應(yīng)包含在一個(gè)整體模型中,共包括19種組分、19個(gè)反應(yīng)、22個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)及42個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。從ASM1到ASM2最顯著的變化是使所描述的微生物有了細(xì)胞內(nèi)部構(gòu)造而不再簡(jiǎn)單的用生物總量來(lái)表示⑸。隨后推出的ASM2D是對(duì)ASM2的一次完善，主要考慮了反硝化除磷過(guò)程⑹。3）ASM3活性污泥1號(hào)模型針對(duì)ASM1在實(shí)際應(yīng)用中出現(xiàn)的問(wèn)題和對(duì)有機(jī)物貯存試驗(yàn)認(rèn)識(shí)的深化IWA又推出了ASM3。ASM3涉及的主要反應(yīng)是活性污泥系統(tǒng)的氧消耗、產(chǎn)污泥、硝化和反硝化作用，沒(méi)有包含除磷過(guò)程。在ASM3中,反應(yīng)過(guò)程的重點(diǎn)由水解轉(zhuǎn)到了有機(jī)底物的貯存,采用了更加符合實(shí)際情況的內(nèi)源呼吸機(jī)理。同ASM2相似,ASM3也是通過(guò)細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)生物體進(jìn)行模擬。它包含13種組分、12個(gè)反應(yīng)、6個(gè)化學(xué)計(jì)量參數(shù)和21個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)⑺。隨后又推出了ASM3C作為ASM3的調(diào)整版本，主要變化是有機(jī)物濃度以TOC而不是以COD表達(dá)。4）ASM系列的三套模型的優(yōu)缺點(diǎn)和展望ASM系列模型在形式和功能上都較以前的模型有了較大突破已成為活性污泥過(guò)程仿真和控制的重要理論基礎(chǔ)。但是，模型在使用中還存在著一定的局限性:不適用于以工業(yè)廢水為主的廢水處理;所模擬廢水的溫度和pH值必須處于一定的范圍之內(nèi);不適用于超高負(fù)荷或泥齡小的活性污泥系統(tǒng)等⑶。而且，在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)入流組分的測(cè)定和模型參數(shù)的校正也需要較多的工作來(lái)完成。但是，目前對(duì)于活性污泥數(shù)學(xué)模型的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。相信隨著人們認(rèn)識(shí)水平的提高和計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的發(fā)展，活性污泥數(shù)學(xué)模型還將有更大的發(fā)展空間。2.3SBR工藝數(shù)學(xué)模型1）SBR工藝數(shù)學(xué)模型SBR工藝的數(shù)學(xué)模型主要包括基于Eckenfelder模式的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型、基于Monod方程的Lawrence-McCarty模型、基于McKinney假設(shè)的一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型和基于ASM數(shù)學(xué)模型而建立的動(dòng)態(tài)模型.其中，基于ASM的動(dòng)態(tài)模型多見(jiàn)于理論探討；McKinney模型在國(guó)內(nèi)很少應(yīng)用；Monod方程作為最基本的生物降解模式，被廣泛應(yīng)用于生物處理的工藝設(shè)計(jì)中，但是否能很好的描述SBR反應(yīng)器的生物降解特性還有待進(jìn)一步的研究.王敏爾[4]以辦公大樓污水為研究對(duì)象，在SBR工藝試驗(yàn)條件下，得出基質(zhì)濃度與活性污泥的動(dòng)力學(xué)模式。2）機(jī)理模型（白箱模型）1986年,國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)（IAWQ）的生物處理設(shè)計(jì)與運(yùn)行數(shù)學(xué)模型課題組提出了ASM1模型，它能預(yù)測(cè)活性污泥系統(tǒng)中的有機(jī)物降解、硝化和反硝化反應(yīng)過(guò)程⑻。該模型的提出使類似系統(tǒng)的模擬研究向前邁進(jìn)了關(guān)鍵的一步。同時(shí)也為SBR系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立提供了強(qiáng)有力的支持oOrhon等⑼提出了普通活性污泥系統(tǒng)建模過(guò)程中的可溶性剩余產(chǎn)物的概念。根據(jù)SBR系統(tǒng)進(jìn)出水COD之間存在不平衡關(guān)系,1990年,Artan等問(wèn)在ASM1模型的基礎(chǔ)上建立SBR系統(tǒng)時(shí)考慮了SRP的影響，改進(jìn)了ASM1模型，該簡(jiǎn)化模型能夠很好地預(yù)測(cè)試驗(yàn)出水可溶性化學(xué)需氧量（SCOD）。3）統(tǒng)計(jì)模型（黑箱模型）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是統(tǒng)計(jì)模型（黑箱模型）最常用的一種SBR數(shù)學(xué)模型。特別是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（ANN模型）可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)數(shù)學(xué)模型完成由輸入到輸出空間的映射，直接根據(jù)對(duì)象的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，需要的對(duì)象先驗(yàn)知識(shí)較少，其較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力對(duì)模型校正非常有利。4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型就是一個(gè)“黑箱模型”，其優(yōu)點(diǎn)就是具有很強(qiáng)的非線性擬合能力，可以映射任意復(fù)雜的非線性關(guān)系，有較強(qiáng)的學(xué)習(xí)能力和容錯(cuò)性，但是并不能清晰反應(yīng)出控制過(guò)程中變量的關(guān)系，妨礙了控制中的準(zhǔn)確性［11］。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法用來(lái)建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型有許多種，目前較為廣泛的網(wǎng)絡(luò)模型是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，BP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)由輸入層，輸出層和隱含層構(gòu)成，層與層之間采用全連接的形式。工作的過(guò)程是將輸入信號(hào)沿著網(wǎng)絡(luò)正向傳播,將誤差信號(hào)沿著網(wǎng)絡(luò)反向傳播［12］,它是一種基于梯度下降的最優(yōu)化算法，通過(guò)修改權(quán)值來(lái)決定，使得系統(tǒng)的誤差達(dá)到最小［13］。圖1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型COD的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)為4輸入1輸出，如圖1所示，其中輸入量為進(jìn)水水質(zhì)(COD，氮氨，PH,MLSS),曝氣池液位，空氣流量。輸出值為出水COD，隱含層的層數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)選擇由實(shí)際效果來(lái)決定［14］。如果在輸出層沒(méi)有得到期望的輸出，則計(jì)算輸出層的誤差變化值，然后轉(zhuǎn)向反向傳播，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將誤差信號(hào)沿原來(lái)的連接通路反傳回來(lái)修改各層神經(jīng)元的權(quán)值直至達(dá)到期望目標(biāo)。通常情況下對(duì)于隱含層的激勵(lì)函數(shù)用Sigmoid表示：f(x)=ll+e—x,BP網(wǎng)絡(luò)的最后一層可以采用Sigmoid表示，也可以采用其他線性函數(shù)表示［⑸。2.4污水處理生物模型的其他應(yīng)用數(shù)學(xué)模擬技術(shù)對(duì)MBR工藝的模擬與優(yōu)化采用BioWin軟件建立了北京某污水處理廠MBR工藝模擬模型，利用污水廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)室對(duì)污水中各種有機(jī)組分的檢測(cè)結(jié)果校正了模型并調(diào)整了模型參數(shù)。模型運(yùn)行結(jié)果與出水檢測(cè)指標(biāo)的驗(yàn)證結(jié)果表明，所建立的模型能較好地反映該污水廠的實(shí)際運(yùn)行狀況。針對(duì)出水中氮、磷達(dá)不到GB18918—2002—級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，利用BioWin軟件從調(diào)整運(yùn)行參數(shù)、改變工藝流程及改造池體尺寸3個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行了模擬優(yōu)化，提出了對(duì)現(xiàn)有工藝的改造方案［16］?；跀?shù)學(xué)模型的污泥雜質(zhì)分離工藝設(shè)計(jì)與應(yīng)用為解決污泥中雜質(zhì)去除的問(wèn)題，介紹了一種污泥雜質(zhì)分離新方法。以上海白龍港水質(zhì)凈化廠的初沉污泥為研究對(duì)象，采用微網(wǎng)機(jī)械篩分方法，進(jìn)行多段式逐級(jí)分離，并基于物料守恒原理，構(gòu)建了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。通過(guò)小試的驗(yàn)證，新工藝具有技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)適用性。由400m3/d的示范工程運(yùn)行結(jié)果來(lái)看，微網(wǎng)采用連續(xù)出泥的運(yùn)行模式,通量為500L/(m2?h),曝氣強(qiáng)度為1.0m3/(m2?min)，污泥回收率達(dá)98.8%，系統(tǒng)平均出渣濃度為82.2g/L。經(jīng)濟(jì)性分析表明，污泥雜質(zhì)分離工藝具有水力停留時(shí)間短、占地面積小、運(yùn)行費(fèi)用低等優(yōu)勢(shì)，具有廣泛的工程應(yīng)用前景"I。3?小結(jié)活性污泥法數(shù)學(xué)模型歷經(jīng)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)從簡(jiǎn)單靜態(tài)模型發(fā)展到今天的復(fù)雜動(dòng)態(tài)模型，其在污水處理廠設(shè)計(jì)、運(yùn)行管理以及科學(xué)研究中的作用日益突出。數(shù)學(xué)模型建模的最終目的都是改善SBR污水處理工藝的設(shè)計(jì)和運(yùn)行，促進(jìn)SBR數(shù)學(xué)模型廣泛應(yīng)用到實(shí)際中，如何根據(jù)我國(guó)污水處理行業(yè)的國(guó)情和實(shí)際發(fā)展情況來(lái)建立適合我國(guó)國(guó)情的SBR數(shù)學(xué)模型體系是污水處理行業(yè)今后的發(fā)展方向。盡管模型本身還存在許多的問(wèn)題，并且在模型的應(yīng)用過(guò)程中也存在一些難題，但是隨著對(duì)活性污泥工藝生化過(guò)程的深入研究、計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展以及測(cè)量手段的進(jìn)步，活性污泥法數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用必定更為廣泛。參考文獻(xiàn)顧夏聲廢水生物處理數(shù)學(xué)模式第二版北京清華大學(xué)出版社，1993，1-273.汪慧貞曹秀芹活性污泥模型NO.1及“SSSP程序”在中國(guó)污水廠適用性的初步研究，北京建筑工程學(xué)院學(xué)報(bào)，1996，12(3)，66-74.張亞雷，李詠梅，譯?活性污泥數(shù)學(xué)模型[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2002.HenzeM.ActivatedSludgeModelNo.1[A].ScientificandTechnicalReportNo.1[C].London:IAWPRC，1987，30(4):23-33.HenzeM,etal.WastewaterandbiomasscharacterizationfortheActivatedSludgeModelNo.2:biologicalphosphorusremoval[J].Wat.Sci.Tech，1995,31(2):13-23.HenzeM，etal.ActivatedSludgeModelNo.2d[J].Wat.Sci.Tech，1999,39(l):165-182.GujerW,etal.ActivatedSludgeModelNo.3[J].Wat.Sci.Tech,1999,39(1):183-193.HenzeM.,GradyC.P.L.,GujerW.,etal.Ageneralmodelforsingle-sludgewastewatertreatmentsystems.Wat.Res.,1987,21(5):505?515OrhonD.,ArtanN.,CimcitY.Theconceptofsolublere-sidualproductformationinthemodellingofactivatedsludge.Wat.Sci.Tech.,1989,21(4?5):339?350ArtanN.,OrhonD.,BelerBaykalB.Implicationofthetaskgroupmodel-I.Theeffectofinitialsubstratecon-centration.Wat.Res.,1990,24(10):1251?1258俞阿龍，陳華寶?振動(dòng)速度傳感器的動(dòng)態(tài)性能改進(jìn)的軟件方法[J]?淮陰師范學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004,3(4):289-291.沈海平?用于全自動(dòng)平衡機(jī)的差動(dòng)動(dòng)鐵型磁電速度傳感器研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.盧長(zhǎng)根，