探討活性污泥2號模型的應(yīng)用與校正
摘 要：實際計算比較證明，利用活性污泥2號模型能充分考慮廢水生物處理自身的特點和工藝特性，較為深人地反映活性污泥生物反應(yīng)過程的主要行為，具有很好的應(yīng)用性，適合我國污水處理廠的研究管理。
國際水質(zhì)協(xié)會（IAWQ）于1995年推出了活性污泥 2號模型（Activated Sludge Modd No.2，ASM2），ASM2是活性污泥1號模型(Activated Sludge Model No.1，ASM1）的擴(kuò)展，并沿用了該模型的概念，它包含碳有機(jī)物氧化、脫氮和生物除磷處理過程，共有19種組分、19種反應(yīng)、22個化學(xué)計量系數(shù)及42個動力學(xué)參數(shù)。ASM2無論是在污水廠的設(shè)計、運行管理、改造，還是在廢水處理技術(shù)的研究和開發(fā)方面均有重要的使用價值，在國外已得到了成功廣泛的使用。我國在這方面起步很慢，本研究對ASM2在我國城市污水廠的實用性進(jìn)行了驗證。
模型所用的污水進(jìn)出水?dāng)?shù)據(jù)來自常州城北污水廠，污水廠采用A2/O工藝，設(shè)計流量為5×104m3/d，生物反應(yīng)池的水力停留時間為11.5h，污泥負(fù)荷為0.15kg［BOD5]（kg［MLSS］.d），污泥的質(zhì)量濃度為3500mg/L，固體平均停留時間為20d，污泥回流比100％，厭氧池體積為2900m3，缺氧池體積為5800m3，曝氣池體積為14500m3。由于該污水廠具有除磷脫氮功能，而ASM1沒有考慮除磷過程，所以采用ASM2進(jìn)行模擬研究。污水處理流程的簡化表示如圖1所示：
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1 模擬計算結(jié)果
此穩(wěn)態(tài)計算程序利用Matlab軟件為平臺，并根據(jù)ASM2對常州污水廠運行條件進(jìn)行簡化。假定該廠的供氣量可以滿足好氧池中微生物生化反應(yīng)所需要的氧氣量，即假定曝氣池中溶解氧組分的取值恒定在2.0mg/L，飽和溶解氧的質(zhì)量濃度為8.637mg/L（20℃），系統(tǒng)的操作溫度恒定，二沉池不考慮微生物的物質(zhì)代謝活動，僅起固液分離作用且無活性污泥的積累。在這基礎(chǔ)上，將2000年1－12月進(jìn)水組分輸人模型中，可以得到出水的CODcr，NH3－N，TN，TP的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，模擬結(jié)果見圖2--圖5。
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從圖2一圖5中可以看到，CODcr，NH3－N，TN，TP模擬值與污水廠的實測值基本相符。CODcr的最大相對誤差36.5%發(fā)生在12月份，差值為16.11mg/L，其它11個月份相對誤差在30％之內(nèi)，其中1，2，3，5月的相對誤差控制在10％之內(nèi)，因而較好的模擬了CODcr值。
NH3－N，TN和TP指標(biāo)因為出水中濃度很低，模擬有一定的困難，但模擬結(jié)果表明模擬值與實測值在同一個數(shù)量級別．對于NH3－N而言，模擬曲線比較平緩，這是因為沒有考慮溫度對動力學(xué)參數(shù)的影響，因而模擬值與實測值差別較大。TP的模擬值與實測值的變化趨勢相似，曲線很好的擬合了實際出水中TP的變化。
偏差的存在有多方面的原因，一是模型假設(shè)的部分條件與實際污水廠運行不完全吻合，另外污水廠化驗分析不可避免存在一定誤差。盡管有一定的偏差，但模擬結(jié)果得到了良好的描述，因而利用活性污泥2號模型對城市污水廠進(jìn)行模擬是可行的。
2 參數(shù)靈敏度和溫度分析
2．1 參數(shù)靈敏度分析
在輸入IAWQ給出的模型動力學(xué)和化學(xué)計量學(xué) 參數(shù)的典型值后，模擬結(jié)果表明出水指標(biāo)大部分得到了較好的模擬，但部分出水的模擬值與實際值有 較大的誤差，所以需要對一些參數(shù)進(jìn)行校核，這里以 靈敏度分析為基礎(chǔ)，將模型中的動力學(xué)參數(shù)值都增加 其初始值的10％，從而計算出水的CODcr，TN，TP，NN3－N的靈敏度，計算結(jié)果見表1～表4。
由靈敏度計算結(jié)果表1——表4分析可知，大部 分參數(shù)的靈敏度都比較低（小于1），因此采用I- AWQ的推薦參數(shù)值進(jìn)行模擬是合理的。但仍有些 參數(shù)對出水水質(zhì)影響較大（靈敏度大于1）。對 CODcr影響較大的動力學(xué)參數(shù)有4個：Kx，bPAO， 異養(yǎng)菌KNH3－N，bH。
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對NH3－N影響較大的動力學(xué)參數(shù)有 10個：分別是KX，ηfe，異養(yǎng)菌KNH3-N，Kp，μAUT，bAUT，自養(yǎng)菌KH3－N，Kpp，KPHA，異養(yǎng)菌KALK。
對TN影響較大的動力學(xué)參數(shù)有6個：分別是KX，ηfe，bH，bPAO，bAUT，反硝化ηNO3。 對TP影響較大的動力學(xué)參數(shù)有7個：分別是Kx，ηfe，異養(yǎng)菌KNH3-N，Kp，異養(yǎng)菌KALK，Kpp，KPHA。
2．2 溫度影響分析
一切生化反應(yīng)都可以用Arrehenius方程來描述溫度的影響，只是因反應(yīng)不同，參數(shù)有所不同。在ASM2中，受溫度影響的動力學(xué)參數(shù)有14個。分別是：
①2個水解過程動力學(xué)參數(shù)：水解速率常數(shù)Kh，顆粒性COD的飽和系數(shù)K。
②4個異氧菌過程動力學(xué)參數(shù)：最大生長速率μH，發(fā)酵最大速率qfe，反硝化校正因子ηNO3，溶菌速率常數(shù)bH。
③6個聚磷菌過程動力學(xué)參數(shù)：PHA的貯存的速率常數(shù)qPHA，PP的貯存的速率常數(shù)qpp，聚磷菌最大生長速率μPAO，聚磷菌的溶菌速率常數(shù)bPAO，Xpp的分解速率常數(shù)bpp，聚磷菌的分解速率常數(shù)bPHA。
④2個自養(yǎng)菌過程動力學(xué)參數(shù)：自養(yǎng)菌最大生長速率μAUT，自養(yǎng)曲衰減速率bAUT。
根據(jù)Arreheniu。方程；kT＝k20℃·exp（T－20))，不同動力學(xué)參數(shù)的溫度修正系數(shù)a取值不同。根據(jù)IAWQ工作組撿拾的溫度修正系數(shù)a，不同的動力學(xué)參數(shù)的溫度修正系數(shù)見表5。
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3 模型的校正
以 1月份數(shù)據(jù)為例，考慮平均溫度為10℃，根據(jù)表5建議的溫度系數(shù)，修正動力學(xué)參數(shù)，得到校正模型，從而對1月進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)進(jìn)行再模擬，得到的出水模擬值為后模擬值，與未校正模型模擬值（前模擬值）進(jìn)行比較，結(jié)果見圖6——圖7：
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從上圖中可以看到，經(jīng)過參數(shù)修正后的模擬，比未校正參數(shù)的模擬精度顯著提高，從而說明有些參數(shù)在模型中的重要性，因而模型在實際污水廠應(yīng)用中，有必要對參數(shù)進(jìn)行修正。
4 結(jié)語
本文根據(jù)自行開發(fā)的ASM2軟件，對常州污水廠進(jìn)行模擬研究，得出以下結(jié)論：
①實際計算比較證明，利用活性污泥2號模型能充分考慮廢水生物處理自身的特點和工藝特性，較為深人地反映活性污泥生物反應(yīng)過程的主要行為，具有很好的應(yīng)用性，適合我國污水處理廠的研究管理。
②通過參數(shù)靈敏度分析，分別對影響CODcr，NH3-N，TN，TP4個指標(biāo)的參數(shù)分別考慮，并考慮溫度影響，對不同動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行溫度修正。校正后的ASM2模型的預(yù)測精度得到顯著提高。
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