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學模型(ASMs)開發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，并針對模擬軟件應用中存在的問題提出了建議。關鍵詞：活性污泥數學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域的熱點。隨著國內外對活性污泥數學模型的研究，及國際水協（IWA）推出的活性污泥數學模型系列模型（ASMs）的發展與廣泛應用，以ASMs為機理模型開發的污水處理模擬軟件的研究也隨之發展起來。目前，國際上開發的基于ASMs污水處理模擬應用軟件較多，如WEST，SSSP,ASIM,EFOR等商用軟件，及一些根據MATLAB、VB、Dephi等編程工具開發的模擬程序。這些軟件各有各的特點，在具體應用中也是各有所長。下面以商用軟件及自主開發研究軟件分別討論這些軟件的特點與應用。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的活性污泥數學模型模擬軟件中，應用較成功的商用軟件有EFOR軟件、WEST軟件、STOAT軟件等。它們可以用于科學研究、開發新工藝、輔助設計與工藝方案選擇及用于污水處理廠的運行管理及專業教學等。其中EFOR軟件是由DHIWaterEnvironment開發的廢水處理工藝開發和模擬用軟件，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法及生物化學同時除磷工藝等，獲得穩態與動態的出水效果。此外，它還提供了默認的模型參數推薦值及進水IWA模型組分劃分比例。許多研究表明，通過一定的參數校正后，EFOR軟件可以進行污水處理模擬，且模擬結果與實際較符合。WEST(WorldWideEngineforSimulation,TrainingandAutomation)軟件是比利時HEMMIS公司開發研究的基于整個ASM系列（ASM1、ASM2、ASM2d、ASM3等）的模擬仿真軟件，它吸收了EFOR軟件的優點，并開拓了EFOR軟件所不具有的優點。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、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進行仿真)，它可以應用于目前存在的大多數生化動力學模型，也可對目前存在的大多數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大學根據ASM1編制,可對污水處理進行穩態模擬和動態模擬。汪慧貞等人利用SSSP程序對北京市高碑店污水廠、北小河污水廠(均采用傳統活性污泥法)及上海市曲陽污水廠(生物吸附法)進行了穩態模擬,其結果與實際運行結果吻合。這些軟件中，以EFOR軟件與WEST軟件的應用范圍最廣，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，國內外研究活性污泥數學模型的研究者結合所研究的數學模型與工藝開發了相應的模擬軟件。這些軟件多是采用相對簡便實用的編程編譯開發，如MATLAB、VisualBasic、Delphi等。不同的編程語言特點也影響了其所開發的軟件的特點。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；而VisualBasic語言簡單易學，又有相對好的人機界面，模擬軟件操作簡單，但是在求解復雜的非線性組分方程時，靈活性受限制；用Delphi編程可以實現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，其優越性不如MATLAB。通常，以模擬研究為主所開發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的。但是，由于研究者研究的工藝與水質參數值都比商用軟件更接近當地的污水處理廠，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上進行一定優化的ASMs，因此其模擬結果也往往要優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個完全混合反應器（CSTR）的典型流程可用來描述任何連續流活性污泥工藝。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的任一數值。因此，第k池中的各個屬性可代表各反應池的屬性，其體積為V(k)；池內組分濃度為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：；根據變化量＝輸入量－輸出量＋反應量，對第k池進行質量平衡，可得到：；其中，表示反應量，與反應過程中的組分i有關，通過計算相應的ASMs求得。對于組分i,其反應速率r(i)＝。結合以上公式，得出第k池中組分i的質量平衡方程為：；此方程為對組分i的質量平衡方程編程的基本通式。式中，Ci（k）表示第k反應池中組分i濃度，是未知數。在計算k池進水濃度時，不僅需要這些參數，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，設定一定步長，結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池中每一個組分的質量平衡方程，再求解模型，得到這些組分的濃度。對于穩態模擬求解，質量平衡方程的左邊＝0，方程組有唯一數值解：；對于非穩態情況，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），能夠得到后續時刻t的各池組分濃度數值解，得出組分濃度隨時間的變化的動態值。2.方程求解確定了工藝流程與進水流量、模擬模型及相應的水質特性參數、模型參數后，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。求解的基本路線可歸納如下：圖2模型求解基本路線結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，結合實測值，根據模擬結果與實測結果之間的差距，調整模型組分參數，校正并驗證模型。經過反復校正與驗證，得到較穩定的結果，確定出污水水質的模型參數值，合理地建立起可行的機理模型。基于此模型，就可以進行實際污水廠的動態模擬與預測，分析工藝處理效果，優化工藝，保證污水處理結果可行。通過合理的調整后，在采用同一活性污泥數學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果。如對IWA研究中所提出的單個CSTR穩態解的求解，用典型的模擬軟件得到的結果之間差距很小(見表1)。表1單個CSTR反應器出水結果組分IWA報道結果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，能實現對污水處理的模擬。三、存在問題與建議措施雖然目前國內外研究均表明IWA開發的ASMs是較成功的活性污泥法污水處理的機理模型，并且已開發的活性污泥數學模型模擬軟件較多，但是模型與軟件在具體應用于實際污水處理廠的過程中還是存在著一些問題。主要是數據的獲取問題：在模擬過程中，模擬軟件需要輸入大量的參數與組分值，而實際污水廠很難完全提供這些數據且有些參數與組分其測試方法都無法確定或是無法測定，模型的復雜性使其還是停留在實驗室研究，在實際污水處理廠的應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，導致結果有所偏差；自主開發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，但是在實際應用中，則其包裝與界面相對單調，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合解決數據問題：在實驗室條件下測定大量污水處理廠的水質參數，統計分析我國污水處理廠的典型水質參數值與水質特性參數值；對于目前無法測定的組分與參數，采用模擬軟件對出水結果的模擬與參數校正來間接獲取；在機理模型研究較成熟的基礎上，合理簡化模型，確立關鍵性參數與組分，可減少需調整和測試的模型參數與組分個數；商用軟件與自主開發的研究型軟件取長補短：吸引商用軟件的優點，在自主開發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值，調節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用。進一步研究可以嘗試用模擬軟件結合機理模型研究，開發出常規監測參數如CODcr、BOD5、總氮、總磷等的軟測量與污水處理廠的參數反饋與控制，實現污水處理智能控制。參考文獻：Argaman，“Asteady-statemodelforthesinglesludgeactivatedsludgesystem-1.Modeldescription”,Wat.Res.,v29,n1,137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