城市污水活性污泥生物脱氮模型及模拟研究

论文摘要

利用数学模型和数值计算对城市污水处理厂生物处理系统进行系统分析、模拟、设计、控制和诊断是目前水污染控制领域研究的热点。本文以国际水协会（IWA）1号模型（ASM1）为对象,首先对其系统构成进行解析,然后进行组分和参数敏感度分析以及模型多参数估计,在此基础上,探讨模型组分和参数的测定方法,最后采用ASM1对四级分段进水A/O生物脱氮系统进行了模拟研究。建立了敏感度方程,采用COST模拟基准,对ASM1模型参数和组分进行了敏感度分析,获得了参数不确定性对系统整体性能影响的定量分析结果:5个化学计量参数中,YH对模拟结果的影响最大,敏感度最高;14个动力学参数中,敏感度较大的参数依次为μA、bH和kh;模型组分中对出水COD、SS、氨氮和总氮影响最大的分别为SI、Xs、SNH和Xs。敏感度分析结果为ASMl应用中参数的选择、取值提供了可行的依据。针对ASM1中参数多,且与出水水质关系的复杂性,采用遗传算法对其进行最优估计。确定了遗传算法的目标函数,设计了遗传策略。在COST模拟基准条件下,进行了三参数和四参数估计算例的验证和分析,参数估计平均误差小于5%。与人工估计方法相比,采用遗传算法估计ASM1模型参数,具有较高的可靠性和搜索效率。对ASM1组分及参数的测定方法进行了全面探讨,在此基础上,对西安市北石桥污水处理厂水质特性进行了分析和活性污泥系统ASM1模型参数的测定。结果表明该厂进水溶解态惰性有机物SI、快速可生物降解有机物Ss、慢速可生物降解有机物Xs和颗粒态惰性有机物XI分别占污水总COD的比例平均为4.10%、17.60%、51.60%和13.28%;氨氮、溶解态有机氮和颗粒态有机氮占总氮的比例平均为64.94%、7.35%和27.71%。DE氧化沟和四级分段进水A/O生物脱氮工艺的污泥产率系数YH别为0.72和0.697;活性污泥混合液COD与MLSS单位转换系数分别为0.808gCOD/gMLSS和0.777gCOD/gMLSS。DE氧化沟异养菌衰减系数bH为0.612d-1（25℃）。在上述研究结果的基础上,对四级分段进水A/O生物脱氮工艺试验系统进行了模拟,模拟出水COD与实测结果的平均误差为9.3%,说明本研究提出的组分和参数的测定方法、敏感参数的选择原则、参数的估计方法是合理的。最后采用了遗传算法对四级分段进水A/O生物脱氮工艺进水流量进行了优化分配。以模拟出水水质与实际出水水质的误差最小为目标函数,得到各级进水流量分配比例为37.2%、27.4%、23.2%和12.2%。将此结果应用于实际污水处理试验中,可以得到较高的污染物去除效率。通过对活性污泥系统模型及模拟的理论分析和应用研究,为深入理解活性污泥工艺的动态行为和规律,优化污水处理系统设计和运行方案,提高经济社会效益,提供了理论基础和技术手段。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 活性污泥工艺设计方法及运行管理
• 1.1.1 活性污泥工艺设计
• 1.1.2 活性污泥工艺运行控制
• 1.2 活性污泥数学模型的发展
• 1.2.1 经验模型
• 1.2.2 机理模型
• 1.3 国内外研究动态
• 1.3.1 国外ASM模型的研究和应用
• 1.3.2 国内ASM模型的研究和应用
• 1.4 课题研究的目的和意义
• 1.5 主要研究内容和技术路线
• 1.5.1 课题来源
• 1.5.2 研究内容
• 1.5.3 技术路线
• 2 活性污泥系统模型
• 2.1 活性污泥模型—ASM1
• 2.1.1 模型理论基础
• 2.1.2 模型假设
• 2.1.3 模型组分划分
• 2.1.4 动力学过程
• 2.1.5 模型参数
• 2.2 水力学模型
• 2.2.1 理想反应器
• 2.2.2 实际反应器
• 2.3 二沉池模型
• 2.3.1 生物颗粒的沉淀性能
• 2.3.2 一维分层模型
• 2.3.3 Takacs沉降速度模型
• 2.4 活性污泥模型和二沉池模型耦合关系
• 2.4.1 模型耦合关系
• 2.4.2 单位转换系数
• 2.5 小结
• 3 ASM1参数和组分敏感度分析
• 3.1 敏感度分析方法
• 3.2 敏感度分析基准条件—COST模拟基准
• 3.3 敏感度分析结果
• 3.3.1 化学计量参数
• 3.3.2 动力学参数
• 3.3.3 模型组分
• 3.4 小结
• 4 模型参数识别方法研究
• 4.1 环境模型参数识别方法
• 4.1.1 参数识别问题
• 4.1.2 参数识别方法
• 4.2 遗传算法
• 4.2.1 遗传算法概述
• 4.2.2 遗传算法基本原理
• 4.2.3 遗传算法策略设计
• 4.2.4 适应度函数
• 4.2.5 算法收敛性分析
• 4.3 遗传算法的VB实现
• 4.3.1 VB概述
• 4.3.2 VB程序编制
• 4.4 参数估计结果
• 4.4.1 估计参数的选择
• 4.4.2 三参数估计结果
• 4.4.3 四参数估计结果
• 4.5 小结
• 5 ASM1组分和参数测定分析
• 5.1 模型组分
• 5.1.1 模型组分划分
• I'>5.1.2 溶解态不可生物降解有机物S_I
• S'>5.1.3 溶解态快速可生物降解有机物S_S
• S'>5.1.4 慢速可生物降解有机物X_S
• BH'>5.1.5 异养菌X_BH
• BA'>5.1.6 自养菌X_BA
• NH、S_ND和S_NO'>5.1.7 溶解态氮S_NH、S_ND和S_NO
• ND'>5.1.8 颗粒态有机氮X_ND
• 5.2 模型参数
• H'>5.2.1 异养菌产率系数Y_H
• H'>5.2.2 异养菌衰减系数b_H
• 5.3 试验装置与方法
• I测定'>5.3.1 S_I测定
• S测定'>5.3.2 S_S测定
• S测定'>5.3.3 X_S测定
• BH测定'>5.3.4 X_BH测定
• H测定'>5.3.5 Y_H测定
• H测定'>5.3.6 b_H测定
• 5.3.7 其它组分测定
• 5.3.8 单位转换系数测定
• 5.4 结果与讨论
• 5.4.1 水质测定结果
• 5.4.2 参数测定结果
• 5.4.3 单位转换系数测定结果
• 5.5 小结
• 6 分段进水A/O生物脱氮工艺系统模拟
• 6.1 分段进水A/O生物脱氮工艺
• 6.2 试验研究
• 6.2.1 试验装置
• 6.2.2 试验参数
• 6.2.3 分析方法
• 6.2.4 试验结果
• 6.3 模拟研究
• 6.3.1 流态试验
• 6.3.2 模型参数估计
• 6.3.3 参数估计结果
• 6.3.4 参数检验
• 6.3.5 流量分配优化
• 6.4 小结
• 7 结论
• 致谢
• 参考文献
• 博士期间获得的科技成果
• 附录一