论文摘要
我国已建高速公路沿线服务区和收费站大多都建设了以生物处理为主要单元的污水处理设施,其生物处理工艺包括接触氧化法、活性污泥法、生物膜法、序批式反应器（SBR）等,科学合理地模拟和监控这些污水处理设施的运行对保障出水水质稳定达标及节约运行成本具有重要意义。在世界范围内,利用数学模型对活性污泥工艺进行模拟已成为当今污水厂设计和运行控制的重要内容。国外关于这方面的研究很多,并产生不少的模型,国际水协（International Water Association, IWA）ASM（Activated Sludge Models）模型的推出,在国际上引起了广泛关注并成为研究热点。本论文回顾了活性污泥数学模型由Monod模式、Eckenflder模型、McKinney模型、Lawrence-McCarty模型到Andrews模型、WRc模型、IWA的ASM模型的发展历程及活性污泥数学模型在国内外的应用现状,并对污水处理系统的计算机模拟软件SSSP、EFOR、GPS-X、WEST进行了简要介绍。建立了污水生物处理完全混合系统（CSTR）在“异养菌好氧生长及衰减（内源呼吸）过程”,“有机物水解、异养菌好氧生长及衰减（内源呼吸）过程”,“有机物水解、异养菌和自养菌好氧生长及衰减（内源呼吸）过程”三种简化形式下的ASM1和ASM3稳态模型,利用MATLAB编制程序,得到了“有机物水解、异养菌好氧生长及衰减（内源呼吸）过程”简化形式下的各组分解析解,并实现了对“异养菌好氧生长及衰减（内源呼吸）过程”、“异养菌好氧生长及衰减（内源呼吸）过程”两种简化形式下的模拟。采用一体式膜生物反应器（MBR）、人工配制污水模拟高速公路服务区生活污水浓度,对水力负荷变化及污水处理效果进行了为期4个月的试验研究。按照IWA关于污水水质划分的新原则,对试验进水水质进行了组分分析,针对一体式膜生物反应器在不排泥和不同水力停留时间的动态过程,构建了基于ASM1和ASM3的膜生物反应器动态模型,利用MATLAB编制程序,对一体式膜生物反应器试验数据进行了模拟,根据最小二乘法原理获得了试验条件下的一组最佳参数估计值。针对DE型氧化沟周期性运行的动态过程,对“厌氧选择池+DE型氧化沟+终沉池”系统,将一个周期的反应过程分成4个阶段,构建了基于ASM1和ASM3的DE型氧化沟动态模型,利用MATLAB编制程序,在典型参数值下对DE型氧化沟实测数据进行了模拟分析。本论文得出以下结论:（1）“有机物水解、异养菌好氧生长及衰减（内源呼吸）过程”简化形式下的ASM1和ASM3稳态模型反映出如下规律:出水易生物降解基质浓度随着污泥龄（SRT）的增加而锐减,并逐渐趋于稳定;微生物量随着SRT的增加而不断增加,并逐渐趋于稳定;慢速可生物降解基质浓度随着SRT的增加而锐减,并逐渐趋于稳定;惰性颗粒性有机物和混合液悬浮固体浓度（MLSS）随着SRT的增加而不断增加;活性比例随着SRT的增加而锐增,之后不断减少;需氧量随着SRT的增加而不断增加,并逐渐趋于稳定。（2） ASM1模型应用于一体式膜生物反应器,其COD模拟值对参数变化的灵敏度依次为bH、KS、（μ|^）H,NH4-N模拟值对参数变化的灵敏度依次为（μ|^）A、bA、KNH,NOx-N模拟值对参数变化的灵敏度依次为YH, iXB, fP,bH, YA, （μ|^）A, bA, （μ|^）H, KNH, KS。（3） ASM3模型应用于一体式膜生物反应器,其COD模拟值对参数变化的灵敏度依次为YSTO,O2、YH,O2、fSI、bH,O2、KS、kSTO,NH4-N模拟值对参数变化的灵敏度依次为（μ|^）A, bA,O2, KA,NH4, NOx-N模拟值对参数变化的灵敏度依次为YA, YSTO,O2, YH,O2, bH,O2。（4）一体式膜生物反应器动态模拟结果显示,在本试验条件下,ASM1与ASM3模型的COD模拟效果基本相同,ASM3模型的NH4-N、NOx-N模拟效果优于ASM1模型,就总体模拟效果而言,ASM3模型优于ASM1模型。（5） ASM1模型应用于DE型氧化沟,其COD模拟值对参数变化的灵敏度依次为bH、bA、KS、（μ|^）H、YH、kh、fP、KNO、YA、ηg、iXB、KNH、（μ|^）A、ηh、KX,NH4-N模拟值对参数变化的灵敏度依次为ηh, KS, bA, fP, KNO, （μ|^）A, YA,ηg, kh, KNH, （μ|^）A, iXB, YH, KX, bH, NOx-N模拟值对参数变化的灵敏度依次为ηh、KS、bA、YH、fP、KNO、（μ|^）H、YA、ηg、kh、iXB、KNH、（μ|^）A、KX、bH。（6） ASM3模型应用于DE型氧化沟,其COD模拟值对参数变化的灵敏度依次为fSI, kSTO, KS, bH,O2, YSTO,O2, YH,O2, NH4-N模拟值对参数变化的灵敏度依次为（μ|^）H、KA,NH4, bA,O2, YSTO,O2, YH,O2, bH,O2, bA,NOx,ηNOx, kh, KX, NOx-N模拟值对参数变化的灵敏度依次为YA、YSTO,O2、YH,O2、bH,O2、ηNOx、kSTO、YSTO,NOx、bSTO,O2、（μ|^）H、（μ|^）H、KSTO、KA,NH4、YH,NOx、KS、bH,NOx、bSTO,NOx。（7） DE型氧化沟ASM3模型在典型参数下的COD、NH4-N、NOx-N模拟结果变化趋势与实际过程相吻合,DE型氧化沟ASM3模型在典型参数下的模拟效果总体上优于ASM1模型在典型参数下的模拟效果。
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