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        給水排水 |ASM活性污泥模型的起源、結構與應用(下)

        放大字體 縮小字體 發布日期:2021-08-21 13:00:38   瀏覽次數:213
        核心提示:2021年08月21日關于給水排水 |ASM活性污泥模型的起源、結構與應用(下)的最新消息:污水生物處理 活性污泥 污水處理工藝水處理網訊:導 讀國際水協的ASM活性污泥數學模型是污水生物處理工藝研究與過程模擬的基礎平臺,也是污水生物處理商業模擬軟件的后臺引擎與技術核心。
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        污水生物處理 活性污泥 污水處理工藝

        水處理網訊:導 讀

        國際水協的ASM活性污泥數學模型是污水生物處理工藝研究與過程模擬的基礎平臺,也是污水生物處理商業模擬軟件的后臺引擎與技術核心。作者通過與ASM相關的軟件編程體會,系統地介紹了ASM模型體系的歷史起源、基本結構和應用特點,對于還沒有接觸過ASM模型、但希望了解和學用ASM模型的污水處理工藝設計人員和讀者是非常好的借鑒資料。

        文章分上下兩個部分,本貼為下半部分。

        點擊查看上半部分:

        ASM活性污泥模型的起源、結構與應用(上)

        2.4反應計量系數一致性校驗

        前面已經提到,ASM模型使用COD作為有機物的計量基準,除此以外ASM模型還使用其它幾種計量基準物計量非COD物質。反應計量系數的一致性效驗是指每個生化反應涉及的各個狀態變量相對于各個計量基準物的物料必須是平衡的,也就是要遵循物質不滅定律。ASM 1使用COD、N和電子遷移數Charge作為計量基準,所有有機物均以COD為單位計量,所有含氮化合物均以N為單位計量,電子遷移以遷移電子數Charge為單位計量,參與某一反應的所有狀態變量關于COD、N以及遷移電子數必須是平衡的;再如ASM 2d模型,由于引入了化學除磷和生物除磷,計量基準物除了COD、N和電子遷移數Charge以外還增加了P和TSS,各個狀態變量相對于這五個基準物必須滿足物料平衡條件。

        一致性校驗需要用到基準計量物折算系數。ASM 1的基準計量折算系數參考下列表-3。

        表-3 ASM 1的基準計量折算系數

        一致性效驗就是要校核每個計量基準物在各個生化反應過程中是否是物料平衡的,具體驗算準則是:在ASM模型矩陣中,每一行中的每個反應系數與相應的計量基準折算系數乘積的總和必須等于零,或至少其絕對值不得高于1x10-15,否則說明模型中的反應系數數值不正確,或是模型可能有結構性缺陷,這些錯誤會使模型計算結果發生較大偏差,不能準確反映工藝過程的真實狀態。

        另外,上面的一致性校驗步驟還可以歸結為更簡潔的實現方法:如果把表-3也視為一個矩陣,則一致性效驗等于表-2的反應系數矩陣與表-3矩陣的點積運算,點積后的結果仍是一個矩陣,矩陣的行對應于模型的生化動力學反應,矩陣的列對應于模型的計量基準物,矩陣中的每個元素的數值必須是零或絕對值不超過1x10-15。

        在某些特殊的處理工藝研究和建模中,有時候需要在ASM模型的基礎上增加或定義額外的狀態變量和反應過程,以便更合理、更準確地描述實際工藝過程,但所增加的變量和反應過程往往與多個甚至所有其它變量有關聯,物料平衡關系也可能比較復雜,有些關聯或關系容易在建模時被遺漏或誤判。這時一致性校驗就顯得非常必要和實用了,因為通過一致性校驗計算,馬上可以發現問題,從而避免錯誤的發生。

        2.5 ASM模型數值求解

        從前面討論的內容不難看出,運行和使用ASM模型大致可分為兩個步驟:第一步是在各個狀態變量變化速率表達式的基礎上,建立物料平衡方程式,再配以初始條件,得到描述生化池中活性污泥工藝物料平衡的微分方程組;第二步是求解這個方程組并得到各個狀態變量隨反應時間的變化情況,從而實現對活性污泥法工藝過程的動態模擬。

        2.5.1 建立微分方程組

        在這項工作開始之前,通常需要先考察實際生化池的池型與尺寸,并將實際池體分解為基本反應器的組合。例如,一座圓形或正方形的布滿曝氣頭或安裝中心表曝機的曝氣池基本可以視為一個連續流完全混合型反應器CSTR (Continuous Stirred-Tank Reactor);一座矩形曝氣池可以分解為幾個串聯的CSTR;一座氧化溝則可視為CSTR(曝氣區)與推流式反應器PFR (Plug Flow Reactor)(氧化溝廊道)的串聯組合,或將廊道也視為更多的串聯CSTR,等等。以上池型分解與組合的具體做法涉及到化學反應工程的反應器基礎理論以及活性污泥法的基本知識,需要根據具體情況靈活運用。如何根據具體池型建立微分方程組這一步是非常關鍵的,如果對池型的分解組合不當,模擬出來的結果將不能準確反映實際的工藝過程。

        得到基本反應器的組合以后,在每個基本反應器中應用ASM模型,建立反應器中的物料平衡關系方程式,進而得到描述整個系統的微分方程組。例如有一個長:寬=3:1的長方形曝氣池連接一個二沉池,這個系統就可以用三個串聯的CSTR來近似代表,如下圖所示。其中Q為進水流量,RAS和WAS分別為回流污泥流量與剩余污泥流量;S為溶解物質濃度,X為固體物質濃度,S和X均為矢量變量;下標0代表進水,E代表出水,R代表污泥回流。

        根據凈增量 = 流入量 - 流出量 + 反應量的通則,系統中每個曝氣池的物料平衡為:

        其中rS1/rS2/rS3以及rX1/rX2/rX3就是ASM模型矩陣所提供的相應的反應項。

        以上是單點進水的設計。對于多點進水和多點回流的布局,只要遵循物料平衡的通則,就可得到相應的微分方程組。

        2.5.2 求解微分方程組

        數值求解微分方程組目前已經變得十分簡單,各個時期的各種主流編程語言都會有相應的數值積分的標準程序庫或共享代碼可以調用。感興趣的讀者可以在網上搜索自己所熟悉的編程語言的微分方程組求解程序包。如果使用Python語言,可以調用SciPy. Integrate的Odeint函數或Solve_ivp函數。在求解過程中需要人為控制的內容包括積分步長與初始條件的確定,同時還要給出進水流量以及原水水質隨時間變化的關系。步長選取得越小,計算和模擬的精度越高,但需要的計算資源也越大。在ASM模型剛剛發布的年代,計算機的軟件、硬件水平都不夠強大,人們不得不在步長選取與計算機計算能力之間做出某種平衡,但現在這些都已經不再是問題了,步長選擇幾乎不受任何限制,哪怕采用千分之一天甚至萬分之一天的步長,求解過程都是瞬間完成,真正的 “秒殺” 。

        3舉 例

        下面通過一個考察曝氣池中活性污泥生長和變化的例子,演示ASM模型如何模擬具體的反應過程并打印輸出各個狀態變量的曲線。

        假設有一個間歇操作的曝氣池,向里面注滿污水并引入少量活性污泥的菌種,然后停止進水并開始曝氣。這個過程很類似于一個SBR的啟動過程,但為了更好地考察活性污泥的變化,這里假定曝氣池在一開始僅有少量活性污泥。污水的原水水質情況假定為市政污水,水溫25度,COD 400,氨氮 25,TKN 35,TP 6,堿度 300,單位均為mg/L。

        在用ASM模型模擬這個過程之前,我們先根據對活性污泥法通常的理解初步預想一下本例的曝氣池中大概將會發生什么情況:

        曝氣池一開始存在少量活性污泥的菌種,而且進水中也會帶有少量的微生物,隨著曝氣的進行,在微生物的降解作用下,原水中的有機物含量會隨曝氣時間而下降,活性污泥微生物總量也會隨著有機物的降解而逐步增加。另外,由于活性污泥微生物自身的合成需要攝取一定的營養,故曝氣池中N和P的含量在這個過程中也會略有下降。由于是間歇操作,曝氣過程中并沒有新的有機物補充進入系統,經過一段時間的曝氣,池中的有機物將趨于耗盡。此時如果繼續曝氣,則已經成長的活性污泥將會進入自身分解和氧化的狀態,其濃度將開始下降。與此同時,隨著水中有機物基質的耗盡,硝化反應的抑制因素逐步消失,硝化反應將全速啟動,硝化菌開始利用原水堿度中的碳源將氨氮轉化為硝態氮,于是曝氣池中的氨氮含量和堿度會開始明顯快速下降,而硝態氮含量會相應地大幅上升。在硝化反應基本完成以后,如果再繼續曝氣,系統將進入過度曝氣狀態,曝氣池中的活性污泥將會分解為可溶解可生物降解有機物顆粒,導致曝氣池中可溶解可生物降解有機物的濃度重新上升,但此時由于沒有成型有效的活性污泥以及營養物存在,正常的有機物生物降解過程已經無法再進行了。

        現在使用ASM 1模型來模擬上面的過程。

        第一步,計量系數矩陣。參考表2的矩陣結構并使用ASM 1模型的原始默認參數和系數可以得到以下矩陣:

        第二步,一致性校驗。將表3與上面的矩陣進行點積運算得到以下校驗結果:

        第三步,建立微分方程組。曝氣池充滿污水后停止進水,同時開始曝氣,這意味著進水流量為零,因此系統的物料平衡方程式中僅剩下反應項,也就是說,前面舉例提到的系統物料平衡微分方程組在本例中會縮減為

        第四步,COD分量與初始條件的確定。原水水質即為本例的初始條件。對于市政污水,原水COD與ASM 1模型相關的狀態變量的初始關系大致如下:Si =0.1* COD,Ss=0.3*COD,Xi=0.15*COD,Xs =0.45*COD。假定曝氣池活性污泥菌種的初始濃度很低,原水中攜帶的活性污泥為進水COD的10%,異養菌與硝化菌的比例為10比1。其他參數如氨氮、硝態氮和堿度等等可直接套用本例開始給出的原水指標并注意單位換算。

        第五步,根據初始條件求解微分方程組并打印結果。查看COD或BOD的變化情況時,需要將模型中的Si,Xi,Xs,Ss等狀態變量重新折算為COD或BOD。

        從ASM模型模擬的過程來看,池中微生物的增長變化、有機物以及氨氮和硝態氮等指標的濃度變化確實與前面預想的情況基本一致。當第一次看到這些輸出的曲線時,不禁再次感嘆ASM模型的神奇和偉大。😃

        雖然本例僅是一個簡單應用,但所采用的思路與方法完全可以照搬到各種間歇或連續流的活性污泥法工藝中去,例如A2O脫磷脫氮工藝以及深度脫磷脫氮的四階段和五階段的Bardenpho™工藝等等。限于篇幅,這里就不一一舉例了。

        需要特別注意的是,ASM模型所給出的模擬結果只是發生在厭氧池、缺氧池和曝氣池內的濃度值,在實際應用中,活性污泥沉淀以后上清液的各項濃度指標往往才是所要關注的結果,因此必須將ASM模型的運行結果輸出到污泥沉降模型或沉淀池模型中去,才能得到最終的出水水質情況。關于與ASM配合使用的污泥沉降模型以及沉淀池模型,很希望今后能有機會單獨討論,這里限于篇幅暫時略過。

        最后,匯總一下使用Python語言實現ASM模型的主要步驟:

        ASM反應計量系數列表與反應動力學系數列表.

        進水與出水指標列表,并通過轉換函數轉化為ASM需要的變量;

        設計條件和參數的列表;

        池體尺寸與配置列表;

        將上述各項生成相應的模塊和類以方便調用;

        建立ASM計量系數矩陣;

        建立ASM生化反應矩陣;

        建立ASM一致性校驗折算系數矩陣;

        建立項目的物料平衡微分方程組;

        調用SciPy. Integrate的Odeint函數或Solve_ivp函數求解微分方程組;

        將求解結果轉換為常規出水指標;

        匯總、顯示和打印運算模擬結果。

        4 幾點感受

        通過ASM模型對工藝的模擬,可以從動態的角度去考察活性污泥法的全過程,有助于更加深入地理解活性污泥法,更好、更合理地選擇相應的設計參數;

        借助ASM模型的擴展平臺,可以更系統、更嚴密地進行工藝問題的研究與設計;

        熟悉ASM模型體系,可為掌握、使用和二次開發其他更復雜的工藝模型(如MBBR-IFAS模型,厭氧消化模型ADM 1,以及各種新型高速厭氧反應器模型等等)打好基礎。

        由于購買成本、維護成本以及培訓、授權等眾多因素的限制,活性污泥商業模型軟件對于大多數工藝研究和設計人員來說并不是一件隨手可得的工具。相反,ASM模型的有關詳細技術資料以及各類主流編程語言卻是隨時可以免費下載的。因此,如果非常希望擁有一套無成本的活性污泥工藝模擬工具,不妨自己動手DIY。只需初步掌握一門編程語言,擁有這樣一款個人版的工具是完全可能的。雖然在人機交互界面上做不到商業軟件那么直觀、方便和專業,但仍可根據具體工藝要求對模型的工藝配置與參數進行相應的調節和更改,得到與商業軟件差不多的模擬結果。

        5 結束語

        從1980年前后到2000年前后的這段時間是活性污泥法在工藝方面快速擴展和完善的階段,特別是在生物營養物去除方面,目前工程中常見到的各種生物脫磷脫氮工藝幾乎都是在這個時期形成并定型的,這是活性污泥法工藝一百多年的發展歷史中最推陳出新和精彩紛呈的一個時期,而IWA在同一時期頒布的ASM1/2/2d/3模型,使活性污泥法的定量化研究與工藝設計精度達到了前所未有的高度與水平。

        雖然ASM模型的首發至今已經三十多年了,但ASM模型仍會由于外圍相關新技術的出現而得到更深層次和更加廣泛的應用。ASM模型的起源是活性污泥法技術發展史中最值得紀念的一幕,它所代表的方法也將使生物處理工藝研究與設計長期受益,ASM模型無疑是活性污泥法專業領域中一道最靚麗的風景線。

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        關鍵詞: 污泥 模型 污水處理工藝



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