958安徽建筑大學(xué)廢水處理生物模型論文專業(yè)：XX級市政工程學(xué)生姓名：XXXX學(xué)號：XXXXX課題：廢水處理生物模型概述指導(dǎo)教師：XXXXX年XX月XX日廢水處理生物模型概述XX(安徽建筑大學(xué)環(huán)境與能源工程學(xué)院，合肥，230022)摘要：廢水處理生物模型在污水處理廠的設(shè)計、運行控制和工藝優(yōu)化等方面發(fā)揮著日益重要的作用，目前已成為了污水處理領(lǐng)域的研究焦點。本文綜述了廢水處理生物模型的研究和發(fā)展過程，并重點介紹IWA模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法的特點及其在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，闡述了國際水協(xié)會(IWA)推出的活性污泥1號、2號、2D號、3號模型(ASM1、ASM2、ASM2D、ASM3)各自的特點和使用限制條件;介紹了幾種基于ASM系列的新模型。最后對模型的研究和應(yīng)用進(jìn)行了展望,有待從完善模型機理，模型模塊化，混合模型等方面進(jìn)一步的研究生物模型。關(guān)鍵字：生物模型；ASM；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；活性污泥1引言如何提高污水處理效率和過程優(yōu)化控制策略是國內(nèi)外污水處理研究領(lǐng)域普遍關(guān)注的問題。污水處理過程具有時變性、非線性和復(fù)雜性等鮮明特征，這使得污水處理系統(tǒng)的運行和控制極為復(fù)雜。此類困擾可以通過數(shù)學(xué)模型方法進(jìn)行解決，特別是在當(dāng)今計算技術(shù)發(fā)展迅猛的前提下，通過模擬計算以實現(xiàn)不同工況條件下、不同設(shè)計方案的對照比較，或模擬預(yù)測未來短時內(nèi)的運行狀況以便及時調(diào)整運行策略。在我國當(dāng)前水環(huán)境形勢下，開展污水處理過程數(shù)學(xué)模型方法研究，即具有重要的理論價值，也有緊迫的現(xiàn)實需要。2數(shù)學(xué)模型概述2.1廢水處理生物模型的發(fā)展20世紀(jì)50年代以來，國外一些學(xué)者把反映生化過程機理的微生物生長動力學(xué)引入污水處理領(lǐng)域⑴。20世紀(jì)80年代末，國際水協(xié)會(IWA)提出的活性污泥1號模型(ASM1)，取得了很大的成功,是早期較為,完善的污水處理數(shù)學(xué)模型研究之一。通過模擬計算，使污水處理的設(shè)計和運行更加理論化和系統(tǒng)化,提高了人們對污水生物處理過程的認(rèn)識,不僅節(jié)省了大量的經(jīng)濟(jì)成本，而且提高了污水處理相關(guān)工作的質(zhì)量和效率。隨著時間推移，各式各樣的污水處理數(shù)學(xué)模型不斷出現(xiàn),并且被應(yīng)用于滿足不同的研究和工程目的。與國外發(fā)達(dá)國家相比我國的污水處理數(shù)學(xué)模型研究和應(yīng)用稍顯落后，但近年來發(fā)展十分迅速。我國較早的污水處理模型研究可以追溯到20世紀(jì)50年代采用美國大學(xué)Clemson開發(fā)的簡化ASM1模擬軟件SSSP對北京北小河污水處理廠運行進(jìn)行了穩(wěn)態(tài)模擬⑵。進(jìn)入世紀(jì)以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，水環(huán)境問題日顯突出，環(huán)境法規(guī)對污水排放標(biāo)準(zhǔn)也逐漸嚴(yán)格，如何最低成本地提高污水處理效率、實現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放成為亟待解決的問題。2.2ASM系列的三套模型國際水質(zhì)協(xié)會(IWA)總結(jié)了以前的研究成果，對組分的劃分和測定、過程的定義以及模型的表達(dá)方式等方面作了進(jìn)一步的改進(jìn)，于1987、1995、1999年先后推出了ASM系列的三套模型⑶。1)ASM1活性污泥1號模型(ASM1)采用了死亡-再生機理，體現(xiàn)了對代謝殘余物的再利用。模型綜合了活性污泥系統(tǒng)中碳氧化、硝化、反硝化的三個過程，全面體現(xiàn)了活性污泥系統(tǒng)的主要功能,成為活性污泥過程模型研究和相關(guān)模擬軟件開發(fā)的基礎(chǔ)。模型對反應(yīng)組分和過程進(jìn)行了細(xì)致的劃分，包括13種組分,8個反應(yīng)過程,14個動力學(xué)參數(shù)和5個化學(xué)計量系數(shù)，在表述上采用矩陣的形式⑷,可以表達(dá)更多的信息，使模型更加直觀，易于理解，便于計算機模擬計算。2）ASM2活性污泥2號模型雖然ASM1自推出以來得到廣泛的應(yīng)用，但是其未包含除磷過程。隨著對水體富營養(yǎng)化問題重視的提高,水體除磷過程已經(jīng)不能忽略。由此IWA推出了ASM2。它在ASM1的基礎(chǔ)上引人了生物除磷的過程，首次將含碳有機物、含氮有機物的去除與生物除磷反應(yīng)包含在一個整體模型中,共包括19種組分、19個反應(yīng)、22個化學(xué)計量系數(shù)及42個動力學(xué)參數(shù)。從ASM1到ASM2最顯著的變化是使所描述的微生物有了細(xì)胞內(nèi)部構(gòu)造而不再簡單的用生物總量來表示⑸。隨后推出的ASM2D是對ASM2的一次完善，主要考慮了反硝化除磷過程⑹。3）ASM3活性污泥1號模型針對ASM1在實際應(yīng)用中出現(xiàn)的問題和對有機物貯存試驗認(rèn)識的深化IWA又推出了ASM3。ASM3涉及的主要反應(yīng)是活性污泥系統(tǒng)的氧消耗、產(chǎn)污泥、硝化和反硝化作用，沒有包含除磷過程。在ASM3中,反應(yīng)過程的重點由水解轉(zhuǎn)到了有機底物的貯存,采用了更加符合實際情況的內(nèi)源呼吸機理。同ASM2相似,ASM3也是通過細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對生物體進(jìn)行模擬。它包含13種組分、12個反應(yīng)、6個化學(xué)計量參數(shù)和21個動力學(xué)參數(shù)⑺。隨后又推出了ASM3C作為ASM3的調(diào)整版本，主要變化是有機物濃度以TOC而不是以COD表達(dá)。4）ASM系列的三套模型的優(yōu)缺點和展望ASM系列模型在形式和功能上都較以前的模型有了較大突破已成為活性污泥過程仿真和控制的重要理論基礎(chǔ)。但是，模型在使用中還存在著一定的局限性:不適用于以工業(yè)廢水為主的廢水處理;所模擬廢水的溫度和pH值必須處于一定的范圍之內(nèi);不適用于超高負(fù)荷或泥齡小的活性污泥系統(tǒng)等⑶。而且，在實際應(yīng)用中對入流組分的測定和模型參數(shù)的校正也需要較多的工作來完成。但是，目前對于活性污泥數(shù)學(xué)模型的研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。相信隨著人們認(rèn)識水平的提高和計算機模擬技術(shù)的發(fā)展，活性污泥數(shù)學(xué)模型還將有更大的發(fā)展空間。2.3SBR工藝數(shù)學(xué)模型1）SBR工藝數(shù)學(xué)模型SBR工藝的數(shù)學(xué)模型主要包括基于Eckenfelder模式的一級動力學(xué)模型、基于Monod方程的Lawrence-McCarty模型、基于McKinney假設(shè)的一級動力學(xué)模型和基于ASM數(shù)學(xué)模型而建立的動態(tài)模型.其中，基于ASM的動態(tài)模型多見于理論探討；McKinney模型在國內(nèi)很少應(yīng)用；Monod方程作為最基本的生物降解模式，被廣泛應(yīng)用于生物處理的工藝設(shè)計中，但是否能很好的描述SBR反應(yīng)器的生物降解特性還有待進(jìn)一步的研究.王敏爾[4]以辦公大樓污水為研究對象，在SBR工藝試驗條件下，得出基質(zhì)濃度與活性污泥的動力學(xué)模式。2）機理模型（白箱模型）1986年,國際水質(zhì)協(xié)會（IAWQ）的生物處理設(shè)計與運行數(shù)學(xué)模型課題組提出了ASM1模型，它能預(yù)測活性污泥系統(tǒng)中的有機物降解、硝化和反硝化反應(yīng)過程⑻。該模型的提出使類似系統(tǒng)的模擬研究向前邁進(jìn)了關(guān)鍵的一步。同時也為SBR系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的建立提供了強有力的支持oOrhon等⑼提出了普通活性污泥系統(tǒng)建模過程中的可溶性剩余產(chǎn)物的概念。根據(jù)SBR系統(tǒng)進(jìn)出水COD之間存在不平衡關(guān)系,1990年,Artan等問在ASM1模型的基礎(chǔ)上建立SBR系統(tǒng)時考慮了SRP的影響，改進(jìn)了ASM1模型，該簡化模型能夠很好地預(yù)測試驗出水可溶性化學(xué)需氧量（SCOD）。3）統(tǒng)計模型（黑箱模型）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是統(tǒng)計模型（黑箱模型）最常用的一種SBR數(shù)學(xué)模型。特別是人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型（ANN模型）可以代替?zhèn)鹘y(tǒng)數(shù)學(xué)模型完成由輸入到輸出空間的映射，直接根據(jù)對象的輸入、輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，需要的對象先驗知識較少，其較強的學(xué)習(xí)能力對模型校正非常有利。4）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型應(yīng)用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型就是一個“黑箱模型”，其優(yōu)點就是具有很強的非線性擬合能力，可以映射任意復(fù)雜的非線性關(guān)系，有較強的學(xué)習(xí)能力和容錯性，但是并不能清晰反應(yīng)出控制過程中變量的關(guān)系，妨礙了控制中的準(zhǔn)確性［11］。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法用來建立神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型有許多種，目前較為廣泛的網(wǎng)絡(luò)模型是BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，BP網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)由輸入層，輸出層和隱含層構(gòu)成，層與層之間采用全連接的形式。工作的過程是將輸入信號沿著網(wǎng)絡(luò)正向傳播,將誤差信號沿著網(wǎng)絡(luò)反向傳播［12］,它是一種基于梯度下降的最優(yōu)化算法，通過修改權(quán)值來決定，使得系統(tǒng)的誤差達(dá)到最?。?3］。圖1神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型COD的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)為4輸入1輸出，如圖1所示，其中輸入量為進(jìn)水水質(zhì)(COD，氮氨，PH,MLSS),曝氣池液位，空氣流量。輸出值為出水COD，隱含層的層數(shù)和節(jié)點數(shù)選擇由實際效果來決定［14］。如果在輸出層沒有得到期望的輸出，則計算輸出層的誤差變化值，然后轉(zhuǎn)向反向傳播，通過網(wǎng)絡(luò)將誤差信號沿原來的連接通路反傳回來修改各層神經(jīng)元的權(quán)值直至達(dá)到期望目標(biāo)。通常情況下對于隱含層的激勵函數(shù)用Sigmoid表示：f(x)=ll+e—x,BP網(wǎng)絡(luò)的最后一層可以采用Sigmoid表示，也可以采用其他線性函數(shù)表示［⑸。2.4污水處理生物模型的其他應(yīng)用數(shù)學(xué)模擬技術(shù)對MBR工藝的模擬與優(yōu)化采用BioWin軟件建立了北京某污水處理廠MBR工藝模擬模型，利用污水廠實際運行數(shù)據(jù)和實驗室對污水中各種有機組分的檢測結(jié)果校正了模型并調(diào)整了模型參數(shù)。模型運行結(jié)果與出水檢測指標(biāo)的驗證結(jié)果表明，所建立的模型能較好地反映該污水廠的實際運行狀況。針對出水中氮、磷達(dá)不到GB18918—2002—級A標(biāo)準(zhǔn)的問題，利用BioWin軟件從調(diào)整運行參數(shù)、改變工藝流程及改造池體尺寸3個方面對現(xiàn)有工藝進(jìn)行了模擬優(yōu)化，提出了對現(xiàn)有工藝的改造方案［16］。基于數(shù)學(xué)模型的污泥雜質(zhì)分離工藝設(shè)計與應(yīng)用為解決污泥中雜質(zhì)去除的問題，介紹了一種污泥雜質(zhì)分離新方法。以上海白龍港水質(zhì)凈化廠的初沉污泥為研究對象，采用微網(wǎng)機械篩分方法，進(jìn)行多段式逐級分離，并基于物料守恒原理，構(gòu)建了相關(guān)數(shù)學(xué)模型。通過小試的驗證，新工藝具有技術(shù)可行性和經(jīng)濟(jì)適用性。由400m3/d的示范工程運行結(jié)果來看，微網(wǎng)采用連續(xù)出泥的運行模式,通量為500L/(m2?h),曝氣強度為1.0m3/(m2?min)，污泥回收率達(dá)98.8%，系統(tǒng)平均出渣濃度為82.2g/L。經(jīng)濟(jì)性分析表明，污泥雜質(zhì)分離工藝具有水力停留時間短、占地面積小、運行費用低等優(yōu)勢，具有廣泛的工程應(yīng)用前景"I。3?小結(jié)活性污泥法數(shù)學(xué)模型歷經(jīng)半個世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)從簡單靜態(tài)模型發(fā)展到今天的復(fù)雜動態(tài)模型，其在污水處理廠設(shè)計、運行管理以及科學(xué)研究中的作用日益突出。數(shù)學(xué)模型建模的最終目的都是改善SBR污水處理工藝的設(shè)計和運行，促進(jìn)SBR數(shù)學(xué)模型廣泛應(yīng)用到實際中，如何根據(jù)我國污水處理行業(yè)的國情和實際發(fā)展情況來建立適合我國國情的SBR數(shù)學(xué)模型體系是污水處理行業(yè)今后的發(fā)展方向。盡管模型本身還存在許多的問題，并且在模型的應(yīng)用過程中也存在一些難題，但是隨著對活性污泥工藝生化過程的深入研究、計算機技術(shù)的飛速發(fā)展以及測量手段的進(jìn)步，活性污泥法數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用必定更為廣泛。參考文獻(xiàn)顧夏聲廢水生物處理數(shù)學(xué)模式第二版北京清華大學(xué)出版社，1993，1-273.汪慧貞曹秀芹活性污泥模型NO.1及“SSSP程序”在中國污水廠適用性的初步研究，北京建筑工程學(xué)院學(xué)報，1996，12(3)，66-74.張亞雷，李詠梅，譯?活性污泥數(shù)學(xué)模型[M].上海:同濟(jì)大學(xué)出版社,2002.HenzeM.ActivatedSludgeModelNo.1[A].ScientificandTechnicalReportNo.1[C].London:IAWPRC，1987，30(4):23-33.HenzeM,etal.WastewaterandbiomasscharacterizationfortheActivatedSludgeModelNo.2:biologicalphosphorusremoval[J].Wat.Sci.Tech，1995,31(2):13-23.HenzeM，etal.ActivatedSludgeModelNo.2d[J].Wat.Sci.Tech，1999,39(l):165-182.GujerW,etal.ActivatedSludgeModelNo.3[J].Wat.Sci.Tech,1999,39(1):183-193.HenzeM.,GradyC.P.L.,GujerW.,etal.Ageneralmodelforsingle-sludgewastewatertreatmentsystems.Wat.Res.,1987,21(5):505?515OrhonD.,ArtanN.,CimcitY.Theconceptofsolublere-sidualproductformationinthemodellingofactivatedsludge.Wat.Sci.Tech.,1989,21(4?5):339?350ArtanN.,OrhonD.,BelerBaykalB.Implicationofthetaskgroupmodel-I.Theeffectofinitialsubstratecon-centration.Wat.Res.,1990,24(10):1251?1258俞阿龍，陳華寶?振動速度傳感器的動態(tài)性能改進(jìn)的軟件方法[J]?淮陰師范學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版)，2004,3(4):289-291.沈海平?用于全自動平衡機的差動動鐵型磁電速度傳感器研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.盧長根，