關(guān)于MBR活性污泥模型在污水處理中的應(yīng)用

潘 伊

(麗水市環(huán)境監(jiān)測中心站，麗水 323000)

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關(guān)于MBR活性污泥模型在污水處理中的應(yīng)用

潘 伊

(麗水市環(huán)境監(jiān)測中心站，麗水 323000)

本文通過對ASMI模型的簡化和改進(jìn)，構(gòu)建了MBR活性污泥簡化模型，并結(jié)合相關(guān)污水處理廠實(shí)例進(jìn)行驗(yàn)證分析。結(jié)果表明改進(jìn)后的MBR模型能夠比較真實(shí)的模擬實(shí)際污泥狀況，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，對今后污水廠的運(yùn)行管理具有一定的指導(dǎo)意義，值得深入研究并推廣應(yīng)用。

MBR；污泥簡化模型；應(yīng)用

隨著我國城市化的迅速發(fā)展，各大城市生活污水排放總量日益劇增，對污水處理廠的處理能力要求越來越高。而傳統(tǒng)的活性污泥法在高負(fù)荷的情況下，對其系統(tǒng)內(nèi)的污泥狀況的合理調(diào)整與有序控制也越發(fā)艱難，這給污水廠的正常的運(yùn)行管理帶來了挑戰(zhàn)。本文在結(jié)合活性污泥數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)之上，構(gòu)建了新型的MBR活性污泥簡化模型，為實(shí)際應(yīng)用提供參考依據(jù)，從而改善我國目前污水廠的運(yùn)行狀況，提高了運(yùn)行管理的安全智能化。

1 活性污泥模型的研究現(xiàn)狀

目前，活性污泥法在污水處理中應(yīng)用非常廣泛，它的主要基于Monod方程內(nèi)容，再根據(jù)反應(yīng)器理論與微生物學(xué)理論的分析，用數(shù)學(xué)關(guān)系對其進(jìn)行描述。

1.1 傳統(tǒng)的活性污泥模型

活性污泥模型早期最初始于20世紀(jì)中期，通過EcKenfelder等國外學(xué)者通過觀察污水廠活性污泥微生物實(shí)際生長狀況而研發(fā)。該模型最初得到了廣泛的推廣運(yùn)用，然而隨著國內(nèi)外學(xué)者的不斷深入研究，發(fā)現(xiàn)該模型僅僅能夠很好的模擬實(shí)際污水廠有機(jī)污染物的降解狀況，而不能客觀的反應(yīng)實(shí)際污水處理中初始進(jìn)水的動(dòng)態(tài)變化對處理效果的影響，所以不能對實(shí)際過程中微生物的變化進(jìn)行很好的估測。另外，Monod方程只是一個(gè)經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式，適用于平衡生長狀態(tài)，對于大多數(shù)實(shí)際過程并不適用。因此，傳統(tǒng)的模型盡管操作簡單方便，但是并不能確切證實(shí)的反應(yīng)活性污泥的多重動(dòng)態(tài)變化帶來的水質(zhì)影響，必然要進(jìn)行相關(guān)的改進(jìn)[1]。

1.2 活性污泥的動(dòng)態(tài)模型

活性污泥的動(dòng)態(tài)模型研究，最初是國外學(xué)者J.F.Andrews[2]提出的，引入了 “存儲(chǔ)一代謝”的理念，并預(yù)測模擬了污水廠污泥的各指標(biāo)的實(shí)際動(dòng)態(tài)變化；Joens[3]等人提出了Water Research Commission“存活一非存活”模型，認(rèn)為生物活性是依靠非存活細(xì)胞的。由于上述模型不能對氮和磷的降解進(jìn)行觀測，因此，國際水質(zhì)協(xié)會(huì)在1987年至1999年展開對活性污泥數(shù)學(xué)模型的開發(fā)與研究，并相繼提出了三套模型ASM1、ASM2、ASM3，此階段的模型尚不完善，其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值有待驗(yàn)證；另一類活性污泥動(dòng)態(tài)模型如Berthouex[4]等人用一階AR模型表示污水處理廠的進(jìn)水BOD5。這類模型只需知道研究過程中的輸入和輸出數(shù)據(jù)就可以，過程相對簡單，然后辨別出模型參數(shù)，即可得到此類模型。這類活性污泥模型通過簡單的參數(shù)設(shè)定，即可動(dòng)態(tài)模擬預(yù)測分析活性污泥的可能運(yùn)行狀況，從而改善了模型的實(shí)用性。

2 MBR活性污泥簡化模型的構(gòu)建

2.1 模型的理論分析

ASM1主要運(yùn)用于采用生物處理法的污水廠，利用“死亡-再生”理論，并利用矩陣形式對其進(jìn)行表述[3]。在反應(yīng)過程中，活性污泥群具有自動(dòng)調(diào)節(jié)功能，可由“替代生物群體”來表示生物群體。在這個(gè)生物群體中，將出現(xiàn)生物群體和細(xì)菌的衰減，導(dǎo)致生物固體通量變小。其次，當(dāng)污水中含有硝態(tài)氮(或者溶解氧)的情況下，污水中的微生物的死亡所帶來的分解而產(chǎn)生的相關(guān)有機(jī)物質(zhì)會(huì)被再次利用，作為生物降解基質(zhì)，將被其他的微生物所利用，從而產(chǎn)生新的機(jī)體。因?yàn)樵诤铣蛇^程有能量損耗，所以反應(yīng)過程中就會(huì)產(chǎn)生很多死亡生物，結(jié)果導(dǎo)致產(chǎn)生的殘留的物質(zhì)就留在了活性污泥中。

2.2 模型的建立

此MBR模型主要是在ASM1 的基礎(chǔ)之上，結(jié)合生化原理和物料守恒定律，進(jìn)行理論驗(yàn)證分析而得來的?；娟P(guān)系是：進(jìn)入量-排出量+反應(yīng)量=積累量。所需要的條件有：運(yùn)行溫度和pH 值恒定；不考慮有機(jī)物組分性質(zhì)的變化和氮、磷及其他無機(jī)物對有機(jī)物質(zhì)的去除及細(xì)胞生長的限制。

由于ASM污泥系列模型構(gòu)建非常的復(fù)雜，將其直接運(yùn)用于污水廠的污泥狀況以及水處理狀況的模擬較為困難，這時(shí)，我們就根據(jù)具體條件將其進(jìn)行簡化，不需要考慮污泥中的自養(yǎng)菌、有機(jī)物等指標(biāo)以及各類不需要的反應(yīng)過程，僅選擇我們最為關(guān)注的兩個(gè)指標(biāo)，考慮它們之間的相互作用，即污水中的溶解性有機(jī)物和污泥中的異養(yǎng)細(xì)菌的動(dòng)力學(xué)關(guān)系。本文采用的膜生物反應(yīng)器可以控制污泥與底物的流失與否，又因進(jìn)水中異養(yǎng)菌濃度比污泥中的濃度小很多，所以可以不考慮異養(yǎng)菌的濃度。

建立模型：

(1)

(2)

式中，dE/dt為污水中的底物濃度；dX/dt為活性污泥中的異養(yǎng)菌含量；μ為污泥對底物的最大利用系數(shù)；M為異養(yǎng)菌的產(chǎn)率系數(shù)；KE為污泥消耗的半飽和系數(shù)；P為進(jìn)水流量；V為反應(yīng)器體積；Ei為進(jìn)水中的底物濃度；Xi為進(jìn)水中異養(yǎng)菌濃度(不考慮，值定為0)；b是指活性污泥中的異養(yǎng)菌衰減系數(shù)。

2.3 合理選取參數(shù)

異樣菌產(chǎn)率系數(shù)M的取值，其主要和所降解的微生物體、底物的性質(zhì)等因素相關(guān)，結(jié)合相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究，我們?nèi)值為0.81。 污泥對底物的最大利用系數(shù)μ和污泥消耗的半飽和系數(shù)KE，依賴于被處理污水的性質(zhì)，而且它們也跟微生物生長的反應(yīng)結(jié)構(gòu)有關(guān)。所以μ取為14.8d-1，KE取為1700g/m3。 污泥死亡率b值取值為0.013d-1。水力系數(shù)P/V，即進(jìn)水流量占整個(gè)反應(yīng)容器體積的比值，實(shí)驗(yàn)測得P/V取值 0.25。進(jìn)水底物濃度Ei所指地是污水的進(jìn)水原水質(zhì)的COD濃度值，我們?nèi)?28mg/L。

2.4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬數(shù)據(jù)的比較分析

選取某水廠進(jìn)行相關(guān)模擬，在模擬的出水水質(zhì)中，Ei占出水TCOD的68.4%，是出水TCOD的主要構(gòu)成，因?yàn)橛袡C(jī)物Ei不參與任何反應(yīng)，所以其在系統(tǒng)中COD的濃度保持不變，較高Ei的比例將導(dǎo)致較高的出水COD；顆粒性惰性有機(jī)物Xi被活性污泥絮體獲取而與活性污泥成為一體，占出水TCOD 10.9%，XB，H占出水TCOD的14.2%。由于污水處理廠工藝是不完全脫氮工藝，出水中的硝態(tài)氮濃度SNO較高，占出水TN的95%，也是出水TN的主要構(gòu)成。

城市污水處理廠污水進(jìn)水水質(zhì)以及進(jìn)水的污水量都是實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化的，該模型可以對實(shí)際污水處理廠水處理的運(yùn)行質(zhì)量情況進(jìn)行實(shí)時(shí)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測并管理，參照實(shí)時(shí)的模擬結(jié)果，從而能夠?qū)ξ鬯幚韽S的水處理狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并采取相關(guān)優(yōu)化方案。對于生活污水，各個(gè)污水廠污水的各指標(biāo)的相對含量基本恒定。對該污水處理廠的實(shí)時(shí)模擬主要是針對污水的進(jìn)水水質(zhì)以及水量的實(shí)際變化作為參考的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，從而進(jìn)行了非穩(wěn)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)。

表1 模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果對比(單位：g/m3)

從表1中對比可以看出，該MBR模型的模擬效果較為理想，在一定程度上，能夠反映出該污水處理廠的實(shí)際出水水質(zhì)狀況和突發(fā)變化的情況，因而，可以說該模型適用于實(shí)驗(yàn)對象所選取的水廠。但是我們能夠發(fā)現(xiàn)，上表中有幾個(gè)異常數(shù)據(jù)。因此模型中的許多參數(shù)還需要改進(jìn)。也就是說，雖然現(xiàn)在模型中所使用的參數(shù)得到的結(jié)果與該污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行結(jié)果基本相同，但是，仍然需要更加嚴(yán)格的實(shí)際檢驗(yàn)。因此，能否將該MBR模型運(yùn)用于其它的污水處理廠，其關(guān)鍵在于MBR模型中各項(xiàng)參數(shù)的取值合理與否。如果處理廠的技術(shù)改變，或者運(yùn)行過程中有突發(fā)情況出現(xiàn)，這是只要將參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，再次實(shí)現(xiàn)對模型參數(shù)的校準(zhǔn)過程即可。

3 結(jié) 論

膜生物反應(yīng)器技術(shù)的廣泛推廣勢在必行，對于MBR活性污泥模型的深入分析和探討成為該技術(shù)大規(guī)模建設(shè)運(yùn)用的關(guān)鍵。本文通過ASM1的基礎(chǔ)之上，構(gòu)建了MBR活性污泥模型，雖然實(shí)際模擬取得了不錯(cuò)的試驗(yàn)成果，能夠在試驗(yàn)的水廠中完美的模擬實(shí)際污泥處理狀況，然而仍有多方面參數(shù)的設(shè)定以及其實(shí)際適用范圍需要作更加深入地研究探討，尤其在模型理論和實(shí)際運(yùn)用方面仍有許多工作需要落實(shí)。該MBR模型能夠比較全面的反映生化反應(yīng)的全過程，雖然在數(shù)學(xué)公式的表達(dá)上較為復(fù)雜，但將其與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，就可以克服這一困難。本文構(gòu)建的污泥簡化模型將數(shù)學(xué)模型與計(jì)算機(jī)相結(jié)合，在誤差允許范圍內(nèi)能夠很好地模擬污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行狀況，為污水處理廠提供技術(shù)支持，進(jìn)而提高城市污水處理廠設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理水平。

[1]劉芳，陳秀華，顧國維.簡化活性污泥數(shù)學(xué)模型在城市污水廠中的應(yīng)用[J].環(huán)境工程，2005，02：33-36+3.

[2]Eckenfelder W W.O’Conor D J.Biological Waste Treatment.New York：Pergamom Press，1961.

[3]Jones G L.Bacterial growth kinetics：measurement and significance in the activated sludge process.Watres，1973，7(1)：117-125.

[4]Andrew J F.Control strategies for the anaerobic digestion process.Water & Sewage Works，1975，122(3)：62-65.

Application of MBR Activated Sludge Model in Wastewater Treatment

PAN Yi

(Lishui Environmental Monitoring Centre，Lishui 323000)

In this paper，the ASMI model was simplified and improved，and a simplified model of MBR activated sludge was constructed，which was verified by an example of a related sewage treatment plant.The results showed that the improved MBR model could simulate the actual situation of sludge more real，which had certain practical application value and certain guiding significance for the future operation of the sewage plant management，so it is worthy of further study and application.

MBR；sludge reduction model；application

潘伊，本科，工程師，主要從事環(huán)境監(jiān)測工作

X83

A

1673-288X(2016)06-0110-03

引用文獻(xiàn)格式：潘 伊.關(guān)于MBR活性污泥模型在污水處理中的應(yīng)用[J].環(huán)境與可持續(xù)發(fā)展，2016，41(6)：110-112.