基于A2O工藝的廢水處理數學模型構建及應用

高海燕

(河北工業職業技術學院 宣鋼分院，河北 張家口 075100)

水資源與社會息息相關內，直接影響到人類的生存和發展，也與社會將來的經濟發展密切相連。我國的水資源大約為2.8萬億m3，而人均可以分配到的占有量僅占為2 300 m3，是世界人均水資源占有比較貧乏的國家之一。隨著氣候變化以及極端的氣候現象導致水資源的分布更加不均。此時，污水的及時處理，使得水資源更加快速循環就顯得格外重要。污水處理工藝既是對城市生活污水和工業廢水進行各種經濟、合理、科學、有效的工藝處理方法。常見的污水處理工藝有SBR工藝是一種序列間歇式活性污泥法的簡稱，按間歇曝氣方式來運行的活性污泥污水處理技術，又稱序批式活性污泥法；A2O即污水生物處理中典型的脫氮除磷工藝、UASB即上流式厭氧污泥床反應器，是一種處理污水的厭氧生物方法，又叫升流式厭氧污泥床。其中厭氧/缺氧/好氧(A2O)工藝是當今國內污水處理廠的主流工藝，在此過程中有機碳、氮和磷可以同時去除[1-2]。然而，傳統的A2O工藝在實際應用中也不可避免地會存在一些不可忽視的缺點，如當厭氧區在前面時，回流過程中含有硝酸鹽的污泥會對下一工序厭氧區產生不利的影響；缺氧區居中時，不均勻的碳源分配會在硝化反應中影響整體脫氮效果，此外，這種傳統工藝在排放剩余污泥中可能會不經厭氧狀態而直接由缺氧區進入到好氧區，導致除磷效果不理想等問題。因此，大量的磷和硝酸鹽通常留在處理過的水中，這嚴重地挑戰了其安全的環境排放或再利用。多項研究表明，通過改變厭氧和缺氧步驟的位置對工藝進行輕微修改，可將磷去除率提高5%～8%。這種工藝通常被稱為反向工藝，已在中國和日本的100多個污水處理廠得到廣泛應用[3]。然而，反向A2O工藝在除磷方面并不總是優于傳統的A2O工藝。例如，宋瑞平等[4]發現，常規工藝的總磷去除率為83.8%，而反向工藝的總磷去除率為78.9%。

此外，從本質上來說，A2O工藝屬于傳統活性污泥出來工藝，但是其融合了生物硝化及反硝化反應和生物除磷工藝，這確保了A2O工藝在污水處理中的普遍適用性。同時，從實際應用效果上看，A2O工藝也具有優異的抗沖擊性能，在高濃度的城市污水處理中也能滿足基本需求。數學模型指的是運用數理方法和數學語言建構所需內容的科學或工程模型。對于特定方向上的研究對象，運用適當的數學模型工具進行必要的簡化假設，最后通過數學語言表述出來一個數學結構，再將數學模型轉化為實際應用。可以知道數學建模為研究污水生物處理系統中復雜的污染物轉化過程提供了有效的工具[3-5]。并且已有多個集成數學模型和活性污泥模型模擬A2O技術處理城市污水。

1 A2O技術

A2O技術起源于20世紀70年代，由美國學者Krichten.D.J基于厭氧/好氧工藝研發出的可同步脫氮除磷的厭氧—缺氧—好氧污水處理工藝[6-7]。該工藝由于存在厭氧、缺氧、好氧的反應循環，所以絲狀菌的繁殖會受到抑制，從而不會發生污泥膨脹現象，污泥指數也會小于100，并且沉降性良好。其次該工藝可實現脫氮除磷和有機物降解的同步進行。該工藝流程簡單，A2O工藝流程如圖1所示。

圖1 A2O工藝流程Fig.1 A2O process flow

A2O技術在除磷方面有著尤其出色的表現，A2O工藝特性曲線如圖2所示。

圖2 A2O工藝特性曲線Fig.2 A2O process characteristic curve

1.1 A2O工藝原理

一般情況下，可將A2O脫氮除磷工藝分為3個部分，其中可以通過二沉池的污泥回流穩定體系微生物總量，硝化液回流致缺氧段從而完成工藝中脫氮的部分。而聚磷菌(PAOs)在厭氧與有氧的過程中完成對污水中磷的釋放與吸收，最終實現除磷的目的地。

(1)厭氧區。污水和回流的污泥同時進入厭氧區，由于回流的污泥中帶有兼性厭氧發酵菌作用于新進污水，這些發酵菌可使得新進污水中的可生物降解的有機物通過發酵反應為低分子量的可揮發性脂肪酸。由于在厭氧的情況下，聚磷菌(PAOs)會釋放體內的多聚磷酸鹽以及能量，其中一部分能量會維持聚磷菌的生理活動，而另一部分能量則可以完成發酵后產物的吸收與轉化，最后以聚羥基脂肪酸酯的形式儲存在聚磷菌的體內，此過程則完成工藝對磷的釋放過程。

(2)缺氧區。由于硝化菌可以主動吸收污水具有溶解性和生物降解性的有機物，所以在厭氧區流出的污水與系統的內回流污水通過缺氧區時，內回流污水中的硝酸鹽會發生反硝化反應形成氮氣排除污水處理系統，實現同步除碳脫氮。

(3)好氧區。在好氧區中，攜帶有聚磷菌的污水進行有氧呼吸，分解并消耗在厭氧區中儲存的聚羥基脂肪酸酯并產生能量，能量可用首先用在聚磷菌的自身繁殖，另一方面可以提供生活在好氧區的聚磷菌吸收溶解性的磷，使得污水中磷的含量繼續下降，最后達到除磷的過程。而污水中的有機物通過釋磷和反硝化反應使得濃度大大降低從而使本部分的硝化菌大量繁殖，進而加速氨氮反應轉為硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮，最后部分含氮鹽進入二沉池，而部分返回厭氧區進行反硝化反應進行脫氮。

(4)二沉池。反應過程中的污泥會在二沉池中沉降，這些污泥中含有攜帶已經超量吸收磷的聚磷菌，而含有這些聚磷菌的污泥會被排除系統，剩余的污泥會通過回流會到前段的厭氧區，最后達到平衡的穩態。

1.2 影響因素

1.2.1 碳源的影響

污水中的碳源對于脫氮除磷的效果影響巨大，比如在厭氧部分，由于污水中揮發性的脂肪酸與溶解性磷存在相互關系，所以揮發性脂肪酸的總量是衡量一個污水處理系統是否可行的重要指標；又或者是在缺氧部分，當污水中的碳源處于較高的水平時，反硝化的速率則會加快，所以碳源在缺氧段具有極其重要的地位；最后，好氧部分中過量的碳源可以促進異養菌的生長，加快微生物代謝，這樣可使得處理更完全。

1.2.2 溶解氧的影響

各個部分對于溶解氧的要求并不相同，所以溶解氧對各個部分的影響也并不相同，比如在厭氧部分中由于要執行嚴格的厭氧環境，繼而可以在好氧部分最大限度地發揮作用，達到除磷的作用；又比如在缺氧部分中，由于溶解氧的濃度直接影響脫氮除磷的反應速率，所以在缺氧區間內，調控溶氧量尤其重要，而在好氧區間中，過量的溶氧量對硝化菌有促進作用。

1.2.3 回流比的影響

A2O工藝中存在兩種回流，即硝化液回流R和污泥回流r，其中R的回流目的是為了將好氧區硝酸鹽和亞硝酸鹽 進行反硝化過程從而達到除氮去磷的目的；而r的有效回流可以保證系統中活性污泥的穩定[8]。

1.2.4 污泥齡與pH值的影響

污泥齡即是活性污泥的總量與每日排放的污泥量之比，它是活性污泥的平均停留時間，反映了微生物的生長狀態、條件等因素，并且對微生物的生長速率有著重要影響。不同污泥齡對A2O工藝中各組分的去除率如圖3所示。

pH值則直接影響工藝各部分，如厭氧部分的聚磷菌會在堿性較大的條件下，更好地促進好氧部分的吸磷效果，而隨著pH值的下降至中性左右，反硝化效率達到最高。

圖3 不同污泥齡對A2O工藝中各組分的去除率Fig.3 Different sludge age on removal rate of each component in A2O process

2 數學模型構建

在1987年，國際水協正式發表活性污泥1號數學模型(ASM1)，將數學模型應用至污水處理上，也推動了數學模型的實際應用。隨后，活性污泥2號(ASM2)以及2號D(ASM2D)亮相歷史舞臺，緊接著3號(ASM3)相繼發表，加快了數學模型的實際應用[9]。

2.1 數學模型的發展

自活性污泥1號發表后10年，一直被環境相關工作者流傳并使用，ASM1模型應用動力學表達式描述了可以進行反硝化的異養菌和進行硝化的自養菌的生長與衰亡，其本身受時代限制使得缺陷也略微明顯。一方面，相關工作者進行優化，將自養菌和異養菌的代謝路徑分開，使得ASM3模型誕生；另一方面，相關工作者則通過在描述硝化、反硝化、碳氧化，創建了一個包括有生物去磷的模型即ASM2號模型，并且建造了包括好氧除磷細菌與反硝化除磷細菌在內的ASM2D號模型。本文集中介紹ASM2D的構建以及應用[10]。

2.2 數學模型的構建

ASM2D模型是ASM2模型的完善與升級，共有19種組分、21種反應、22個化學計量系數及45個動力學參數。該模型包括厭氧水解、發酵及生物除磷、化學除磷碳氮去除以及生物除磷過程等8個反應過程。并且加入了聚磷菌在缺氧條件下的生長過程從而獲取活性污泥系統中的生物除磷的相關數據。在建立數學模型時，劃分廢水組分和確定各種動力學參數和化學計量系數是最為關鍵的，但是在很多情況下，一些參數不需要測定，使用假設值可收到良好的效果。在模型應用時除了要對有機物(COD)作必要的試驗區分外，大多數情況下并不需要對所有參數進行試驗確定。模型通過GPS-X6.4軟件構建，A2O系統采用串聯反應的模式，生化反應采用ASM2d模型，二沉池采用C4D簡單建模。假定模擬過程中系統的溫度，PH值不變，有機物組分的濃度可以變化，但組成不變，微生物的營養充分，二沉池內物生化反應僅設立一個固液分離點，并且異養菌不變。

通過列出機理方程式，解釋碳氧化、硝化、反硝化、吸磷、釋磷及化學除磷的生化反應過程可以構建模型。水質會和上述生活反應共同變化。將ASM2d模擬中的組分分為2個部分，即溶解性組分“S?”和顆粒性組分“X?”，而需要計算進水的組分有SI(不可降解溶解性有機物)，SF(可發酵的以生物降解有機物)，SNO3(硝酸鹽氮與亞硝酸鹽氮)，SPHA(PAO的細胞內儲存物)，SPO4(溶解態無機磷)，SN2(氮氣)，SALK(堿度)，SNH4(銨態氮和氨氮)，SO2(溶解氧)，SA(發酵產物)，XS(緩慢可降解有機物)，XI(不可降解顆粒性有機物)，XMeOH(金屬氫氧化物)，XPAO(聚磷菌)，XAUT(硝化菌)，XH(異養菌)，XTSS(總懸浮固體)，XPP(聚磷酸鹽)，XMeP(金屬磷酸鹽)。

在構建ASM2D模型采用化學計量系數描述單個反應過程中，各組分間的數量關系以及典型值見表1。

表1 各組分間的數量關系以及典型值Tab.1 Quantitative relationship between components and typical values

ASM2d模型以矩陣的形式來描述生化反應過程，每個過程的速率ρ和j表示，則各個組分組分總反應速率可表示為：

ri=∑jVijρj

(1)

3 ASM2D的模擬應用

活性污泥的數學模型描述了活性污泥體系中的組分以及相應反應，而模型的成功建立只是搭建好了一種描述的方法，接下來的模擬環節才是能否較好地反映活性污泥中的相應數據的科學診斷依據和猜測依據，從而對最終結進行校正。關于數學模型的穩態模擬在整個構建及其應用的環節中都扮演著極其重要的作用，而穩態即時反應條件隨時間基本不變，假定模擬過程中系統的溫度、pH值不變，有機物組分的濃度可以變化，但組成不變，微生物的營養充分，二沉池內物生化反應，僅設立一個固液分離點，并且異養菌不變。在該條件下賦值后將穩態模擬出的數據與實際數據相對比，再調整參數來選擇最為吻合的數值，最后基于穩態數據進行穩態模擬調整參數值，將校正后的參數再進行模擬分析，最終驗證其可靠性。

3.1 ASM2D模擬構建

通過軟件采取需要的模塊進行組合，結合裝置使用，再將各單元長度等物理參數輸入模擬中，即可完成模型的構建(圖4)。

圖4 模型構建Fig.4 Model building

3.2 靈敏度分析

靈敏度即改變單個參數對出水水質指標產生影響的量化分析，若該值發生變化則結果出現差異。通過公式(2)可計算靈敏度：

(2)

式中，S為靈敏度；x1為輸入參數；y1為輸出參數。

而靈敏度的大小對整個過程的影響可以分為3類：①靈敏度大于0.6時，參數對出水指標影響大；②靈敏度在0.3～0.6時，影響較大；③靈敏度在0.1～0.3時，影響一般；而靈敏度在0.01～0.10時，影響較小；靈敏度小于0.01時基本無影響。

3.3 ASM2d模擬分析

為了檢測此次模擬在實際污水處理的運用性是否合適，將程序針對某污水廠進行數據收集并模擬分析。據分析和觀察該污水廠的水質情況，提取工作時間內兩月中較為完整的數據進行模擬比較。可以測得期間COD為406 mg/L，TSS為337 mg/L，TN為63 mg/L，BOD5為300 mg/L，進水量在6×104m3/d左右(圖5)。

圖5 模擬值和實測值對比分析Fig.5 Comparative analysis of simulated and measured values

在模擬了穩態條件下的二沉池出水情況后，再跟進次污水廠的實驗室參數測定研究，同時結合模型參數分析與校正，最終得到了二沉池的出水模擬結果，可以發現誤差為10%。在穩態模擬并進行參數的校正后再進行幾次模擬驗證，從而得到相對理想的結果，二沉池出水的模擬濃度值與實測值基本相符。

4 結語

水資源在日常生活中具有極其重要的地位，所以加快污水循環對于平均水資源分配并不是特別富裕的國家顯得尤其重要，此時預先進行數學模擬A2O工藝技術，再調整參數得到最適值在污水處理中非常重要，更有助于污水處理并循環。

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