采用数学模型进行污水处理厂运行模拟的研究

分类号：X703密级：公开档案号：2012-01-227-083002-45-024学号：0911021029硕士学位论文（2012届）采用数学模型进行污水处理厂运行模拟的研究研究生姓名顾晓丹指导教师姓名黄勇（教授）专业名称环境工程研究方向水污染控制工程论文提交日期2012年6月苏州科技学院硕士学位论文采用数学模型进行污水处理厂运行模拟的研究硕士研究生：顾晓丹指导教师：黄勇（教授）学科专业：环境工程苏州科技学院环境科学与工程学院二O一二年六月MasterDissertationofSuzhouUniversityofScienceandTechnologySimulationofOperationoftheWastewaterTreatmentPlantwithModelMasterCandidate:GuXiaodanSupervisor:Prof.HuangYongMajor:EnvironmentalEngineeringSuzhouUniversityofScienceandTechnologySchoolofEnvironmentalScienceandEngineeringJune,2012苏州科技学院学位论文独创性声明和使用授权书独创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。论文作者签名：日期：年月日学位论文使用授权书苏州科技学院、国家图书馆、中国科学技术信息研究所的《中国学位论文全文数据库》等国家有关部门或机构有权保留本人所送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。本人完全了解苏州科技学院关于收集、保存、使用学位论文的规定，即：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其他复制手段保存汇编学位论文；同意学校在不以赢利为目的的前提下，用不同方式在不同媒体上公布论文的部分或全部内容。（保密论文在解密后遵守此规定）论文作者签名：日期：年月日指导教师签名：日期：年月日苏州科技学院硕士学位论文摘要I摘要针对我国污水处理厂面临的运行控制水平低，未达到应有的设计负荷；运行费用高，能源消耗量大等现状。采用数学模型来解决污水厂面临的问题具有重要的意义。然而，建立能反映污水厂实际运行状况的模型，目前尚未提出一套公认的方法。因此，找到建立污水厂模型的系统方法至关重要。本课题结合苏州市吴中区城区污水处理厂二期工艺的实际运行状况，围绕厌氧+氧化沟工艺，以BioWin软件为平台，应用ASM2模型对该污水厂的运行进行数学模拟，从而建立一个能反映污水厂实际运行状况的数学模型。根据氧化沟沿程实测DO的变化趋势，采用若干个曝气与非曝气的完全混合反应池的串联来近似代替氧化沟的工艺性能，提出了三种污水厂工艺模型方案。通过分析、比较三种方案主要出水水质指标、污泥分布特征和沿程DO的模拟变化情况，最终确定了较为合理的污水厂工艺模型：将曝气转碟下游4m的区域设为曝气池，其余区域设为非曝气池，采用若干个完全混合的曝气池和非曝气池的串联来近似代替氧化沟的工艺性能，是较为合理的氧化沟工艺模型建立方法。采用污水厂历史数据对模型进行稳态模拟，通过比较出水水质（COD、氨氮、TN、TP、SS）和系统污泥分布（氧化沟污泥浓度、回流污泥浓度）的模拟结果与实测结果的拟合程度。结果表明，通过调整部分废水特征参数（非降解溶解COD，颗粒性不可生物降解COD，易生物降解溶解性COD），动力学参数（氨氧化菌最大比生长速率，聚磷菌最大比生长速率），二沉池最大沉降速率，污水厂模型的模拟结果与实测结果拟合较为理想，污泥浓度和出水COD拟合的平均相对误差都＜10%；出水氨氮、TN、SS拟合的平均相对误差＜10%，绝对误差＜1mg/L；出水TP拟合的绝对误差＜0.1mg/L。采用实测动态进水数据对校准后的污水厂模型进行动态模拟，通过比较出水水质（COD、氨氮、硝态氮、TN、TP、SS）和系统污泥分布（氧化沟污泥浓度、回流污泥浓度）。验证结果表明，模型的动态模拟结果与实测结果拟合理想，污泥浓度、出水COD、氨氮、硝态氮、TN、SS的模拟结果与实测结果变化趋势的直观比照较理想，50%以上模拟点的相对误差在20%以内；出水TP模拟结果与实测结果变化趋势的直观比照较理想，50%以上模拟点的绝对误差在0.1mg/L之内。进一步验证了所建立的吴中区城区污水厂模型能基本反映污水厂的实际运行状况。最后，总结了模型校准过程中的关键点：①首先校准系统的污泥分布，系统的污泥分布主要受废水特征参数——非降解颗粒COD，和运行参数——剩余污泥排放量影响。其中，剩余污泥排放量对污泥分布的模拟最为明显。苏州科技学院硕士学位论文摘要II②校准出水COD，因为出水COD的主要影响因素是废水特征参数——非降解溶解COD，同时，出水COD模拟值受其他模型参数的影响不大。③校准出水氨氮浓度，氨氧化菌最大比生长速率在很大程度上决定了出水氨氮的模拟值。同时，在模拟出水氨氮时，还需要特别注意水温的变化情况，因为水温会影响氨氧化菌最大比生长速率的变化。④在模拟出水硝态氮和TN时，需要特别注意系统的外回流量。外回流量会很大程度上影响出水硝态氮和TN的模拟值。注意：在校准出水氨氮、硝态氮和TN时，需要把三种出水氮的形式联系起来一起校准，因为三种氮是相互影响的，同时，在校准出水氮模拟值的过程中，需要结合对系统的分析，对其进行合理校准。⑤在模拟出水TP时，系统的外回流量也会对出水TP的模拟值有影响，同时，聚磷菌最大比生长速率会大大影响TP模拟值。⑥出水SS的模拟主要是受二沉池最大沉降速率影响。关键词：ASM2，污水厂，氧化沟，运行模拟MasterDissertationofSuzhouUniversityofScienceandTechnologyAbstractIIIAbstractMostofwastewatertreatmentplantsinChinafacedupwithmanyproblems,suchaslowoperationcontrollevel,lowoperationloadwhichwaslowerthandesignload,highoperationcost,andhighenergyconsumption.Itwassoimportanttoresolvetheseproblemsonwastewatertreatmentplantswithmathematicalmodel.But,therewasnostandardmethodforbuildingamodelwhichcanreflecttheactualoperationsituationofthewastewatertreatmentplant.So,itwascrucialtofindoutamethodforbuildingamodelofwastewatertreatmentplant.AccordingtotheoperationoftheurbanWWTPinWuzhongDistrictofSuzhou,ASM2wasusedtosimulatetheoperationoftheoxidationditchprocessinthewastewatertreatmentplantwiththeBioWinsoftware.Themodelcanreflecttherealoperationstatusoftheplantfairly.ThreeprocessmodelsofthewastewatertreatmentplantwereputforwardwithmeasuredDOchangetendencyalongtheoxidationditch,andusingseriesofaeratedandunaeratedcompletelymixedreactiontanksinsteadofoxidationditch.Fromeffluent,sludgedistribution,andsimulatedDOchangetendencyalongtheoxidationditch,threeprocessmodelswereanalyzedandcompared,themostreasonableprocessmodelofthewastewatertreatmentplantwaschosenatlast.Theareawhichlocatedin4metersdownstreamofaerationdiscforaeratedtank,otherareaforunaeratedtank.Itwasthemostreasonablemethodforsettingaoxidationditchprocessmodel.Thesteady-statesimulationofthemodelwascarriedoutwiththehistoricaldataofthewastewatertreatmentplant,bycomparingsimulatedresultsandmeasuredresultsofeffluent(COD、ammonia、TN、TP、SS)andsludgedistributionofsystem(MLSSofoxidatinditch,Returnactivatedsludge).Theresultsshowedthat,byadjustingsomeofwastewatercharacteristicparameters(suchasinertsolubleCODintotalinfluentCOD,inertparticulateCODintotalCOD,readilybiodegradablesubstrateinCOD),andsomeofkineticparameters(suchasmaximumspecificgrowthrateofammoniumoxidationbacteria,maximumspecificgrowthrateofPAOs),maximumvesilindsettlingvelocityofsecondaryclarifier,thesimulatedresultsofthemodelandthemeasuredresultswereidealfitting.Theaveragerelativeerrorwaslessthan10%forsludgedistributionandeffluentCOD;theaveragerelativeerrorwaslessthan10%,andabsoluteerrorwaslessthan1mg/Lforeffluentammonia、TN、SS;absoluteerrorforeffluentTPwaslessthan0.1mg/L.Dynamicsimulationofthemodelwascarriedoutwithmeasuredinfluentdata,byMasterDissertationofSuzhouUniversityofScienceandTechnologyAbstractIVcomparingsimulatedresultsandmeasuredresultsofeffluent(COD、ammonia、TN、TP、SS)andsludgedistributionofsystem(MLSSofoxidatinditch,Returnactivatedsludge).Thedynamicsimulatedresultsandthemeasuredresultswer