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1、序批式反应器污水处理系统仿真模型的建立摘要:序批式反应器污水处理系统(SBR)是目前应用很广的一种污水处理工艺。该文以国际水质量协会(IWA)发布的活性污泥生化污水处理系统标准模型ASM2d以及benchmark 组成协议为基础，结合序批式反应器污水处理系统的特点 ,分析了序批示反应器各阶段的物料平衡，从而开发了脱氮除磷 SBR系统的 Matlab 仿真模型。模型运行检验表明，该模型能较好地模拟脱氮除磷序批式反应器污水处理系统中的生化反应过程，可以作为一般 SBR系统运行仿真平台用于SBR系统的优化、控制及监视策略的研究。关键词:序批式反应器;脱氮除磷;活性污泥;仿真模型Development
2、 of the SBR System Simulation ModelABSTRACT：The SBR system is one of the wastewater treatment processes that deserves a large range of application. Based on the ASM2d and benchmark proposed by the IWA Task group and combined with the characters of the SBR system , this paper analyzes the mass balanc
3、es of different phases of the reactor and develops the simulation model of the SBR system for simultaneous nitrogen and phosphorus removal based on Matlab. Through the test of simulation , it can be found that the characters of the SBR system for simultaneous nitrogen and phosphorus removal can be w
4、ell simulated in this model . This simulation model can be applied to the research of optimization ,control and monitoring of SBR systems as system simulation platform .KEYWO RDS :SBR；Removal of nitrogen and phosphorus；Activated sludge；Simulation model1 引言随着工业生产的发展和城市人口密度的日益增长，越来越多的有机污染物被排入水源水体，水污染日
5、趋严重。与此同时，生产、生活对水质的要求却日益提高，以控制富营养化为目的氮、磷脱除已成为各国主要的奋斗目标。而序批式反应器(Sequencing Batch Reactor，简称SBR)具有构造简单、控制灵活等优点。SBR 在时间和空间上运行操作的灵活性，使SBR的发展呈现了多样性。SBR反应器可以根据废水水质的变化和对出水水质的要求来调整一个运行周期中各个工序的运行时间、反应器内混合液容积的变化和运行状态；SBR灵活的运行方式还体现在可以通过曝气时间和非曝气时间的控制，创造不同的环境状态，从而为去除不同类型的污染物创造不同的环境状态。只要对运行工序进行简单的调整，即可同时实现高效去碳、脱氮、
6、除磷。序批式反应器的这一特点对于要求同时脱氮除磷的污水处理具有重要意义。营养物的去除需要选择恰当的厌氧、缺氧、好氧条件，并且包含复杂的生物化学过程。如果没有恰当的模型，那么对出水水质就不可能有一个准确的预测。对于SBR这样运行状况多变的污水处理工艺，利用数学模拟的方法来进行辅助设计和优化控制是很有必要的，否则很难达到预期的设计目标。目前，建立在一个能比较准确反映微生物习性的模型基础上的仿真程序被看作是一个可以比较系统地评价各种设计和控制策略，允许系统的最优化，对出水水质进行预测的有效工具。因此，本文以国际水质量协会(IWA)提出的活性污泥法模型ASM2d为基础，建立了SBR系统的Matlab
7、仿真模型。2 活性污泥ASM2d模型 活性污泥模型(Activated Sludge Model，ASM)，是国际水质量协会 (IWA)针对污水活性污泥法处理推出的数学模型。ASM是为了解决废水生物处理设计和操作过程中的问题而推出的，主要目的是为了获得最优化的效果。ASM自从推出以来，得到了广泛的应用，其本身也在不断地发展和完善。现在，这个系列模型已经运用到了各种污水处理工艺，如接触氧化、氧化沟、SBR等工艺中。 1987年，IWA推出了ASM1，这个模型包括了有机物氧化及硝化和反硝化的生物过程。近10年的实践证明：ASM1是一种很有用的工具，在欧美得到广泛使用。但其主要缺陷是未包含除磷过程。
8、为此，1995年IWA推出了ASM2，它在ASM1的基础上引入了生物除磷以及化学除磷的过程。1999年IWA同时推出了ASM2d和ASM3。ASM2d是对ASM2的进一步完善，改正了 ASM2中对集磷菌(Phosphorous Accumulating Organism，PAO)的不恰当描述，ASM2d包含了集磷菌的反硝化能力，很好地描述了生物磷去除及硝化反硝化现象。而ASM3中同样只包括有机物氧化、硝化和反硝化，而没有包括生物除磷。对于要求同时脱氮除磷的SBR系统，选择ASM2d模型比较适合。ASM2d中包含了19种组分，21种反应过程，22个化学计量系数和45个动力学参数，将污水中的组分分
9、为可溶性组分和颗粒性组分，应用理论建立生物或化学反应过程（基于莫诺特方程式）。在表达方面最主要的特点是采用矩阵形式来描述各组分在反应过程中的变化规律和相互关系，这就简化了反应速率方程式的表达，有利于计算机程序的编码。在反应速率中采用了“开关函数”的概念，用来反映环境因素改变而产生的抑制作用 , 可以避免那些因为具有不连续特性的反应过程在模拟过程中出现的数值不稳定的现象。因此，本文选用ASM2d模型作为建立Matlab仿真模型的基础。3 序批式反应器各阶段物料平衡方程式的建立 SBR系统的显著特点是在流程上只设一个池子，将曝气池与二沉池的功能集中在该池上，是一种时序交替系统，在时间上交替运行就是
10、它的工作方式。SBR的每个周期的循环过程包括进水(Fill)、反应(React)、沉降 (Settle)、排放(Dis2charge)、闲置(idle)等阶段。在本文的脱氮除磷SBR 系统的仿真模型中，假定沉淀和排放阶段不发生生化反应。在进水和反应阶段，可以根据混合液中是否含有溶解氧及硝酸盐，将系统分为厌氧、好氧、缺氧三个阶段。3.1进水阶段 假定 SBR 系统是完全混合的 , 则进水阶段的物料平衡方程式可以表示为 :（1）其中V是在给定的时间t时，反应器的体积；Ci表示SBR系统中的混合液基质浓度；Q为流量，Cif为流入的基质Ci的浓度；ri 为基质Ci的变化速率。若定义 ,则可以将式(1)
11、改写成(3)式中V 0 为SBR系统的初始体积。值得注意的是，由于进水方式的不同(限制曝气、非限制曝气和半限制曝气）,溶解氧的浓度S0应该作为一个特殊的情况加以注意，它的物料平衡方程式可以表示：( 4 )式中，kla为氧转换系数，可根据曝气情况，取不同的值；为溶解氧饱和浓度。3.2反应阶段 当进水停止时，反应器达到最大水量状态，反应器的总体积不变，进入反应期。此时物料平衡关系如下 : ( 5 )同样，反应阶段溶解氧浓度S0的物料平衡方程式可以表示为 : ( 6 )kla的取值可以根据反应的不同状态(厌氧、好氧、缺氧)来加以确定。3.3沉淀阶段这里假设在沉降阶段不发生生化反应。SBR系统的沉淀方
12、式与连续式普通活性污泥法中的二次沉降池的模型相比，有很大不同，主要表现在SBR系统的沉淀，属于静止沉淀，而普通活性污泥法，则是一边进水，一边沉淀。 普通活性污泥法的二沉池内的固体颗粒浓度的变化主要有两种形式，一种是固体颗粒依靠自身重力产生沉降作用；另一种是固体颗粒在水流的夹带下与水流同步运动，产生空间位置的变化。由于SBR系统属于静止沉淀 , 没有进水，因此这里假定SBR系统沉淀阶段固体颗粒的浓度变化只与重力的作用有关。在此假定下，本文作者在国际水质量协会( IWA)专家组公布的关于典型污水生化处理过程 benchmark 组成协议中二沉池模型的基础上，建立了SBR系统的沉淀模型。采用双指数沉
13、降速度方程描述沉淀模型 , 将序批式反应池内水的高度等分为10层，底面积同样设为1500平方米。 由于不发生生化反应，也没有进水，则在沉淀阶段，可溶成分的浓度不发生变化，各层浓度都相等。为了简化，把最后反应结束的粒状物成分集总处理，用一个污泥浓度表示，每层的污泥浓度均匀唯一，层内部没有密度差。序批式反应器污水处理系统流程图4.Matlab仿真模型实现 作为一种高级的数学分析和运算软件，Matlab适用于各种矩阵运算及各种系统的建模与仿真。由于上面已经分析了反应器内各种成分在不同阶段的物料平衡，又由于ASM2d模型具有19种成分(9种可溶成分，10种颗粒状成分)，至此建立SBR系统的仿真建模可以
14、归结为分阶段求解非线性微分方程，其个数在进水和反应阶段为19个，在沉淀阶段为10个。为了避免编制和调用龙格库塔法子程序，这里选用了ode45解题器，从而使问题得到了极大的简化。 ode45 采用四阶/五阶龙格库塔法，自适应变步长的求解方法，计算精度高。其基本调用格式为 : t，y=ODE45(odefun，tspan，y0)其中odefun为描述状态方程的M函数的名称，其调用格式为function ydot = 函数名(t,y)，t为时间变量，y为状态变量，ydot为状态变量的导数；tspan 为用户的仿真时间，y0为系统的初始条件。另外在进水阶段，由于系统的某些参数发生改变(例如 SBR 系
15、统的体积),这时可以把这些参数添加到解法程序和ode文件的输入参数中，则此时的调用格式为 t，y=ODE45(odefun，tspan，y0， ，canshu)对应的odefun的调用格式相应的改变为function ydot = 函数名 (t,y,canshu)。 在SBR系统的仿真模型中，存在for循环语句，由于Matlab是解释性执行语言，对循环语句的计算较慢，特别是在本文的模型中，由于SBR系统的周期较长，循环次数很多，整个软件的运行时间较长。为了缩短运行时间，沉淀阶段的模型采用 C+ + 编程，然后利用Matlab应用程序接口 Mex 文件编译成动态库连接（扩展名为DLL）子程序，在
16、Matlab程序中调用 , 这样就大大缩短了运行时间。为了能够在 Matlab 环境下运行这个编好的程序，必须首先配置Mex的编译环境，其配置工作可在Matlab环境中运行 mex - setup命令，并按提示进行操作。配置之后，在Matlab环境下运行 mexfilename. c 编译C+ + 文件，然后可在当前目录下看到一个与C + +文件同名的 dll 文件，到此为止已经大功告成，其调用格式与Matlab内部函数相同。有了变量t和状态变量y，在仿真结束后采用函数plot(t,y)绘制出仿真的结果曲线。5仿真结果验证及比较 仿真结果的验证是确定所建立的SBR系统仿真模型正确性的关键。这里设置SBR系统的一个周期为8小时，其中进水1小时（限制曝气），厌氧1小时，好氧2.5个
