当前的世界环境

介绍

活性污泥工艺是在工业和卫生废水处理中广泛使用的生物废水处理方法之一。曝气罐和最终沉降罐是此过程的两个主要组成部分（纳尔逊et al。，2009）。废水的可变流量，质量加载等特征进入治疗厂，与时间成比例，使活性污泥过程复杂化（Barnettet al。1995年）。过去十年，过去十年的废水处理的复杂性由于需要除了添加有机碳而除去氮和磷化合物。数学建模是一种强大的设计工具，提高利用率，预测未来和过程控制中的过程行为（Olssonet al。， 1999)， (IWA工作组．, 2000)。

许多努力是从20世纪70年代初期开发激活污泥的模型。最后，IAWQ集团在1987年提供了第一个正式的活性污泥模型。如今，ASM1，ASM2，ASM3的活性污泥模型可作为建模碳氧化，硝化，脱氮和生物磷过程的适当工具。删除（Fenu.et al。, 2010)。从列出的模型来看，ASM1模型在研究人员中比较幸运(Sarkar)et al。, 2010)。ASM1模型是一种国际公认的模型，用于在城市废水处理中对活性污泥进行建模。ASM1包括8个激活的污泥过程，这些过程如下（IWA任务组．, 2000):

杂养细菌的1-好氧生长，异养细菌的2-缺氧生长，自养细菌的3-好氧生长，4-糊性和腐烂的异养细菌，5-糊和腐烂的自养细菌，6-水解颗粒状有机物，6-水解。7-颗粒有机氮的水解，溶解有机氮的8-氨。

此外，该模型由以下列出的13个组件组成(IWA Task组)．, 2000):

S._一世.惰性可溶性有机物的浓度，mg COD/L

S._S.。易于生物降解可溶性底物的浓缩，Mg Cod / L.

X_一世.微粒性惰性有机物浓度，mg/L

X_S.。缓慢可生物降解的颗粒基质，Mg Cod / L浓缩

X_B,一个.活性自养颗粒物质量浓度，mg COD/L

X_B、H.活性异养颗粒物质量浓度，mg COD/L

X_P..生物质腐烂产生的不可生物降解颗粒物的浓度，mg COD/L

S._O..可溶性氧浓度，mg/L

S._ND.可溶性可生物降解有机物浓度，mg N/L

S._NH。可溶性铵氮，Mg N / L的浓缩

S._没有。可溶性硝酸盐和亚硝酸盐氮，Mg N / L浓缩

X_ND.颗粒生物可降解有机氮浓度，mg COD/L

S._碱性.碱度通常报告为mg/L如CaCO3

污泥活动的澄清、浓缩和维持在沉淀池中进行。如果上述任何操作面临困难，活性污泥法将不提供必要的输出标准(Cakiciet al。1995),(塔卡克斯et al。，1991年）。因此，每个澄清和增稠过程应在沉降罐中进行建模。在沉积罐中的每种方法中考虑的固体量，对流出物悬浮固体的浓度产生了很大的影响。

今天，为了设计、控制、预测系统行为和操作人员培训，建模和计算机模拟被越来越多地使用。污水处理建模软件包如SSSP, STOAT, AQUASIM, EFOR, GPS-x和WEST在市场上可用(Liwarskaet al。, 2010)。

已有许多中试和实验室规模的模拟结果，但针对全规模污水处理厂的特点进行的模拟较少。Siegrist和Tschui使用ASM1模型(Siegristet al。, 1992)。

Ozer等，使用了四种治疗厂的结果来评估ASM2型号（Ozeret al。，1998年）。Carucci等，模拟罗马的废水处理厂，以评估氮气去除（Carucciet al。，1999）

荷兰的两个大型废水处理厂是通过Makina等人使用GPS-X软件（Makiniaet al。, 2002年。Nuhoglu等人用ASM1模型(Nuhogluet al。，2005）。

在这项研究中，在第一节中，在68天的伊斯法罕南部的废水处理厂测量了来自常规活性污泥系统的流水和污水废水的特征。所考虑的杀虫系数也包括产量系数（Y），衰减系数（k_D.)、最大比生长速率(µ_m）和饱和常数（k_S.)，作为ASM1模型的输入。第二部分，利用STOAT建模软件对伊斯法罕南部污水处理厂进行数学建模。最后，将实测输出值与模型预测值进行比较。

伊斯法罕南部的废水处理厂

伊斯法罕南部的废水处理厂位于伊斯法罕和长长的Zayandehrood河的东南部，它位于海拔1563米。该废水处理厂的第一阶段开始在1967年的涓涓细流过滤方法工作，容量为90000人。第二和第三阶段分别在1983年和1987年通过常规的活性污泥法分别利用，每种能力为40万人。流动流量约为130000米^3./ d。通过筛选和沙池单元后的输入废水进入四个主沉淀池，每个容积为2500立方米，直径为35米。通过生物处理，废水进入两个好氧阶段。曝气池总容积为32400立方米。然后输出废水进入4个直径60米的二次沉淀池。每个二次沉淀池的容积为8105立方米。经过氯接触池的废水被导向Zayandehrood河用于农业用途。在图1中可以看到伊斯法罕南部的污水处理厂图像。

图1伊斯法罕南部污水处理厂图像 点击这里查看图

材料和方法

在68天内，从Isfahan南部废水处理厂的输入废水，曝气池和废水流出物中获得所需的样品。通过标准方法书（APHA，2005）中的测量方法检查了物理和化学参数的值。每天分析TSS，VSS，BOD，SBOD，COD，SCOD，分析每周三次定时三次定时分析TN，MLS，NH4-N，NO 3-N。值得注意的是，使用商业测试套件分析NO3-N和TN参数。为了确定MLSS，SBOD，SCOD，使用Whatman GF / C玻璃纤维过滤器。

污水特性

在伊斯法罕南部的废水处理厂进行实验后，如表1和2所汇总的统计学分析了测试结果。

表1：68天实验期间输入和输出废水处理厂的特点 点击这里查看表格

表2:污水曝气池在68天试验期间的特性

从表1和2中可以看出，通过使用SPSS软件计算曝气池中的输入，输出和内部的所需参数，平均值，标准偏差和变异系数。例如，获得了输入和输出BOD的平均值和COD参数，分别为240,82.5,575.5,171.33mg / L.

在概率论和统计学中，变异系数(CV)是一种正态测度，用来测度统计数据的分布。换句话说，变异系数表示一个单位的平均离散度，是一个无量纲值。这个系数是一个小于1的数字，如果它接近1，表明一个更大的离散，如果它接近0，表明缺乏适当的离散和统计数据的适当的相关性(Forkman．，2013）。根据表1和2中呈现的统计结果，所进行实验的变异系数范围为0.05至0.015，该范围表示结果与缺乏分散之间的正相关。

伊斯法罕南部建模污水处理

为了对曝气池内的过程进行建模，采用了ASM1模型。在沉淀池中，通过动态沉淀池模型对澄清过程和浓稠过程进行了建模。该模型由Takacs等人提出，命名为通用模型(Takacset al。，1991年）。Stoat 5.0用于实施模型。

一般计划进入软件，包括初级沉降罐，曝气罐和次级沉降罐，如图2所示。在上述步骤之后，输入废水的特性，物理尺寸，每个单元中的使用模型以及一些操作为软件定义特征，可以在图3中作为样品看出。然后通过运行程序，可以观察建模结果。

图2:总体计划进入STOAT软件开始建模 点击这里查看图

图3:选定的模型和进入STOAT模型的物理维度 点击这里查看图

ASM1模型的组件:ASM1模型包括13个组件，这些值应该为模型确定。因此，根据伊斯法罕南部污水处理厂的实验结果和现有资料，对部分组分确定如下值，并将其输入模型，如表3所示。对于其他组件，使用软件中卫生废水的默认值。

表3伊斯法罕南部污水处理厂ASM1模型组成

由表3可知，S_S., X_一世,年代_一世和X_S.参数将等于COD，相当于575 mg/l。也是S的和_NDØœ年代_NHØœ年代_没有和X_ND参数等于总氮浓度减去不可生物降解氮。上述参数之和为65.45 mg/l。根据实验，总输入氮为68.23 mg/l。两者之间的差异约为2.78 mg/l，这个差异是ASM1模型中没有进入的不可生物降解有机氮。S._O.是溶解氧的浓度。根据实验，SO的平均含量为1.65 mg/l。

模型校准

模型校准是建模最重要的步骤之一。在该步骤中，将该值分配给一些或全部的动力学和化学计量系数，并且它们基于所需废水的进行实验，或者它们被从其他研究人员的结果驱动。模型校准的目的是关闭模型预测结果和实验结果。在本研究中，通过使用实验结果和以下方程式，计算了生物漏系数的值（Mardani）et al。, 2011)。

式中SRT为固相保留时间，d、Y为生物量产量，mg VSS/mg sCOD; U为底物利用率，mg sCOD/mg VSS。d和k_D.是内生衰减系数，1/d和S_0.为进水底物浓度，mg sCOD/L, S为出水底物浓度，mg sCOD/L, X为生物量浓度，mg VSS/L， Ó¨为水力停留时间，d和K_S.为半速度常数，mg sCOD/L, k为最大底物利用率，mg sCOD/mg VSS。D和m为最大比生长速率，为1/ D

通过使用等式1，绘制1 / SRT的图表与U和曲线配件绘制;y和k的值_D.计算。在此基础上，Y和K_D.系数分别为0.411 VSS/mg sCOD和0.984 1/d。图表如图4所示。

图4：Y和KD系数的图 点击这里查看图

然后，通过使用等式2，绘制1 / U的图表与1 / s和曲线配件;k和k的数量_S.评估了。在图5中，可以观察到的图表。在此基础上，k和ks系数分别测定20.496mg scod / mg vss.d和71.12 mg scod / l。在下文中，通过使用等式3，获得μm系数的量为8.424L / d。

图5 K及K系数确定示意图 点击这里查看图

结果和讨论

为了评估结果，结果分为三组。第一组包括流出物碳质化合物，第二基团包括流出物悬浮固体，第三组包括流出物氮化合物。然后，比较了实验结果和仿真结果的亲密率。

流出物总鳕鱼包括可生物降解的可溶性鳕鱼，非生物降解可溶性鳕鱼，颗粒状可生物降解的鳕鱼和颗粒状的非可生物降解鳕鱼。模型输出在图6中可见。还可以与模型预测结果相当的表4所获得的结果。

图6：模型流出物碳化合物的值 点击这里查看图

表4:碳类化合物的实验结果与模型预测结果的比较

根据上表，模型的总预测鳕鱼具有约2％的差异，在伊斯法罕废水处理厂的流出物上进行了实验结果。对于每个COD组件，这种差异约为7％，并且它是可接受的值。在模型输入中的非增生可溶性鳕鱼被认为是大约30mg / L的入口鳕鱼，如预期的那样，该值仍然保持不变，并且在流出物中，预计将预计约29.89mg / L.在输入模型中施加可生物降解的可溶性COD约148.12mg / L，其在流出物中的量观察到约14mg / L，并且在模型的输出中，得到约18.49mg / L.根据实验结果，颗粒鳕鱼在流出物中观察到约127.34mg / L并基于模型输出，这一量是可生物降解的COD和非生物降解鳕鱼的总和预测约119.45mg / l，它有与实验中观察到的值差异6％。

总氮包括氨氮、有机氮和硝态氮。模型输出的预测值如图7所示。另外，在表5中，实验所得值与预测结果具有可比性。

图7：来自模型的输出含氮值 点击这里查看图

表5:含氮化合物的实验结果与模型预测结果的比较

由表5可知，实验中观察到的出水凯氏定氮约为54.47 mg/l，与模型预测值53.56 mg/l相差很小，约为1.67%。由于大约10天的低SRT，大量的硝酸盐没有产生，输入和输出氮的差异已经进入产生的生物量。根据模型计算结果，出水硝酸盐约为0.18 mg/l，溶解态有机氮约为8.9 mg/l，预计出水总氮约为53.74 mg/l。出水悬浮物包括挥发性悬浮物和非挥发性悬浮物。输出预测模型如图8所示。表6中模型预测值与实验结果具有可比性。

图8：来自模型的输出悬浮固体的值 点击这里查看图

表6：实验结果的比较与悬浮固体的模型预测结果

根据实验结果，得到的出水TSS约为105.33 mg/l，模型预测的出水TSS约为113.35 mg/l。这两个金额相差7%左右。VSS和nVSS的含量分别为108.12和5.24 mg/l。

考虑到所提到的信息，具有生物素校准系数的模型输出是可接受的，并且实验的模型结果差异小于10％。为了采用实验结果，我们可以通过使用实验或手动来校准其他模型系数以获得其他优化系数。

结论

伊斯法罕南部的污水处理厂在STOAT软件中进行了建模。曝气池采用ASM1模型，二沉池采用Generic模型。伊斯法罕南部污水处理厂的常规活性污泥在68天内的输出和输入废水的特性被测量，并将这些数据输入ASM1模型。为评价建模结果，将结果分为三组。第一组包括出水含碳化合物，第二组包括出水悬浮物，第三组包括出水含氮化合物。为了标定模型，采用生物动力学系数K_S.K_D.， k, y, n_m用20摄氏度来代替默认系数。然后将仿真结果与实验结果进行了比较。实验结果表明，该模型具有良好的适用性，最大观测误差小于10%。

致谢

伊朗伊斯法罕大学环境研究中心（IUMS）伊斯法罕;和环境卫生部，卫生学院，学生，研究中心，（IUMS），伊斯法班，伊朗卫生学院。

参考文献

1. 美国公共卫生协会（APHA）华盛顿（2005）的水和废水检查标准方法。
2. 王志强，王志强，王志强。动态建模方法研究[J]。水环境技术， 12, 41-44(1995)。
3. 陈志强，陈志强，陈志强，活性污泥工艺中污泥龄控制方法的研究。水物， 29(4)， 1093-1097(1995)。
4. 大型污水处理厂的管理优化。水Sci抛光工艺， 39(4)， 129-136(1999)。
5. FENU，A.，GUGLIELMI，G.，基于活化的污泥模型（ASM）膜生物反应器（MBR）流程的建模：对MBR规范的特殊方面的关键综述。水的研究，44,4274-4294（2010）。
6. 正态分布中常见变异系数的估计和检验。《统计传播——理论与方法》，2013年第38期。
7. 正态分布中常见变异系数的估计和检验。《统计传播——理论与方法》，2013年第38期。
8. IWA污水生物处理设计和运行的数学模型工作组，活性污泥模型ASM1, ASM2, ASM2D和ASM3。IWA出版社，伦敦，英国(2000)。
9. 在BioWin软件实现的活性污泥模型中，活性污泥模型最敏感的参数是什么?生物资源技术，101,7278-7285（2010）。
10. Makinia，J.，Swinarski，M和Dobiegala，E。，波兰北部两大废水处理厂的计算机模拟经验．水Sci抛光工艺，45（6），209-218（2002）。
11. “城市污水中活性污泥法生物动力学系数的测定”。J. Environ。健康。SCI。嘉，.4(1)， 25-34(2011)。
12. 纳尔逊，M.I和西路，H.S.，活化污泥模型的分析（1号）。应用数学字母，22,629-635（2009）。
13. Nuhoglu，A.，Keskinler，B和Yildiz，E。，活化污泥过程的数学建模 - 埃尔司旺达病例。过程生物化学， 4,2467 - 2473(2005)。
14. Olsson，G和Newell，B.，废水处理系统：诊断和控制建模。IWA Publishing，伦敦，英国（1999）。
15. 陈志强，陈志强，陈志强，等，IAWQ活性污泥模型的评价。采用四个全规模污水处理厂的稳态数据。水环境Res， 70(6)， 1216-1224(1998)。
16. 基于活性污泥的废水处理过程的动态模拟:印度Titagarh污水处理厂的案例研究。海水淡化， 252 120-126(2010)。
17. (4)活性污泥模型试验数据的解释。城市污水处理厂模型的标定。水Sci抛光工艺， 25(6)， 167-831(1992)。
18. 引用本文:张海涛，张海涛，张海涛，等。clariï -阳离子增稠过程的动力学模型。水物， 25(10)， 1263-1271(1991)。