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第九章污水处理好氧系统模拟软件第一节污水处理系统模拟软件研究的必要性当前，活性污泥法在污水处理领域得到了广泛应用，形成了多种多样的的污水处理工艺，针对这样一个多变量、强耦合、高度非线性、时变时滞系统，国内外提出了多种数学模型，并以此加快工艺改进、优化决策、提高污水处理设计水平。
其中，模拟有机物、氮和磷去除的活性污泥系统模型(activated sludge models，简称ASMs)系列模型是当今活性污泥系统模拟的主流模型。
随着有机物降解和微生物增值的数学模型的发展，采用计算机仿真技术模拟污水处理过程得到了广泛的应用，出现了越来越多的污水处理系统专业模拟仿真软件。
国外污水处理专业仿真软件的发展相对成熟，包含的模型库比较丰富，可模拟的工艺过程覆盖面广，常用的包括ASIM、SSSP、EFOR、GPS-x、SIMBA、STOAT、WEST、BioWin等。
这些仿真模拟软件可以通过连接单元模块模拟污水处理工艺过程，在实际污水处理的系统评估、运行管理及工艺优化中均发挥了作用。
国内相关仿真软件的应用和开发都相对较少，一般采用通用型仿真软件如Matlab/Simulink、Mathematica等研究相关模型，相比专业仿真软件效率较低。
针对新业薄片公司和烟草薄片行业工业生产废水处理过程，国外污水处理专业模拟软件和通用型仿真软件都存在一些问题。
对于国外污水处理专业软件：1.没有中文界面与语言支持：2.价格昂贵，一般包括单独使用费用和培训费用，如果进行二次开发和研究，需要另外购买版权或研究人员版本；3.新业薄片公司工业废水处理设施施工完成后，在较长时间内基本处理工艺流程不会改变，这意味着商业软件中全品类的处理模块、工艺单元、模型结构等只能选择其中某几项使用，其它功能或模块都得不到应用，软件无法获得理想性价比。
对于通用型仿真软件来讲：1.仿真模型移植性差，与仿真软件本身绑定,难以封装到污水处理的监测、控制系统中；2.缺少可视化界面或人机交互功能，相较商业软件良好的人机接口而言，通用型仿真软件多采用命令行实现，参数修改比较繁琐。
第六讲第8章ASM系列活性污泥数学模型8.1 引言20世纪80年代南非开普敦大学的G.v.R.Marais 教授就提出了碳、氮、磷去除的动态活性污泥模型，其研究处于领先的地位。
1982年国际水污染研究与控制协会（International Association on Water Pollution Research and Control, IAWPRC,现更名为国际水质协会，International Association on Water Quality, IAWQ）组织了丹麦、美国、瑞士、南非和日本五国五位专家成立了活性污泥法设计和运行数学模型课题组，该课题组由丹麦技术大学Mogens Henze教授任组长。
该课题组在1987年以国际水污染研究与控制协会系列科技研究报告（STR）1号的形式出版了研究成果，即活性污泥1号模型（Activated Sludge Model1,ASM1）。
活性污泥1号模型（ASM1）包括碳氧化、硝化和反硝化3个主要作用，以矩阵的形式描述了污水在好氧、缺氧条件下所发生的水解、微生物生长、衰减等8种生化反应过程，模型中包括13个组分、5个化学计量常数和14个动力学参数。
活性污泥1号模型（ASM1）的内容不仅仅是模型本身，还提出了污水特性的描述方法。
活性污泥1号模型（ASM1）得到了普遍的认同和应用，但它的缺点是模型中未包含磷的去除。
1995年课题组（由丹麦、瑞士、日本和南非四国六位专家组成）以国际水质协会系列科技研究报告（STR）2号的形式出版了活性污泥2号模型（ASM2）一书，它包括了脱氮和生物除磷处理过程，还增加了厌氧水解、酵解及与聚磷菌有关的反应过程。
活性污泥2号模型（ASM2）中包括了19种生化反应过程、19个组分、22个化学计量常数和42个动力学参数。
在活性污泥2号模型（ASM2）研究刚完成的时候，反硝化与生物除磷的关系尚不清楚，因此，活性污泥2号模型（ASM2）中未包含这一因素。
活性污泥法的计算机模拟
蒋卫刚;顾国维
【期刊名称】《给水排水》
【年(卷),期】2006(32)8
【摘要】在活性污泥模型和二沉池一维分层模型的基础上，使用Delphi计算机编译语言，开发了计算机模拟软件Delsaop，并提出了较为完整的计算机动态模拟方案。
利用试验数据和污水处理厂的实际运行数据验证了模型的适用性，并说明了模拟软件在实际污水厂改建设计中的应用。
【总页数】1页(P116-116)
【关键词】污水处理;活性污泥法;数学模型;动态模拟
【作者】蒋卫刚;顾国维
【作者单位】同济大学环境科学与工程学院,200092
【正文语种】中文
【中图分类】X703;TP391.9
【相关文献】
1.活性污泥工艺模型在计算机模拟中的建立与应用 [J], 张发根;刘俊新;隋军
2.活性污泥处理系统的计算机模拟 [J], 陈莉荣;彭党聪;李义科;武文斐;郑坤灿
3.污水处理厂活性污泥硝化作用的计算机模拟 [J], 刘贤荣;闫秀懿;张永祥
4.污水处理厂活性污泥法模拟模型比对 [J], 贾澍
5.A/O法活性污泥系统计算机模拟研究 [J], 陈莉荣;崔双科
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基于ASMs的城市污水处理模拟软件研究摘要：本文主要研究了基于活性污泥数学模型(ASMs)开发的污水处理厂模拟软件。
文章分析了典型模拟软件的特点与基本模拟过程及原理，并针对模拟软件应用中存在的问题提出了建议。
关键词：活性污泥数学模型模拟软件软测量Study of Municipal Wastewater Applications based on ASMsAbstract: This paper discusses typical wastewater applications based on ASMs and their difference. The main modeling steps and program route are also introduced. As a result, the paper give some suggestion to deal with some problems which limit the effective use of applications.Keywords: activated sludge models, modeling application, soft monitor活性污泥法处理污水的理论与工艺研究一直是污水处理领域的热点。
随着国内外对活性污泥数学模型的研究，及国际水协（IWA）推出的活性污泥数学模型系列模型（ASMs）的发展与广泛应用，以ASMs为机理模型开发的污水处理模拟软件的研究也随之发展起来。
目前，国际上开发的基于ASMs污水处理模拟应用软件较多，如WEST，SSSP, ASIM,EFOR等商用软件，及一些根据MATLAB、VB、Dephi等编程工具开发的模拟程序。
这些软件各有各的特点，在具体应用中也是各有所长。
下面以商用软件及自主开发研究软件分别讨论这些软件的特点与应用。
一、污水处理模拟软件的特点1. 商用型软件目前国际上开发的活性污泥数学模型模拟软件中，应用较成功的商用软件有EFOR软件、WEST 软件、STOAT软件等。
数学建模污水处理随着城市化的持续发展，城市污水处理成为人们关注的一个重要议题。
在这个过程中，数学建模技术的应用成为了污水处理领域中不可或缺的重要工具。
本文将从以下几方面探讨数学建模在污水处理中的应用。
一、数学建模在污水处理中的应用在污水处理过程中，通过对参数分析和运行情况的监测，可以得到大量的数据。
数学建模技术则可以将这些数据整合起来，分析水质、水量、处理效率等指标，并进行预测，指导优化处理工艺和设备，以提高污水处理的效率和节约成本。
在污水处理中，最常见的数学建模方法是数学模型建立，包括物理模型、统计模型、模糊模型等。
经过建模，可以通过计算机实现污水处理的关键参数的实时监测和控制。
通过改变各环节的处理流程、控制措施、操作操作方式、化学投加剂量，还可实现污水处理的限制条件，从而使用最小的资源和成本达到最佳的污水处理效果。
二、基于数学建模的相关研究为了提高污水处理效率，许多研究团队都选择采用数学建模的方法进行研究。
以下是其中两个比较成功的研究案例：1、基于模糊逻辑的城市污水处理厂储罐清洗系统研究该研究团队采用模糊数学的方法构建了城市污水处理厂储罐清洗系统的控制模型。
在该模型中，通过对处理器运行状态和运行环境的监测，得出基于清洗时间、出水流量、废水流量等多种指标的优化调节方案），从而实现清洗效果的最优化。
2、基于神经网络的污水处理流程优化研究神经网络技术也被应用于污水处理过程中。
研究团队使用基于神经网络的模型来预测处理过程中的关键参数，例如COD、氨氮、总磷等的浓度。
神经网络模型可以完美地模拟传统活性污泥法进入氧化池的运动规律，并可以通过对输入数据进行实时监测和计算，自适应调节模型参数，最终使处理效率达到最优状态。
三、数学建模在水污染事件中的应用污水处理领域中，由于某些原因，例如突发的水污染事件，都会对处理结果造成一定的影响。
这时，通过预测和预警等措施，可以尽快控制污染源的影响，避免对环境造成更大的影响。
利用三维细胞自动机模拟活性污泥法的处理过程乔俊飞;李荣【期刊名称】《信息与控制》【年(卷),期】2010()1【摘要】针对活性污泥法的污水处理过程,提出了利用三维细胞自动机模型进行模拟的方法.该方法通过对曝气池内活性污泥法处理过程动态演化过程的模拟,直观地揭示出活性污泥法的污水处理过程.用实际数据进行了验证,证明了该方法能够有效地展现曝气池内污水净化的过程,实现了其可视化,并描绘了活性污泥的生长曲线.【总页数】6页(P93-98)【关键词】三维细胞自动机;活性污泥;生化反应【作者】乔俊飞;李荣【作者单位】北京工业大学电子信息与控制工程学院【正文语种】中文【中图分类】TP18;X703【相关文献】1.污水处理净化过程的三维细胞自动机动态模拟 [J], 乔俊飞;郭迎春2.序列间歇活性污泥（SBR）法硝化与脱氮过程模拟分析 [J], 刘永淞3.摘要建立了激光打孔过程的固／液／气三相三维数值计算模型，采用水平集（1evel[．set）方法处理能量输入边界并追踪气液（L／V）界面发展，从而对激光打孔过程中的孔壁变化进行描述．模型综合考虑了材料气化、熔融液体溅射两种效应，涉及熔化潜热、气化潜热吸收及辐射散热损失等因素．基于有限体积法，编制计算程序，对激光打孔过程中的温度场、孔型演化过程进行了数值模拟，探讨了不同激光参数对打孔过程的影响．该模型对认识和研究激光打孔行为具有参考价值，也可以扩展至其他高能束流在材料表面的打孔描述． [J], 葛志福;虞钢;何秀丽;卢国权;李少霞4.脆性岩石破裂演化过程的三维细胞自动机模拟 [J], 潘鹏志;冯夏庭;周辉5.利用三维细胞自动机模拟地震活动性 [J], 朱守彪;蔡永恩;刘杰;石耀霖因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
活性污泥法计算机模拟——摘要污水生物处理主要通过微生物的新陈代谢作用来实现，参与这一过程的微生物主要有细菌、真菌、原生动物，后生动物以及藻类，其中细菌起主要作用。
污水生物处理的效果与微生物的生长动力学有着密切的关系。
微生物在生命活动过程中，不断地从外界环境中摄取营养物质，通过复杂的酶催化反应将其加以利用，提供能量并合成新的生物体，同时又不断地向外界环境排泄废物。
根据能量的释放与吸收，可将代谢分为合成代谢与分解代谢。
为了直观的表现微生物的反应动力学，采用活性污泥法的计算机模拟。
关键词活性污泥法微生物生长动力学计算机模拟前言1．活性污泥法活性污泥法（Activated Sludge）是污水生物处理，尤其是城市生活污水处理中常常选用的好氧生物处理方法。
活性污泥法是以活性污泥为主体的废水生物处理的主要方法。
活性污泥法是向废水中连续通入空气，经一定时间后因好氧性微生物繁殖而形成的污泥状絮凝物。
其上栖息着以菌胶团为主的微生物群，具有很强的吸附与氧化有机物的能力。
它是利用悬浮生长的微生物絮体处理污水的一类好氧生物处理方法，这种絮体称为活性污泥。
活性污泥法处理污水的关键在于具有足够数量和性能良好的污泥，它是微生物大量聚集的地方，即微生物高度活动的中心，在污水处理中起主要作用的是细菌和原生动物。
典型的活性污泥法是由曝气池、沉淀池、污泥回流系统和剩余污泥排除系统组成。
污水和回流的活性污泥一起进入曝气池形成混合液。
从空气压缩机站送来的压缩空气，通过铺设在曝气池底部的空气扩散装置，以细小气泡的形式进入污水中，目的是增加污水中的溶解氧含量，还使混合液处于剧烈搅动的状态，形悬浮状态。
溶解氧、活性污泥与污水互相混合、充分接触，使活性污泥反应得以正常进行。
第一阶段，污水中的有机污染物被活性污泥颗粒吸附在菌胶团的表面上，这是由于其巨大的比表面积和多糖类黏性物质。
同时一些大分子有机物在细菌胞外酶作用下分解为小分子有机物。
第二阶段，微生物在氧气充足的条件下，吸收这些有机物，并氧化分解，形成二氧化碳和水，一部分供给自身的增殖繁衍。
活性污泥反应进行的结果，污水中有机污染物得到降解而去除，活性污泥本身得以繁衍增长，污水则得以净化处理。
经过活性污泥净化作用后的混合液进入二次沉淀池，混合液中悬浮的活性污泥和其他固体物质在这里沉淀下来与水分离，澄清后的污水作为处理水排出系统。
经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出，其中大部分作为接种污泥回流至曝气池，以保证曝气池内的悬浮固体浓度和微生物浓度；增殖的微生物从系统中排出，称为“剩余污泥”。
事实上，污染物很大程度上从污水中转移到了这些剩余污泥中。
活性污泥法的原理形象的说法：微生物“吃掉”了污水中的有机物，这样污水变成了干净的水，它本质上与自然界水体自净过程相似，只是经过人工强化，污水净化的效果更好。
法国学者Monod在研究微生物生长的大量实验数据基础上，剩余底物浓度和微生物增长率间的关系可以用下式表示：式中，μ——微生物比增长速度，μ——微生物最大比增长速度，——溶液中限制微生物生长的底物浓度，K——饱和常数，即当比增长速度等于最大比增长速度的二分之一时的底物浓度，又称半速度常数。
关于计算机模拟的一些说明：2．计算机模拟模拟，直观地理解成对研究系统的功能或结构及行为的动态模仿，也可广义地理解为对真实客体（实体）的形态、工作规律或信息传递规律在特定的条件下的一种相似性复观。
一般情况下，模拟是通过模型的运转来实现的。
利用计算机模拟任何系统的工作都可称为计算机模拟。
就是建立在数学模型（数学和逻辑规则）基础上上通过计算机实验，对一个系统按照一定的作业规定（可用规则来描述这作业的规定）由一个状态转变为另一个状态的动态、行为进行的描述与分析。
3.本实验模型基本状态方程的建立由于完全混合式活性污泥法系统的生化反应过程易于数学描述，在生活污水和工业废水的处理中也有广泛地应用，本次上机实验以完全混合式活性污泥法系统作为研究对象。
并且以生活污水治理过程为具体对象，模型采用低基质浓度的二相学说。
①．模型具体假设●二沉池中不发生任何生化反应，即二沉池不考虑微生物的物质代谢过程，只起固、液分离作用。
● 二沉池中无污泥积累，固液分离状态良好。
● 曝气池内一直处于好氧状态，溶解氧浓度为2.0mg/l 。
●假设废水都已经过一级处理，悬浮物已大量去除。
活性污泥污水处理系统如图1所示： 图中的符号意义如下：Q ，Qr ，Qw ——分别代表进水、污泥回流、污泥排放的流量（m 3/d ）； X ，Xr —— MLSS 和回流污泥浓度，mg/l ；So ，Se —— 进水和出水（即曝气池中）的底物（BOD ）浓度，mg/l ； V —— 曝气池有效容积，m 3； R —— 污泥回流比。
②．物料衡算a ．底物（BOD ）的物质衡算：⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡出速率底物的输成速率底物的生入速率底物的输量的变化速率曝气池中底物由于稳态完全混合式，即所以，根据底物降解动力学，在负荷不高的条件下，单位微生物的底物降解速率与底物浓度成正比： 又有V=Q*t ，故在稳态运行时可表达为：式中： t —— 反应时间（水力停留时间）； X —— MLSS （微生物浓度）；K 2 —— 减速增长常数，这里也常称基质去除或降解常数 b ．对系统中的微生物的物质衡算即根据假设： Xo=0上式可改写为=⎪⎭⎫⎝⎛+-udt dS V QSe QSo Se K dt dS X u∙-=⎪⎭⎫ ⎝⎛21SeX K tSeSo ∙∙=-2⎥⎦⎤⎢⎣⎡-⎥⎦⎤⎢⎣⎡+⎥⎦⎤⎢⎣⎡=⎥⎦⎤⎢⎣⎡排放速率微生物的增长速率微生物的净入速率微生物的输量的变化速率曝气池中微生物()X RQ Q V dt dX RQXr QXo V dt dX gu *+-⎪⎭⎫ ⎝⎛++=⎪⎭⎫ ⎝⎛0=⎪⎭⎫ ⎝⎛udt dX ()RQXr X RQ Q V dt dX g-*+=⎪⎭⎫ ⎝⎛0=⎪⎭⎫ ⎝⎛gdt dSg dt dX ⎪⎭⎫ ⎝⎛为微生物净增长速率，根据假设，可表示为：X Kd dtdF Ydt dX g *-=)(式中 Y ——微生物增长常数，即产率；dtdF ——基质利用速度；Kd ——微生物自身氧化率，即衰减常数； X ——微生物的浓度。
根据式（3），dtdF 大致可以写成：XSe K dtdS dtdF 2=-=又 V=Qt ，式（5）可表示为（YK 2XSe – KdX ）t = X + RX – RXr ③．模型建立联立方程，得（YK 2XSe – KdX ）t = X + RX – RXr式中回流污泥浓度可表达为：Xr=106/SVI (mg/l), 温度对于反应速度的影响可近似认为符合阿仑尼乌斯定律。
K (T)＝K (20)[1.047](T-20)④．模型参数的确定由于大多数生化反应动力学参数与废水种类、特性、环境条件有关，在实际设计中，要使用上述数学模型，对于特定的待处理污水，就需要通过实验测定求得各生物动力学参数。
这些参数一般是依污水水质及其微生物群体而定。
在本次上机实验中，根据典型的参数取值范围，假定模型动力学参数如下： Y (20)=0.45mgVSS/mgBOD ， Kd (20)=0.03d -1， K 2(20)=0.018(mg.d)-1SeX K tSeSo ∙∙=-2一．模拟对象：某小区日排放生活污水1000吨，进水BOD 5为300mg/l ，设计采用活性污泥法处理生活污水，曝气池有效容积V ＝300m 3，若实验测定该废水的动力学参数：Y (20)=0.45mgVSS/mgBOD ， Kd (20)=0.03d -1， K 2(20)=0.018(mg.d)-1。
试建立该废水完全混合式活性污泥处理系统的动力学模型，并模拟不同工况条件下的运行情况。
注：回流污泥浓度按SVIXr 610(mg/l)计算，取SVI=150，则Xr=6666.7mg/l 。
二．模拟实验结果分析实验模拟程序界面如下：改变各工况条件，数据及作图如下所示：（1）改变回流比R对系统的影响模拟条件：T=20℃，So=300mg/l,SVI=150(Xr=6666.7)，Q=1000吨/天，V＝300m3Y(20)=0.45mgVSS/mgBOD , Kd(20)=0.03d-1 K2(20)=0.018(mg.d)-1R分别为：R=0.1，0.2，0.4，0.6，0.8，1.0，1.2，1.4，1.6，1.8，2.0表1——改变回流比R对系统的影响图1—1 出水有机物浓度（Se）与回流比（R）的关系图1—1所示的是，出水BOD浓度随着回流比R的增加而减小，也就是说回流比的增加有利于微生物的去除。
回流比增大，会使回流污泥的量增加，微生物量增大，需要更多的有机物作为营养物质，从而增加污泥处理污水的能力，出水的BOD浓度就会随之减小，使出水水质变好，Se减小。
图1—2 出水微生物浓度（X）与回流比（R）的关系图1—2所示的是，随着回流比的增大，曝气池的出水微生物浓度是增大的。
回流比增大，回流污泥量增加，微生物浓度增加，在BOD浓度一定时，微生物剩余量增加。
当R较小的时候，出水微生物的浓度随R的变化比较明显，当回流比R超过1.5时，微生物的浓度变化不大，趋于稳定。
图1—3 去除效率与回流比（R）的关系图1—3所示的是去除效率与回流比之间的关系。
因为，去除效率=1-Se/So,随着回流比R的增加，Se是减小的，所以去除效率有所增加，但是变化不是很大，比较平稳，主要是本实验在回流比不大的情况下，去除效率就已经达到了比较高的水平。
当R从0.1增加到0.4时，效率从79.01%增大到91.44%，之后，随着R的增加，去除效率变化不是很大，最大达到96%。
（2）改变进水BOD浓度So对系统的影响模拟条件：T=20℃，R=0.6，SVI=150(Xr=6666.7)，Q=1000吨/天，V＝300m3Y(20)=0.45mgVSS/mgBOD , Kd(20)=0.03d-1 K2(20)=0.018(mg.d)-1So分别为：So=100，150，200，250，300，350，400，450，500，550，600，650，700，750，800，850，900表2——改变进水BOD浓度So对系统的影响图2—1 出水有机物浓度（Se）与进水有机物浓度（So）的关系图2—1所示的是，出水有机物的浓度随着进水有机物的浓度的增长呈直线增长。
可以推测，随着污泥负荷增大，微生物可能处于对数增长期。
这时，微生物的生长有充足的营养物质，来维持较高的生物活性，当然，高浓度的有机物进水含量容易造成出水有机物超标，也就是图中所示的出水浓度的显著增长，这种情况容易导致出水达不到排放要求。
