張新慧，陳兆波，吳德東

(1.東北林業(yè)大學林學院，哈爾濱150040;2.哈爾濱工程大學材料科學與化學工程學院，哈爾濱150001)

膜生物反應器(Membrane Bioreactor，簡稱MBR)是一種膜分離裝置和生物反應器結(jié)合而成的新型水處理系統(tǒng)[1]，在石化污水、高質(zhì)量濃度有機廢水、市政民生污水中水回用、垃圾滲濾液處理等方面有良好的應用前景.利用數(shù)學模型對活性污泥工藝進行模擬一直是國際上污水廠設(shè)計和運行控制的重要內(nèi)容和研究熱點.數(shù)學模型是對MBR進行工藝設(shè)計、運行科學化、合理化的重要依據(jù)，通過預測MBR的動態(tài)過程，使其設(shè)計和運行更加理論化和系統(tǒng)化，以實現(xiàn)系統(tǒng)的高效率低能耗運行，充分發(fā)揮MBR的優(yōu)勢[2].國際水協(xié)(International Water Association，即 IWA)針對活性污泥法設(shè)計和運行的數(shù)學模型，先后推出了活性污泥1號模型(ASM1)、活性污泥2號模型(ASM2)、2D號模型(ASM2D)、3號模型(ASM3)以及 3C號模型(ASM3C)這一系列活性污泥數(shù)學模型(ASMs).由于MBR是由活性污泥工藝中的二沉池被膜分離取代形成的，因此用ASMs來描述具有可行性[3].楊俊等[4]建立了基于ASM3模型的MBR數(shù)學模型，使用Matlab/Simulink仿真工具，實現(xiàn)MBR數(shù)學模型的計算機仿真.模型驗證結(jié)果表明，選取適當?shù)哪Ｐ蛥?shù)值后，可較為準確地對膜生物反應器污水處理過程進行模擬和預測.目前對MBR的模擬存在的主要問題是接口沒有進行可視化處理，只有熟悉結(jié)構(gòu)的編程人員才能夠靈活操作，對于操作人員來說造成了一定的不便.因此，本文針對一體式膜生物反應器，研究其污水處理效果，確定MBR在穩(wěn)定運行狀態(tài)下的運行效果，并基于ASM3數(shù)學模型，建立了可視化的Matlab/Simulink程序，操作更加簡便易行.用于預測反應器運行時在進水水質(zhì)變化的情況下出水水質(zhì)的變化趨勢，尋找最優(yōu)運行參數(shù)，對工程設(shè)計提供依據(jù)，并且能夠預測 MBR工藝處理人工合成廢水的處理效果.

1 ASM3對MBR反應過程的模擬

1999年IWA發(fā)布了活性污泥3號模型模型(ASM3)，該模型主要模擬除碳、脫氮等動態(tài)過程[5].ASM3被設(shè)計成許多不同的模型核心，同時又考慮到監(jiān)測的問題，因此，模型采用了一些比較容易監(jiān)測的組分因子作為模型輸入?yún)?shù)，增強了模型的可用性.

ASM3將活性污泥過程分解成13個組分(見表1)、12個子過程[6].溶解性物質(zhì)質(zhì)量濃度以 S表達，顆粒性物質(zhì)質(zhì)量質(zhì)量濃度以X表達.溶解性組分以S?表示，顆粒性組分以X?表示.

表1 ASM3的模型組分

在任何給定的系統(tǒng)邊界內(nèi)，質(zhì)量平衡基本關(guān)系式是[6]:

進入項和排出項是一個輸送項，由被模擬的系統(tǒng)的物理特性而決定.系統(tǒng)反應項ri通過計算化學計量系數(shù)υij和組分的過程速率式ρj乘積之和得到:

對于一體式膜生物反應器，MBR中各組分的狀態(tài)變量的微分方程[7]由式(3)、(4)、(5)得到:

其中:Qin是進水的流量，Qo為膜出水流量，Qw是排泥流量，Q為出水流量，V是MBR的體積，f為膜截留系數(shù)，Si，0和Si分別是進水和上清液的溶解性物質(zhì)質(zhì)量濃度;Xi，0和Xi分別是在進水和反應器的顆粒性物質(zhì)質(zhì)量濃度.

由于考慮到異養(yǎng)菌XH和硝化菌XA在進水中的量可以忽略不計，本文對這兩個組分的微分方程進行了簡化，即:

2 試驗用水及裝置

2.1 用水來源與水質(zhì)

試驗用水為人工配水，由淀粉、蔗糖、氯化銨、磷酸氫二鈉、磷酸二氫鈉等配制而成.

2.2 試驗裝置

如圖1所示，本試驗裝置為一體式MBR，反應器的溫度由加熱器調(diào)溫至25℃，中空纖維絲的直徑為0.6 mm左右，內(nèi)徑約為0.3 mm，膜材質(zhì)為聚丙烯酰胺，膜孔徑為 0.05 μm，膜組件長度為 0.5 m，膜截留分子質(zhì)量為10 000 u，膜的表面積為1 m2.反應器的液位平衡水箱進行控制，隨出水流量的變化，由浮球閥進行自動控制，可同步保持出水流量與進水流量的平衡.本裝置采用微孔曝氣器進行曝氣，曝氣量可由空氣流量計3進行調(diào)節(jié).出水動力由凈水頭壓差提供.新膜放入反應器后用玻璃制水射器抽吸出水，反應器的有效反應體積為18 L.

圖1 試驗裝置示意圖

3 仿真程序簡介

3.1 仿真程序簡介

本仿真程序根據(jù)一體式膜生物反應器工藝與設(shè)計參數(shù)建立流程圖，選擇ASM3作為模擬平臺，使用Matlab7.0中的Simulink工具箱建立可視化的仿真程序.仿真模型主要包括進水模塊、反應模塊以及出水組合模塊等.反應模塊處理相應的反應，進水配分模塊主要是將進水各組分按一定規(guī)則分配為13種組分，而出水組合模塊則正好相反，它將13種組分組合為需要監(jiān)測的出水指標，如COD、氨氮、TN等，作為工藝分析的基礎(chǔ).

在模擬時，輸入反應器體積、排泥流量等設(shè)計數(shù)據(jù)，并輸入進水的模型組分數(shù)據(jù)，如進水COD、進水TN、進水氨氮等.仿真程序通過穩(wěn)態(tài)數(shù)據(jù)進行調(diào)試，對模型參數(shù)先進行靈敏度分析，之后再進行參數(shù)校正，使系統(tǒng)預測結(jié)果與出水實測結(jié)果誤差在5%以內(nèi).再最后進行動態(tài)模擬，得到不同條件下反應器的出水水質(zhì)結(jié)果.

3.2 仿真界面

如圖2所示，左側(cè)各窗口為反應器體積、排泥流量等設(shè)計數(shù)據(jù)，以及進水的模型組分數(shù)據(jù)的輸入.其中:TCOD表示進水中的總COD，V表示反應器體積，HRT表示水力停留時間，Qw表示排泥流量，SNH4，0表示進水中的氨氮質(zhì)量濃度，SN2，0表示進水中氮氣總量，TN表示進水中TN質(zhì)量濃度，SALK，0表示進水的堿度，XSS，0表示進水中懸浮固體的質(zhì)量濃度.在左側(cè)各窗口輸入數(shù)據(jù)后點擊運行，即可在右側(cè)各窗口觀測到模擬后的出水COD、氨氮、TN的結(jié)果.

圖2 ASM3仿真程序界面

仿真程序最底層為基本速率方程，分別為ASM3的12個動力學速率表達式，第2層為相關(guān)速率方程的封裝，第3層為組分總反應速率方程的封裝，第4層為組分總速率方程的積分聯(lián)立封裝.第5層為ASM3模型參數(shù)輸入層，是總速率方程積分模塊、參數(shù)模塊、積分初值、進水水質(zhì)的封裝.可輸入ASM3的典型的動力學參數(shù)值，本仿真程序采用國際水協(xié)推薦的默認值(20℃).

第6層為實測進水數(shù)據(jù)到ASM3模型各組分數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化過程(圖3).由于目前試驗實測的數(shù)據(jù)并不完全是模型組分;另外，受各種條件的限制，通過試驗測定模型組分難度很大.這就涉及到將進水數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為模型數(shù)據(jù)的問題.這一步是至關(guān)重要的，轉(zhuǎn)化的是否合理直接關(guān)系到模型應用的成功與否.在本試驗中，測量了進水成分COD、TN、氨氮，為了建立測量組分和模型組分的對應關(guān)系，假設(shè):1)被模擬的活性污泥過程和膜過濾過程都處在正常狀態(tài)[8];2)COD中可生物降解的部分比例是一定的;3)VSS/COD的比例是一定的.則可建立模型中組分與進水測量量之間關(guān)系.通過參考大量的國內(nèi)外文獻資料[9－11]，得出以下轉(zhuǎn)化方案:

①COD組分的確定

進水中總COD組成的組成如下:

②氮組分的確定

總氮和氨氮直接測出，有機氮通過公式得出:

圖3 進水數(shù)據(jù)到ASM3模型各組分數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)化層

4 結(jié)果與討論

4.1 靈敏度分析

本仿真程序采用的動力學參數(shù)和化學計量學參數(shù)采用國際水協(xié)推薦的典型值(20℃)作為模型的初始參數(shù)值，然后輸入反應器體積、排泥流量等設(shè)計數(shù)據(jù)，以及進水的模型組分數(shù)據(jù)，進行仿真.本試驗對一體式膜生物反應器進行穩(wěn)態(tài)模擬，穩(wěn)態(tài)模擬即忽略系統(tǒng)入流水質(zhì)水量每天的變化，而只考慮系統(tǒng)運行相對穩(wěn)定一段時間內(nèi)的平均狀況.選取4月份入流平均值進行模擬計算.采用靈敏度分析法對仿真結(jié)果進行靈敏度分析，逐個將模型中的動力學參數(shù)值在初始值基礎(chǔ)上提高10%，而保持其他參數(shù)不變，比較出參數(shù)改變前后模擬的差值，根據(jù)式(18)計算參數(shù)對出水指標的靈敏度.

其中:τj，0為參數(shù)初始值，τj，1為改變后參數(shù)值;Ci，0和 Ci，1為參數(shù)改變前后出水指標的質(zhì)量濃度.各參數(shù)在初始值基礎(chǔ)上增加10%后相應的靈敏度值有正、負之分，正值表示參數(shù)增加使得該組分出水質(zhì)量濃度上升，負值則表示參數(shù)增加使得該組分出水質(zhì)量濃度下降.經(jīng)過靈敏度計算后得到靈敏度如表2所示.

表2 ASM3模型靈敏度分析結(jié)果

由表2可看出，COD模擬值對參數(shù)變化的靈敏度較高的參數(shù)從高到低依次是:fSI、KX、kH、YSTO，O2、bH，O2、YH，O2、μH.氨氮模擬值對參數(shù)變化的靈敏度較高的參數(shù)從高到低依次是:μA、KA，NH4、bA，O2、YH，O2、YSTO，O2、μH、KNOx.TN 模擬值對參數(shù)變化的靈敏度較高的參數(shù)從高到低依次是:YA、bH，O2、YH，O2、YSTO，O2、μH、KX、kSTO.

4.2 參數(shù)校正

通過靈敏度分析法分析后，對靈敏度高的參數(shù)進行調(diào)整，對一些靈敏度低的參數(shù)則根據(jù)參考文獻或典型值進行設(shè)定.

本研究對模型的校核采用穩(wěn)態(tài)進水進行，即使用一體式MBR的實際進水和水質(zhì)特征的平均值.針對平均出水值，找尋令COD、氨氮、TN模擬值與實測值的相對殘差最小的那一組參數(shù).模型校正一共對4個參數(shù)進行了調(diào)整:fSI調(diào)整為－0.45，μA調(diào)整為0.8，YA調(diào)整為 0.27，kH調(diào)整為 3.1.參數(shù)調(diào)整后的模擬結(jié)果如表3所示.

表3 ASM3模型參數(shù)調(diào)整后的模擬結(jié)果

4.3 不同進水水質(zhì)下ASM3模型仿真模擬效果比較

本試驗的反應器在試驗期間不排泥，水力停留時間為5 h，反應器內(nèi)溫度控制在24℃，進水為2.1所述人工配水，曝氣強度很大，充分保證裝置的反應器中DO的供應，DO維持在8 mg/L左右.用上述仿真程序進行模擬，結(jié)果如圖4～6所示.

由圖4～6可看出，開發(fā)出來的仿真程序?qū)τ贑OD、氨氮、TN的模擬值與實測值較為吻合.在此基礎(chǔ)上，對本仿真程序進行一定的調(diào)整，可用于污水廠水質(zhì)的預測，并可優(yōu)化污水廠的管理與實驗研究.

5 結(jié)論

1)本文利用Matlab/Simulink編制了可視化的基于ASM3的一體式MBR仿真程序，具有界面直觀、意義明確、便于輸入數(shù)據(jù)等優(yōu)點.通過對模型的靈敏度分析，可得出COD模擬值對參數(shù)變化的靈敏度較高的參數(shù)是:fSI、KX、kH等;氨氮模擬值對參數(shù)變化的靈敏度較高的參數(shù)是:μA、KA，NH4、bA，O2等;TN模擬值對參數(shù)變化的靈敏度較高的參數(shù)是:YA、bH，O2、YH，O2等.這與國內(nèi)外許多文獻的研究結(jié)果基本一致.

2)經(jīng)過對一體式MBR工藝的穩(wěn)態(tài)模擬，對國際水協(xié)給出的ASM3模型各參數(shù)的典型值進行了參數(shù)校正后，模擬結(jié)果從典型值模擬的COD誤差3.79%、氨氮誤差 20.48%、TN 誤差 37.57%調(diào)整到校正值模擬的COD誤差0.07%、氨氮誤差0.06%、TN 誤差0.03%.

3)對不同進水水質(zhì)下的MBR處理效果進行了ASM3模型仿真模擬，對于COD、氨氮、TN的模擬值與實測值較為吻合.可以認為利用Matlab/Simulink編制的可視化ASM3仿真程序可以模擬MBR的生物處理過程，可用于污水廠水質(zhì)的預測，并可優(yōu)化污水廠的管理與實驗研究.

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