关于MBR活性污泥模型在污水处理中的应用

潘 伊

(丽水市环境监测中心站，丽水 323000)



关于MBR活性污泥模型在污水处理中的应用

潘 伊

(丽水市环境监测中心站，丽水 323000)

本文通过对ASMI模型的简化和改进，构建了MBR活性污泥简化模型，并结合相关污水处理厂实例进行验证分析。结果表明改进后的MBR模型能够比较真实的模拟实际污泥状况，具有一定的实际应用价值，对今后污水厂的运行管理具有一定的指导意义，值得深入研究并推广应用。

MBR；污泥简化模型；应用

随着我国城市化的迅速发展，各大城市生活污水排放总量日益剧增，对污水处理厂的处理能力要求越来越高。而传统的活性污泥法在高负荷的情况下，对其系统内的污泥状况的合理调整与有序控制也越发艰难，这给污水厂的正常的运行管理带来了挑战。本文在结合活性污泥数学模型的基础之上，构建了新型的MBR活性污泥简化模型，为实际应用提供参考依据，从而改善我国目前污水厂的运行状况，提高了运行管理的安全智能化。

1 活性污泥模型的研究现状

目前，活性污泥法在污水处理中应用非常广泛，它的主要基于Monod方程内容，再根据反应器理论与微生物学理论的分析，用数学关系对其进行描述。

1.1 传统的活性污泥模型

活性污泥模型早期最初始于20世纪中期，通过EcKenfelder等国外学者通过观察污水厂活性污泥微生物实际生长状况而研发。该模型最初得到了广泛的推广运用，然而随着国内外学者的不断深入研究，发现该模型仅仅能够很好的模拟实际污水厂有机污染物的降解状况，而不能客观的反应实际污水处理中初始进水的动态变化对处理效果的影响，所以不能对实际过程中微生物的变化进行很好的估测。另外，Monod方程只是一个经验关系式，适用于平衡生长状态，对于大多数实际过程并不适用。因此，传统的模型尽管操作简单方便，但是并不能确切证实的反应活性污泥的多重动态变化带来的水质影响，必然要进行相关的改进[1]。

1.2 活性污泥的动态模型

活性污泥的动态模型研究，最初是国外学者J.F.Andrews[2]提出的，引入了 “存储一代谢”的理念，并预测模拟了污水厂污泥的各指标的实际动态变化；Joens[3]等人提出了Water Research Commission“存活一非存活”模型，认为生物活性是依靠非存活细胞的。由于上述模型不能对氮和磷的降解进行观测，因此，国际水质协会在1987年至1999年展开对活性污泥数学模型的开发与研究，并相继提出了三套模型ASM1、ASM2、ASM3，此阶段的模型尚不完善，其实际应用价值有待验证；另一类活性污泥动态模型如Berthouex[4]等人用一阶AR模型表示污水处理厂的进水BOD5。这类模型只需知道研究过程中的输入和输出数据就可以，过程相对简单，然后辨别出模型参数，即可得到此类模型。这类活性污泥模型通过简单的参数设定，即可动态模拟预测分析活性污泥的可能运行状况，从而改善了模型的实用性。

2 MBR活性污泥简化模型的构建

2.1 模型的理论分析

ASM1主要运用于采用生物处理法的污水厂，利用“死亡-再生”理论，并利用矩阵形式对其进行表述[3]。在反应过程中，活性污泥群具有自动调节功能，可由“替代生物群体”来表示生物群体。在这个生物群体中，将出现生物群体和细菌的衰减，导致生物固体通量变小。其次，当污水中含有硝态氮(或者溶解氧)的情况下，污水中的微生物的死亡所带来的分解而产生的相关有机物质会被再次利用，作为生物降解基质，将被其他的微生物所利用，从而产生新的机体。因为在合成过程有能量损耗，所以反应过程中就会产生很多死亡生物，结果导致产生的残留的物质就留在了活性污泥中。

2.2 模型的建立

此MBR模型主要是在ASM1 的基础之上，结合生化原理和物料守恒定律，进行理论验证分析而得来的。基本关系是：进入量-排出量+反应量=积累量。所需要的条件有：运行温度和pH 值恒定；不考虑有机物组分性质的变化和氮、磷及其他无机物对有机物质的去除及细胞生长的限制。

由于ASM污泥系列模型构建非常的复杂，将其直接运用于污水厂的污泥状况以及水处理状况的模拟较为困难，这时，我们就根据具体条件将其进行简化，不需要考虑污泥中的自养菌、有机物等指标以及各类不需要的反应过程，仅选择我们最为关注的两个指标，考虑它们之间的相互作用，即污水中的溶解性有机物和污泥中的异养细菌的动力学关系。本文采用的膜生物反应器可以控制污泥与底物的流失与否，又因进水中异养菌浓度比污泥中的浓度小很多，所以可以不考虑异养菌的浓度。

建立模型：

(1)

(2)

式中，dE/dt为污水中的底物浓度；dX/dt为活性污泥中的异养菌含量；μ为污泥对底物的最大利用系数；M为异养菌的产率系数；KE为污泥消耗的半饱和系数；P为进水流量；V为反应器体积；Ei为进水中的底物浓度；Xi为进水中异养菌浓度(不考虑，值定为0)；b是指活性污泥中的异养菌衰减系数。

2.3 合理选取参数

异样菌产率系数M的取值，其主要和所降解的微生物体、底物的性质等因素相关，结合相关实验研究，我们取M值为0.81。 污泥对底物的最大利用系数μ和污泥消耗的半饱和系数KE，依赖于被处理污水的性质，而且它们也跟微生物生长的反应结构有关。所以μ取为14.8d-1，KE取为1700g/m3。 污泥死亡率b值取值为0.013d-1。水力系数P/V，即进水流量占整个反应容器体积的比值，实验测得P/V取值 0.25。进水底物浓度Ei所指地是污水的进水原水质的COD浓度值，我们取428mg/L。

2.4 实验数据与模拟数据的比较分析

选取某水厂进行相关模拟，在模拟的出水水质中，Ei占出水TCOD的68.4%，是出水TCOD的主要构成，因为有机物Ei不参与任何反应，所以其在系统中COD的浓度保持不变，较高Ei的比例将导致较高的出水COD；颗粒性惰性有机物Xi被活性污泥絮体获取而与活性污泥成为一体，占出水TCOD 10.9%，XB，H占出水TCOD的14.2%。由于污水处理厂工艺是不完全脱氮工艺，出水中的硝态氮浓度SNO较高，占出水TN的95%，也是出水TN的主要构成。

城市污水处理厂污水进水水质以及进水的污水量都是实时动态变化的，该模型可以对实际污水处理厂水处理的运行质量情况进行实时的动态监测并管理，参照实时的模拟结果，从而能够对污水处理厂的水处理状况进行实时监测并采取相关优化方案。对于生活污水，各个污水厂污水的各指标的相对含量基本恒定。对该污水处理厂的实时模拟主要是针对污水的进水水质以及水量的实际变化作为参考的基础数据，从而进行了非稳态模拟实验。

表1 模拟结果与实测结果对比(单位：g/m3)

从表1中对比可以看出，该MBR模型的模拟效果较为理想，在一定程度上，能够反映出该污水处理厂的实际出水水质状况和突发变化的情况，因而，可以说该模型适用于实验对象所选取的水厂。但是我们能够发现，上表中有几个异常数据。因此模型中的许多参数还需要改进。也就是说，虽然现在模型中所使用的参数得到的结果与该污水处理厂的实际运行结果基本相同，但是，仍然需要更加严格的实际检验。因此，能否将该MBR模型运用于其它的污水处理厂，其关键在于MBR模型中各项参数的取值合理与否。如果处理厂的技术改变，或者运行过程中有突发情况出现，这是只要将参数进行调整，再次实现对模型参数的校准过程即可。

3 结 论

膜生物反应器技术的广泛推广势在必行，对于MBR活性污泥模型的深入分析和探讨成为该技术大规模建设运用的关键。本文通过ASM1的基础之上，构建了MBR活性污泥模型，虽然实际模拟取得了不错的试验成果，能够在试验的水厂中完美的模拟实际污泥处理状况，然而仍有多方面参数的设定以及其实际适用范围需要作更加深入地研究探讨，尤其在模型理论和实际运用方面仍有许多工作需要落实。该MBR模型能够比较全面的反映生化反应的全过程，虽然在数学公式的表达上较为复杂，但将其与计算机相结合，就可以克服这一困难。本文构建的污泥简化模型将数学模型与计算机相结合，在误差允许范围内能够很好地模拟污水处理厂的实际运行状况，为污水处理厂提供技术支持，进而提高城市污水处理厂设计和运行管理水平。

[1]刘芳，陈秀华，顾国维.简化活性污泥数学模型在城市污水厂中的应用[J].环境工程，2005，02：33-36+3.

[2]Eckenfelder W W.O’Conor D J.Biological Waste Treatment.New York：Pergamom Press，1961.

[3]Jones G L.Bacterial growth kinetics：measurement and significance in the activated sludge process.Watres，1973，7(1)：117-125.

[4]Andrew J F.Control strategies for the anaerobic digestion process.Water & Sewage Works，1975，122(3)：62-65.

Application of MBR Activated Sludge Model in Wastewater Treatment

PAN Yi

(Lishui Environmental Monitoring Centre，Lishui 323000)

In this paper，the ASMI model was simplified and improved，and a simplified model of MBR activated sludge was constructed，which was verified by an example of a related sewage treatment plant.The results showed that the improved MBR model could simulate the actual situation of sludge more real，which had certain practical application value and certain guiding significance for the future operation of the sewage plant management，so it is worthy of further study and application.

MBR；sludge reduction model；application

潘伊，本科，工程师，主要从事环境监测工作

X83

A

1673-288X(2016)06-0110-03

引用文献格式：潘 伊.关于MBR活性污泥模型在污水处理中的应用[J].环境与可持续发展，2016，41(6)：110-112.