活性污泥系统仿真软件的研究进展

第26卷第4期 2010年2月 中国给水排水 CHINAWATFR&WAS汀．EWATER V01．26No．4 Feb．2010 帚撰撰祭袋攀窖喾料 {|} 述评与讨论 睡《酰＆《酞鑫怠器《钛＆《撼 活性污泥系统仿真软件的研究进展 周 振1， 吴志超2， 顾国维2 (1．上海电力学院能源与环境工程学院，上海200090；2．同济大学环境科学与 工程学院，上海200092) 摘要： 近年来，基于活性污泥数学模型的系统仿真软件在国内外许多污水处理厂的模拟仿 真、升级评估、运行优化和故障诊断等方面得到了广泛应用。介绍了活性污泥系统中常用的通用仿 真软件和污水处理专业仿真软件，对仿真软件在城市污水处理厂中的应用经验进行总结，并提出了 仿真软件今后的发展方向。 关键词： 活性污泥；仿真软件； 污水处理； 数学模型 中图分类号：X703文献标识码：B 文章编号：1000—4602(2010)04—0001—05 ResearchProgressinSimulatorsforActivatedSludgeSystem ZHOUZhenl，WUZhi．cha02．GUGuo—wei2 (1．SchoolofEnergyandEnvironmentalEngineering，ShanghaiUniversityofElectric Power，Shanghai200090，China；2．CollegeofEnvironmentalScienceandEngineering， Ton巧iUniversity，Shanghai200092，China) Abstract：Inrecentyears，thesystemsimulatorsbasedonactivatedsludgemodelshavebeen widelyappliedinsimulation，upgradeevaluation，operationaloptimizationandfaultdiagnosisofmuniei— palwastewatertreatmentplantsathomeandabroad．Themostfrequentlyusedsimulatorsforactivated sludgesystem，includinggeneral-purposesimulatorsandprofessionalsimulatorsforwastewatertreatment areintroduced．Theapplicationexperienceofsimulatorsinmunicipalwastewatertreatmentplantsissum- marized，andthefuturedevelopmenttrendofsimulatorsisindicated． Keywords：activatedsludge；simulator；wastewatertreatment；mathematicalmodel 活性污泥数学模型(ASM)⋯自1987年国际水 协首次推出后，已成为污水处理领域中教学科研、设 计评估、运行优化和自动控制的霞要工具，在国内外 许多大型污水处理厂中都得到了广泛应用。随着 ASM的开发和应用，近年来污水处理领域出现了越 来越多的模拟程序和软件包旧’31，许多咨询公司已 将这些模拟软件作为研究或实际应用的有力工具。 然而，目前多集中于对ASM及仿真软件的介绍一驯， 针对软件在污水处理厂中实际应用的经验总结则鲜 有报道。为此，介绍了国内外仿真软件的发展情况， 进而详细介绍了仿真软件在实际污水处理厂中的应 用及发展趋势。 1活性污泥系统仿真软件概述 活性污泥系统仿真软件是指描述活性污泥系统 基金项目：上海市地方能力建设资助项目(08160512600)；上海城投公司“十一五”项目；上海电力学院科研基金资 助项目 劫啦髟矽掣 万方数据 第26卷第4期 中国给水排水 WWW．watergasheat．conl 的动力学模型在软件平台上的打包集成。仿真软件 一般由动力学模型、模型表达、参数校正、数值 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 、 数据表达和用户界面等模块组成12J。在污水处理 领域，能用于数学模拟的软件可分为四个层次”J： ①电子数据表，可进行稳态计算，实现针对普通微分 方程的简单数字程序；②低端通用型编程语言(如 C、Fortran、Basic等)，创建模型的灵活性最高，但耗 时费力；③通用仿真软件(如Matlab、Mathematica 等)，能够执行模型运算，可以从网上下载；④专业 仿真软件(如BioWin、EFOR、WEST等)，主要由预 定义的工艺模型单元库构成。 1．1通用仿真软件 通用仿真软件通常具有很高的灵活性，但用户 需根据污水处理厂工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 提供模拟所需的模 型¨J。在通用仿真软件中建模耗时很长，但其工作 量要远低于采用低端通用型编程语言编程。通用仿 真软件又可分为模块图形化和公式化仿真软件两 种。 模块图形化仿真软件一般采用图形符号或框图 来描述过程，这是对系统结构最自然的描述。当前 主流仿真软件均提供模块图形化编辑器作为引擎图 形端。最早的模块图形化仿真软件是Easy一5，目 分方程)建模以及混合建模，这大大增强了仿真软 件的实用性。图形化编辑器的主要缺点是与文字化 微分方程结合困难，且易受到模型库的限制旧J。 公式化仿真软件一般是利用公式导向系统的文 字描述来定义模型，以命令驱动的软件。早期的公 式化仿真软件(如Simnon和ACSL)并不具备图形 界面，这限制了其功能拓展和应用范围。后期的公 式化仿真软件则通过图形化提升其功能，实现了模 块与语占的结合(如SPEEDUP和NIMBUS)。这类 仿真软件在通用仿真语言的基础上提供易于使用的 图形模块界面，大大提升了仿真软件的竞争力。 1．2污水处理专业仿真软件 自从1988年美国Clemson大学推出第一个活 性污泥系统专业仿真软件SSSP以来，近年来欧美许 多研究机构都开发了自己的专业仿真软件。专业仿 真软件通常包括一个预定义的工艺单元模型库，比 较典型的例子是基于ASM的完全混合式反应器和 沉淀池一维分层模型。专jIp软件又可细分为环境工 程通用仿真软件和封闭模型结构程序两大类。其 中，前者的模型结构开放，用户在执行模型时具有较 大的自由度；而后者则为用户提供事先限定的可用 于执行特定处理工艺的构建模块，用户自由度较 前常用的则是Simulink和SystemBuild。图形化仿真小⋯。 软件都能进行连续时间(微分方程)和离散时间(差 常用的活性污泥系统专业仿真软件见表1。 表1 活性污泥系统的专业仿真软件 Tab．1Specificsimulationi地galt'esforactivatedsludgesystem 仿真软件 特点 开发机构 AQUASIM水体和水处理系统的交互式仿真软件，界面友好，但通用性较差，也没有在线功能 瑞十国家环境科学 环境 ASIM能够进行不同的生物处理系统模拟，能定义控制回路，允许用户进行二次开发 与技术研究院 工程 GPS—X 面向对象、模型独立的交互式商业软件包，包括大部分污水处理单元过程模型。能下 加拿大Hy‘lromantis 通用 载SCADA在线数据，利用呼吸仪自动识别参数，可使用Matlab强大的数据分析功能公司 仿真 SIMBA基于Simulink，能针对污水处理厂和排水管网整体仿真，能够与SCADA系统在线连接德国IFAK研究所 软件 WESrr 污水处理厂的交互式动态仿真软件，界面友好，允许用户二次开发，但参数输入较麻 烦 比利时Hemmis公司 加拿大EnviroSim 封闭 BioWin以生物处理过程模型为基础的软件，包括稳态仿真软件和动态仿真软件两个模块 Associates公司 模型 EFOR基于ASM的污水处理仿真程序，沉淀池模型包含多种水力学模型(目前已停用)丹麦水动力研究所 结构 程序 SSSP第一个活性污泥上艺软件，基于ASMI，只能在DOS环境下运行 美国Clemson大学 sT()AT支持SCADA的污水处理系统整体仿真软件，可与排水管网和水体模型软件结合使用英国水研究中心 由于污水处理系统的复杂性，目前专业仿真软 件仍处于不断发展的阶段。研究开发的新模型会不 断被纳入仿真软件中，而高度复杂化的模型也需要 仿真软件的验证。通用仿真软件的发展也推动了专 业软件的开发，特别是在模型描述、数值算法开发和 ·2· 优化工具等方面。L。在动态变化的专业仿真软件 市场中，落后的仿真软件会逐渐被淘汰，而新开发的 仿真软件又会逐渐进入市场。目前针对SSSP的应 用报道已经很少，丹麦水动力研究所也停止了 EFOR软件的开发，转而与Hemmis公司合作推广 万方数据 www．watergasheat．corn周振，等：活性污泥系统仿真软件的研究进展 第26誊第4期 WEST软件。也有一些软件正在逐渐进入市场，例 如西班牙CALAGUA研究小组推出的活性污泥系统 设计、模拟和优化仿真软件DESASS阳J。 2仿真软件在污水处理厂的应用 作为ASM的应用平台，专业仿真软件的开发推 动了数学模型的实际应用。在专业仿真软件中，通 过连接单元模块可非常方便地构建污水处理丁艺， 模型参数可通过弹出的窗口进行校正，用户无需完 全深入了解模型结构就能进行工艺模拟，这大大降 低了模型的应用难度，有助于用户将主要精力用于 数据的前期收集和后期分析。当然，在使用仿真软 件时用户必须注意模喇的基本假定和限制条件。 在仿真软件的辅助下，ASM充分发挥了其在数 据服务、决策咨询和数据分析等方面的作用一J。著 名的环境咨询公司CH2M、DHI和EnviroSim均采用 专业仿真软件作为其主力软件。随着模型的发展和 专业软件的成熟，许多污水处理厂在系统评估、运行 管理及工艺优化中均采用了专业仿真软件。以荷兰 为例，l995年q002年有超过100家污水处理厂采 用基于ASM的软件进行模拟L7J。表2统计了专业 仿真软件在部分国外污水处理厂中的应用情况。在 大嚣研究和实践的基础上，欧美等国的研究和应用 机构提出了四套针对模型应用的系统校正 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，分 别为北美的WERF、荷兰的STOWA、比利时的BI一 0MATH和德国／奥地利／瑞十的HSG方案一o。这哇 校正方案能够协助模型用户加快数据收集和参数校 正的步骤，进一步推动了数学模型在实际污水处理 厂中的应用。 表2仿真软件在国外部分城市污水处理厂的应用 Tab．2Applicationofsimulationsoftwaresinforeignmunicipalwastewatertreatmentplants 仿真软件 污水处理厂名称 国家 黼(m3·d。) T艺 主体模型 研究内容 参考文献 Parada 葡萄牙 25920 传统活性污泥法 ASMl 模拟仿真 [9] AQUASIMZiifichWerdhiJlzli瑞士 19800 脱氮A／O ASM3 模拟仿真 [10] Hardenberg荷兰 6600 A．N／UCT TUI)P 工艺叉寸比 [11] MauldinRoad 美国 20500 A2／O ASM2 模拟仿真 [12] ASIM Zurich 瑞上 397440 脱氮A／O ASM3 低温运行评估 [13] Groos 挪威 65()o A2／O 低温运行评估 [14] BioWin 7rvsonFoods 土耳其 6500 传统活性污泥法 ASMl 升级评估 [15] EFOR Bromma瑞典 160000 传统活性污泥法 二沉池 模拟仿真 [16] Wschod／Debogorze波兰 85000(66000)UCT(A2／O)ASM2 模拟仿真 [17] GPS—X ErzincanCity 土耳其 15163 Carrousel氧化沟ASMl 模拟仿真 [18] Hohen 荷兰 5500 BCFS TUDP参数校正和模拟仿真 [19] Hamburg德国 1036800 传统活性污泥法 ASMl 运行优化 [20] SlMBA Katwoude荷兰 13252 Carrousel氧化沟TUDP故障诊断和数据校核 [21] 瑞典 18240 UCT ASM2 模拟仿真 [22] Tieh 比利时 12925 Bio—DeniphoASM2d 模拟仿真 [23] W_EsT Tougas 法国 518400 氧化沟 ASMl 模拟仿真 [24] 我国在ASM方面的研究起步较晚，早期研究主 要集中于模型介绍、组分和参数测定，但近年来我国 研究者已逐渐认识到模型在污水处理厂运行管理和 工艺优化方面的巨大潜力，有关研究工作正在逐渐 展开。 表3综述了文献报道的仿真软件在我国的应用 情况。可见，专业软件在国内应用较少，国内许多研 究倾向于采用通用仿真软件甚至是低端通用型编程 语言，这导致大量时间用于软件的基础开发，研究相 对滞后。究其原因主要有三方面：①国外专业仿真 ·3· 软件进入中国较晚，软件通常没有中文界面或提示， 市场正在拓展中；②专业软件价格昂贵，全套价格通 常为lO一20万元；③市场驱动力不足。近几年国内 城市污水处理厂大多执行《城镇污水处理厂污染物 排放 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 》(GB18918_2002)的二级排放标准，对 运行优化要求不高。 总体而言，随着国内仿真软件市场的发展和国 家对污水处理厂出水水质要求的日益严格(出水水 质达一级A标准)，专业仿真软件在城市污水处理 厂中的应用将会大大增加。 万方数据 第26卷第4期 中国给水排水 wⅥ唧．watergasheat．corn 表3仿真软件在国内城市污水处理厂的应用概况 Tab．3Applicafionofsimulationsoftwatesindomesticmunicipalwastewatertreatmentplants 规模／ 仿真软件 污水处理厂 工艺 主体模型 内容 参考文献(104m3·d一) 太原市杨家馒污水处理厂 16．64 CAS与UCT CAS升级为UCT评估[25] ～QUASIM北京某大型污水处理厂 25 倒置A2／O TUD 模拟仿真 [26] 北京某大璎污水处理厂 倒置A2／O 运行诊断与优化 [27] 某城市污水处理厂 氧化沟 温度、流蕈和负荷波动模拟 [28] EFOR深圳『fj盐田污水处理厂 12 MSBR ASMl 模拟仿真 [29] l：海某城市污水处理厂 5．5 AB法 模拟仿真 [30] GPS—X北京市岛碑店污水处理厂 100 倒置A2／O ASM2d改善和优化脱氮除磷 [31J 重庆市唐家桥污水处理厂 6 传统活性污泥法与A／(3ASMl 升级改造 [32] Matlab／ Simulink 浙江省德清县狮山污水处理厂 3 A2／O ASM2模拟预测、工艺条件优化 [33] 上海石洞几污水处理厂 40 Unitank ASM2d 工艺分析 [34] SSSP北京北小河污水处理厂 4 传统活性污泥法 ASMl 模拟仿真 [35] WIcsrr兄锡城北污水处理厂 10 氧化沟 ASMl 模拟仿真 [36] 3结语与展望 ①近年来，基于ASM的活性污泥系统仿真软 件在国内外许多污水处理厂的模拟仿真、升级改造、 运行优化和故障诊断等方面得到了广泛应用。但与 国外相比，国内对专业仿真软件的应用仍显不足，这 主要是由于市场和软件价格两方面原因造成的。 ② 当前活性污泥系统仿真软件的一个明显缺 陷是局限于连续流活性污泥工艺，实际污水处理厂 包括了许多其他工艺单元。例如污泥处置，其费用 通常高于污水处理，在仿真软件中忽略污泥处置的 优化会陷入局部最优化。因此，仿真软件开发的一 个方向是纳入更多的单元过程模型，并考虑污水处 理厂模型与水质模型和环境模型的整合。 ③为了更好地描述实际过程，仿真软件还应 结合实际情况考虑尽可能详细的模型过程，例如微 生物接种、进水中毒性物质的存在及其影响、丝状菌 引起的污泥膨胀对沉淀过程的影响以及水力学因素 等。 ④当前大多数仿真软件均缺乏“透明性”，用 户对软件中数学模型及算法的了解是信任仿真结果 进而改进软件的前提。此外，提供优良的低端通用 型语言支持、高效的数值程序以及优化工具也是仿 真软件开发中的重要方向。 参考文献： [1]HenzeM，GujerW，MinoT，eta／．ActivatedSludge ModelsASMI，ASM2，ASM2dandASM3[M]．London： ·4· IWAPublishing，2000． OlssonG，NewellB．WastewaterTreatmentSystems： Modelling，DiagnosisandControl[M]．London：IWA Publishing，1999． GemaeyKV，vanLoosdrechtMCM，HenzeM，eta1． Activatedsludgewastewatertreatmentplantmodelling andsimulmion：stateoftheart[J]．EnvironModellSoft— ware，2004，19(9)：763—783． 孙德荣，吴星五．活性污泥法数学模型的发展及应用 [J]．中国给水排水，2003，19(2)：40—42． MorgenrothE，ArvinE，VanrolleghemP．Theuseof mathematicalmodelsinteachingwastewatertreatment engineering【J]．WaterSciTechnol，2002，45(6)：229 —233． FerrerJ，SecoA，SerrahaJ，eta1．DESASS：asoftware toolfordesigning，simulatingandoptimisingWWTPs [J]．EnvironModenSoftware，2008。23(1)：19—26． HulsbeekJ JW，KruitJ，RoeleveldPJ，et耐．Apracti· calprotocolfordynamicmodellingofactivatedsludge systems[J]．WaterSciTechnol，2002，45(6)：127一 136． SinG．vanHulleSWH，DePauwDJ W，eta／．Acriti· 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