毕业论文课题相关文献综述
1.研究背景
二十一世纪以来，我国工业发展进入新时期，越来越多的工厂建立起来，同时就意味着污染物的排放也越来越多，加上放弃环境，发展经济和先污染，后治理的错误道路，导致了环境污染日益加剧，随着一条条原本清澈的河流变黑、变臭以及雾霾的出现，也随着人们的生活水平逐渐提高，广大群众对于环境污染问题日益重视起来，人们对于美好的生活环境的要求也越来越高，这就对工业污染物的排放标准有了更高的要求，对工厂是否达标排放的监管也日益严格，对接收和处理工业废水的污水处理厂的设计有了更高的要求。
20世纪80年代后，随着对污水处理系统处理效率、经济效益和系统运行稳定性要求的提高，同时由于各种技术的发展和计算机的广泛应用，污水处理厂的规划设计和运行管理逐步进入模型设计和系统模拟阶段。近年来，随着环保法规的日益严格，对于污水处理厂设计的精度和效率的要求也日益提高，以前简单粗略的经验模型和简单地按照污水处理厂设计规范[1-9]进行书面的设计进而直接将设计结果应用于实际建设的方法已经不能满足新时代高精度、高效率的要求。经过科研人员的努力，污水处理厂的设计已经从传统的依靠设计手册和经验的方法发展到先进的数学模拟技术，从稳态模型发展到动态模型，从局部模拟发展到全厂运行管理的模拟，数学模拟技术的出现很大程度地提高了污水处理厂设计的精度和效率。
本设计就是将ASM模型的数学模拟技术运用于污水处理厂的设计，活性污泥模型ASM模型是国际水协提出的目前最具代表性的活性污泥数学模型，它包括了ASM1、BSM1、ASM－S、ASM2、ASM2D、ASM3等等。通过这一系列的升级完善，ASM模型从静态模拟发展到动态模拟，从部分模拟发展到全厂模拟，大大提高了设计的准确性、和可靠性，使得污水处理的设计更加便捷和接近实际。
2.研究目的及意义
我国在污水处理厂设计的相关技术不是那么先进成熟和完善，很多原有的污水处理厂的设计还停留在简单的经验模型上面，所以基于数学模拟技术的污水处理厂的设计是值得深入研究的一个课题。希望通过本设计，让更多的人了解数学模拟技术对污水处理厂设计的重要意义，更多地将数学模拟技术运用到污水处理厂的设计、工艺优化和提标改造，让更多的人致力于新技术的研发。希望在设计过程中进行的有关数学模拟技术运用于污水处理方面的研究和收集到的资料，可以为我国污水处理厂的设计、提标改造以及工艺优化的实践和新技术的研发提供参考。
2.活性污泥工艺的研究现状
活性污泥法是一种污水的好氧生物处理法，由英国的克拉克（Clark）和盖奇（Gage）约在1913年于曼彻斯特的劳伦斯污水试验站发明并应用。如今，活性污泥法及其衍生改良工艺是处理城市污水最广泛使用的方法。活性污泥法出现后，随着工艺的改进创新，出现了多点进水、吸附再生、延时曝气和高负荷率活性污泥等方法。我国学者对于活性污泥法处理废水也进行了一定的研究和改进，例如，吴飞等[10]在进行南京经济技术开发区污水处理厂的提标改造时，将原有的CASS工艺改为两点进水前置加药的AAO 三级处理工艺，整个工艺流程为：粗细格栅 曝气沉砂池 AAO 高效沉淀池 滤布滤池 消毒，提标改造后的工艺运行成本虽然提高了，但是污染物的去除率明显提高，出水水质达到了《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级A标准。以上实例中运用的AAO二级生化处理和三级处理工艺，在国内的污水处理厂的设计及提标改造中被广泛应用，该工艺的特点是成熟稳定，两者的结合既保证了脱氮除磷的效果，又提高了出水水质的稳定。除了上面的例子外，有的情况下，单独一种二级处理工艺是不足以使出水达到排放标准的，这时候就需要对两种或多种工艺进行有机结合。郑立安等[11]在进行丹江口库区某污水处理厂的提标改造工程时，就采用了AAO/MBR工艺，此工艺是生物处理技术和膜分离技术的结合，他们采用MBR池代替了传统的二沉池，这样一来固液分离效果好，对细菌、病毒和悬浮物均有很好的去除效果。该工艺的优点是实现了生物池污泥龄和水力停留时间的分离，维持了长污泥龄、高污泥浓度的生长环境。除此之外，SBR工艺也是污水处理中常用的工艺之一，SBR工艺通过不断的改进形成了连续进水的间歇循环延时曝气活性污泥法ICEAS工艺，为了提高脱氮除磷效果，使出水稳定，抗冲击负荷能力更强，又出现了改进版的MICEAS工艺。周伟等[12]曾对高原某乡镇污水处理厂处理效果进行分析，该厂采用的就是MICEAS工艺，该研究发现此工艺的脱氮除磷效果良好稳定，出水也能达到一级A标准，但是相比较COD、BOD5和氨氮，对于TN和TP的去除率较低(65%以上)，所以还可以对工艺进行进一步的优化，达到更高的去除效果。
活性污泥工艺在污水处理中应用广泛，不同的活性污泥工艺有各自的优缺点，在进行污水处理厂的设计和提标改造时，可以根据水质情况，应用数学模拟技术对工艺进行有机结合和比选，最终得到兼具经济成本低和环境效益高的工艺方案。
3.国内外研究现状
3.1数学模拟技术应用于污水处理厂设计阶段的研究现状
数学模拟技术已经是一种成熟的工程工具，经过长期不断的完善开发，在北美、欧洲和澳洲等地得到广泛应用，成为当地污水处理运行和设计的标准工具。近年来，国内也有越来越多的人认可数学模拟技术的先进性、优越性和重要性，并将此技术进行了推广、应用和研究。在污水处理厂的设计中，可以运用数学模拟技术进行处理工艺的选择，运行参数的调整等等，在出水水质达标的情况下，再进行参数优化，让污水处理厂的运行更加低耗高效。我国部分学者就对此做了一定的研究，例如，王润娟等[13]利用 WEST 软件为平台，采用国际水协会的ASM2D 模型，根据西安某污水处理厂的水质状况，建立现状仿真模型。并通过调整模型参数，使模型计算得出的出水模拟值与实测值尽可能的吻合，从而保证仿真模型能够真实的反映实际过程。在分别进行了四个工艺方案的模拟运行后，在COD、NH4 -N、TN达标的前提下，选择了出水TP最低的方案。该研究存在的问题是，只进行了最佳工艺的选择，而没有进行经济因素的比较，设计的结果最终都是要投入实际应用的，经济因素也应当作为每一个设计者的重要考虑因素。除了工艺方案比选之外，数学模拟技术还可以应用于已经确定工艺路线的污水处理厂处理能力的模拟分析。Yao-yu Zhang 等[14]基于ASM2D模型，模拟了改进型A2/O城市污水处理厂，研究了不同进水比例下出水COD、TN和NH4 -N的达标状态。经过他们的研究发现，进水分布越均匀、越分散，TN达标率越高，出水COD、TN、NH4 -N含量越低。他们通过对达标率的分析，发现在1A类达标率90%以上的前提下，采用A2/ O三个工艺，每个工艺设计50000 t/d的污水处理厂最大运行能力为100000 t/d。该研究的贡献在于为出水水质的提高提出了新的改进思路，并对污水处理的设计处理水量和最大运行水量之间进行量化的区分，为污水处理厂的设计工作提供了很好的参考的作用。另外，数学模拟技术还可以应用于污水处理厂的提标改造，杨晨泽[15]利用GPS-X 软件的ASM1模型，构建了河北某污水处理厂CASS工艺提标改造模型，对反应区的体积比、污泥回流比、充水比、运行周期进行了数值模拟优化，并将结果投入实施。该研究的优点是在准备工作中进行了模型的校正，证明了设计结果可以投入实践，并以实际运行结果证明了设计的可行性。
无论是污水处理厂的设计还是提标改造工程，数学模拟技术都可以发挥很好的辅助作用，得到最适合的处理方案，最佳的运行参数，设计出来的污水处理厂运行科学可行，低耗高效。
3.2数学模拟技术应用于污水处理厂工艺优化阶段的研究现状
数学模拟技术除了可以辅助污水处理厂的设计之外，还可以对已有的污水处理厂进行工艺优化，通过建立污水处理某一单元或者某种工况的数学模型，进行运行模拟和分析，实现工艺优化的目的。运用数学模拟技术进行工艺优化的优点是可以在优化前对模型和软件进行验证和调整，使其与实际的污水处理数据更加接近，从而得到更加可靠的优化结果。宁艳春[16]等通过对溶解氧、污泥回流比的工艺参数进行条件变化，对不同工况条件下进行模拟，将曝气池中的溶解氧降低至2mg/L。他们通过BioWin软件建立污水厂生化单元的数学模型，以此为基础对污水处理工艺进行了优化，在确保出水水质达标的情况下，降低了成本，节约了能源。在实验研究前，对软件进行了模型验证，确保了数据的科学性以及与实际的相符性。除了通过数学模拟技术改变运行参数从而达到优化目的之外，还可以对特殊工况进行模拟，确保污水处理厂在特殊工况下也能保证出水水质达标。房婷婷等[17]运用BioWin软件对污水处理厂污水处理规模扩大和初期雨水污染两种工况进行模拟和分析，再对污泥回流比和混合液回流比进行模拟，从而选定合适的参数，以确保污水处理厂出水达到一级A标准。污水处理厂入水受很多因素的影响，降雨也不受人的控制，这些意外工况都对出水水质有很大影响，因此在设计时ioWin软件和ASM2D模型对苏州新区第二污水处理厂进行了运行就要考虑这些情况，即使出现意外工况，仍能让出水水质达标，这又是数学模拟技术的一大作用。除了以上应用实例外，数学模拟技术还有更高层次的应用。卢军辉[18]用B模拟和工艺优化，制定污水厂全年典型季节进水条件下的最优运行工况。这相比较于上面的两个实例，它不仅仅是简单的工艺优化，而是对全厂全年最佳运行工况进行设计，对STR、MLSS、内回流比、污泥回流比、厌缺氧进水分配比和化沟3#曝气机的DO含量都进行了季节性的设计，这对污水处理厂的运行具有重要意义。因为在不同的季节，水量、水温、水质、微生物的状态等等都不同，这就意味着要对厂内各构筑物及设备等等的参数进行调整，才能使出水达到排放标准。
很多已经建好并且运行多年的污水处理厂，都可能存在工艺落后或者出水水质没有达到最新环保要求的问题，这些污水处理厂都需要进行优化，数学模拟技术能够很好地辅助进行优化，为优化结果提供更多可靠的依据，让最终投入运行的污水处理厂在达标的情况下还能降低成本和能耗。
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