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一、污水處理系統(tǒng)仿真軟件概述

污水處理系統(tǒng)仿真軟件一般由動(dòng)力學(xué)模型、模型表達(dá)、參數(shù)校正、數(shù)值分析、數(shù)據(jù)表達(dá)和用戶界面等模塊組成。在污水處理領(lǐng)域，用于數(shù)學(xué)模擬的軟件可分為四個(gè)層次：一是電子數(shù)據(jù)表，可進(jìn)行穩(wěn)態(tài)計(jì)算，實(shí)現(xiàn)針對普通微分方程的簡單數(shù)字程序；二是低端通用型語言（如FORTRAN、C、Basic等），創(chuàng)建模型的靈活性最高，但耗時(shí)費(fèi)力；三是通用仿真軟件（如Mathematica、MATLAB等），能夠執(zhí)行模型運(yùn)算，可從網(wǎng)上下載；四是專業(yè)仿真軟件（如BioWin、WEST等），主要由預(yù)定義的工藝模型單元庫構(gòu)成。WEST3.7.5將用于本文污水處理系統(tǒng)仿真和工藝分析。WEST軟件是由比利時(shí)Hemmis公司與Ghent大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的、用于污水處理工藝動(dòng)態(tài)模擬的專業(yè)仿真軟件。通過引入組件單元（如活性污泥反應(yīng)器、沉淀池、傳感器等），軟件可幫助用戶使用分級圖形編輯器構(gòu)建模擬對象，并建立組件單元間的關(guān)聯(lián)；后臺模型庫中提供了大量的組件模型以供選擇。軟件為高級用戶提供了二次開發(fā)平臺，通過MSL數(shù)據(jù)庫可實(shí)現(xiàn)用戶對模型庫的自定義擴(kuò)展。WEST軟件目前在歐洲、北美、亞洲和澳大利亞擁有許多用戶，在工業(yè)廢水和生活污水處理領(lǐng)域均有應(yīng)用。

二、模擬仿真在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

目前上海市共有53家城鎮(zhèn)污水處理廠，其工藝包括厭氧/缺氧/好氧、缺氧/厭氧/好氧、氧化溝、Unitank、MSBR等，千差萬別的工藝使學(xué)生在多家污水處理廠的參觀實(shí)習(xí)過程中很難把握其本質(zhì)。因此，針對不同處理規(guī)模、工藝差別較大、處理目標(biāo)不盡相同的污水處理廠，如何提煉污水處理運(yùn)行管理中具有普遍規(guī)律性的內(nèi)容并掌握應(yīng)用就成為畢業(yè)實(shí)習(xí)教學(xué)的重點(diǎn)。由于大部分城市污水處理系統(tǒng)均采用二級生物處理工藝，通常涉及到厭氧、缺氧、好氧和固液分離4個(gè)處理過程，以滿足COD降解、懸浮固體去除、硝化、反硝化和強(qiáng)化生物除磷的需要，因此引入ASM模型對典型生物處理系統(tǒng)進(jìn)行研究將具有普適性的意義。此外，對污水處理廠能夠進(jìn)行調(diào)控的操作變量進(jìn)行梳理，可概括出污水生物處理系統(tǒng)的6大操作變量：進(jìn)水流量、流量分配、剩余污泥排放、污泥外回流、好氧池混合液回流量、供氧量或溶解氧設(shè)定值。為此，可通過計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)操作變量進(jìn)行詳細(xì)分析，以得到不同運(yùn)行參數(shù)下影響污水處理廠出水各指標(biāo)的最佳調(diào)控變量。典型的計(jì)算機(jī)仿真工藝流程如圖1所示。在計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)過程中，兼顧了系統(tǒng)整體介紹和細(xì)節(jié)分析，既通過仿真分析介紹了控制變量對出水水質(zhì)的影響，又通過動(dòng)力學(xué)模型分析解釋了污水處理廠控制參數(shù)設(shè)置的合理性。如參觀污水處理廠的溶解氧設(shè)定范圍為2~3mg/L，為了有助于學(xué)生分析其設(shè)定范圍的合理性，在實(shí)習(xí)過程中引入了ASM中開關(guān)函數(shù)的概念，并通過模型演示介紹了溶解氧對反應(yīng)速率的影響（見圖2）。通過相關(guān)的模擬仿真分析，加深了學(xué)生對實(shí)習(xí)過程中污水處理過程工藝控制的認(rèn)識，有助于學(xué)生理論知識與實(shí)踐知識的融會(huì)貫通。為了更好地突出數(shù)學(xué)模型仿真教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，在畢業(yè)實(shí)習(xí)過程中，首先給學(xué)生布置部分問題，讓學(xué)生帶著問題進(jìn)行污水處理廠的現(xiàn)場參觀學(xué)習(xí)。待完成現(xiàn)場參觀學(xué)習(xí)后，要求學(xué)生進(jìn)行實(shí)習(xí)內(nèi)容總結(jié)，數(shù)學(xué)模型仿真與實(shí)例分析安排在實(shí)習(xí)內(nèi)容總結(jié)之后。在計(jì)算機(jī)仿真演示之外，要求學(xué)生結(jié)合專業(yè)知識對仿真結(jié)果進(jìn)行分析，并對仿真結(jié)果進(jìn)行估計(jì)。與此同時(shí)，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真和數(shù)學(xué)模型計(jì)算對實(shí)習(xí)過程中參觀污水處理廠的工藝特點(diǎn)和存在問題進(jìn)行分析。在工程實(shí)例分析中，選取上海市的典型污水處理廠氨氮去除效率高但出水總磷濃度過高的案例進(jìn)行分析，并通過計(jì)算機(jī)仿真分析提出運(yùn)行管理建議?？紤]到氨氮和總磷的協(xié)同達(dá)標(biāo)問題，通過模擬仿真分析建議增加排泥量降低系統(tǒng)污泥齡以有效降低出水總磷，并適當(dāng)降低好氧曝氣過程中的溶解氧控制值，以防剩余的溶解氧干擾反硝化和厭氧釋磷，這也有助于降低出水總磷濃度。

三、實(shí)踐教學(xué)效果分析與建議

實(shí)踐表明，將計(jì)算機(jī)仿真教學(xué)與污水處理廠現(xiàn)場實(shí)習(xí)結(jié)合，能收到很好的實(shí)習(xí)效果。與傳統(tǒng)的參觀實(shí)習(xí)方式相比，計(jì)算機(jī)仿真作為對實(shí)際生產(chǎn)過程的等效描述，能以其獨(dú)有的技術(shù)和效果為學(xué)生提供一個(gè)良好的多通道學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)和訓(xùn)練創(chuàng)造性思維的氛圍。通過系統(tǒng)性的對污水處理工藝過程進(jìn)行描述分析，學(xué)生能夠?qū)F(xiàn)場參觀實(shí)習(xí)的感性認(rèn)識上升到系統(tǒng)分析的理性認(rèn)識高度。仿真操作不僅可以使學(xué)生將所學(xué)的理論知識與實(shí)踐結(jié)合起來，也可以為他們的思維提供一個(gè)寬廣的空間。計(jì)算機(jī)仿真分析的工藝流程演示有助于學(xué)生樹立起全局觀念和學(xué)習(xí)的積極主動(dòng)性，這是因?yàn)榉抡娣治鲂枰孟到y(tǒng)的觀點(diǎn)對污水處理工藝的運(yùn)行管理及可能達(dá)到的效果和出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，要求運(yùn)用所需知識探索各種參數(shù)之間的相互影響，才能得出最佳的運(yùn)行管理效果。從2011年和2012年的畢業(yè)實(shí)習(xí)教學(xué)效果來看，基于數(shù)學(xué)模型的污水處理工藝仿真演示對提升教學(xué)質(zhì)量有非常明顯的效果，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和動(dòng)手能力都得到了較大的提高。從學(xué)生實(shí)習(xí)報(bào)告的質(zhì)量來看，對工藝流程和單元模塊作用的分析較以往深入，對實(shí)習(xí)過程中問題的回答方向性也更為明確。當(dāng)然，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)應(yīng)用的前提是對相關(guān)模型的深入了解，但目前教學(xué)環(huán)節(jié)中尚缺乏對污水處理數(shù)學(xué)模型的系統(tǒng)講授，這就造成學(xué)生對數(shù)學(xué)模型與結(jié)果分析的理解較為吃力。因此，在實(shí)踐教學(xué)中簡化了建模與模型分析的步驟，要求學(xué)生集中更多精力用于模型結(jié)果的分析。另外，由于數(shù)學(xué)模型仿真分析是一項(xiàng)耗時(shí)費(fèi)力的工作，在2011年和2012年畢業(yè)實(shí)習(xí)引入計(jì)算機(jī)仿真分析時(shí)，僅采用多媒體課件的形式進(jìn)行結(jié)果的分析演示，今后將考慮分步驟引入案例小組討論、模擬仿真分析實(shí)驗(yàn)等內(nèi)容。

作者：周振張萍王羅春安瑩吳春華單位：上海電力學(xué)院環(huán)境與化學(xué)工程學(xué)院