活性污泥法动力学模型的研究与发展

x7
z7
t8 t9
- x9
y 10 y 11 y 12
x9
z9 z 10 z 11 f f
I I
- 1 1 - 1 - 1
1/ Y A
t 10 t 11 t 12
自养生 物硝化
- x 12
x 12
z 12
描述活性污泥系统中各种组分的变化规律和相互关 系 ,行号用 j 表示 , 列号用 i 表示 ; 矩阵最上面一行
给水排水 Vol 126 No18 2000 16
- 3
表1
组分 i 单位 j 过程
1 水解 2 好氧贮存 S S 3 缺氧贮存 S S 4 好氧生长 5 缺氧生长 ( 反硝化) 6 好氧内源呼吸 7 缺氧内源呼吸 8 利用 X STO的好氧呼吸 9 利用 X STO的缺氧呼吸 10 硝化 11 好氧内源呼吸 12 缺氧内源呼吸
COD - 1
COD
COD
COD
TSS - i XS
水解
- 1 - 1
Y STO ,O
2
t2 t3
2
- x3
x3
z3 z4
Y STO ,NO
1 1
f f
I I
- 1/ Y H ,O
t4 t5 t6 t7
- x5
x5
z5 z6
- 1/ Y H ,NO
异养生 物反硝 化
- 1 - 1 - 1
- x7
0 活性污泥法数学模型概述 1942 年 Monod 提出了以米Ο 门公式为基础的 Monod 方 程 , 在 此 基 础 上 Eckenfelder 、 Mc Kinney 、 Lawrence 和 McCarty 等人建立了活性污泥法数学
的滞后现象和耗氧速率的瞬变响应特性 。 ②WRc 模型 : 强调了非存活细胞的生物代谢活性 ,认为有机 物的降解可以在不伴随微生物量增长的情况下完 成 ,以此解释在应用 Monod 动力学根据有机物的去 除预测微生物量增长时出现的问题 。 ③IAWQ ( 原 IAWPRC 现 IWA) 模型 :1985 年 IAWQ 推出了活性 污泥 法 1 号 模 型 ( Activated Sludge Model No . 1 ; ASM1) ,ASM1 包含 13 种组分 ,8 种反应过程 , 此模 型先进之处在于它不仅描述了碳氧化过程 , 还包括 含氮物质的硝化与反硝化 , 但它的缺陷是未包含磷 的去除 ;1995 年 , IAWQ 专家组又推出了 ASM2 , 它 不仅包含污水中含碳有机物和氮的去除 , 还包含了 生物除磷和化学除磷过程 ,ASM2 包含 19 种物质 , 19 种反应 ,22 个化学计量系数及 42 个动力学参数 ; IAWQ 专家组于 1998 年推出了 ASM3 。活性污泥动 力学模型为新工艺的开发 、 辅助设计 、 污水厂的运行 埋地钢管安装前应做好防腐绝缘 , 焊缝部位未 经试压不得防腐 , 在运输和安装时应防止损坏防腐 层 ,钢管内防腐采用高分子聚合无毒涂料 ( 普通级 ) 二底二面 ,外防腐采用高分子聚合涂料 。地下水较 浅、 基础干燥处采用三布一油 , 地下水位高 , 基础潮 湿及管件过河处全部采用重加强四油两布防腐 。过 虾池 、 盐碱地处增加阴极保护措施 ,阳极采用锌铝阳 极 ,钢管内外喷砂除锈 。
表2 转换系数矩阵 lk , i
守恒物 k 物质 i
1 S O/ O 2 2 S I/ COD 3 S S/ COD 4 S NH/ N 5 SN / N
2
∑v 3ρj j来自= v 31ρ 1 + v 32ρ 2 + v 33ρ 3 X S/ X H ・X H + K X + X S/ X H SO SS ・ ・X H + KO + S O KS + S S KO S NO ・ KO + S O KNO + S NO
图1 微生物 3 种衰减理论
2 ASM3 211 ASM3 的水质特性 ASM3 [ 1～2 ] 假定污水中含溶解性组分 S 和固形
物组分 X 。其中 S 有 7 种 , X 有 6 种 ,共 13 种组分 。 IAWQ 活性污泥法模型中用 COD 代表传统的 BOD5 来表征污水中有机物含量及生物固体含量 。 溶解性组分 S : ①S O [ M ( O2 ) L - 3 ] : 溶解氧 ; ②S I [ M ( COD) L ] : 可溶惰性有机物 , 假定不 可降解 ,来源于进水或由 X S 水解而来 ; ③S S [ M ( COD) L - 3 ] : 易降解有机底物 ( COD ) , 这部分可以直接被异养菌利用 , 在 ASM3 中假定它 首先被异养菌吸收 ,然后以 X STO的形式贮存 。 S I + μm 膜过 S S 基本上等于总的可溶 COD ( 能通过 0145 滤器) ; ④S N H [ M ( N ) L - 3 ] : 氨和铵 ,一般假定都是铵 ; ⑤S N2 [ M ( N ) L - 3 ] :N 2 ,假定是反硝化的唯一产 物 ,它可以预测是否由于二沉池中 N 2 过饱和而引 起气泡以及污泥上浮问题 , 进水和气体交换而带入 的 N 2 不予考虑 ; ⑥S NO [ M ( N ) L - 3 ] : 硝态及亚硝态氮 ,亚硝态氮 不是模型的一个组分 , 在所有的生化反应中 , 认为
x 10 x 11 x8 x6 x4 x2
化 学 计 量 系 数 矩 阵 vj , i
4
S NH
1
SO
2
SI
3
SS
5
SN
2
6
S NO
7
S AL K
8
XI
9
XS
10
XH
11
X STO
12
XA
13
X TS
备注
O2
COD
f SI
COD
x1
N
y1 y2 y3 y4 y5 y6 y7
N
N
mol
z1 z2
COD
i 与过程 j 的相互关系 。若某一组分不参与过程变
式中 v ij — — — 表 1 中 i 列 j 行的化学计量系数 ; ρ — — 表 3 中 j 行的反应过程速率 。 j — 例如 S S 的表观反应速率为 : γ 3 =
化 ,相应的计量系数为 0 , 矩阵中用空项表示 。计量 系数的符号表示该组分在转换过程中的增减 , 通过 矩阵可以非常方便地看出所有可能的反应过程对所
活性污泥法动力学模型的研究与发展
彭永臻 高景峰 隋铭皓
提要 通过介绍前国际水质协会 ( IAWQ ) 最新推出的第三套活性污泥法动力学模型 ( ASM3 ) , 来探讨活性污泥法动力学模型的发展 。ASM3 进一步弥补了其前身 ASM1 的不足与缺陷 ,更适合于 编制计算机代码 。ASM3 可以预测活性污泥系统的耗氧量 、 污泥产量 、 硝化和反硝化 。在 ASM3 中 , 衰减 ( 溶菌) 过程是以内源呼吸理论为基础的 。ASM3 强调了转换系数和胞内贮存物的重要性 。 关键词 活性污泥法动力学模型 3 ( ASM3) 硝化 反硝化 耗氧量 动力学参数
○ 作者通讯处 :110006 沈阳南湖南五马路 185 巷 3 号 辽宁省城乡建设规划设计院 电话 : (024) 23214754 收稿日期 :2000Ο 4Ο 24 给水排水 Vol 126 No18 2000
模型 。这些数学模型都是静态的 , 仅考虑了污水中 含碳有机物的去除 , 其中 1970 年推出的 Lawrence2 McCarty 模型 ,强调了生物固体停留时间 SR T 的重 要性 ,在污水处理学术界得到了比较广泛的承认 。 活性污泥法动态模型主要有 3 种 : 机理模型 、 时 间序列模型和语言模型 。语言模型主要指专家系 统 ,其研究尚处在初始阶段 。时间序列模型又称为 辨识模型 ,对监测控制系统的要求较高 。机理模型 目前主要有 3 种 : ① Andrews 模型 : 特点是引入底物 在生物絮体 ( 活性污泥 ) 中的贮存机理 , 区别溶解和 非溶解性底物 ,解释有机物的快速去除现象 ,预测实 际中观察到的底物浓度增加时微生物增长速度变化 道采用耐腐蚀的玻璃钢管道 。 长距离 、 高水头 、 高压力 、 完全重力式输水管路 排气十分重要 ,设计根据地形隆起点全线 120km 内 设置了排气阀 88 个 ,排泥阀 57 个 ,检修闸门 220 个 , 各种不同转角弯头 414 个 ,各种连接三通 175 个。 由于网前压力随用水量大小浮动 , 为保证压力 稳定在高位调节水池出口 , 进入网前的管道上设置 了两组消能调流阀 , 其主要作用为流量 、 压力控制 、 事故控制 、 均恒供水正常运行控制 。 为降低温变应力避免爆管 , 设计要求错开高温 季节施工 , 否则需增加 22 个管道伸缩节 , 并要求钢 管探伤射线检查合格后允许回填 。
S NO只是 NO3 ;
-
⑦S AL K[ mol ( HCO3- ) L - 3 ] : 污水碱度 , 可估计 生化反应中贮存电荷的能力 , 也可预先判断污水的 p H 值是否太低 ,因为低 p H 值会抑制许多生化反应。 固形物组分 X : ⑧X I [ M ( COD) L - 3 ] : 固形惰性有机物 , 假定不 可降解 ,来自进水或生物的衰减 ; ⑨X S [ M ( COD ) L - 3 ] : 可缓慢生物降解的有机 底物 , 是高分子量的胶体 、 颗粒状有机物 , 必须经过 胞外水解后才能降解 ,假定 X S 水解成 S I 和 S S , 这 是与 ASM1 不同的 ,所有的 X S 来自进水 ,并假定它 μm 膜过滤器上 ; 被截留在 0145 υ X H [ M ( COD) L - 3 ] : 异养菌 ,在好氧条件下都 λ 可以生长 ,大多数 X H 在缺氧时可进行反硝化 , X H 负责水解 X S ; 在适宜的环境条件下 , 都能利用所有 可生物降解的有机底物 。它们可形成胞内贮存物 PHA 或糖元 ,在 ASM3 中 ,它们除进行胞外水解外 , 不进行任何厌氧行为 ; ϖ X STO [ M ( COD) L - 3 ] : 异养菌的胞内贮藏物 , λ 包括 PHA 和糖元等物质 , 它的出现只与 X H 有关 , 但不包括在 X H 之内 ,此项无法分析检测到 ,只是个 功能参数 , 在 COD 的分析中可能检测到 , 但必须满 足 COD 守恒 , 在化学计量中 , 假设此项的组成是 ( C4 H6 O2 ) n ; ωX A [ M ( COD) L - 3 ] : 硝化菌 ; λ ξ λ X TSS [ M ( TSS) L - 3 ] : 总 悬 浮 物 , 引 入 此 项 是为了通过化学计量计算 TSS 的浓度 , TSS 是污水 厂日常检测的项目之一 , 如果进水中包含无机的 TSS ,那么从 ASM3 预测所得的 TSS 中对此也应该 有所体现 ,如果采用化学法除磷 ,那么形成的沉淀物 也必须算在进水的 TSS 中 ,也可以用 X TSS预测 VSS , 这需要选择相应的 TSS 组分系数 ( 表 5 中的 i TS ?) 。 固形物组分与活性污泥相关联 ( 絮集其上或含 于其内) ,可在沉淀池中沉淀 。而溶解性组分只能随 水输送 ,并且只有溶解性组分可带电荷 。ASM3 与 ASM1 、 ASM2 的重要区别是溶解性和固形物组分可 μm 膜 过 滤 器 很 好 地 区 分 辨 别 , 而 在 以用 0145 ASM1 和 ASM2 中 , X S 可能会被留在滤出液中 。 212 矩阵 表 1 为化学计量系数矩阵 ,是以矩阵的形式来