活性污泥数学模型

µ
=
µmax
S Ks + S
三、传统活性污泥数学模型简介
♦ 表示有机物降解的传统典型模型： Eckenfelder(1955年)、Mckinny(1961年)和 Lawrence-McCarty(1970年)活性污泥法模 型
♦ 以上三个模型都是静态模型，仅考虑了 污水中含碳有机污染物的去除，无论是 参数的求解还是计算过程都相对简单。
（三）模型的组分
♦ 1.可溶性惰性有机物
SI
♦ 2.易生物降解有机底物
SS
♦ 3.颗粒性惰性有机物
XI
♦ 4.慢速可生物降解有机底物
XS
♦ 5.活性异养菌生物量
XB.H
♦ 6.活性自养菌生物量
XB.A
♦ 7.微生物衰减产生的颗粒性产物
XP
♦ 8.溶解氧
SO
♦ 9.硝态氮
SNO
♦ 10.氨氮
SNH
♦ 11.溶解性可生物降解有机氮
6 氮的氨化
网捕性有机 7
物的水解 网捕性有机 8 的水解 观察到的转换速率
（ML-3T-1）
1
∑ ri = υη ρ j
1-fP -1
fP
1-fP
-1
fP
-1
iXB-fPiXP
iXB-fPiXP
1
1
-1
14
1
-1
bHXB，H bAXB，A
kSSNDXB，H
kh
KS
X +
S
(
/ X
X B,H S /X
♦ 在模型中加入这个组分，是为了解释这 样一种现象：在活性污泥系统中并不是 所有的微生物都是活性的。
（6）含氮组分
♦ 含氮组分分为不可生物降解和可生物降 解物质
♦ 不可生物降解的含氮组分是和不可生物 降解颗粒状COD(XI)相联系的。
♦ 可溶不可生物降解的含氮组分少到可忽 略不计。
♦ 可生物降解含氮物质划分为：氨氮SNH、 可溶性有机氮SND和颗粒性有机氮XND。
四、IAWQ活性污泥数学模型发展的历史
♦ 1986年推出活性污泥1号模型（ASM1）：包 括去除污水中有机碳以及硝化和反硝化等过 程。
♦ 1995年推出活性污泥2号模型（ASM2）：包 含了脱氮和生物除磷处理过程。
♦ 1999年ASM2被拓展为ASM2d，将反硝化聚 磷菌包含在内。
♦ 1998年推出了活性污泥3号模型（ASM3）： 所包含的主要反应过程和ASM1相同。是对 ASM1的改进，更适合于实际应用。
♦ 自养微生物因为衰减而损失，假定衰减 的结果是生物体转化为慢速生物降解物 XS和颗粒物Xp ，Xp对进一步的生物作用 呈惰性。
（5）生物衰减生成的颗粒产物XP
♦ XP由异养菌和自养菌的衰减形成。 ♦ XP是生物惰性的。（实际上，这部分生
物体也许并不完全对生物处理呈惰性。 然而，它的降解速率太低，在活性污泥 系统的SRT内，它可看作是惰性的。）
SND
♦ 12.颗粒性可生物降解有机氮
XND
♦ 13.碱度
Salk
1、模型组分分类
♦ 有机组分 ♦ 微生物 ♦ 含氮组分 ♦ 碱度
（1）有机组分（惰性物质）
♦ 废水中有机物质的划分是以其生物降解性为基 础。
♦ 不可生物降解物质是生物惰性的(用下标I表 示) ，经过活性污泥系统处理后没有形态上的 变化。
SS
KO,H KO,H +
SO
S NH K NO + S NO
ηg
X B,H
自养菌的 3
好氧生长
1
− 4.57 − YA
1
YA
YH
1 − iXB − YA
− iXB − 1 14 7YA
µ A
S NH K NH + S NH
SO KO,A +
SO
X
B
,
A
4 异养菌的衰减
5 自养菌的衰减 可溶性有机
五、活性污泥1号模型（ASM1）
♦ 模型建立的方法 ♦ 模型表述 ♦ 模型的组分 ♦ 模型中的反应过程 ♦ 模型的参数 ♦ 模型实际使用中的约束条件
（一）模型建立的方法
♦ 1、 矩阵格式 ♦ 2、统一单位 ♦ 3、 基本符号 ♦ 4、质量守恒定律的应用 ♦ 5、连续性检查 ♦ 6、设置模型假定 ♦ 7、活性污泥1号模型的表述
化学计量参数： 异养菌产率：YH 自养菌产率：YA 颗粒性衰减产物的比 例：fP N 在生物量 COD 中的 比值：iXB N 在惰性悬浮 COD 中 的比例：iXP
动力学参数： 异养生长与衰减： μH，KS，KO，H，bH 自养生长与衰减： μA，KNH，KO，A，bA 异养菌缺氧生长的校正因数：ηg 氨化：kS 水解：kh，KX 缺氧水解的校正因数：ηh
♦ 对于溶解氧，是负的COD值 ，其浓度用 -COD（mg/L） 表示；
♦ 对于微生物，其浓度用COD（mg/L）表示；
♦ 对于氨氮（NH3-N），用N（ mg/L）表示，根据反应 NH3+2O2 HNO3+H2O，1g NH3-N相当于4.57g COD；
♦ 对于NO3—N，用N（ mg/L）表示，根据氧化还原反应， 在获得1mol电子时，需1/5mol NO3-或1/4mol O2，因此 1g NO3—N相当于2.86 g O2，即 2.86 g –COD；
B,
H
)
KO,
SO H+
SO
+
ηh
KO,H KO,H +
SO
K
S ND NO + S
NO
X B,H
ρj（XND/XB）
可溶性惰性有机物质 [M（COD）L-3] 易生物降解基质 [M（COD）L-3] 颗粒性惰性有机物质 [M（COD）L-3] 慢速可生物降解基质 [M（COD）L-3] 异养性活性生物量 [M（COD）L-3] 自养性活性生物量 [M（COD）L-3] 由生物量衰减而产生的颗粒性产物 [M（COD）L-3] 氧（负 COD） [M（COD）L-3] 硝酸盐与亚硝酸盐氮 [M（N）L-3] NH4++NH3 氮 [M（N）L-3] 溶解性可生物降解有机氮 [M（N）L-3] 颗粒性可生物降解有机氮 [M（N）L-3] 碱度—摩尔单位
♦ 不可生物降解物质可分为两部分：可溶的（S） 和颗粒性的（X）。
♦ 惰性溶解性有机物（SI）的进出水浓度相同。 ♦ 惰性悬浮性（颗粒性）有机物（XI）被活性污
泥捕捉，并随剩余污泥排出系统。
（2）有机组分（可生物降解物质）
♦ 可生物降解物质(用下标S表示)分为两部分：易生物降 解物质和慢速生物降解物质。
♦ 慢速降解物质一般具有较复杂的分子结构，在其被利 用之前，必须经胞外水解反应转化为易生物降解物质。 假设慢速生物降解物转化为易生物降解形式过程没有 能量的利用，这样也没有与它们相关的电子受体的利 用。
（3）异养微生物（XB,H）
♦ 异养微生物的繁殖是通过在好氧或缺氧条件下 利用易生物降解物质生长，而假定其在厌氧条 件下停止生长。
1、 矩阵格式
♦ 建立矩阵的第一个步骤是确定模型中相关的组分，列于 表头，表底列出它们对应的名称和单位。
♦ 第二个步骤是定义发生在系统中的生物过程，即影响列 表中组分转化和变化 的过程，列于矩阵最左列。
♦ 在矩阵对应行的最右列列出了每个过程的动力学表达式 或速率方程式 。表的右下角定义了速率方程中的动力 学参数。
♦ 碱度可以提供预测pH的变化信息 ，判断反应 的正常与异常情况。
♦ 总碱度低于50g/m3(碳酸盐当量)(1mol总碱度/m3)，pH值将变得不 稳定且将降到6以下。
ASM1的组分总结
(四)、模型中的反应过程
♦ 对于碱度，用HCO3-（mol/L）表示。由于碱度本身不 参与其它组分的反应，其单位不同对于速率方程无影 响。
3、 基本符号
♦ X—不可溶组分或颗粒性组分 ♦ S —可溶性组分 ♦ B —微生物（下标） ♦ S —易降解有机底物（下标） ♦ I —惰性有机物质（下标） ♦ O —氧气 （下标） ♦ NH —氨氮（下标） ♦ NO—硝态氮（包括硝酸盐氮和亚硝酸盐氮） （下标） ♦ ND —可生物降解有机氮（下标） ♦ ALK —碱度（下标）
♦ 微生物因为衰减而损失，假定衰减的结果是生 物体转化为慢速生物降解物XS和颗粒物Xp 。
♦ 由衰减生成的慢速生物降解物质可转化为用于 新细胞生长的物质。
♦ Xp对进一步的生物作用呈惰性。
（4）自养微生物（XB,A）
♦ 自养微生物（硝化菌）的繁殖是通过在 好氧条件下利用氨氮为能源，所需碳源 为无机碳化合物。
含氮组分的转化
♦
水解
♦ 颗粒性有机氮
♦
溶解性有机氮
氨化细菌
♦
异养菌
自养菌
♦ 氮气
硝酸盐氮
氨氮
♦
缺氧反硝化
好氧硝化
♦ 自养菌或异养菌的细胞衰减均能导致颗粒性有机氮的释放，这部 分被释放的有机氮能重新回到系统的循环中
（7）总碱度SALK
♦ 所有包含质子增减的反应都能引起碱度的变化 ：
异养菌和自养菌合成过程中氨氮向氨基酸的转化； 有机氮的氨化过程； 硝化过程； 反硝化过程
♦ 仿真分为物理仿真和数学仿真。
2、仿真和试验的关系——对立统一
♦ 仿真可以减少试验量，节省试验费用， 为试验提供参考数据。
♦ 仿真模型中的参数，需通过试验来确定。 ♦ 仿真的结果需通过试验来验证 ♦ 将仿真与试验有机地结合在一起，是研
究复杂系统的有效方法。
二、模型分类
♦ 数学模型分为机理模型和统计模型 ♦ 机理模型是依据过程的质量、能量、动
♦ 矩阵内的元素是化学计量系数vij，描述了单个过程中各 组分之间的数量关系 。矩阵中约定的符号为：负号表 示消耗，正号表示产生。表的左下角列出了定义的全部 化学计量系数。
Peterson matrix presentation
异养微生物好氧生长的过程动力学和化学计量学
2、统一单位
♦ 对于含碳有机物，其浓度用COD（mg/L）表示；
量守恒原则，以及反应动力学等原理来 建立模型，属于“白箱”模型；
♦ 统计模型是依据过程输入、输出数据， 利用一定的统计方法对数据进行分析来 建立模型，属于“黑箱”模型；
♦ 即利用过程机理又利用测试数据来建立 的混合模型属于“灰箱”模型。
三、传统活性污泥数学模型简介
♦ 1942年Monod提出了以米-门公式为基础 的Monod方程：
的活性污泥生物量损失。 ♦ 二沉池内无生化反应，仅为一个固液分离装置。
（二）活性污泥1号模型的表述
表 2-2 碳氧化、硝化及反硝化的过程动力学与化学计量
组分 →
i1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
工艺过程
j↓
异养菌的 1
好氧生长
SI
SS
X1
XS
XB,H XB,A XP
SO
SNO
SNH
SND
XND
♦ 易生物降解物质（SS）被当作可溶物来处理，而慢速 生物降解物质（XS）被当作颗粒物处理。
♦ 易生物降解物质的分子结构一般较简单，它们可以直 接被异养微生物吸收并用于新微生物的生长。这些分 子的一部分能量（COD）被结合到了微生物中(2/3)， 同时一部分能量被消耗来提供细胞合成所需的能量 (1/3)。这部分的电子转移到外部的电子受体（氧或硝 酸盐）。
4、质量守恒定律的应用
♦ 输入量－输出量＋反应量＝累积量
组分i的反应速率：
∑ ri = ν ij ρ j j
例：系统内某一点微生物XB、溶解性底 物SS、溶解氧SO的反应速率
例：系统内某一点微生物XB、溶解 性底物SS、溶解氧SO的反应速率
∧
rX B
=
µ SS
KS + SS
XB
− bX B
∧
−1
YH
1
− 1 − YH
YH
-iXB
SALK − iXh
14
工艺过程速率，ρj， （ML-3T-1）
µH
SS KS +
SS
SO KO,H +
SO
X
BH
1
异养菌的 2
− YH
1
缺氧生长
− 1 − YH 2.86YH -iXB
1 − YH 14 ⋅ 2.86YH
− iXH /14
µ A
SS KS +
异养菌xbh可溶性易降解有机物snh碱度salkbhdtdxdtdxdtdsbhdtdxdtdsbhdtdxdtdsbhxbnhdtdxdtdsbhxbalk在异养菌好氧生长过程1中消耗在异养菌缺氧生长过程2中消耗在被絮集吸附的慢速有机物水解过程7中生成ohohohohdtdsdtdsdtdsdtds1化学计量参数5个符号自养菌产率系数生成细胞gcod氧化g生成细胞gcod氧化gcod生物体中可转化为颗粒性产物的比例无量纲xb生物体cod中的含氮比例xp生物体产物cod中的含氮比cod内源代谢产物六模型的参数2反应动力学参数14个符号1缺氧条件下的校正因子无量纲缺氧条件下水解校正因子无量纲慢速可生物降解codg细胞codd慢速可生物降解codg细胞cod自养菌最大比增长速率nh自养菌的氨半饱和系数calledyieldstoichiometriccoefficientsnotecoefficientscanchosenequal统一单位的必要性对活性污泥过程的13个组分可建立13个方程某一组分可能出现在不止一个方程中因此必须对13个方程联立求解才能得出13个组分的浓度
rSS
=−1 Y
µ SS
KS + SSFra bibliotekXB∧
r SO
= −1− Y µ SS
Y KS + SS
XB
− bX B
5、连续性检查
♦ 单个反应过程中化学计量系数的总和为 零
6、模型假定
♦ 系统运行温度恒定。 ♦ pH值恒定而且接近中性。 ♦ 微生物所需营养充足。 ♦ 进水污染物浓度可变，但组成和性质不变。 ♦ 微生物的种群和浓度处于正常状态。 ♦ 假设微生物对颗粒有机物的捕捉是瞬时进行的 ♦ 有机物和有机氮的水解同时进行，且速率相等。 ♦ 系统中电子受体的存在类型不影响由衰减引起
活性污泥数学模型 ——ASMs简介
提纲
♦ 一、仿真 ♦ 二、模型分类
♦ 三、传统活性污泥数学模型简介 ♦ 四、IAWQ活性污泥数学模型发展的历史
♦ 五、活性污泥1号模型（ASM1） ♦ 六、ASM3和ASM2、ASM2d
一、仿真（模拟）
1、仿真的定义和分类
♦ 仿真（Simulation,模拟)：当问题有一定 的复杂性时，可以先建立该问题的模型 （Model），并以模型为基础对问题进行 分析。这一过程，称为仿真。