活性污泥过程模型

• 3.1.1合理假定 • 该模型在建模时引入了一个重要的基本假定，就是被模拟的活 性污泥过程当前运行正常。该假定的具体内容包括： • (1)曝气池内处于正常pH值及温度下； • (2)池内微生物的种群和浓度处于正常状态； • (3)池内污染物浓度可变，但成分及组成不变； • (4)微生物营养充分； • (5)二沉池内无生化反应，仅为一个固液分离装置
• 2.1莫诺（monod）方程式 • Monod(莫诺)于1942年采用纯菌种在培养基稀溶液中进行了微 生物生长的实验研究, 在取得大量实验数据的基础上于1949年 提出了微生物生长过程中微生物生长速率和底物浓度之间的关 系式 :
μ=μmax
上述关系式亦被引入废水生物处理领域，并用具有异养 型微生物群体的活性污泥对底物进行活性污泥增长实验 研究，发现基本符合这种关系
• 3.1.2系统分割 8个子过程是： (1)异养菌好氧生长；(2)异养菌缺氧生长；(3)自养菌好氧生长 ；(4)异养菌衰减；(5)自养菌衰减；(6)可溶有机氮的氨化；(7) 被吸着缓慢降解有机碳的“水解”(8)被吸着缓慢降解有机氮的“ 水解” 13个组分是： (1)易降解有机碳S5；(2)缓慢降解有机碳X5；(3)可溶性可降解 有机氮Snd；(4)颗粒状可降解有机氮Xnd；(5)溶解氧S0；(6) 氨态氮Snh；(7)硝态氮Sno；(8)碱度Salk；(9)异养菌Xbh； (10)自养菌Xba；(11)可溶惰性有机碳Si；(12)颗粒惰性有机碳 Xi；(13)微生物衰减产物Xp
• 3.1.5组分总动力学方程 • 在活性污泥过程的IAWQ模型中，每一个组分至少在一个子过程 中参加了反应(惰性组分除外)，该组分在其参与的所有子过程中 的总反应速率为其在各个子过程中反应速率之和。
• 3.1.4相关速率方程 • 在各子过程基本反应动力学方程的基础上，参与该子过程的其 它组分的反应动力学方程也可依次建立。 • 例如，在异养茵好氧生长子过程中，对于易降解有机碳Ss，可 根据微生物生长与基质消耗的关系，利用异养茵产率系数Yh及 微生物生长引起基质消耗的事实，可得方程：
• 某一子过程中某一组分的反应动力学方程可以由该子过程的基 本动力学方程乘以一个系数来得到。该系数对于产生基本动力 学方程的组分为1(数量增加)或-l(数量减少)，反应系数可查表 得到
这3种模型均假设:(1)反应在稳态条件下进行，即整个 反应器(曝气池)中的微生物浓度不随时间变化，进水基质浓 度也不随时间变化；(2)反应系统只有两种组分，即微生物和 以BOD5或COD指标表示的底物；(3)反应器全混。
• 但是这些模型只考虑了污水中含碳有机物的去除，不能解释和 描述废水生物处理中常见的有机物“快速去除”和出水中有机 物浓度随进水浓度变化的现象，也不能很好地预测实际观察中 存在的有机物浓度增加时，微生物增长速率变化的滞后效应。 • 因此，传统的活性污泥模型虽然参数求解和计算过程相对简单 ，但无法精确地模拟废水处理中氧利用的动态变化，不能很好 地描述活性污泥系统的动态特性。
• 2.2劳伦斯-麦卡蒂（Lawrence-McCarty）方程式 • 劳伦斯-麦卡蒂以微生物增值对有机底物的利用为基础，于197 0年建立了活性污泥反应动力学方程式。他在自己的动力学方程 式中纳入了莫诺方程式。 • 对污泥龄提出了新的概念，即：单位重量的微生物在活性污泥 反应系统中的平均停留时间。 • 对单位底物利用率提出了新的概念。即：单位微生物量的底物 利用率为一常数，以q表示。
• 3.1.3基本速率方程 • 相对于参与某一子过程反应的某一组分，可以写出一个反应动 力学方程，以表示该组分的浓度在该子过程反应中随时间的变 化情况。对于该子过程，则可写出一个或几个组分的反应动力 学方程。在构成这若干个动力学方程时，以某一组分的生长或 衰减的反应动力学方程作为基本方程，其他组分的反应动力学 方程以该基本动力学方程为基础经过系数调整获得。
• 2.传统的活性污泥过程模型
传统的活性污泥模型始于20世纪50年代中期，其中最有 代表性的有Ecken-felder等基于VSS(挥发性悬浮固体)积累速 率经验公式提出的活性污泥模型；McKinney等基于污泥全混 假设提出的活性污泥模型和Lawrence-Mccarty等基于微生物 生长动力学理论提出的活性污泥模型。
活性污泥过程模型
• 1.概述 • 2.传统的活性污泥过程模型 • 3.动态的活性污泥过程模型 • 4.活性污泥过程模型的应用
1.概述
活性污泥法在废水生物处理中应用广泛，其工艺流程的选 择设计和处理系统的运行管理一直深受重视。
20世纪80年代以来，数学模型和计算机技术在活性污泥法 中的应用日趋活跃，其模型研究经历了从简单拟合实验数据 到采用经典的微生物生长动力学模型，进而根据废水生物处 理过程的特性进行过程动态分析、探索辨识建模的发展过程 ，实现了从以指导活性污泥工艺设计，转变成以研究活性污 泥工艺的动态过程；实现系统的高效率低能耗运行为主要目 的。
• 例如，对于异养菌好氧生长这个子过程，涉及异养菌Xbh、易降 解有机碳S5、溶解氧S0、氨态氮Snh和碱度Salk。在建立该子 过程中各组分的动力学模型时，以异养菌的好氧反应动力学方 程为基础。异养菌好氧生长的反应动力学方程是：
• 式中uh是异养菌最大比生长速率；Ks是相应于Ss的饱和常数； Ko，h是相应于S0在异养菌好氧生长中的饱和常数；
• 图1 Monod方程式与其μ-S关系曲线
• 莫诺方程的一些分析 • （1）在高底物浓度下，微生物的生长不受限制，处于对数生长 期微生物比增长速率达到最大值。S»Ks，所以方程式简化为： μ=μmax，此时呈零级反应，反应速率和底物浓度无关，增加底 物浓度亦不可能提高微生物增长速率。在这种情况下，如要再 提高微生物增长速率，则应增加微生物的浓度。 • （2）当底物浓度较小时，微生物的生长受到营养物质的限制， 处于静止生长期，微生物的增长速率和底物浓度成正比例关系 。即：S«Ks时，式中S与Ks的比值可以忽略不计，所以公式简 化为：μ=μmaxS/Ks，此时呈一级反应，反应速率与底物浓度 呈正比。
• 劳-麦第一基本方程式如下： 1/θc=Yq-Kd • 劳-麦第一基本方程式所表示的是生物固体平均停留时间，与产 率、底物利用率以及微生物的衰减系数之间的关系。 • 劳-麦第二基本方程式是在莫诺方程式上建立的，其概念是有机 底物的降解速度等于其被微生物的利用速度，即： (dS/dt)u=KXaS/Ks+S 劳-麦第二基本方程式所表示的是：有机底物利用率与反应器内 微生物浓度及微生物周围有机底物浓度之间的关系。
பைடு நூலகம்
• Monod方程式在环境微生物领域被广泛用来措述微生物的生长 特性，但这是一个对微生物生长过程过分简化的模型。需要满 足以下三个条件：1)微生物以单一污染物质作为底物；2)微生 物处于平衡生长状态；3)微生物降解和生长过程中力毒性存在 。 • 显然，大多数实际活性污泥处理系统的微生物过程并不符合这 些条件。尤其在微生物快速生长过程中，细胞内的各种组分并 不是以平衡的形式协调生长的，这种不平衡会导致monod模型 的失败。
• 3.活性污泥动态模型 • 3.1活性污泥过程模型No.1（ASM1） • 1983国际水质协会IAWQ组织专家在前人活性污泥模型化工作 的基础上进行了长达4年的收集、分析、比较、归纳的研究工作 ，于1986年发表了活性污泥过程的IAWQNo.1模型(ASMl)。 • 该模型将曝气池内的过程分解成8个子过程，将曝气池内的物质 分解成13个组分，利用质量守恒、反应动力学、经验公式及参 数建立了描述整个系统动态性质的微分方程组，并利用数值积 分对该微分方程组在不同条件下求解，以分析活性污泥过程包 括除碳、脱氮在内的动态性质。该模型自发表以来受到环境工 程界的广泛关注，目前已成为活性污泥过程仿真和控制的重要 基础。