活性污泥动力学基础课后作业

活性污泥反应动力学研究进展及应用

摘要：本文综述了20世纪50年代以来，活性污泥法动力学模型发展进程中具有重要意义的几种模型: Monod 模型、Lawrence-McCarty 模型、Andrews 模型、WRc 模型及国际水协的3套模型，并综述了模型的机理、功能和表述形式等。

关键词：活性污泥法；模型

活性污泥反应动力学是从上个实际五六十年代发展起来的。它能够通过数学式定量地或半定量地揭示活性污泥系统内有机物降解、污泥增长、好氧等作用与各项设计参数、运行参数以及环境因素之间的关系，对工程设计与优化运行管理有着一定的指导意义。

目前，在污水生物处理领域广为接受并得到应用的是以莫诺特（Monod ）公示为基础建立的劳伦斯-麦卡蒂（Lawrence-McCarty ）模型。

1微生物模型

1. 1 Monod 模型

1942 年,Monod 发现均衡生长的细菌的生长曲线与活性酶催化的生化反应曲线类似,1949

年发表了在静态反应器中经过系统研究得出的Monod 模型[1 ] :

式中 μ----微生物的比增殖速率，即单位生物量的增殖速率，[时间]-1，常用h -1或d -1表示； μmax ----微生物最大比增殖速率， [时间]-1，常用h -1或d -1表示；

K s ----饱和常数，为当μ=0.5μmax 时的底物浓度，也称之为半速率常数，[质量][时间]-1，

一般用mg/L 表示；

S----反应器中微生物周围底物浓度，即有机物浓度，可用BOD 表示，[质量][时间]-1，

一般用mg/L 表示。

可以假设，微生物的比增殖速率（μ）与底物的比降解速率（v ）呈比例关系。即：

μ∝ v

或 μ∝Kv

因此，与微生物比增殖速率μ相对应的底物比降解速率v ，也可以用莫诺特公式描述，即：

v=v max S

Ks+S

式中 v----底物的比降解速率，[时间]-1，常用h -1或d -1表示；

v max ----底物的最大比降解速率， [时间]-1，常用h -1或d -1表示；

其余各符号表示意义同前。 s μ=μmax S Ks+S 微生物增殖速率与底物浓度关系

对污水处理来说，污水中底物浓度即为有机污染物，而且底物的比降解速率较微生物的比增殖速率更实际，应用性更强，是讨论研究的重点。

对于完全混合式曝气池，按物理意义考虑，底物的比降解速率符合下式：

v=

d(S 0−S)X·dt =−1X dS dt 式中 dS dt ----底物降解速率，[质量] [体积] -1 [时间]-1；

t----反应时间，[时间]；

X----微生物浓度，ML -3；

S 0----反应器中微生物周围底物初始浓度，即有机物初始浓度，[质量][时间]-1，一般用mg/L 表示。

根据上述两个公式，下式成立：

-dS dt =v max XS Ks+S

Monod 模型实质上是一个经验式,是在单一微生物对单一基质、微生物处于平衡生长状态且无毒性存在的条件下得出的结论。大多数实际过程并非如此。所以,在应用中对适用条件的忽视常常导致Monod 模型的失败。

1.2 微生物综合模型

针对实际情况总是多基质并存的现象,提出了微生物在混合基质条件下生长的综合模型。

根据微生物对同时存在的基质的利用方式,分为以下几种模式[2]：

1）微生物同时利用几种基质：μ=μmax ·∏·n j=1C i

K i +C i

2) 微生物分别利用数种基质： μ = ∑·n j=1[μmax C i K i +C i ]

3) 一种基质被同时用作多种用途时： μ=μmax ·S λ

K ··+S λ

式中 Ci ----基质i 的浓度，mg/ L ；

Ki ----基质i 的饱和常数，mg/ L 。

2 活性污泥法数学模型

2.1 劳伦斯-麦卡蒂（Lawrence - McCarty ）模型

劳伦斯-麦卡蒂Lawrence - McCarty 模型所采用的是生长--衰减机理[3] 如下图：

wrence 和P. L. McCarty 于1970 年提出的Lawrence - McCarty 模型最先将Monod 方程引入废水生物处理领域。劳伦斯-麦卡蒂模型以生物固体平均停留时间（θc ）及单位底物利用速率（q ）做为基本参数，并以第一、第二两个基本模型表达。

1）第一模型

底物S 活性微生物体 生长

代谢残余物 O 22O 2O 生长-衰减机理

劳伦斯-麦卡蒂第一基本模型是在表示微生物净增殖速率与有机物卑微生物利用速率之间关系式的基础上建立的，即：

1

θc

= Yq – Kd

这就是劳伦斯-麦卡蒂第一基本模型，表示的是生物固体平均停留时间（θc）与产率（Y）、底物比利用速率（q）以及微生物的衰减速率（Kd）之间的定量关系。

2）第二基本模型

该模型是在莫诺特公式的基础上建立的，基本概念是有机物的比降解速率等于微生物对第五的比利用速率，即：

V = q

经归纳整理，劳伦斯-麦卡蒂第二基本模型为下列形式：

1 X dS

dt

= q = v max S

Ks+S

劳-麦第二基本模型所表示的是有机物的比利用速率（降解速率）与反应器（曝气池）内微生物浓度及微生物周围有机物浓度之间的关系。

Lawrence - McCarty 模型的突出之处是强调了细胞平均停留时间(泥龄) 的重要性,由于泥龄可以通过控制污泥的排放量进行调节,因此增强了模型在实际应用中的可操作性。

2.2 IWA（International Water Association国际水协会）的活性污泥法动力学模型

活性污泥法动态模型主要有三种：机理模型，时间序列模型和语言模型。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。语言模型，主要指专家系统，其研究尚处在初始阶段。机理模型目前主要有三种：

1）Andrews模型：特点是引入底物在生物絮体（活性污泥）中贮存机理，区别溶解和非溶解性底物，解释有机物的快速去除等现象。

2）WRC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。

3）IAWQ（International Association on Water Quality原IAWPRC国际水污染研究及控制协会，现IWA）模型：Andrews 模型和WRc 模型分别运用不同的机理解释了传统静态模型无法解释的某些现象,但这类模型仍存在两个主要问题:一是微生物衰减按内源呼吸理论来描述,未考虑代谢残余物的再利用;二是只描述了废水中含碳有机物的去除过程,无法模拟预测氮和磷的降解。针对这两个问题,国际水协会于1983 年组织南非、日本、美国、丹麦、荷兰等5 国专家成立活性污泥通用模型国际研究小组,致力于新的活性污泥数学模型的开发,并于1987、1995 和1999 年陆续推出3 套模型。

①ASM1模型

ASM1模型(Activated Sludge Model No. 1 , 活性污泥1 号模型) 于1987 年推出[7]。该模型着重于废水生物处理的基本原理、过程及其动态模拟,首次把氮的去除纳入模型,在表述上采用矩阵形式,使模型更加直观,易于理解。ASM1 采用了Dold 等人提出的死亡-再生(death - regeneration) 的模型化方法,但并没有接受贮存 - 代谢机理,而采用“死亡 - 再溶解”机理(下图) ,体现了对代谢残余物的再利用。