活性污泥過程模型

1、活性污泥過程模型 1.概述 2.傳統(tǒng)的活性污泥過程模型 3.動(dòng)態(tài)的活性污泥過程模型 4.活性污泥過程模型的應(yīng)用 1.概述 活性污泥法在廢水生物處理中應(yīng)用廣泛，其工藝流程的選 擇設(shè)計(jì)和處理系統(tǒng)的運(yùn)行管理一直深受重視。 20世紀(jì)80年代以來，數(shù)學(xué)模型和計(jì)算機(jī)技術(shù)在活性污泥法 中的應(yīng)用日趨活躍，其模型研究經(jīng)歷了從簡單擬合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 到采用經(jīng)典的微生物生長動(dòng)力學(xué)模型，進(jìn)而根據(jù)廢水生物處 理過程的特性進(jìn)行過程動(dòng)態(tài)分析、探索辨識(shí)建模的發(fā)展過程 ，實(shí)現(xiàn)了從以指導(dǎo)活性污泥工藝設(shè)計(jì)，轉(zhuǎn)變成以研究活性污 泥工藝的動(dòng)態(tài)過程；實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高效率低能耗運(yùn)行為主要目 的。 2.傳統(tǒng)的活性污泥過程模型 傳統(tǒng)的活性污泥模型始于2

2、0世紀(jì)50年代中期，其中最有 代表性的有ecken-felder等基于vss(揮發(fā)性懸浮固體)積累速 率經(jīng)驗(yàn)公式提出的活性污泥模型；mckinney等基于污泥全混 假設(shè)提出的活性污泥模型和lawrence-mccarty等基于微生物 生長動(dòng)力學(xué)理論提出的活性污泥模型。 這3種模型均假設(shè):(1)反應(yīng)在穩(wěn)態(tài)條件下進(jìn)行，即整個(gè) 反應(yīng)器(曝氣池)中的微生物濃度不隨時(shí)間變化，進(jìn)水基質(zhì)濃 度也不隨時(shí)間變化；(2)反應(yīng)系統(tǒng)只有兩種組分，即微生物和 以bod5或cod指標(biāo)表示的底物；(3)反應(yīng)器全混。 但是這些模型只考慮了污水中含碳有機(jī)物的去除，不能解釋和 描述廢水生物處理中常見的有機(jī)物“快速去除”和出水中有

3、機(jī) 物濃度隨進(jìn)水濃度變化的現(xiàn)象，也不能很好地預(yù)測實(shí)際觀察中 存在的有機(jī)物濃度增加時(shí)，微生物增長速率變化的滯后效應(yīng)。 因此，傳統(tǒng)的活性污泥模型雖然參數(shù)求解和計(jì)算過程相對簡單 ，但無法精確地模擬廢水處理中氧利用的動(dòng)態(tài)變化，不能很好 地描述活性污泥系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。 2.1莫諾（monod）方程式 monod(莫諾)于1942年采用純菌種在培養(yǎng)基稀溶液中進(jìn)行了微 生物生長的實(shí)驗(yàn)研究, 在取得大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上于1949年提 出了微生物生長過程中微生物生長速率和底物濃度之間的關(guān)系 式 : =max 上述關(guān)系式亦被引入廢水生物處理領(lǐng)域，并用具有異養(yǎng) 型微生物群體的活性污泥對底物進(jìn)行活性污泥增長實(shí)驗(yàn) 研究

4、，發(fā)現(xiàn)基本符合這種關(guān)系 圖1 monod方程式與其-s關(guān)系曲線 莫諾方程的一些分析 （1）在高底物濃度下，微生物的生長不受限制，處于對數(shù)生長 期微生物比增長速率達(dá)到最大值。sks，所以方程式簡化為： =max，此時(shí)呈零級反應(yīng)，反應(yīng)速率和底物濃度無關(guān)，增加底 物濃度亦不可能提高微生物增長速率。在這種情況下，如要再 提高微生物增長速率，則應(yīng)增加微生物的濃度。 （2）當(dāng)?shù)孜餄舛容^小時(shí)，微生物的生長受到營養(yǎng)物質(zhì)的限制， 處于靜止生長期，微生物的增長速率和底物濃度成正比例關(guān)系 。即：sks時(shí)，式中s與ks的比值可以忽略不計(jì)，所以公式簡化 為：=maxs/ks，此時(shí)呈一級反應(yīng)，反應(yīng)速率與底物濃度呈正 比。

5、 monod方程式在環(huán)境微生物領(lǐng)域被廣泛用來措述微生物的生長 特性，但這是一個(gè)對微生物生長過程過分簡化的模型。需要滿 足以下三個(gè)條件：1)微生物以單一污染物質(zhì)作為底物；2)微生物 處于平衡生長狀態(tài)；3)微生物降解和生長過程中力毒性存在 。 顯然，大多數(shù)實(shí)際活性污泥處理系統(tǒng)的微生物過程并不符合這 些條件。尤其在微生物快速生長過程中，細(xì)胞內(nèi)的各種組分并 不是以平衡的形式協(xié)調(diào)生長的，這種不平衡會(huì)導(dǎo)致monod模型 的失敗。 2.2勞倫斯-麥卡蒂（lawrence-mccarty）方程式 勞倫斯-麥卡蒂以微生物增值對有機(jī)底物的利用為基礎(chǔ)，于1970 年建立了活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程式。他在自己的動(dòng)力學(xué)方

6、程 式中納入了莫諾方程式。 對污泥齡提出了新的概念，即：單位重量的微生物在活性污泥 反應(yīng)系統(tǒng)中的平均停留時(shí)間。 對單位底物利用率提出了新的概念。即：單位微生物量的底物 利用率為一常數(shù)，以q表示。 勞-麥第一基本方程式如下： 1/c=yq-kd 勞-麥第一基本方程式所表示的是生物固體平均停留時(shí)間，與產(chǎn) 率、底物利用率以及微生物的衰減系數(shù)之間的關(guān)系。 勞-麥第二基本方程式是在莫諾方程式上建立的，其概念是有機(jī) 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 勞-麥第二基本方程式所表示的是：有機(jī)底物利用率與反應(yīng)器內(nèi) 微生物濃度及微生物周圍有機(jī)底物濃度之間的關(guān)系。 3

7、.活性污泥動(dòng)態(tài)模型 3.1活性污泥過程模型no.1（asm1） 1983國際水質(zhì)協(xié)會(huì)iawq組織專家在前人活性污泥模型化工作 的基礎(chǔ)上進(jìn)行了長達(dá)4年的收集、分析、比較、歸納的研究工作 ，于1986年發(fā)表了活性污泥過程的iawqno.1模型(asml)。 該模型將曝氣池內(nèi)的過程分解成8個(gè)子過程，將曝氣池內(nèi)的物質(zhì) 分解成13個(gè)組分，利用質(zhì)量守恒、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、經(jīng)驗(yàn)公式及參 數(shù)建立了描述整個(gè)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性質(zhì)的微分方程組，并利用數(shù)值積 分對該微分方程組在不同條件下求解，以分析活性污泥過程包 括除碳、脫氮在內(nèi)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。該模型自發(fā)表以來受到環(huán)境工 程界的廣泛關(guān)注，目前已成為活性污泥過程仿真和控制的重要 基礎(chǔ)。

8、 3.1.1合理假定 該模型在建模時(shí)引入了一個(gè)重要的基本假定，就是被模擬的活 性污泥過程當(dāng)前運(yùn)行正常。該假定的具體內(nèi)容包括： (1)曝氣池內(nèi)處于正常ph值及溫度下； (2)池內(nèi)微生物的種群和濃度處于正常狀態(tài)； (3)池內(nèi)污染物濃度可變，但成分及組成不變； (4)微生物營養(yǎng)充分； (5)二沉池內(nèi)無生化反應(yīng)，僅為一個(gè)固液分離裝置 3.1.2系統(tǒng)分割 8個(gè)子過程是： (1)異養(yǎng)菌好氧生長；(2)異養(yǎng)菌缺氧生長；(3)自養(yǎng)菌好氧生長； (4)異養(yǎng)菌衰減；(5)自養(yǎng)菌衰減；(6)可溶有機(jī)氮的氨化；(7)被吸 著緩慢降解有機(jī)碳的“水解”(8)被吸著緩慢降解有機(jī)氮的“水解” 13個(gè)組分是： (1)易降解有機(jī)

9、碳s5；(2)緩慢降解有機(jī)碳x5；(3)可溶性可降解 有機(jī)氮snd；(4)顆粒狀可降解有機(jī)氮xnd；(5)溶解氧s0；(6)氨 態(tài)氮snh；(7)硝態(tài)氮sno；(8)堿度salk；(9)異養(yǎng)菌xbh； (10) 自養(yǎng)菌xba；(11)可溶惰性有機(jī)碳si；(12)顆粒惰性有機(jī)碳xi；(1 3)微生物衰減產(chǎn)物xp 3.1.3基本速率方程 相對于參與某一子過程反應(yīng)的某一組分，可以寫出一個(gè)反應(yīng)動(dòng) 力學(xué)方程，以表示該組分的濃度在該子過程反應(yīng)中隨時(shí)間的變 化情況。對于該子過程，則可寫出一個(gè)或幾個(gè)組分的反應(yīng)動(dòng)力 學(xué)方程。在構(gòu)成這若干個(gè)動(dòng)力學(xué)方程時(shí)，以某一組分的生長或 衰減的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程作為基本方程，其他組

10、分的反應(yīng)動(dòng)力學(xué) 方程以該基本動(dòng)力學(xué)方程為基礎(chǔ)經(jīng)過系數(shù)調(diào)整獲得。 例如，對于異養(yǎng)菌好氧生長這個(gè)子過程，涉及異養(yǎng)菌xbh、易降 解有機(jī)碳s5、溶解氧s0、氨態(tài)氮snh和堿度salk。在建立該子過 程中各組分的動(dòng)力學(xué)模型時(shí)，以異養(yǎng)菌的好氧反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程 為基礎(chǔ)。異養(yǎng)菌好氧生長的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程是： 式中uh是異養(yǎng)菌最大比生長速率；ks是相應(yīng)于ss的飽和常數(shù)；k o，h是相應(yīng)于s0在異養(yǎng)菌好氧生長中的飽和常數(shù)； 3.1.4相關(guān)速率方程 在各子過程基本反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程的基礎(chǔ)上，參與該子過程的其 它組分的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程也可依次建立。 例如，在異養(yǎng)茵好氧生長子過程中，對于易降解有機(jī)碳ss，可 根據(jù)微生物生長與基質(zhì)消耗的關(guān)系，利用異養(yǎng)茵產(chǎn)率系數(shù)yh及 微生物生長引起基質(zhì)消耗的事實(shí)，可得方程： 某一子過程中某一組分的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程可以由該子過程的