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1、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。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，
2、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。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
3、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。2.1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:=max 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 图1 Monod方程式与其-S关系曲线莫诺方
4、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。SKs，所以方程式简化为：=max，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：SKs时，式中S与Ks的比值可以忽略不计，所以公式简化为：=maxS/Ks，此时呈一级反应，反应速率与底物浓度呈正比。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
5、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。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1970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
6、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。劳-麦第一基本方程式如下：1/c=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。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
7、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。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
8、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 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X
9、bh；(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Xp3.1.3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。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
10、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；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。
