活性污泥工艺模型6

废水处理模型与模拟环境科学与工程专业（2010年春季）zhangliqiu@163.com

活性污泥法工艺模型

活性污泥法处理工艺模型有机物降解工艺模型生物脱氮除磷工艺模型污泥好氧消化工艺模型

ASM系列模型（一）活性污泥法处理工艺模型活性污泥法处理工艺模型1.活性污泥法工艺描述曝气池二沉池出水进水污泥回流活性污泥(Q-Qw),Xe,SQw,XR,SQ,X0,S0Qr,XR,SS,X,V系统边界活性污泥法工艺流程图活性污泥法处理工艺模型2.活性污泥工艺中生物体物料平衡物料衡算的公式描述：在系统边界内微生物的积累速率微生物流入系统边界的流速微生物流出系统边界的流速系统边界内微生物生成的速率=-+积累量流入量流出量净生长量=-+活性污泥法处理工艺模型式中：dX/dt—反应器中生物体浓度变化速率；

V—反应器（即曝气池）容积；

Q—进水流量；

X0—进水中生物体浓度；

QW—剩余污泥流量；

Xe—出水中生物体的浓度；

XR—二沉池剩余污泥浓度

rg—生物体净生产速率。活性污泥法处理工艺模型

若假定进水中微生物浓度可忽略不计，并且反应器处理稳态条件，即dX/dt=0，则上式可简化为：

上式两边同时除以VX，得到：

即：

式中：μ—比生长速率；Y—产率系数；k—基质最大比利用速率；Ks—半速度常数，即基质利用速率为最大比利用速率一半时的基质浓度；kd—内源代谢系数。活性污泥法处理工艺模型

从上式中可得出出水中溶解基质（有机物）浓度为：

可以看出，对于完全混合活性污泥工艺，出水中可溶性基质浓度只是和SRT、产率系数、内源代谢系数等有关，而与进水中可溶性基质浓度无关。但是，进水浓度会影响反应器内微生物的浓度。活性污泥法处理工艺模型3.活性污泥工艺中基质（有机物）物料平衡基质利用过程的物料衡算描述：式中：dS/dt—反应器中基质浓度变化速率；

V—反应器（即曝气池）容积；

Q—进水流量；

S0—进水中基质浓度；

S—出水中基质的浓度；

rsu—基质利用速率。活性污泥法处理工艺模型

根据基质利用速率的定义：

微生物最大比生长速率与基质最大比利用速率之间关系：

在稳态条件下，即dS/dt=0，上式变为：

根据上述三个公式，可得：活性污泥法处理工艺模型

根据下式：

可得：

将其代入下式：

得到：

可见，反应器中生物体浓度与污泥停留时间、水力停留时间、产率系数、内源呼吸系数、被去除基质量有关。活性污泥法处理工艺模型4.混合液挥发固体浓度与固体产量

生物反应器中总混合液挥发固体浓度MLVSS等于生物体浓度X加上nbVSS浓度Xi之和：

式中，Xi包括细胞残骸、内源代谢物以及进入反应器中的原废水带入的不可生物降解的VSS。惰性物质的物料平衡如下：

式中，Xo，i—进水中nbVSS浓度；

Xi—曝气池中nbVSS浓度；

rX,i—细胞残骸产生nbVSS的速率。活性污泥法处理工艺模型

在稳态条件下，上式变为：

式中，fd—以细胞残骸存留的生物体比率，一般为0.10-0.15。

根据下式：

由上述两式可得：活性污泥法处理工艺模型

将：

代入：

得到：活性污泥法处理工艺模型式中：PXT,VSS—每天排除的总固体量；

XT—反应器（即曝气池）中MLVSS总浓度；

V—反应器容积。

生物反应器的固体产量代表要维持工艺性能每天必须排除的固体质量，可用下式表示：

将XT替换，得到：活性污泥法处理工艺模型

将代入（A）（B）（C）异养生物体细胞残骸进水中不可生物降解的VSS活性污泥法处理工艺模型

每天排放的剩余污泥总干固体质量是以总悬浮固体为基准的，其中包括挥发性悬浮固体和无机固体。生物体中含有10%-15%的无机固体，进水中无机固体并不是可溶性的，假定这些固体是被俘获于混合液固体中随剩余污泥而去除。则每天排放固体量可按下式计算：式中：PX,VSS—每天排除的总固体量，以总悬浮固体计量；

TSS0—废水进水中TSS浓度；

VSS0—废水进水中VSS浓度。活性污泥法处理工艺模型5.观测产量

观测产量Yobs是以基质去除相关的固体产量的测定值为基础的，以gTSS/gbsCOD或gBOD表示，也可用与VSS相关的gVSS/gbsCOD或gBOD表示。对于VSS，其观测产量可用下式表示：（A）（B）（C）异养生物体细胞残骸进水中不可生物降解的VSS

进水中不可生物降解的VSS对固体观测产量的影响取决于废水的性质和预处理的工艺类。因为出水中的基质浓度通常远小于S0，所以C项可以近似用Xo,i/S0代替。对于城市污水而言，采用一级处理时，Xo,i/S0值介于0.1-0.3g/g，不经一级处理时，介于0.3-0.5g/g。（二）有机物降解工艺模型有机物降解工艺模型1.好氧生物氧化的化学计算

好氧氧化过程中，有机物的转化一般是通过细菌混合培养实现的，有机物降解过程中的耗氧量包括两个部分：

氧化与合成：细菌有机物新细胞

内源呼吸：细胞细菌M1=113M2=160M2/M1=160/113=1.42

可见，如果细胞被完全氧化，则耗氧量（COD）等于以VSS表示的细胞浓度的1.42倍。有机物降解工艺模型2.好氧生物氧化过程中的生长动力学

有机物好氧生物氧化过程中，基质利用速率表达式如下：式中：rsu—基质利用速率，g/(m3.d)；

k—基质最大比利用速率，g基质/(g微生物.d)；

X—生物体（微生物）浓度，g/m3；

S—基质浓度，g/m3；

KS—半速度常数，基质利用速率为最大比利用速率一半时的基质浓度，g/m3。有机物降解工艺模型

有机物好氧生物氧化过程中，生物体生长速率表达式如下：式中：rg—生物体生长速率，gVSS/(m3.d)；

Y—产率系数（真实产量），gVSS/g基质；

kd—内源代谢系数浓度，gVSS/（gVSS.d）。

应用上述两个表达式，可以推导出活性污泥法的一系列设计参数，如SRT、基质-微生物比（F/M）等。在20℃时，k和KS的典型值分别介于8-12gCOD/(gVSS.d)和10-40gbsCOD/m3之间。（三）生物脱氮除磷工艺模型生物脱氮除磷工艺模型1.硝化反应的工艺描述BOD去除及硝化进水出水二沉池回流活性污泥污泥BOD去除进水二沉池回流活性污泥污泥

硝化出水二沉池回流活性污泥污泥旁流（a）一级活性污泥处理系统（b）二级活性污泥处理系统生物脱氮除磷工艺模型2.生物硝化反应的化学计量

由氨转化为硝酸盐的两步氧化产能过程如下：

总氧化反应为：

可见，对于完整的氨氧化过程所需的氧量为4.57gO2/gN（被氧化的），其中3.43gO2用于生产亚硝酸盐，1.14gO2用于氧化亚硝酸盐。生物脱氮除磷工艺模型

硝化过程中需要消耗碱度，反应如下：

转化每克氨氮（以N计），需要7.14g碱度（以CaCO3计）。

[2×(50gCaCO3/eq)/14]=7.14g

反应过程中，部分铵离子会被同化为细胞组织，合成生物体：细菌细胞生物脱氮除磷工艺模型

考虑细胞合成、氨氧化成硝酸盐及氧还原成水的综合反应：

从上式可以看出，转化每克氨氮（以N计），需利用4.25g氧气，生成0.16g新细胞，消耗7.14g碱度（以CaCO3计），同时在新细胞形成过程中需利用0.08g无机碳。生物脱氮除磷工艺模型3.生物硝化生长动力学

在DO充足的情况下，生物硝化过程中，硝化菌的生长动力学可用下式表示：式中：µn—硝化菌的比生长速率，g新细胞/(g细胞.d)；

µnm—硝化菌的最大比生长速率，g新细胞/(g细胞.d)；

N—氮的浓度，g/cm3；

Kn—半速率常数，最大比基质利用率一半时的基质浓度；

kdn—硝化菌的内源代谢系数浓度，gVSS/（gVSS.d）。生物脱氮除磷工艺模型

在20℃时，µnm值介于0.25-0.77gVSS/(gVSS.d)之间。在任何情况下，硝化菌的µnm值均远低于异养菌的相应值，因此要求活性污泥硝化系统采用很长的SRT。在10℃时，硝化反应典型的SRT设计值为10-20d；在20℃时，SRT设计值为4-7d；高于28℃时，氨和亚硝酸盐两者的氧化动力学会发生变化。在较低的SRT下，会发生亚硝酸盐的积累。对于经过充分驯化的活性污泥硝化系统，在温度低于25℃及溶解氧充足的条件下，亚硝酸盐浓度低于0.1mg/L，而氨氮的浓度为0.5-1.0mg/L。但是，在硝化过程开始阶段，亚硝酸盐浓度会大于氨氮浓度，这是因为氨氧化细菌开始生产亚硝酸盐时，才会有氧化亚硝酸盐的细菌出现。在短暂的条件下，亚硝酸盐浓度有可能达到5-20mg/L。生物脱氮除磷工艺模型

硝化反应的速率受DO浓度的影响。为考虑DO的影响，硝化细菌的生长动力学表达式变换如下：式中：DO—溶解氧浓度，g/m3；

K0—DO的半饱和系数，g/m3

。

在低DO浓度（小于0.5mg/L）条件下，硝化速率受到明显的抑制。已经证明，低DO浓度对于硝化菌属的抑制作用较亚硝化细菌更为明显。在此情况下，随着出水中亚硝酸盐浓度的升高，将会发生不完全硝化反应。生物脱氮除磷工艺模型4.生物脱氮工艺描述有机氮（蛋白质、尿素）细菌分解及水解氨氮有机氮（细菌细胞）有机氮（净生长）亚硝酸盐硝酸盐O2O2氮气有机碳脱氮硝化生物处理过程中的氮转化生物脱氮除磷工艺模型缺氧硝酸盐供给好氧/硝化进水出水回流活性污泥污泥（a）前置缺氧脱氮好氧/硝化缺氧进水出水回流活性污泥污泥（b）后置缺氧脱氮用于脱氮处理的反应器类型生物脱氮除磷工艺模型5.生物脱氮的化学计算

生物脱氮包括以硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体对很多有机物质进行的生物氧化反应。完整的生物脱氮反应步骤如下：

生物脱氮过程中，电子供体通常来源于：（1）废水中的bsCOD

（2）内源代谢过程中产生的bsCOD

（3）外源物质，如甲醇或醋酸盐生物脱氮除磷工艺模型

不同电子供体的反应化学计算式如下：

废水：（一般用C10H19O3N表示废水中可生物降解有机物）

甲醇：

醋酸盐：

在生物脱氮过程中，每还原1当量NO3--N产生1当量碱度，相当于还原每克硝酸盐氮产生3.57g碱度（以碳酸钙计）。前已述及，硝化反应中，氧化每克氨氮需消耗7.14g碱度（以碳酸钙计），所以反硝化过程中可补充一半的碱度。生物脱氮除磷工艺模型

利用硝酸盐或亚硝酸盐作为电子受体的氧当量，可按下式计算：

对于氧气：

对于硝酸盐：

对于亚硝酸盐：

对比上述反应式发现，氧化还原反应中0.25摩尔氧气转移的电子相当于0.2摩尔硝酸盐转移的电子，因而硝酸盐的氧当量为(0.25×32gO2/mol)除以(0.20×14gN/mol)，等于2.86gO2/gNO3-N。在计算硝化脱氮生物处理系统总需氧量时，氧当量是一个非常实用的设计因子。同样，亚硝酸盐作为电子受体时，氧当量为1.71gO2/gNO2-N。生物脱氮除磷工艺模型

生物脱氮工艺中一个重要的设计参数是去除硝酸盐所需的足够电子供体量，即bsCOD或BOD。Barth等进行了估算，每还原1gNO3-需要4gBOD。式中：bsCODr—被利用的bsCOD，gbsCOD/d；

bsCODsyn—参与细胞合成的bsCOD，gbsCOD/d；

bsCODo—被氧化的bsCOD，gbsCOD/d。

对于细胞合成，bsCODsyn是根据净生物体产量和比值1.42gO2/gVSS计算出来的。式中：Yobs—观测生物产量，gVSS/gbsCODr。生物脱氮除磷工艺模型

因此

整理得

将被氧化的bsCOD0用NO3-N的氧当量表示式中：2.86—NO3-N的氧当量，gO2/gNO3-N；NO3—被还原的NO3-N量。

整理得生物脱氮除磷工艺模型6.生物脱氮生长动力学

基质利用速率控制脱氮速率一般有两种表现形式。第一种形式发生在缺氧/好氧工艺中，有机基质来源于缺氧反应器进水中。第二种形式出现在后缺氧脱氮工艺中，利用外加碳源推动硝酸盐还原反应。在缺氧段，专性好氧菌的活性菌将受到影响，因此有机质利用速率rsu应加以修改式中：η—生物体中脱氮菌的比例，gVSS/gVSS。在处理生活污水的前置缺氧脱氮反应器中发现，η值介于0.20-0.80之间。生物脱氮除磷工艺模型溶解氧浓度的影响

溶解氧可通过抑制硝酸盐还原酶来抑制硝酸盐的还原。据报道，当溶解氧浓度为0.2mg/L以上时会抑制假单胞菌属的脱氮作用。硝酸盐和溶解氧对生物动力学的影响可用下式表示：式中：K0’—DO对硝酸盐还原过程的抑制系数，mg/LKs,NO3—硝酸盐限制反应的半速率参数，mg/L

K0’的建议值为0.1-0.2mg/L，Ks,NO3的建议值为0.1mg/L。生物脱氮除磷工艺模型7.生物除磷的工艺描述进水厌氧反应器：PHB内部贮存，聚合磷水解，磷的释放好氧池：生物体合成及衰减，PHB利用并强化聚磷吸收澄清池出水污泥回流活性污泥生物除磷工艺流程生物脱氮除磷工艺模型8.生物除磷的化学计算

生物除磷可根据进入废水中可供利用的bsCOD量来估算，因为在水力停留时间较短的厌氧池内，大部分bsCOD会转化为醋酸盐供聚磷菌利用。

生物除磷的化学计算中采用以下假设：（1）由于发酵过程中细胞产量较低，大部分经过发酵的COD将会转化为挥发性脂肪酸，1gbsCOD将产生1.06g醋酸盐。（2）1g醋酸盐产生0.3g细胞物质。（3）细胞中磷含量为0.3gP/gVSS。利用这些假设可以得出，通过生物储存机理去除1g磷大约需要10gbsCOD。生物脱氮除磷工艺模型9.生物除磷计算举例

废水进水特性为：COD=300g/m3；bCOD=200g/m3；

bsCOD=50g/m3；磷浓度为6g/m3。异养合成产率系数Y=0.40gVSS/gCOD

内源代谢系数kd=0.08gVSS/gVSS.dSRT=5d

聚磷菌中磷含量为0.30gP/gVSS

其他细菌中磷的含量为0.02gP/gVSS

二沉池出水VSS浓度为8g/m3

试计算出水中磷的浓度。生物脱氮除磷工艺模型（1）求在浓度为50gbsCOD/m3的废水发酵过程中，通过聚磷菌有机体去除的磷：

磷的去除量：

生物体量：生物脱氮除磷工艺模型（2）求异养菌转化胶体bCOD及颗粒bCOD过程中去除的磷：

求COD去除量：

求磷去除量：生物脱氮除磷工艺模型（3）求磷的总去除量及出水中磷的浓度：

（4）计算出水中磷含量：（四）污泥好氧消化工艺模型污泥好氧消化工艺模型好氧消化工艺用于：剩余活性污泥生物滤池污泥与初沉池污泥的混合物延时曝气装置的废污泥规模小于0.2m3/s的小型污水处理厂好氧消化的优点：污泥减量效果与厌氧消化效果相当上清液中BOD浓度较低产生没有气味的、生物稳定的最终产物操作比较容易，投资费用较低适合于消化营养物丰富的生物固体

污泥好氧消化工艺模型好氧消化的缺点：提供氧气的动力费用较高产生的消化生物固体的机械脱水性能较差过程受温度、池形、进入固体浓度、搅拌等条件的影响不能回收有用的副产品——甲烷

污泥好氧消化工艺模型1.好氧消化过程概述

好氧消化类似于活性污泥法，当加入的基质耗尽时，微生物开始消耗其自身的原生质以获得细胞维持反应所需的能量。细胞组织被好氧氧化为二氧化碳、水和氨。实际上，组织细胞只有75%-80%左右可以被氧化，剩余的20%-25%由惰性组分和不能生物降解的有机化合物组成。氨随消化过程的进行而陆续氧化成硝酸盐，不能生物降解的挥发性悬浮固体将留在好氧消化的最终产物中。污泥好氧消化工艺模型

好氧消化池内的生物化学变化可以用下列方程式表示：生物量破坏：放出氨氮的硝化作用：全部硝化作用的总方程式：污泥好氧消化工艺模型用硝酸盐作为电子受体（反硝化作用）：全部硝化-反硝化：

可见，有机氮转变为硝酸盐导致氢离子浓度增加，如果污泥中没有足够的缓冲能力可以利用，pH就会降低。氧化1kg氨约消耗7kg碱度（以CaCO3）。在理论上，硝化时消耗的碱度约有50%可以在反硝化时重新获得。然而，如果溶解氧保持很低（低于1mg/L），就不发生硝化作用。实际上，好氧硝化池只要曝气和搅拌交替进行，控制好pH，就能最大程度地反硝化。污泥好氧消化工艺模型污泥好氧消化工艺类型：传统的好氧消化高纯氧好氧消化自然高温好氧消化（ATAD）污泥好氧消化工艺模型2.传统工艺好氧消化

传统好氧消化池设计时必须考虑的因素包括温度、固体减量、池子容积、进入的固体浓度、需氧量、搅拌需要的能量。好氧消化的主要目的是减少要处置的固体物质，特别是污泥内可生物降解的部分。通过好氧消化，挥发性固体减量可达35%-50%。污泥好氧消化工艺模型

在完全混合消化池内，可生物降解的挥发性固体变化在固定容积条件下可用一级生化反应表示：式中：dM/dt—每单位时间可生物降解的挥发性固体(M)变化速率；

kd—反应速率常数；

M—在时间t，好氧消化池内剩余的可生物降解挥发性固体的质量。

反应速率kd是污泥类型、温度和固体浓度的函数。有代表性的kd值范围介于0.05-0.14d-1之间。污泥好氧消化工艺模型

好氧消化池的容积：由要求达到的预期挥发性固体减量所需的停留时间来决定。以往好氧消化系统的设计标准（美国）SRT为10-20d，但为了考虑对病原体减量的要求，传统好氧消化的SRT延长为40-60d。

需要量：好氧消化时必须满足需氧量要求，计算得到细胞组织全部氧化的需氧量（包括硝化作用）为7mol/mol细胞，即2.3kgO2/kg细胞。污泥好氧消化工艺模型3.高纯氧消化

高纯氧消化是好氧消化的一种变形，用高纯氧代替空气，使得生物活动速率增加，对环境气温的变化相对不敏感，因此适用于寒冷气候。高纯氧好氧消化使用敞口池体，因为高纯氧消化能够释放更多的热量。高纯氧好氧消化的主要缺点是增加成本。污泥好氧消化工艺模型4.自热高温好氧消化（ATAD）

在ATAD过程中，加入的污泥通常是预先浓缩的，反应器是保温的，以保存消化过程中挥发性固体氧化所产生的热量。高温运行温度（通常为55-70℃）不需要外部加热，而是利用微生物氧化所产生的热量。破坏每公斤挥发性固体约产热20000kJ。因为没有提供补充的热量（不同于曝气和搅拌带入热量），所以过程称为自热。

ATAD主要优点：（1）停留时间短，约5-6d；（2）操作简单；（3）细菌和病毒有较大的下降，可与中温厌氧消化相比；（4）当反应器搅拌良好和温度在55℃以上时，致病性病毒、细菌、寄生虫卵可降至检测含量以下。主要缺点：（1）产生令人讨厌的气味；（2）脱水性能差；（3）缺少硝化。（五）ASM系列模型ASM系列模型1.模型概述

ASM系列模型的基本动力学原理是酶促反应，所以它的数学形式与Monod方程类似。ASM系列模型对活性污泥中的微生物和反应底物按照物理化学生物性质作了更为详细的划分，对生化反应也作了细致的划分。在不同类别的反应底物和生化反应之间建立了微分方程，对活性污泥系统进行了更细致和清晰的描述。ASM系列模型

研究组提出为污水生物处理系统的设计与运行开发实用的模型。ASM1/ASM2/ASM2D/ASM3模型：综合了活性污泥系统中碳氧化、硝化、反硝化及生物除磷等多个过程，全面体现了活性污泥系统的主要功能。ASM2是ASM1的扩增。除增加了生物除磷过程外，ASM2还包含两个化学过程用于模拟磷的化学沉淀。ASM2D是ASM2的修正，包括了能进行反硝化的聚磷菌，解决了ASM2中有关聚磷菌反硝化的问题。ASM3中硝化菌和异养菌所参与的生物化学反应被清晰地分成两个过程，并以内源呼吸和维持理论为基础来描述这两种微生物的生命过程。ASM3还没有经过大量的试验数据的检验，仍然需要对模型进行进一步改进。ASM系列模型2.ASM1模型（13组分，8过程）

组分i

过程j1SI2SS3XI4XS5XBH,6XBA,7XE8SO9SNO10SNH11SND12XND13SALK过程速率

rjMLT--311.异养菌的好氧生长-1YH1YYHH-1-iXB-iXB14mHSSSOOHOBHSKSSKSX()(),,++2.异养菌的缺氧生长-1YH1--1286YYHH.-iXB11428614-´´-YYiHHXB./mhH()()(),,,SKSKKSSKSXSSSOHOHONONONOgBH+++3.自养菌的好氧生长1YYAA-457.1YA--iYXBA1--iYXBA//1417mANHNHNHOOAOBASKSSKSX()(),,++4.

异养菌

的衰减1-fE-1fEifiXBEXE-bXHBH,5.

自养菌

的衰减1-fE-1fEifiXBEXE-bXABA,6.溶解有机氮的氨化1-11/14kSXaNDBH,7.捕集有机物的水解1-1kXXKXXSKSKKSSKSXhSBHXSBHOOHOhOHOHONONONOBH,