（市政工程专业论文）SBR活性污泥数学模型的模拟研究.pdf

摘要 摘要 活性污泥法具有处理效率高、运行费用低的优点，是城市污水厂使用最多的 工艺，而在众多活性污泥处理方法中，s b r ( s e p u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 及其改 良工艺因具有独特的技术经济优势，正越来越受到人们的重视，并已经在我国以 及世界各地都得到广泛的应用。本课题的研究目的就在于开发简单实用、准确可 靠的s b r 活性污泥数学模型，能够预测s b r 工艺处理城市污水的处理效果，促 进s b r 活性污泥数学模型在我国的研究和应用。 回顾了活性污泥数学模型的发展历程，比较系统地阐述了a s m s ( a c t i v a t e d s l u d g em o d e l s ) 模型的研究与应用现状以及活性污泥数学模型在s b r 工艺上的 应用进展。 介绍了活性污泥2 号模型( a s m 2 ) ，主要包括a s m 2 的原理、参数定义和 典型值、水质特性分析和模型限制。 选取a s m 2 模型为建模平台，结合s b r 工艺特点建立了s b r 活性污泥数学 模型。其中生物反应分三个阶段：厌氧反应阶段，好氧反应阶段和缺氧反应阶段。 针对本论文的s b r 试验的工艺特点，还提出了该s b r 活性污泥数学模型的求解 方法。 为对所建立的s b r 活性污泥数学模型进行校正和模拟，本课题进行了两部 分试验。一是进行s b r 工艺的小型试验，结果表明该s b r 工艺对原水的各项指 标去除效果良好，c o d c r 、t n 、n h 4 + - n 、t p 和s s 去除率分别为8 8 - - 9 3 、 5 1 5 7 、7 4 8 5 、8 8 9 1 和9 4 1 0 0 。二是测定进水水质特性 的试验。测得异养菌产率系数y 平均值为0 7 2 ，相对于典型值o 6 7 ，相对误差 为7 5 ；测得进水中最+ 墨的值占总c o d 浓度比例在4 5 - - 5 7 之间；测得昌 占总c o d 浓度比例在6 1 1 之间。 合理确定模型中的化学计量系数和动力学参数是模型成功应用的关键之一， 对该模型参数的灵敏度分析表明，有一半以上的参数取值对模拟结果不敏感，从 而可以降低模型应用时对这些参数取值的要求。 最后，利用s b r 试验前两种工况的数据对该s b r 活性污泥数学模型进行校 验，经校验后的模型再对第3 、4 、5 三种工况进行模拟，得出了较好的模拟效果。 关键词：序批式活性污泥法( s b r ) ，生物反应阶段，沉淀阶段，废水特性，参 数，模拟 目录 a b s t r a c t a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ( a s p s ) i sf r e q u e n t l yu s e di nm u n i c i p a lw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n t s ( w w t p s ) d u et oi t sg o o dp e r f o r m a n c ei np o l l u t 鲫br e m o v a la n dl o w c o s t s ，a n da m o n gm u c ha c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，s b r ( s e p u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) a n di t sm o d i f i e dt e c h n i q u ea r ea t t a c h e dg r e a ti m p o r t a n c et ob yp e o p l eb e c a u s eo ft h e i r p a r t i c u l a ra d v a n t a g e si nt e c h n i q u ea n de c o n o m i c ，a n da r ew i d e l yu s e di nc h i n aa n d e v e r y w h e r ei nt h ew o r l d t h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hi st ob u i l dap r a c t i c a la n d r e l i a b l ea c t i v a t e ds l u d g em o d e lo fs b rw h i c hc a l lb eu s e de a s i l ya n de x a c t l y t l l i s m a t h e m a t i c a lm o d e lc a l lp r e d i c te f f e c to nu s i n gs b rt ot r e a tw a s t e w a t e ra n dp r o m o t e t h es t u d ya n d a p p l i c a t i o no fs b r a c t i v a t e ds l u d g em o d e li nc h i n a t h ed e v e l o p m e n to fa c t i v a t e ds l u d g em a t h e m a t i c a lm o d e li sr e v i e w e d ，t h e nt h e s t u d ya n da p p l i c a t i o na c t u a l i t i e so fa c t i v a t e ds l u d g em o d e l sa n dt h ed e v e l o p m e n to f t h ea p p l i c a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g em o d e l st os b ra r es y s t e m a t i c a l l ye x p a t i a t e d a s m 2i sr e c o m m e n d e d ，w h i c hi n c l u d e si t st h e o r y ，t h ed e f i n i t i o no fp a r a m e t e r s a n dr e p r e s e n t a t i v ev a l u e ，t h ea n a l y s i so fw a s t e w a t e rc h a r a c t e r i s t i ca n dl i m i t a t i o no f m o d e l s a s m 2i ss e l e c t e da st h em o d e lp l a t f o r m c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fs b r ， a c t i v a t e ds l u d g em o d e lo fs b ri sf o r m e d t h eb i o l o g i c a lr e a c t i o np r o c e s si sd i v i d e d t ot h r e ep h a s e s ，w h i c ha r ea n a e r o b i cr e a c t i o np h a s e ，a e r o b i cr e a c t i o np h a s ea n d a n o x i cr e a c t i o np h a s e t h es o l u t i o nt ot h ee q u a t i o no fa c t i v a t e ds l u d g em o d e lo fs b r i sa l s op r o p o s e da i m i n ga tt h ec h a r a c t e r i s t i co fs b ri nt h i sr e s e a r c h t w o p a r t so fe x p e r i m e n tw e r ec o n d u c t e di nt h i sr e s e a r c ht or e v i s ea n ds i m u l a t e t h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e lo fs b r o n ei sa b o u ts b r , t h er e s u l to ft h i se x p e r i m e n t s h o w st h a ts b rc a l le f f e c t i r e l yt r e a tw a s t e w a t e r , t h er e m o v a lr a t eo fc o d ，t n ， n h 4 十二n ，t pa n ds sa r e8 8 9 3 ，5 1 5 7 ，7 4 - 8 5 ，8 8 - 9 1 a n d9 4 - - 10 0 r e s p e c t i v e l y t h eo t h e ri sd e t e r m i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co fw a s t e w a t e r t h ea v e r a g ev a l u eo fh e t e r o t r o p h i cy i e l di so 7 2 ，a n dt h ee r r o ri s7 5 r e l a t i v et ot h e r e p r e n s t i v ev a l u e ；t h ep r o p o r t i o no fr e a d i l yb i o d e g r a d a b l es o l u b l eo r g a n i cm a t t e ra n d s l o w l yb i o d e g r a d a b l ep a r t i c u l a t eo r g a n i cm a t t e rt ot o t a lc o di s4 5 - 5 7 ：t h e p r o p o r t i o no fi n e r ts o l u b l eo r g a n i cm a t t e rt ot o t a lc o d i s6 1 l ar e a s o n a b l ee s t i m a t eo fs t o i c h i o m e t r i cp a r a m e t e r sa n dk i n e t i cp a r a m e t e r si s c r i t i c a lf o rt h es u c c e s s f u la p p l i c a t i o ni np r a c t i c eo ft h em o d e l s e n s i t i v i t ya n a l y s e s s h o wt h a tn e a r l yh a l fo ft h ep a r a m e t e r sa r ei n s e n s i t i v et ot h es i m u l a t i o n s ，w h i c h 目录 d e c r e a s e st h er e q u i r e m e n t so f p a r a m e t e r sd e t e r m i n a t i o ni nm o d e la p p l i c a t i o n f i n a l l y ，v a l u eo ft h ef i r s tt w oc o n d i t i o n so fs b r e x p e r i m e n ta r eu s e dt or e v i s e t h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e lo fs b r ，t h e nt h el a s tt h r e ec o n d i t i o n sa l es i m u l a t e db y t h em o d e lw h i c hi sr e v i s e d , a n dg o o dr e s u l t sa r ea c h i e v e d k e yw o r d s ：s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ，b i o l o g i c a lr e a c t i o np h a s em o d e l ， s e d i m e n t a t i o np h a s em o d e l ，w a s t e w a t e rc h a r a c t e r i s t i c ，p a r a m e t e r s ， s i m u l a t i o n m 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所旱交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者躲秀哞 瑚年j 只l 7 日 学位论文版权使用授权书 本人完伞了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：掺晗 如万年；月哆i t 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年 月日年 月日 第1 章绪论 1 1 课题来源与背景 1 1 1 课题来源 第1 章绪论 该课题来源于上海市政j 程设计研究总院的科研项目“城市污水处理厂控制 技术软件开发( 编号：k 2 0 0 6 6 ) ”。该项目旨在开发氧化沟、a o 法、m b r 等工 艺的控制软件。本论文承担s b r 工艺控制软件的开发和校正任务，是该课题核 心内容的一部分。 1 1 2 课题研究背景 近年来，随着社会经济的快速发展，现代化程度日益提高，但水环境的污染 状况也日益严重，特别是近几年来大量城市污水和工业废水的排放，使得江河湖 泊的水环境恶化，富营养化程度加剧，严重影响了社会的可持续发展。据2 0 0 4 年统计，全国废水排放总量为4 8 2 4 亿吨，其中城镇生活污水排放量为2 6 1 3 亿 吨，占废水排放总量的5 4 2 ，而城市生活污水处理率仅为3 2 3 f l l 。严重的水 污染问题已经引起社会各界的高度重视，水污染防治和水环境保护已成为我国环 境保护工作的当务之急。 目前，人类已经掌握了很多对水污染进行治理的方法和理论，许多城市和城 镇利用下水道将各种类型的生活污水、工业废水收集起来，输送到污水处理厂 进行处理，达到一定的处理效果后排放和回用。但是，目前污水处理厂的设计、 运行等尚没有形成完全成熟的模式，而且处理污染物质的巨大花费已经成为制约 污染治理的最大障碍。怎样使环境污染治理工程设施运行在最优化( 最节能、人 力投入最少) 状态，已成为人们最关心的一个问题，因为处理设施运行处在最佳 状态点，将大大降低建设投资和运行费用，收到最佳的环境效益和经济效益。 事实上，污水厂在设计和运行中的问题都可以通过足够的试验解决。但是试 验的方式也有很大的局限性。第一、生物试验周期比较长，从开始试验到得出解 决方案需要半年甚至多年的时间。第二、每次试验需要进行多方案的比较，可是 因为时间限制，能够实施的试验方案非常有限，得不到最佳解决方案。第三、试 验不仅周期长，而且耗费多，尤其生产性试验更是花费不菲。而污水处理数学模 型能够在很大程度上弥补这些缺陷。工程师在计算机上就能够方便快速的计算大 量的试验方案，并估计处理效果和相关费用，不必受时间和费用的制约。最终选 第1 章绪论 取少数的几个方案进行试验验证，可以使试验周期最短，花费最省，而实验结论 确非常有效。 鉴于目前绝大多数城市污水厂都是采用活性污泥法，开发活性污泥法处理城 市污水的数学模型能够很好地满足需要，在众多城市污水处理厂建设和管理中发 挥作用，节约污水厂的投资和运行费用，并保证污水厂的正常运行。而在众多活 性污泥处理方法中，s b r ( s e p u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 及其改良工艺因具有独特 的技术经济优势，正越米越受到人们的重视，并已经在我国以及世界各地都得到 广泛的应用。研究者发现，s b r 工艺对水质、水量的变化适心性强，运行稳定， 适用于水质和水量变化都比较大的中小城市污水处理；为非稳态反应，反应时间 短，体积小，基建费用和占地都比常规活性污泥法少；处理效果好，能同时脱氮、 除磷：需要的机械和设备较少，易于实现自控运行，管理方便，节省人工。因此， 开发s b r 活性污泥数学模型具有更为重要的理论和实际应用意义。 目前，国内外学者已对数学模犁做了大量研究( 国外研究居多) ，国际水质 协会也相继推出了a s m 系列数学模型。但是，针对s b r 工艺的仿真和模拟，仍 然存在很多值得探讨之处：( 1 ) 各种模拟都是针对研究s b r 工艺的特性而进行 的，而对s b r 工艺的仿真研究不够，所以没有形成大家公认的模拟s b r 工艺的 软件；( 2 ) 对s b r 工艺的灵活性研究不足，没有讨论在各种工况下s b r 工艺 的运行结果；( 3 ) 现在已经有新的模型a s m 3 、e a w a g b i o i p 等推出，但是这 些模型都还没有能够运用到s b r 工艺中；等等。 1 1 3 课题研究的目的及意义 本课题的研究目的在于：开发简单实用、准确可靠的s b r 活性污泥数学模 型，能够预测s b r 工艺处理城市污水的处理效果，促进s b r 活性污泥数学模型 在我国的研究和应用。 活性污泥工艺的发展己经有了很长的历史，把多年的实践经验和试验成果通 过数学模型的形式表达出来，从实践上升到理论，再用理论指导实践，是环境工 程研究必然的发展道路。 准确的活性污泥数学模型具有重要的理论和实际应用意义。它是建立在微生 物去除污染物的生化反应机理的基础上，不仅能模拟进水出水的相应变化，还能 够模拟反应过程中的每一步细微变化，污染物的沿程降解过程。活性污泥数学模 型能够给工程师提供污水反应系统中更多的信息。工程师不仅能知道污水净化的 最终结果，还能通过过程变量知道为什么能够会是这样的处理效率，知道反应的 各阶段对污染物去除贡献的比例，知道反应过程中是什么因素限制着整个反应器 的处理效率，从而非常明了地对污水处理工艺和运行方式进行调整。通过数学模 2 第1 章绪论 型，工程师对污水处理的各种影响因素对处理效果的影响不再是定性的概念，而 是能够定量地了解各种因素对一套工艺出水质量的影响究竟会到何种程度。具体 来说，本研究在以下几方面具有理论和实际应用意义。 ( 1 ) 能够帮助专业人士更深入地了解s b r 活性污泥法处理污水的反应过 程，运行特性，更好地了解各种影响因素如何对最终的处理效果发生影响，更好 地了解水处理的限制步骤从而找到改善方法。 ( 2 ) 使用s b r 数学模型，设计者可以设计出经济可行的方案，并可在保证 处理效果的前提下，优化各构筑物的大小及各种关键运行参数。若污水厂已建， 则可利用数学模型预测进水水质和水量变化的影响，以及适应这些变化所需采取 的运行措施；若污水厂运行不够理想，则可通过模型寻求解决方法，如改善水质、 控制曝气量、减少污泥排放量等。 ( 3 ) s b r 数学模型不但有助于新建系统的设计和优化运行管理，同时对于 现有生物处理系统的处理能力或功能扩展也很重要，例如以去除含碳有机物为主 的普通活性污泥系统扩展到同时具有脱氮除磷能力的系统。 ( 4 ) 使用s b r 数学模型，能够节省人力、物力、财力，提高科研、设计水 平，这完全符合我国目前构建资源节约型社会的需要。 1 2 主要研究内容及技术路线 1 2 1 主要研究内容 近年来，国内的研究人员对活性污泥数学模型做了初步论述和探讨，然而模 型中所需参数的测定手段还远远滞后于模型的发展，模型校正缺乏足够的实测参 数和运行数据，而且也很少能把进水水质特性的测定、s b r 工艺不同工况的探 讨以及模型的模拟研究结合在一起。鉴于以上原因，本文将建立针对s b r 工艺 的活性污泥数学模型，探论s b r 工艺不同工况的处理效果，并对进水组分和部 分参数进行测定，最后在此基础上对模型进行校正和模拟。主要研究内容包括： ( 1 ) 综述活性污泥数学模型的发展及研究应用现状、s b r 工艺概况及研究 进展和活性污泥数学模型在s b r 工艺上的应用进展； ( 2 ) 介绍了活性污泥2 号模型( a s m 2 ) 的原理，动力学、计量学参数以及 模型限制条件； ( 3 ) 结合s b r 工艺和活性污泥2 号模型，用v i s u a lb a s i c 语言建立了s b r 活性污泥数学模型； ( 4 ) 进行s b r 试验研究，测定各种工况下s b r 工艺对城市污水的处理效果， 3 第1 章绪论 同时还测定了进水各组分和异养菌产率系数； ( 5 ) 进行模型参数和组分的灵敏度分析； ( 6 ) 对模型参数进行校正，并对s b r 工艺进行模拟。 1 2 2 技术路线 本文将按照以下路线进行研究。 卜总结国内外活性污泥数学模型 的研究现状及应用情况 总结动力学方程 图1 1 论文研究技术路线 1 3 课题创新点 目前，国内外许多学者对于活性污泥数学模型的研究，或是对模型做初步论 4 第1 章绪论 述和理论探讨，或是单纯对城市污水的水质特性的测定进行研究，更多的则是自 己开发一套模拟程序或者在前人开发的模拟程序的基础上进行改进，但是对模拟 程序的验证是通过第三方数据来进行的，其中进水组分也没有测定，只是进行了 估算，存在一定的误差，对模拟结果也会产生影响。 本课题不仅对城市污水的水质特性进行测定，并搭建了s b r 工艺装置来进 行了s b r 试验研究，测定了各种工况下s b r 工艺对城市污水的处理效果，而且 通过结合s b r 工艺与活性污泥2 号模型( a s m 2 ) ，用v i s u a lb a s i c 语言建立了 s b r 活性污泥数学模型，并用试验测得的数据对该模型进行校正和模拟研究。 研究内容充实，能把s b r 工艺各种工况的研究、水质特性的特定研究和数学模 型的模拟研究结合在一起，比较系统地阐述了s b r 活性污泥数学模型的建立过 程、参数校正过程和模拟过程，这是本论文的一个创新点。 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 2 1 活性污泥数学模型的发展历程 活性污泥法作为废水生物处理的方法，经过近百年的发展，已经成为一种较 为成熟的工艺。它具有较好的处理效果和低廉的处理费用，在城市污水厂中得到 广泛的应用。在活性污泥法的发展过程中，对它的处理过程、反应机理的研究越 来越深入，而每一次的研究进展都会以简练的数学模型的形式表达出来。从数学 模型的演变历史不仅可以看到活性污泥法机理研究的发展历史，而且一个好的数 学模型对于工程还有重要的指导作用和经济价值。 2 1 1 来源于微生物学的机理模型 微生物学的机理模型描述的是微生物生长和限制生长的基质浓度之间的关 系，是活性污泥法数学模型的理论基础。微生物机理模型的不断发展推动了活性 污泥数学模型研究的日趋深入。 ( 1 ) 米门公式 1 9 1 3 年，米歇里斯和门坦做了大量动力学实验，研究纯酶对纯底物的降解 关系，提出了米门方程( m i c h a e l i sa n dm e n t e ne q u a t i o n ) 。这个方程能够表达底物 浓度与酶促反应速度之间的关系。 v _ 寿 q _ ) 式中：v 一酶反应速度( 时间1 ) ； v m 广最大酶反应速度( 时间叫) ； 卜底物浓度( 质量体积) ； k m 米氏常数。 如果s k m ，则s ( k m + s ) 1 ，v 卿m 疆，该反应相当于对底物零级反 应，增加底物浓度不能提高反应速度；如果s “k m ，则s ( k m + s ) ( s l ( m ) ， v 专v 咖。( s k = ) ，该反应相当于一级反应，增加底物浓度可以相应提高反应速度。 因为一切生化反应都是在酶的作用下完成的，所以米门方程能够间接说明微 生物降解底物速度与底物浓度的关系，在废水生物处理工程中有广泛的应用。 ( 2 ) m o n o d 方程 1 9 4 2 年，m o n o d 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，1 9 4 9 年发表了在静态反应器中经过系统研究得出的m o n o d 模型【2 】： 6 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 舻南 q 2 ) 式中：比生长速率( 时间- 1 ) ； h 嘲最大比生长速率( 时间_ 1 ) ； s 基质浓度( 质量体积) ； k 。饱和常数。 和米门方程类似，当s k s 时，微生物生长为零级反应；当s k s 时，微 生物生长为一级反应。 m o n o d 模型实质上是一个经验公式，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到的结论。大多数实际过程并非如 此，所以，m o n o d 模型在实际应用中也受到了很大的限制。 2 1 2 传统静态模型 传统静态模型始于2 0 世纪5 0 年代中期，其中最具代表性的有e c k e n f e l d e r 等基于v s s ( 挥发性悬浮固体) 积累速率经验公式提出的模型、m i c k i n n e y 等基 于污泥假设提出的模型和l a w r e n c e - m c c a r t y 等基于微生物生长动力学理论提出 的模型，这些模型所采用的是生长衰减机理f 3 j ，如图2 1 。 0 2c 0 2 + h 2 00 2c 0 2 + h 2 0 底0 么活性微生物体- 么谢残余物 生长衰减 图2 1 “生长一衰减”机理示意图 ( 1 ) e c k e n f e l d e r 模型 该模型是e c k e n f e l d e r 对问歇试验反应器内微生物的生长情况进行观察后于 1 9 5 5 年提出的。当微生物处于生物生长率上升阶段时，基质浓度高，微生物生 长速率与基质浓度无关，呈零级反应t _ d x ：q x ( 2 3 ) 班 当微生物处于生长率下降阶段时，微生物生长主要受食料不足的限制，微生 物的增长与基质的降解遵循一级反应关系： 一 一掣：心s 工 ( 2 4 ) 讲 一 当微生物处于内源代谢阶段时，微生物进行自身氧化： 7 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 一d x = 墨x ( 2 5 ) 班 以上公式中：x 微生物浓度f r o g l ) ： 卜基质浓度( m g l ) ； k l 对数增长速率常数； k r 一减速增长速率常数； k 3 内源呼吸衰减常数。 ( 2 ) m c k i n n e y 模氆 该模型是由re m c k i n n e y 在2 0 世纪6 0 年代初发表的。与e c k e n f e l d e r 模 型相比，m c k i n n e y 模型忽略了微生物浓度对基质去除速度的影响，认为在活性 污泥反应器内，与微生物浓度相比，属低基质浓度，微生物处于生长率下降阶段， 代谢过程为基质浓度所控制，遵循一级反应动力学。m c k i n n e y 模型可以表述为： i d s ：一r s ( 2 6 ) 一= 一 tzn ， 式中：k 瑚基质去除速率常数。 在完全混合曝气池中，基质降解的速率是均匀的，公式( 2 6 ) 可以变化为： 峪。一s t ) t = k f = ( s o 一) 匕s ( 2 7 ) 式中：& 进水中的基质浓度( m g l ) ； 砖出水中的基质浓度( m g l ) 。 根据进出水浓度要求，通过式( 2 7 ) 可以计算活性污泥法工艺设计的主要 参数，包括曝气反应时间和曝气池的体积等。 m c k i n n e y 模型还首次提出活性物质的概念，认为活性污泥中只有部分具有 活性的微生物对基质降解起作用。虽然当时还无法直接测定活性物质，但这一概 念的提出，为活性污泥模型的研究开拓了新的思路。 ( 3 ) l a w r e n c e m c c a r t y 模型 a w l a w r e n c e 和p l m c c a r t y 于1 9 7 0 年提出的l a w r e n c e m c c a r t y 模型 最先将m o n o d 方程引入废水生物处理领域，该模型的基本方程式为： i d x = y 譬一局x ( 2 8 ) 一= y 一一| k x zkj d td t u 经过一系列的转化，可得到如下两个方程式： 足：j 盟盟 ( 2 9 ) 。包( h k 一局) 一l x ：生y f s o - s , )( 2 1 0 ) 皖( 1 + k d 铭) 8 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 式中：靠- 污泥龄( d ) ； 皖水力停留时间( d ) ； x 瑚生物的浓度( m g l ) ； y 总产率系数( m g 生物量m g 利用的底物) ； 以基质比去除速率( d 一) ； 髟衰减系数( d 。1 ) ； - 基质最大比去除速率( d 一) ； 瓯进水基质浓度( m g l ) ； 墨出水基质浓度( m g l ) ； 麟饱和常数( m g l ) 。 l a w r e n c e m c c a r t y 模型的突出之处在于，它不仅可以用于计算反应池的体 积、耗氧量、排泥量等设计参数，而且强调了细胞平均停留时问( 泥龄) 的鼋要性 以及在设计、运行中的意义，认为这是生物处理设计和运行的统一基础，并建立 了它与微生物增值、基质降解与过程效率等方面的基本关系。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的可操作性。 传统模型因具有形式简单，变量可直接测定，动力学参数测定和方程求解较 方便，得出的结果基本满足工艺设计要求等优点，曾得到广泛应用1 4 l 。然而，长 期实际应用经验也表明，这种基于平衡态的模型丢失了大量不同平衡生长状态间 的瞬变过程信息，忽视了一些重要的动态现象，应用到具有典型时变特性的活性 污泥工艺系统中时，带来了许多问题，因此，有必要发展活性污泥的动态模型。 2 1 3 活性污泥法动态模型 活性污泥动态模型可分为4 类，即基于经验积累和推理规则的语言模型、基 于时序描述的黑箱机理模型、基于活性污泥动力学理论的常微分方程( 组) 集总参 数模型和以偏微分方程( 组) 表达的分布参数模型。这4 类模型各有优缺点，以集 总参数模型为目前的主要应用模型p j 。 ( 1 ) a n d r e w s 模璎 a n d r e w s 模型由美国的j e a n d r c w s 等于2 0 世纪8 0 年代提出【3 - 6 1 。该模型提 出了贮存代谢机理( 见图2 2 ) 。该机理认为在活性污泥反应过程中，非溶解性 有机物和部分溶解性有机物首先被生物絮体快速吸附，以胞内贮存物x s t o 的形 式被贮存，然后再被微生物利用。这一机理的引入，较好地解释了有机物的“快 速去除”现象、微生物增长速率随底物浓度变化的滞后效应，以及耗氧速率的瞬 变响应特性。 9 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 吸附贮存 非黼懒今贮瞥懈 夕歹i 麟0 2 叫 0 2m 善山0 2 ( 3 0 2 + i - h 0 0 晚+ 壬的v 湫蝴警戮s 争懒渤 圈2 2 贮存代谢机理 ( 2 ) w r c 模型 w r c 模型是英国水研究中- t 二, ( w a t e rr e s e a r c hc e n t e r ) 提出的。w r c 模型引 入了存活一非存活细胞代谢机理( 见图2 。3 ) ，认为存活力并非生物活性的先决条 件，生物活性可凶细胞破裂，酶的溢出而得到增强，相当大程度的生物活性是由 这些非存活细胞提供的【3 们。非存活细胞的代谢作用使有机物的降解可以在不伴 随微生物蹙增加的情况下发生，以此解释在采用m o n o d 方程描述废水生物处理 过程导致细胞浓度预测值偏高的原因。 0 q + 的 q啪 衰减 图2 3 存活爿 存活细胞代谢机理 代 谢 残 余 物 ( 3 ) a s m 系列模型 a n d r e w s 模型和w r c 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( i n t e m a t i o n a l w a t e ra s s o c i a t i o n ，i w a ) 于1 9 8 3 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1 9 8 7 、1 9 9 5 和1 9 9 9 年陆续推出3 套模型。 1 0 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 a s m 系列模型在表述方面的最主要特征是采用矩阵的形式来描述活性污泥 系统中各组分的变化规律和相互关系，并在矩阵反应速率中使用了“开关函数” 的概念，以反映环境因素改变而产生的抑制作用，避免那些具有开关型不连续特 性的反应过程表达式在模拟过程中出现数值不稳定现象。 1 ) 活性污泥l 号模型 活性污泥l 号模型( a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 1 ，a s m i ) 于19 8 7 年推出1 7 i ， 这是活性污泥模型发展的里程碑。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。a s m l 采用了d o l d 等人提出的死亡 一再生( d e a t h - r e g e n e r a t i o n ) 的模型化方法，但未接受贮存代谢机理，而采用“死亡 一再溶解”机理( 见图2 4 ) ，体现了对代谢残余物的再利用。 a s m l 模型矩阵其有8 行1 3 列，表示活性污泥过程的8 种生物化学反应和 1 3 种模型组分，行与列的交叉处为组分对过程的化学计量系数。化学计量系数 通过对每一个过程的c o d ，n 和碱度的平衡计算得到。另外，模型矩阵还给出 了各反应的反应速率，具体见附录a 。 0 2c 0 2 + 1 2 00 2c 0 2 + 也o - 生长7 生物体衰减 二木上物棚格牲竺死亡 图2 3 “死亡再生”机理示意图 2 ) 活性污泥2 号模型 多年的实践证明：a s m i 是一种很有用的工具，在欧美得到广泛使用【8 】。但 其主要缺陷是未包含除磷过程，无法模拟包含除磷的活性污泥工艺，因而限制了 a s m l 的进一步应用。为此，i w a 于1 9 9 5 年推出活性污泥2 号模型( a s m 2 ) p j 。 该模型沿用了a s m l 的矩阵表述形式和物质平衡计算两大特点，引入聚磷 微生物( p h o s p h o r e sa c c u m u l a t i o no r g a n i s m s ，p a o ) ，将生物和化学除磷过程纳入 模型中。a s m 2 共有1 9 种组分、1 9 个生物化学反应过程、2 2 个化学计量系数 和4 2 个动力学参数。该模型提出了包含化学需氧量( c o d ) 、氮和磷去除过程 在内的综合性生物处理工艺过程动态模拟理论，它不是生物除磷模型的最终方 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 案，而是一种折中方案。 1 9 9 9 年推出的a s m 2 d 就是对a s m 2 的一次完善，该模型沿用了a s m 2 和 a s m l 的概念，是这些模型的进一步延伸，可作为模拟同时生物除磷和硝化一反 硝化的基础模型l 1 0 1 。a s m 2 d 共包括1 9 种组分、2 1 种反应、2 2 个化学计量系数 及4 5 个动力学参数。与a s m 2 相比，在模拟磷酸盐和硝酸盐动力学方面，a s m 2 d 更准确。a s m 2 d 模型并非描述生物除磷过程的最终模型形式，它可被看作是进 一步研究和发展活性污泥系统脱氮除磷动力学模型的平台和基础。 3 ) 活性污泥3 号模型 1 9 9 9 年，i w a 还推出了活性污泥3 号模型( a s m 3 ) 1 1 1 1 。该模型更深入考 虑了胞内存贮过程，并考虑环境因素对衰减过程的修正，把溶解性、颗粒性有机 氮的降解与微生物的水解、衰减和生长结合在一起，包含有机物氧化、硝化和反 硝化过程，没有包括生物除磷过程。该模型总共包含1 3 种组分、9 个反应过程、 6 个化学计量系数及2 1 个动力学参数。 目前对a s m 3 的研究和应用较少，它的准确性和实用价值还需要通过大量 实验和实际应用进行验证。 ( 4 ) 厌氧消化l 号模型【1 2 1 2 0 0 2 年2 月国际水质学会0 w a ) 推出的厌氧消化l 号模型( a d m i ) 。该模型 主要描述了厌氧消化中的生化和物化过程，共涉及厌氧体系中的七大类微生物、 1 9 个生化动力学过程、3 个气液传质动力学过程，共2 6 个组分和8 个隐式代数 变量，能够对厌氧生物处理：t 艺进行较好的预测和模拟。a d m i 还提供了开放的 建模平台以及与活性污泥模型( a s m ) 的接口，可广泛应用于对各种厌氧一好氧组 合工艺的过程模拟。 a d m l 模型集中了国际厌氧消化领域在结构化数学模型和工艺模拟方面最 新的研究成果。该模型的应用将有利于人们从动力学的角度更深入了解厌氧生物 处理这一动态过程，从而对厌氧工艺的设计、运行和优化控制提供理论指导和支 持。但同时，a d m i 提供的仅仅是一个通用的模拟平台，由于缺乏有效的文献资 料，或由于工作组认为某些过程在厌氧消化中没有足够的代表性，目前在a d m i 中忽略了以下过程：( 1 ) 葡萄糖降解的其他途径如乳酸型或乙醇型发酵；( 2 ) 硫 酸盐还原以及由此引起的硫化氢的抑制；( 3 ) 硝酸盐对电子转移的竞争；( 4 ) 弱 酸和弱碱的抑制；( 5 ) 长链脂肪酸的抑制；( 6 ) 乙酸氧化途径；( 7 ) 同型产乙酸 过程；( 8 ) 固体沉淀物的生成等。 同时，a d m i 需要结合今后具体的科研应用和工程实践在以下方面继续完 善：( 1 ) 抑制物质对厌氧消化中不同生化过程的具体影响；( 2 ) 反应温度在低 温、中温、高温之间交替对厌氧体系中微生物种群以及动力学过程所引起的变化； 1 2 第2 章活性污泥数学模型的发展及应用 ( 3 ) 对厌氧消化过程中生化反应动力学的参数获取、参数识别和校正以及误差 分析的有效方法。 表2 1 列举了美国某污水处理咨询公司近年使用的活性污泥模型，它大致反 映了活性污泥模型的实际应用情况及其发展历程。 表2 1 美国某污水处理咨询公司近年使用的活性污泥模型 时期使用的模型评价 基于量纲法、使用单位负荷判据的依靠个人经验，多为定性，不精确 模型 1 9 7 0 氧化塘模型( o s w m d ，1 9 6 3 )基于光合作用合细胞生理学，未作细胞动 年前力学的限制 氧化塘模型( e c k c n f e l d e r 等，1 9 6 1 )考虑简单一级反应动力学( 忽略细胞浓度) 活性污泥模型( p e r s o n ，1 9 6 8 )基于m o n o d 方程，用于评估稳态状况，仅 考虑碳氧化物 二沉池固体颗粒通量模型( d i c k 等， 需要实地沉降系数，对圆形装置的数据关 1 9 7 2 ) 联性很好 1 9 7 1 、一 多成分质量守恒模型( p a r k e t 等， 适于固相流中化学品回收和营养物质循 1 9 8 5 年 1 9 7 5 ) 环，迭代法求解 活性污泥硝化模型( p a r k e r 等，1 9 7 5 ) 第一个提供动力学限制的活性污泥模型 氧化塘模型( e c k e n f e l d e r 等，1 9 8 0 ) 模型中进一步考虑悬浮牛物量 活性污泥动态模型( h e n z e 等，1 9 8 6 )l a w p r c 活性污泥a s m l ，第一个考虑反 硝化作用 多成分质量守恒模型 早期质量守恒程序的电子表格版本 1 9 8 6 高纯度氧气活性污泥模型 模型中不含m o n o d 关系，计算气体纯度和 1 9 9 1 年 ( s t e n s t r o m 等，19 8 9 ) 氧传递 预计出水t s s 的二沉池模型包含混合液体中颗粒沉淀增浓特性的二沉 池水力学模型 二沉池固体颗粒通量模型( k e i n a t h ， 拓展了颗粒通量理论，将增浓能力与s 1 9 8 9 ) 测试联系起来 将曝气池和二沉池联系起来的模型在发展中 2 2 国内外a s m 模型的研究与应用现状 a s m 系列模型自