（系统工程专业论文）污水处理AO过程的ASM2机理建模及网络监控研究.pdf

浙江人学硕士学位论文 摘要 淡水资源的短缺和人们环保意识的逐步提高，使得污水处理的重要性日益突 出。目前最常用的污水处理途径是活性污泥法。它是一种水体自净的人工强化方 法，具有机理复杂、非线性、时变性大的特点。为了更好的提高活性污泥法污水 处理效果，我们首先要了解其机理模型；其次是建立先进的污水处理厂实时自动 监控系统。 目前，国内外学者对活性污泥法数学模型的研究主要集中在i a 姻组织提出 的a s m i 之上，对其随后提出的包含除磷效果的a s m 2 的研究几乎还是空白。然而， 由于a s m i 并没有包含磷的去除，在水体富营养化日趋严重的今天，这不能不说 是一大遗憾。出于这种考虑，有必要对a s m 2 进行研究，建立适合具体工艺要求 的a s m 2 简化模型，并考虑其在污水处理厂自动监控系统中的具体实施。 本文的主要研究工作和贡献如下： 1 分析进行污水处理的必要性和我国城市污水处理的现状。结合国外在污水处 理方面的发展情况，指出我国污水处理的发展趋势。 2 对活性污泥法数学模型、污水处理控制策略的发展进行详尽综述。 3 介绍了活性污泥法污水处理的原理和过程，对其典型工艺( a o ) 进行详述； 并阐述污水处理厂污水处理工艺的选择标准。 4 为适当简化模型的复杂性，先进行一定的条件假设( 厌氧池中s 0 2 浓度为o ， 好氧池中曝气充分；池中p h 值稳定在a s m 2 的适用范围6 3 7 8 之内； 不考虑碱度s n l k 对污水处理反应过程的影响；二沉池中固液分离完全。) ， 在此基础上，建立污水处理h o 过程的a s m 2 机理模型。分析该模型的稳定性， 并在进水流量和画流比改变的情况下对其动态性能进行分析。 5 以作者负责的一个项目为例，详细的介绍了如何基于工业以太网和p l c 实现 污水处理厂的全厂实时自动监控系统；同时，对污水处理厂的重要环节一污 水泵站，应用动态规划思想，建立以泵组使用时间最短为优化目标的数学模 型，并介绍了该模型基于p l c 的软件实现。 关键字：污水处理，数学模型，活性污泥法，a s m 2 ，a o 工艺，自动控制，p l c ， 动态规划。 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t a c c e r d i n g t ot h e s h o r t a g e o ff r e s h w a t e rb o t hw i t ht h ee n h a n c e m e n to f e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，t h ei m p o r t a n c eo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti sb e c o m i n gm o r e a n dm o r e o b v i o u s n o w , t h ea c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ，ak i n do f w a s t e w a t e rt r e a t m e n t w i t hc o m p l i c a t e dm e c h a n i s m ，n o n - l i n e a ra n d v a r y i n g ，h a sb e e ne x t e n s i v e l y u t i l i z e di n t h ei n d u s t r i a la n dm u n i c i p a lw a s t e w a t e rt r e a t m e n t i no r d e rt oi r e p r o v et h er u n n i n g r e s u l t ，w es h o u l df i r s tk n o wa b o u tt h em e c h a n i s mm o d e l ，a n dt h e nu p b u i l dt h e a d v a n c e dr e a lt i m ea u t o c o n t r o ls y s t e mi nw a s t e w a t e rt r e a t m e n t p l a n t c u r r e n t l y , a 1 1r e s e a r c h e r sh a v ef o c u s e dt h e i ra 1 1e n e r g yo nt h ea s m lo fi a w q ， a n da l m o s t n o b s c o ：+ n h 3 + 2 n i 弋+ 4 0 h 。 可见，内源反硝化的结果是细胞物质的减少，并会有n h 。的生成。因此，污 水处理中应提供必要的碳源，以防治内源反硝化占主导地位。 2 3 1 3 影响因素 不同的环境因素对硝化反应和反硝化反应及一般异养菌在去除有机物过程 中的行为具有不同的影响，现分析如下： ( 1 ) 温度 硝化反应的适宜温度范围为5 3 5 。c ，在此范围内，反应速率随温度升高而 加快。当温度低于5o c 时，硝化菌的生命活动几乎停止。 反硝化反应可在5 2 7 。c 范围内进行，反硝化速率与温度的关系遵守 a r r h e n i u s 方程，温度系数0 = 1 0 6 1 0 8 ，当温度达到3 。c 时，反硝化反应将 完全停止。 ( 2 ) 溶解氧 如前所述，硝化反应必须在好氧条件下进行，一般应维持混合液的溶解氧浓 度为2 3 m g 1 ，溶解氧浓度为0 5 0 7 m g 1 是硝化菌可以忍受的极限。 溶解氧对反硝化反应也有很大的影响，主要是由于氧会同硝酸盐竞争电子供 体，且会抑制硝酸盐还原酶的合成及其活性。研究表明，为保持反硝化反应的正 常进行，系统中溶解氧应保持在0 5 m g 1 以下( 但生物膜系统中氧的传递阻力较 大，可以容许较高的溶解氧浓度) 。 ( 3 ) p h 值 硝化反应的最佳p h 值范围为8 o 8 4 ，p h 值低于7 时，硝化速率明显降低， 低于6 和高于9 6 时，硝化反应将停止进行。硝化反应对碱度的消耗会引起水的 p h 值的变化，因此应投加必要的碱量以维持适宜的p h 值，保证硝化反应的正常 进行。 反硝化反应是提高碱度的反应，反硝化菌的适宜p h 值为6 5 7 5 ，p h 值不 适宜会影响反硝化菌的生长速率和反硝化酶的活性。 ( 4 ) 抑制物质 对硝化反应有抑制作用的物质有：过高浓度的n h 。一n 、重金属、氰化物、以 及有机物。有机物对硝化反应的抑制有两个原因，一是有机物浓度过高，异养菌 数量会大大超过硝化菌，从而阻碍氨向硝化菌的传递，硝化菌能利用的氧也因此 第二章活性污泥法a o 工艺介绍 减少。另一个原因是某些有机物对硝化菌具有毒害或抑制作用，因为催化硝化反 应的酶内含c u l 一c u “电子对，凡是能同酶中的蛋白质竞争c u 或直接嵌入酶结构的 有机物，均会发生抑制作用。 ( 5 ) 污泥龄 为使硝化菌能在连续流的反应系统中存活并维持一定数量，微生物在反应器 中的停留时间即污泥龄0 。应大于硝化菌的最小世代期，硝化菌的最小世代期即 其最大比增长速率的倒数。一般应取系统的污泥龄为硝化菌最小世代期的两倍以 上，并不得小于3 5 d ，为保证一年四季都有充分的硝化反应，污泥龄应大于1 0 d 。 ( 6 ) 碳源 反硝化过程需要提供充足的碳源。可以利用污水中的有机物作为反硝化的碳 源。一般认为，当污水的b o d t k n 值大于4 6 时，可认为碳源充足，不须投加 外碳源，反之则应投加甲醇或者其它易降解的有机物作为碳源。也有人提出可以 利用初沉池污泥在内源呼吸中释放的碳作为碳源。 反 硝 德1 0 率 1 o 1 1 0 2 03 0温度o c 图2 - 1 温度和碳源种类对反硝化速率的影响 由图2 1 可以看出：甲醇是一种较理想的碳源，污泥内源呼吸虽然也能向反 硝化反应提供碳源，但将使反硝化率下降，原污水则介于两者之间，但实际上， 不同性质的原污水所得的反硝化率也将不同。上图也表明了温度对反硝化率的重 要影响。 2 3 1 4 污水生物脱氮工艺流程 常见的生物脱氮流程可以分为三类：( 1 ) 多级污泥系统；( 2 ) 单级污泥系统； ( 3 ) 生物膜系统。其中多级污泥系统常被称之为传统的生物脱氮流程。单级污 泥系统则可以分为前置反硝化系统和交替工作系统两种。工艺流程如图2 2 至图 2 4 所示： 浙江大学硕士学位论文 进 避轴 围2 - 2 三步活性污泥法系统 逆水争 国2 - 3 两步活性污泥法系统 出水 出水 出水 图2 - 4 单步活性污泥法系统 2 3 2a o 生物除磷系统及基本原理 污水中磷的存在形态取决于污水的类型，最常见的是磷酸盐( h 2 p o 一一、h p o 一 和p 吼3 一) 、聚磷酸盐和有机磷，传统的生物处理的出水中，9 0 左右的磷以磷酸盐 的形式存在。 传统的活性污泥法和生物膜法可通过生物体合成去除城市污水中约1 5 2 5 的磷。但在污水处理厂的运行中，常常会观察到更高的去除率。经过约3 0 年的 研究，人们对生物脱磷的潜力和原理有了初步的了解，并建成了一批生物脱磷污 水处理厂，但至今仍不能认为已深刻地认识了生物脱磷的机理。 生物脱磷的基本原理如图2 - 5 所示： 当某些细菌交替地处于厌氧条件与好氧条件时，它们能在厌氧条件下吸收低 分子的有机物，同时将细胞原生质中聚合磷酸盐异染粒的磷释放出来，提供必须 的能量；在好氧条件下，能吸收的有机物将被氧化并提供能量，同时从污水中吸 收超过其生长所需的磷并以聚磷酸盐的形式储存起来。由于系统必须经常排放剩 余污泥，被细菌过量摄取的磷也将随之排除系统，因而可获得相当好的脱磷效果。 当污水中含钙、镍、铁和铅等金属离子时，化学沉淀作用也有助于磷的去除。 以往研究者认为，只有不动杆菌具有上述过量摄取及释放磷的功能，但近期研究 表明，假单胞菌属、气单胞菌属和棒杆菌属均表现了上述能力。 第二章活性污泥法a o 工艺介绍 厌氧反应器d l l 野氲反应穗 样三篓轼 眵 劲、仉再q蜉 芝一 脊撼、 一； - - ) p o ，r 时竺- 鼍刚 p o ，一 z 蛰积累的含碳物瞬带器蔷碧譬耗霸黏笔矗于分子_ 聚磷酸盐徽粒鼻染粒 d 珂反硝化反应磊可胄司无) 图2 - 5 生物脱磷基本原理 2 3 2 1 影响生物脱磷过程与效果的环境因素 ( 1 ) 溶解氧 溶解氧的影响包括两方面：首先是在厌氧区中必须控制严格的厌氧条件，既 没有分子态氧，也没有n o 。一等化合态氧，以保证系统内的细菌能吸收有机物并释 放磷；其次是在好氧区中要供给充足的氧，以维持细菌的好氧呼吸，有效地吸收 污水中的磷。 ( 2 ) 氧化态氮 氧化态氮包括硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，其存在会消耗有机物而抑制细菌对磷 的释放，从而影响在好氧条件下对磷的吸收。 ( 3 ) 污泥龄 由于生物脱磷系统主要是通过排除剩余污泥去除磷的，因此剩余污泥量的多 少将决定系统的脱磷效果。一般污泥龄较短的系统产生较多的剩余污泥，可以取 得较高的脱磷效果。 ( 4 ) b o d 。负荷和有机物性质 一般认为，较高的b o d 。负荷可以取得较好的除磷效果。以不同的有机物为基 质时磷的厌氧释放及好氧摄取也有差别，一般低分子易降解有机物诱导磷释放的 能力较强高分子难降解有机物诱导磷释放的能力较弱。当磷的释放较充分时， 磷的摄取量也大，反之亦然。 ( 5 ) 温度 温度对除磷效果的影响不如对生物脱氮过程的影响明显，因为在高温、中温、 低温条件下具有的不同菌群均具有生物脱磷的能力。在5 3 0 。c 的范围内，除磷 效果都可以很好。 ( 6 ) p h p h 值在6 8 的范围内时，磷的厌氧释放比较稳定。 浙江大学硕士学位论文 2 3 2 2 污水生物除磷工艺流程 根据上述污水生物除磷原理，污水生物除磷的工艺流程一般是由厌氧池和好 氧池组成的。以下是最常见的生物除磷工艺漉程： ( 1 ) 污水生物除磷的a o 流程( 如图2 - 6 所示) 图2 - 6 污水生物除磷的a o 流程 污泥回流进入厌氧池后可吸收除去一部分有机物，并释放出大量磷；而在好 氧池，污水中有机物在其中得到氧化分解，同时污泥将大量摄取污水中的磷。 a o 生物脱磷流程的工业特性曲线如图2 - 7 所示： 二f 弋 、芯 _ | l 一o _ 7 = 沉池 图2 7a o 生物脱磷流程的工业特性 由图可见，b o d 。在a 和0 两段都有下降，但在a 段中，p 的含量有升高，至0 段才有大幅度的下降。 ( 2 ) 与化学沉淀相结合的生物脱磷工艺 此工艺又被称为p h o s t r i p 除磷工业( 如图2 - 8 所示) 。本工艺流程同a o 生 物脱磷工业相比，除磷效果可以提高，但增加了流程的复杂性，运行费用也会因 投加化学药品而提高。 图2 - 8p h o s tr i p 除磷工业 出水 污泥 第二章活性污泥法a o 工艺介绍 2 3 3a o 生物脱氮除磷系统及基本原理 研究者在研究生物脱氮和生物除磷的工艺流程时发现，与传统的生物处理流 程相比，生物脱氮工艺具有更好的除磷效果。在此基础上，研究者提出了多种同 时进行脱氮和除磷的生物处理工艺流程，其中，最典型的为b a r d e n p h o 脱氮除磷 工艺流程，p h o r e d o x 脱氮除磷工艺流程和a 2 o 生物脱氮除磷工艺流程。 2 3 3 1b a r d e n p h o 脱氮除磷工艺流程 混合溃回流 避水出水 污泥 图2 - 9b a r d e n p h o 脱氪除磷t - 艺流程 如图2 9 所示，该工艺由两级a o 工艺，4 个反应池组成，各反应区的水力 停留时间依次为3 、7 、3 和l h ，由于采用了混合液回流，第一个a 池中有n o a - n ， 因此不能称为厌氧池，只能称为缺氧池；第二个a 池在0 池之后，也含有相当量 的n 0 r n ，也是缺氧池。 本工艺流程具有较好脱磷效果( 达9 7 ) ，其主要原因在于：( 1 ) 二沉池中 会有磷的释放；( 2 ) 第一个缺氧池中会有局部的厌氧条件，也有磷的释放现象。 由于存在两级a o 工艺，本工艺的脱氮效果可以达到9 0 9 5 。 显然，本工艺具有流程长，构建物多的缺陷。 2 3 3 2p h o r e d o x 脱氮除磷工艺流程 进水 惩台液囵流 出水 污泥 图2 - 10p h o r e d o x 生物脱虱处理工艺流程 该工艺流程由b a r d e n p h o 工艺流程改进而来，其差别在于本流程仅在第一个 缺氧池前增加了一个厌氧池( 如图2 - 1 0 所示) ，以保证磷的释放从而保证在好氧 条件下有更强的吸收磷的能力，提高除磷效果。 2 3 3 3a 2 0 生物脱氮除磷工艺流程 a ：0 工艺是( a n a e r o b i c - - a n o x i c - - o x i c ) 是对p h o r e d o x 工艺流程的简化和 改进，如图2 一1 1 所示，具有脱氮除磷的功能。 在厌氧池中，污水中b o d 。、c o d 含量有所下降，n h 。一n 因细胞的合成而部分 浙江大学硕士学位论文 迸水 最台液回流 出水 污泥 图2 - i1a m o 生物脱氮除磷工艺流程 去除，但n o 。一n 含量未变，p 的含量因细胞释放而上升；在缺氧池中，污水中b s 、 c o d 含量因有机物被反硝化菌利用作为碳源而继续减少，n h 。一n 变化则较小 n o 。一n 会大幅下降，被还原成n ：释放出来，p 的变化则很小；在好氧池中，有机 物继续减少，n h 。一n 和p 也以较快的速率下降，只有n o 。一n 将因硝化作用而上升。 厌氧、缺氧、好氧三种不同的环境条件及不同功能的微生物菌群的有机配合 协作，是a 2 0 工艺流程的主要特点，它可以同时达到去除有机物、脱氮、除磷 的目的，而且工艺流程较简单。 2 4 活性污泥法其它典型工艺介绍 2 4 1 氧化沟工艺 氧化沟( o x i d a t i o nd i c t c h ，简称o d ) 污水处理工艺是荷兰卫生工程研究 所( t n o ) 2 0 世纪5 0 年代研制成功的活性污泥法的改型。为表彰该工艺的设计 者p a s v e e r ，这项技术又被称为p a s v e e r 沟1 8 “。 根据构造和运行特征，目前典型的氧化沟系统主要有c a r r o u s e l 氧化沟、交 替式氧化沟( 包括双沟式氧化沟和三沟式氧化沟) 、o r b a l 氧化沟和一体化氧化 沟。 目前，氧化沟技术因其出水水质好、运行可靠、基建投资费用和运行费用低、 具有脱氮除磷效果等优势已被广泛应用于城市污水及石油污水、化工污水、造纸 污水、印染污水、食品加工等工业污水处理中。我国自8 0 年代以来对氧化沟工 艺开展了一系列研究，取得了可喜的成就。 2 4 2s b r 工艺 序批式( 间歇) 活性污泥法( s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r 。简称s b r ) ，是近 期引起国内外广泛重视的一种污水处理工艺。s b r 工艺的采用始于1 9 1 4 年荚国 学者a r d e r n 和l o c k e t 发明活性污泥法。但其发展因受自动监控水平低的限制一 度处于停顿状态。近期计算机和自动控制技术的飞速发展为s b r 工艺的再度深入 研究和应用提供了极为有利的先决条件1 8 l 】【】。 s b r 工艺在设计和运行中，为满足不同的水质条件、使用场合和出水要求， 研究出了许多新的变型。如i c e a s 间歇式循环延时曝气活性污泥法、d a t - - i a t 第二章活性污泥法a o 工艺介绍 工艺法、c a s s 工艺法、i d e a 工艺法、u n i t a n k 工艺法、m s b r 法等等。 我国于8 0 年代中期开始对s b r 污水处理工艺进行研究和应用。从实际应用 情况来看，s b r 是一种高效、经济、可靠、管理简便、适合中小水量污水处理的 工艺，符合我国国情，在我国有着广阔的应用前景。 活性污泥法的工艺还有很多，由于篇幅的限制，在此就不一一介绍了。 2 5 污水处理厂污水处理工艺选择 城市污水处理工艺系统的选择，需综合考察污水的水质、水量、下水管网完 善程度、污水厂厂址与接纳水体的情况、污水资源化利用程度、剩余污泥的出路、 土地价格与紧缺程度、当地财力以及必要的试验资料等因素，经过技术与经济比 较以获得一个较为先进、可靠、合理的工艺流程系统口”。 就具体依据而言，应包括以下几个方面： ( 1 ) 选择工艺应该对城市污水中的各种污染物，尤其是对g b 8 9 7 8 - - 1 9 9 6 污 ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) ( 6 ) 水综合排放标准规定达标排放的几种主要污染物( b o d s 、c o d 、s s 、t k n 、 t p 、致病菌) 有较高的去除率。这样才能使处理后的出水质达标排放或考 虑回用。 具有较大的耐冲击负荷能力。城市污水的水力负荷与污泥负荷不断变化， 所选择的工艺系统应对此有较高的抗干扰能力。 无繁重的污泥处理问题。可以这么说，污泥是污水处理厂所产生的“垃圾”， 污泥处理与处置是污水厂的一大难题。剩余污泥量少、性质稳定、易于常 规处理是所选工艺先进性的表现。 具有结构紧凑、工艺流程短、管理与维修较简单的特点。 所选工艺应有一定的经验以资借鉴，或有足够的试验资料作为依据。 应具有较先进的经济指标。所选择工艺系统对处理单方污水的投资、占地、 能耗及运营费用均应较低。 2 6 结束语 在污水处理厂污水处理工艺选择中，我们应从出水水质、占地面积、投资、 能耗、运转和管理等多方面考虑，选择符合实际的污水处理工艺。而a o 工艺作 为活性污泥法的典型工艺，具有去除效率高、节约水处理药剂、污泥沉降性能好、 无膨胀、能耗小、运行成本低等优点。因此，在污水处理工艺选择过程中，a o 工艺应加以重点考虑。 第三章基于a s m 2 的污水处理a o 过程机理建模及仿真 第三章基于a s m 2 的污水处理a o 过程 机理建模及仿真 3 1 引言 自活性污泥法问世以来，其数学模型的研究一直成为该领域研究的焦点问 题。e c l e n f e n e r 、l a w r e n c e 、m e c a r t y 、m c k e n n e y 等人先后提出了多种数学模 型并在实践中得到广泛应用。但随着人类对环境要求的提高及污水处理技术的 发展，许多数学模型因其局限性已不适应污水处理的需求，如e c k e n f e u e r 模型 和l a w e r e n c e - - - m c c a n y 模型仅考虑了污水中含碳有机物的去除，对氮的去处考 虑则较少。 传统活性污泥数学模式详细描述了污水中含碳有机物的去除，但缺乏对氮 和磷去除的有效描述，且这些模型都是静态的( 即假定微生物的生长对电子受 体的要求不受限制) ，忽略了污水处理的水解过程。近2 0 年来，水体富营养化 的危害益发严重，氮、磷的去除已成为污水处理的主要目标，需要研究一种能 更为全面、准确的描述活性污泥系统内各种复杂反应过程的数学模型。 为此，国际水污染研究控制协会( i a w p r c ) 组织五国专家组成的专家组，经 两年多研究于1 9 8 7 年推出了活性污泥法1 号模型( a c t i v a t e ds i u d g em o d e n o i ， 简称a s m l ) i 2 0 。该模型包括了碳氧化、硝化和反硝化作用，以矩阵形式描述了 污水中自养菌、异养菌的好氧生长等8 种反应过程。模型中包含1 3 种组分、5 个化学计量常数和1 4 个动力学参数。此模型的先进之处在于它不仅包含了含碳 有机物去除过程，还包含了通过硝化和反硝化作用对含氮物质的去除。随计算 机技术的迅速发展，基于a s m i 的程序和软件迅速出现，如s s s p 、e f o r 等。 但由于a s m l 并未包含磷的吸收和释放过程，这限制了它的进一步应用。 针对此问题，i a w q 专家组于1 9 9 5 年推出a s m 2 1 7 1 【2 2 】。它除包含a s m i 的 所有工艺过程外，还包含生物除磷过程，增加了厌氨水鳃、发酵及生物除磷、 化学除磷的8 个反应过程。它包含1 9 种组分、1 9 种反应、2 2 个化学计量系数 及4 2 个动力学参数。从a s m i 到a s m 2 的最显著的变化是使所描述的微生物有了 细胞内部构造( 只考虑微生物的平均组成) ，而不再简单的用生物总量来表示。 a s m 2 中关于生物除磷的描述介于对复杂生物除磷机理和简单的实用模拟之 间。随着对生物除磷机理认知的发展，生物除磷已不再是简单的聚磷菌厌氧释 磷及其好氧吸磷，而是聚磷菌与非聚磷异养菌在厌氧、缺氧、好氧条件下的共 同作用。因而，随后出现的a s m 2 d 对聚磷菌缺氧条件下的生长过程进行了考察。 i a w q 组织于1 9 9 9 年推出的a s m 3 t ”】不再以水解作用为重点，而是更深入考 察胞内存贮过程，并考虑环境因素对衰减过程的修正，把溶解性、颗粒性有机 浙江大学硕士学位论文 氮的降解与微生物的水解、衰减和生长结合在一起。 本章将对i a w q 的a s m 2 模型进行简化，基于污水处理a o 工艺建立机理 模型，并对其进行仿真。 3 2a s m 2 模型介绍 3 。2 1a s m 2 的组分分类 a s m 2 将污水处理系统中的1 9 种物质分为两大类，一类是可溶性物质，用 s 表示；一类是颗粒性物质，用x 表示1 8 ”。 可溶性物质有9 种，它们是： s a 一发酵产物，假设为醋酸盐： s a l k 一污水的h c 0 3 。碱度； s f 一可发酵的易生物降解有机物，是异养菌的直接食物； s l 一惰性可溶有机物，由进水带入系统及水解产物的一部分； s n 厂反硝化产物： s n h 3 一氨氮； s n 0 3 - - 硝态及亚硝态氮； s 0 2 一溶解氧； s p 0 4 一无机可溶磷，一般认为它由5 0 h 2 p 0 4 和5 0 h p 0 4 。组成； s s - 一易生物降解有机物，是s f 与s a 之和； 颗粒性物质有l o 种，它们是： x a 石肖化菌，为好氧自养菌； x 广一异养菌，起水解x s 和降解易生物降解有机物的作用； x i 一颗粒惰性有机物，由进水带入系统或为内源呼吸产物； x m 旷金属氢氧化物，对磷的凝聚起作用； x m 。p _ 一金属磷酸盐，是含磷物质与金属氢氧化物作用的结果； x p a o n 聚磷菌，它不包含菌内积累物x p h a 和x p p ： x p h a 一聚磷菌细胞内储藏的有机物质； x p p 一聚磷菌细胞内贮藏的无机物质； x s 一可缓慢生物降解有机物，为具有大分子量的胶体颗粒或颗粒状有机 物，它的水解产物为s f ： x t s s 总悬浮固体，它包含进水中的无机颗粒及生成的磷沉淀物； 3 2 2a s m 2 的数学基础 3 2 2 。1 矩阵符号 a s m 2 同a s m i 一样，通过矩阵来描述生物动态模型嘲 5 6 1 。模型中的组分和反 应过程分别用下标i 和j 来标识；化学计量系数用化学计量矩阵v j i 来表示：反 应过程速率用向量p ，来表示；组分i 在所有的反应过程中的产率r i m i l _ 3 t _ 1 】可 以通过公式2 1 计算： 2 艺。一 ( 对所有反应过程j ) ( 2 1 ) 第三章基于a s m 2 的污水处理a ，o 过程机理建模及仿真 3 2 。2 2 平衡方程 表3 - 1 转换系数七c c 指标c o dnp 电荷质量 l 物质 ；k ；k c o d i k n ，i 砖t ( g c o d )( g n )( g p ) ( t o o l + )( g t s s ) 1 s o ，( 9 0 2 )一1 2辞( g c o d )l i n s fi p s f 3 s a ( g c o d ) 1一1 6 4 4 s n h 。( g n ) 1+ 1 1 4 5 s n 0 1 ( g n )6 4 1 411 1 4 6 s i n , ( g p ) l一1 5 3 1 7 墨( g c o d ) 1 n s ： z p s ， 8 s l k ( m o l c o ) 1 9 s 。，( g n )2 4 1 4 1 1 0 x i ( g c o d ) 1 i n x iz p x l 叶s s x l 1 l x ( g c o d ) 1 i n x sz p x sb 瓯 1 2 x h ( g c o d ) 1 k 踟印瑚“ r s s 踟 1 3 j ，p 0 ( g c o d )1 z m mh 州王1 s 田m 1 4 x ”( g p ) 13 2 3 1 5 x p 姒也c o d )1 o 6 0 1 6 x ”( g c o d ) 1 k 踟年附 lh s 刚 1 7 x t s s ( g t s s ) i 一1 平衡方程是某一反应过程中的数学等量方程式。如在第j 反应过程中，物 浙江大学硕士学位论文 质i 对评价指标c ( 如n 、p 、c o d 、电荷、质量等指标) 的影响，可由平衡方程写 成： 矿。也= 0 ( 2 2 ) 式中y 。一物质i ( 包括溶解性和颗粒性) 在第j 反应过程中化学计量系数： k 。一物质i 对指标c 的转换系数。 每个平衡方程均包含一个可预测的信息，在其它系数已知的前提下，无需 进行试验即可确定剩余的一个化学计量系数。例如： i c o o 5 = - - 6 4 9 0 2 1 4 9 n 0 3 一一n 可从下式中获得： n o ；+ h 2 0 + 2 h + m ：+ 2 0 2 或者说，1 摩尔的氮( 1 4 克) 可释放2 摩尔氧( 6 4 克0 。) 。 表3 1 是所有在公式2 2 中要用到的转换系数k 。 表3 一l 中转换因素中给定的确定数值均可根据组分的定义从化学计量矩阵 中获得：用所表征的转换因素则需要通过化学分析而得。 例如，组分2 ( i = 2 ) 在第三个反应( j = 3 ) 过程中的化学计量系数可以 用平衡方程公式2 2 基于c o d 而计算： 2 。一( r i c o d ，l + 3 c 0 d ，3 + + 匕。i c o d ，。) i c o d 2 3 2 3a s m 2 的反应过程、化学计量系数以及动力学系数 3 2 3 1 反应过程综述 微生物具有复杂的细胞内部结构，这些结构将随着环境的变化而改变。一 个典型的现象是不平衡生长，即细胞的内部组分并不是以相同的速率繁殖。因 此， a s m 2 中的生物过程均是建立在不同微生物的平均性能和平衡生长上的。 3 2 3 2 水解过程 污水中含许多大分子量、胶状或颗粒性有机物，这些基质不能直接为微生 物所利用，须先经过水解。目前，对于这些水解过程的产物是存在于溶液中还 是直接被具有催化作用的生物体吸收尚不得而知。典型的观点认为水解过程是 表面反应，发生在提供水解酶的微生物和缓慢生物降解基质之间。 试验表明，水解反应取决于其可能的电子接受体。但是，要测定在不同电 子接受体环境下的水解速率是非常困难的。在a s m 2 中水解过程有3 类： ( 1 ) 好氧水解：缓慢生物降解基质在有氧条件下的水解( s 0 2 o ) ( 2 ) 缺氧水解：缓慢生物降解基质在缺氧( s 0 2 = 0 ，s n 0 3 0 ) 条件下的水解， 第三章基于a s m 2 的污水处理a o 过程机理建模及仿真 这一水解过程的速率比好氧条件下明显要慢； ( 3 ) 厌氧水解：缓慢生物降解基质在缺氧( s 0 2 = 0 ，s n 0 3 = 0 ) 条件下的水解。 这一水解过程还未研究透彻，其水解速率可能比好氧条件下慢。 表3 - 2 统计了这些水解过程的化学计量系数。从中可以看出，可缓慢生物 降解有机物x s 水解成了易生物降解有机物s f ，同时有- - 4 , 部分f s i 惰性有机物 s l 溶解。s n h 4 、s p 0 4 和s a l k 的化学计量系数可以通过方程2 2 进行计算而得。 表3 - 2 水解过程的化学计量系数 3 2 3 3 异养菌生物反应过程 在好氧条件下，可发酵的易生物降解有机物s f 发酵为产物s a ；在缺氧条件 下，s f 、s a 以及s n 0 3 减少；而厌氧条件下，s f 转化为s a 。同时，这些有机物 还要进行自身的氧化和水解。这些过程的化学计量系数见下表3 3 表3 - 3 异养茵相关反应过程的化学计量系数 3 2 3 4 聚磷菌生物反应过程 一些有机物因其能以x p p 的形式积累磷而为人所知，如x p a o 。目前，这些 有机物还未完全被认知，先前研究者通常认为它们是a c i n e t o b m c t e rg e n u s 的 一部分，近期研究表明，a c i n e t o b a c t e r 同磷的去除有关，但并非决定性因素。 最初认为聚磷菌x p a o 不能进行反硝化，现在有证据证明一些聚磷菌可以进行反 硝化。此外，磷的释放在含硝酸盐的环境下更慢，但这一发现并未包含于a s m 2 中。为降低模型的复杂性，肝糖这种重要的碳存储物质未包含于a s m 2 中。 浙江大学硕士学位论文 人们越想认识清楚x p a o 它却往往变的更加复杂。目前，详细的描述生物 磷去除的模型尚不完善。因此i w a q 组织采取模型简化策略( 假设聚磷菌不能进 行反硝化，而且只能依靠细胞内存储有机物x p h a 进行生长) 。使模型既包含磷 的去除又不完全包含所有已观察到的现象。这些过程的化学计量系数见表3 4 。 表3 - 4 聚磷茵生物反应过程的化学计量系数 3 2 3 5 硝化反应过程 硝化反应是一步过程，直接把氨s n h 4 转化为硝酸盐s n 0 3 ，中间产物亚硝酸 盐没有作为模型的组分【2 l 】l ，3 1 1 3 5 1 。这些反应过程的化学计量系数见表3 5 表3 - 5 硝化反应过程的化学计量系数 3 2 3 6 磷的化学沉淀物 在生物营养物的去除系统中。污水中的金属离子( 如c a 2 + ) 跟高浓度的可 溶高磷酸盐s p 0 4 结合，可产生化学沉淀。 表3 - 6 化学沉淀过程的化学计量系数 过程s p 0 4s m rx m e o hx m 盟x t s s 化学计量系数： 1 8 沉淀 一l v 1 9 a l k 一3 4 5 4 8 71 4 2 1 9 重新溶解 1 v 1 9 a l k 3 4 5 - - 4 8 7 1 4 2 动力学系数：过程速率：p j 1 8 沉淀 k w 5 h 爿j k 尸艋= l m 3 ( g f e ( o h ) 3 ) 1 d 1 1 1 兰堑! 竺墨! 望：兰! 竺兰些! 三! 生! ： 表3 - 6 中第1 8 和1 9 个反应实际上是化学反应。为了保证出水中磷的低含 量，在生物除磷的同时加入铁盐或铝盐以生成磷酸盐沉淀是一种常用的方法， 苎三主垒垒! 坚! 塑塑查竺墨垒! q 兰堡垫堡堕堡垒笪墨 过程pi p 表达式 i 好氧水解pik h r s o s x s ? h i x h “ 置0 2 + 0 2k x + x 5 x 永 k q m 3k 鲁hk n 0 3 + n s n h x s 吲x x h x ” 2 缺氧水解p2 解 3 厌氧水解p3 k 门k 垆9 0 2hk 器峨”x s x x s u x h 4 基于s ，的生长 p4 ”m x 口。+ s s f f + s f x s f +。t s w t , x p + s t l c k + s 。k2x；x h 异 h x o ，警s 。毒5 s f + s tx + s 。+ s k s a “ 。5 基于s 的生长 p5 养 敏 6 基于s - 的反硝化 p6 脚矗彘去鑫彘藏惑。坞 生 7 基于s 的反硝化p ， 咐最叁h 、专矗e 汕h 。静。啬。，x w 物 x h 8 发酵 p b 士k 吼+ s 口【k 吣+ s n 吼i x k r s f k l 馕+ s 噬柙6 9 自身氧化 p 9b h x h 1 0 x p h 的贮藏 p 1 0p “。s 、k s 。 “+ s l kx p p + x 。p xp m “ 聚 1 1 x p p 的贮藏 p 1 1 唧龟硒局“母婶h 洱“d 晦瞒“一一硝o 磷 1 2 基于x m 的好氧s s n h s s a m x m f x y 生长 p 1 2 9 m k o ：s k n h ! + s kp s m 。k a k s k m a x | x m “”o 菌 1 3x p a o 的氧化p 1 3b p a 。x “o s _ “噼 “+ s “) x r a o 1 4 x j , v 的氧化p 1 4b e e - xp p s ( k + s t 1 5 x p h 的氧化 p 1 5b p “xp s * | 喀+ s u 0 硝 。 s as 。s 咀 s “ v 化 1 6 生长 p 1 6 p 。u t k a + s 强k 懈+ s m ik p + s r ak a l + s 帆x n 。坍 菌 1 7 自身氧化 p 1 7b wr x | ” x a o t f e f r l o ) 3 引起的 1 8 沉淀 p 1 8k p r e s m 。x 磷的沉 淀 1 9 溶解 p 1 9k - x p - s l k 嗽 q + s 0 2 9 浙江大学硕士学位论文 尤其是碳磷比很小时。为此，a s m 2 纳入了这两个化学反应。若化学沉淀所起作 用很小，则可略去这两个反应。 3 2 4 反应速率表达式 模型中共有1 9 种主要反应，其反应速率表达式如表3 7 所示。表3 7 中参 数有的具有固定值，有的则得经实验或计算而得。专家组给出了使用推荐值。 以异养菌利用可发酵易生物降解有机物s r 的生长反应4 为例，其反应速率 为： 。= 1 t h 靠骊s f 面s 酉f 面而s n h 4耳s 珥p o , i 巧而s a l k 其中。为异养菌生长系数，x 。为异养菌浓度，其它各项如下! ! 卜等均 为反应的“开关”。如溶解氧浓度很小时，瑶蠹话一o ，即此反应不能顺利 进行，同样，若s 。或氨氮或磷含量或碱度很小时，此反应的速率均接近于0 ， 即反应不能顺利进行。 3 2 5a s m 2 的使用限制 a s m 2 适用于一般城市污水。若用于工业废水或特殊废水，则会出现较大偏 差。此外，它适用于p h 值范围为6 3 7 8 ，温度范围为1 0 2 5 c 。 a s m 2 是a s m i 的发展，它首次将含碳有机物及含氮有机物的去除与生物除 磷包含在一个整体模型中。但由于目前人们对生物除磷的机理，尤其是发酵及 厌氧水解过程对聚磷菌超量摄磷的影响还未完全明了，因此它并非一个成熟的 模型，尚有待于进一步研究完善。 尽管a s m 2 存在上述限制，但它仍是活性污泥法工艺数学模型发展的一个 突破，为活性污泥法数学模型的发展和完善提供了基点。 3 。3a s m 2 中组分动力学方程推导 3 3 1 矩阵中未知系数的计算 a s m 2 的1 9 个反应过程中有的含有未知系数，需要进一步加以确定，以反 应过程1 ( 好氧水解) 中的k p 0 4 的计算为例： 借助转换系数k 。中提供的值，通过平衡方程计算公式2 2 加以计算可得： h ，p 0 42 一( 1 一i s ，) i p ，s f f s ，i p ，s ，+ ，x 3 第三章基于a s m 2 的污水处理a o 过程机理建模及仿真 通过类似的计算可得1 9 个反应过程中所有未知的系数如下： 反应1 、2 、3 中 巧，n i t 42 吃。n h 45 玛，n h 42 一( 1 f s ，) i n ，s f f s ，i n ，s ，+ i n ，x s 巧，p 0 4 。，| p o t 。巧，p 0 4 一( 1 一f s ，) i p ，s f 一居j i p ，s ，+ i t , ，x s k ，一脒= 圪，。继= v 3 ，一雎= 击k m 一百1 5 k ，。 h ，t s s2 吃，t s s 。v 3 ，t s s 。一f 雕，x s 反应1 3 中 k 3 ，o = 一j z i 。i e 丑? 一q 一，x ? ) 。i p 。xs + i p ? b u 反应1 7 中 y ” 啦。= 一f x l i p 并i i 一j x l l i p ? xs + i _ b u y n ，m h i = 一f x i i n ? xe q j x j l t n ? x s + i n ? b 反应1 8 、1 9 中 k 9 月“= 吒l k = 1 5 3 1 3 3 2 组分动力学方程推导 活性污泥法a s m 2 包含了1 9 个子反应过程。每一组分( 除惰性组分) 至少 参与了其中一个子反应过程。因此，该组分在整个系统中的反应速率为其在各 个子反应方程中的反应速率之和，例如组分x ，参与了第9 、1 5 和1 9 个子反应 过程，它的反应速率可表示为： ( d x 讲l 也= ( 鲁”昏1 5 + ( 警k 参考速率表达式中的各反应的速率代入上式，合并整理可得： 警吨恼m ，怕，) 同理，其它组分的速率表达式可同样计算而得： 鲁- ( 1 一毒m 例一 k 3 , 0 2 p 1 3 一半 鲁- ( 1 响帅戊怕) 专( 9 4 + p 6 h 浙江大学硕士学位论文 警一1 ，( p 5 + p 7 m 啊。怕， - 磷e = 矗( n + p ：+ 见) 1 h s n 厂h 4 = h ，m ( p l + p 2 + 岛) + v 1 8 , n h 4 p 1 8 + h 9 m 。p 1 9 争= 旒惦咿鹏付州几 等一甓饥m 2 , n o ， p 1 2 + 岍m + 1 s d s 西p 0 4 = k ，尸d 4 ( p l + p 2 + p 3 ) + y p d 4 角0 - p l l - p 1 2 - i 删( a 3 + p 1 4 + p i g ) + 巧5 p 0 4 p l5 + p 1 6 + v 1 9 ，p 0 4 p 1 9 一p 2 0 + p 2 1 1 h s a 厂l k = _ ，4 脒( 角+ 见+ p 3 ) + v 2 0 , a l x 户2 。+ v 2 1 , a l k p 2 l 警吨恼m s m ，) 等一( p l + p 2 + p 3 ) + ( 卜i x ，) ( ”户1 5 + p 1 9 ) 警咄协+ p 6 + 朗一p 9 d x 西 e _ o = p 1 3 + 崩4 一p 1 5 丁d x p p = 一y 吼p l 。+ 户l l + p 1 2 一p 1 6 1 d x