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活性污泥数学模型活性污泥数学模型 ASMs简介简介 提纲 一 仿真 二 模型分类 三 传统活性污泥数学模型简介 四 IAWQ活性污泥数学模型发展的历史 五 活性污泥1号模型 ASM1 六 ASM3和ASM2 ASM2d 一 仿真 模拟 1 仿真的定义和分类 仿真 Simulation 模拟 当问题有一定 的复杂性时 可以先建立该问题的模型 Model 并以模型为基础对问题进行 分析 这一过程 称为仿真 仿真分为物理仿真和数学仿真 2 仿真和试验的关系 对立统一 仿真可以减少试验量 节省试验费用 为试验提供参考数据 仿真模型中的参数 需通过试验来确定 仿真的结果需通过试验来验证 将仿真与试验有机地结合在一起 是研 究复杂系统的有效方法 二 模型分类 数学模型分为机理模型和统计模型 机理模型是依据过程的质量 能量 动 量守恒原则 以及反应动力学等原理来 建立模型 属于 白箱 模型 统计模型是依据过程输入 输出数据 利用一定的统计方法对数据进行分析来 建立模型 属于 黑箱 模型 即利用过程机理又利用测试数据来建立 的混合模型属于 灰箱 模型 三 传统活性污泥数学模型简介 1942年Monod提出了以米 门公式为基础 的Monod方程 SK S s max 三 传统活性污泥数学模型简介 表示有机物降解的传统典型模型 Eckenfelder 1955年 Mckinny 1961年 和 Lawrence McCarty 1970年 活性污泥法模 型 以上三个模型都是静态模型 仅考虑了 污水中含碳有机污染物的去除 无论是 参数的求解还是计算过程都相对简单 四 四 IAWQ活性污泥数学模型发展的历史活性污泥数学模型发展的历史 1986年推出活性污泥年推出活性污泥1号模型 号模型 ASM1 包 包 括去除污水中有机碳以及硝化和反硝化等过括去除污水中有机碳以及硝化和反硝化等过 程 程 1995年推出活性污泥年推出活性污泥2号模型 号模型 ASM2 包 包 含了脱氮和生物除磷处理过程 含了脱氮和生物除磷处理过程 1999年年ASM2被拓展为被拓展为ASM2d 将反硝化聚 将反硝化聚 磷菌包含在内 磷菌包含在内 1998年推出了活性污泥年推出了活性污泥3号模型 号模型 ASM3 所包含的主要反应过程和所包含的主要反应过程和ASM1相同 是对相同 是对 ASM1的改进 更适合于实际应用 的改进 更适合于实际应用 五 活性污泥五 活性污泥1号模型 号模型 ASM1 模型建立的方法模型建立的方法 模型表述模型表述 模型的组分模型的组分 模型中的反应过程模型中的反应过程 模型的参数模型的参数 模型实际使用中的约束条件模型实际使用中的约束条件 一 模型建立的方法 1 矩阵格式 2 统一单位 3 基本符号 4 质量守恒定律的应用 5 连续性检查连续性检查 6 设置模型假定 7 活性污泥1号模型的表述 1 矩阵格式矩阵格式 建立矩阵的第一个步骤是确定模型中相关的建立矩阵的第一个步骤是确定模型中相关的组分组分 列于 列于 表头 表底列出它们对应的名称和单位 表头 表底列出它们对应的名称和单位 第二个步骤是定义发生在系统中的第二个步骤是定义发生在系统中的生物过程生物过程 即影响列 即影响列 表中组分转化和变化表中组分转化和变化 的过程 列于矩阵最左列 的过程 列于矩阵最左列 在矩阵对应行的最右列列出了每个过程的在矩阵对应行的最右列列出了每个过程的动力学表达式动力学表达式 或速率方程式或速率方程式 表的右下角定义了速率方程中的动力 表的右下角定义了速率方程中的动力 学参数 学参数 矩阵内的元素是矩阵内的元素是化学计量系数化学计量系数vij 描述了单个过程中各 描述了单个过程中各 组分之间的数量关系组分之间的数量关系 矩阵中约定的符号为 负号表 矩阵中约定的符号为 负号表 示消耗 正号表示产生 表的左下角列出了定义的全部示消耗 正号表示产生 表的左下角列出了定义的全部 化学计量系数 化学计量系数 Peterson matrix presentation 异养微生物好氧生长的过程动力学和化学计量学异养微生物好氧生长的过程动力学和化学计量学 2 统一单位 统一单位 对于含碳有机物 其浓度用对于含碳有机物 其浓度用COD mg L 表示 表示 对于溶解氧 是负的对于溶解氧 是负的COD值值 其浓度用 其浓度用 COD mg L 表示 表示 对于微生物 其浓度用对于微生物 其浓度用COD mg L 表示 表示 对于氨氮 对于氨氮 NH3 N 用 用N mg L 表示 根据反应 表示 根据反应 NH3 2O2HNO3 H2O 1g NH3 N相当于相当于4 57g COD 对于对于NO3 N 用 用N mg L 表示 根据氧化还原反应 表示 根据氧化还原反应 在获得在获得1mol电子时 需电子时 需1 5mol NO3 或或1 4mol O2 因此 因此 1g NO3 N相当于相当于2 86 g O2 即 即 2 86 g COD 对于碱度 用对于碱度 用HCO3 mol L 表示 由于碱度本身不 表示 由于碱度本身不 参与其它组分的反应 其单位不同对于速率方程无影参与其它组分的反应 其单位不同对于速率方程无影 响 响 3 基本符号基本符号 X 不可溶组分或颗粒性组分不可溶组分或颗粒性组分 S 可溶性组分可溶性组分 B 微生物 下标 微生物 下标 S 易降解有机底物 下标 易降解有机底物 下标 I 惰性有机物质 下标 惰性有机物质 下标 O 氧气氧气 下标 下标 NH 氨氮 下标 氨氮 下标 NO 硝态氮 包括硝酸盐氮和亚硝酸盐氮 硝态氮 包括硝酸盐氮和亚硝酸盐氮 下标 下标 ND 可生物降解有机氮 下标 可生物降解有机氮 下标 ALK 碱度 下标 碱度 下标 4 质量守恒定律的应用 输入量 输出量 反应量 累积量 组分i的反应速率 j jiji r 例 系统内某一点微生物例 系统内某一点微生物XB 溶解性底 溶解性底 物物SS 溶解氧 溶解氧SO的反应速率的反应速率 例 系统内某一点微生物例 系统内某一点微生物XB 溶解 溶解 性底物性底物SS 溶解氧 溶解氧SO的反应速率的反应速率 BB SS S X bXX SK S r B B SS S S X SK S Y r S 1 BB SS S bXX SK S Y Y r O S 1 5 连续性检查连续性检查 单个反应过程中化学计量系数的总和为 零 6 模型假定 模型假定 系统运行温度恒定 系统运行温度恒定 pH值恒定而且接近中性 值恒定而且接近中性 微生物所需营养充足 微生物所需营养充足 进水污染物浓度可变 但组成和性质不变 进水污染物浓度可变 但组成和性质不变 微生物的种群和浓度处于正常状态 微生物的种群和浓度处于正常状态 假设微生物对颗粒有机物的捕捉是瞬时进行的假设微生物对颗粒有机物的捕捉是瞬时进行的 有机物和有机氮的水解同时进行 且速率相等 有机物和有机氮的水解同时进行 且速率相等 系统中电子受体的存在类型不影响由衰减引起系统中电子受体的存在类型不影响由衰减引起 的活性污泥生物量损失 的活性污泥生物量损失 二沉池内无生化反应 仅为一个固液分离装置二沉池内无生化反应 仅为一个固液分离装置 二 二 活性污泥活性污泥1号模型的表述号模型的表述 表 2 2 碳氧化 硝化及反硝化的过程动力学与化学计量 组分 i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 j 工艺过程 SI SS X1 XS XB H XB A XP SO SNO SNH SND XND SALK 工艺过程速率 j ML 3T 1 1 异养菌的 好氧生长 1 iXB 2 异养菌的 缺氧生长 1 iXB 3 自养菌的 好氧生长 1 4 异养菌的衰减 1 fP 1 fP iXB fPiXP bHXB H 5 自养菌的衰减 1 fP 1 fP iXB fPiXP bAXB A 6 可溶性有机 氮的氨化 1 1 kSSNDXB H 7 网捕性有机 物的水解 1 1 8 网捕性有机 的水解 1 1 j XND XB 观察到的转换速率 ML 3T 1 化学计量参数 异养菌产率 YH 自养菌产率 YA 颗粒性衰减产物的比 例 fP N在生物量COD中的 比值 iXB N在惰性悬浮COD中 的比例 iXP 可溶性惰性有机物质 M COD L 3 易生物降解基质 M COD L 3 颗粒性惰性有机物质 M COD L 3 慢速可生物降解基质 M COD L 3 异养性活性生物量 M COD L 3 自养性活性生物量 M COD L 3 由生物量衰减而产生的颗粒性产物 M COD L 3 氧 负 COD M COD L 3 硝酸盐与亚硝酸盐氮 M N L 3 NH4 NH3氮 M N L 3 溶解性可生物降解有机氮 M N L 3 颗粒性可生物降解有机氮 M N L 3 碱度 摩尔单位 动力学参数 异养生长与衰减 H KS KO H bH 自养生长与衰减 A KNH KO A bA 异养菌缺氧生长的校正因数 g 氨化 kS 水解 kh KX 缺氧水解的校正因数 h H Y 1 H Y 1 H H Y Y 1 14 Xh i BH OHO O SS S H X SK S SK S AB OAO O NHNH NH A X SK S SK S 14 86 2 14 1 XH H H i Y Y A XB Y i 7 1 14 H H Y Y 86 2 1 A A Y Y 57 4 H Y 1 A XB Y i 1 14 1 HBg NONO NH OHO HO SS S A X SK S SK K SK S HB NONO ND OHO HO h OHO O HBSS HBS h X SK S SK K SK S XXK XX k ji r 三 模型的组分 三 模型的组分 1 可溶性惰性有机物可溶性惰性有机物SI 2 易生物降解有机底物易生物降解有机底物SS 3 颗粒性惰性有机物颗粒性惰性有机物XI 4 慢速可生物降解有机底物慢速可生物降解有机底物XS 5 活性异养菌生物量活性异养菌生物量XB H 6 活性自养菌生物量活性自养菌生物量XB A 7 微生物衰减产生的颗粒性产物微生物衰减产生的颗粒性产物XP 8 溶解氧溶解氧SO 9 硝态氮硝态氮SNO 10 氨氮氨氮SNH 11 溶解性可生物降解有机氮溶解性可生物降解有机氮SND 12 颗粒性可生物降解有机氮颗粒性可生物降解有机氮XND 13 碱度碱度Salk 1 模型组分分类 有机组分 微生物 含氮组分 碱度 1 有机组分 惰性物质 废水中有机物质的划分是以其生物降解性为基废水中有机物质的划分是以其生物降解性为基 础 础 不可生物降解物质是生物惰性的不可生物降解物质是生物惰性的 用下标用下标I表表 示示 经过活性污泥系统处理后没有形态上的 经过活性污泥系统处理后没有形态上的 变化 变化 不可生物降解物质可分为两部分 可溶的 不可生物降解物质可分为两部分 可溶的 S 和颗粒性的 和颗粒性的 X 惰性溶解性有机物 惰性溶解性有机物 SI 的进出水浓度相同 的进出水浓度相同 惰性悬浮性 颗粒性 有机物 惰性悬浮性 颗粒性 有机物 XI 被活性污 被活性污 泥捕捉 并随剩余污泥排出系统 泥捕捉 并随剩余污泥排出系统 2 有机组分 可生物降解物质 可生物降解物质可生物降解物质 用下标用下标S表示表示 分为两部分 易生物降分为两部分 易生物降 解物质和慢速生物降解物质 解物质和慢速生物降解物质 易生物降解物质 易生物降解物质 SS 被当作可溶物来处理 而慢速 被当作可溶物来处理 而慢速 生物降解物质 生物降解物质 XS 被当作颗粒物处理 被当作颗粒物处理 易生物降解物质的分子结构一般较简单易生物降解物质的分子结构一般较简单 它们可以直它们可以直 接被异养微生物吸收并用于新微生物的生长接被异养微生物吸收并用于新微生物的生长 这些分这些分 子的一部分能量子的一部分能量 COD 被结合到了微生物中被结合到了微生物中 2 3 同时一部分能量被消耗来提供细胞合成所需的能量同时一部分能量被消耗来提供细胞合成所需的能量 1 3 这部分的电子转移到外部的电子受体这部分的电子转移到外部的电子受体 氧或硝氧或硝 酸盐酸盐 慢速降解物质一般具有较复杂的分子结构慢速降解物质一般具有较复杂的分子结构 在其被利在其被利 用之前用之前 必须经胞外水解反应转化为易生物降解物质必须经胞外水解反应转化为易生物降解物质 假设慢速生物降解物转化为易生物降解形式过程没有假设慢速生物降解物转化为易生物降解形式过程没有 能量的利用能量的利用 这样也没有与它们相关的电子受体的利这样也没有与它们相关的电子受体的利 用用 3 异养微生物 异养微生物 XB H 异养微生物的繁殖是通过在好氧或缺氧条件下异养微生物的繁殖是通过在好氧或缺氧条件下 利用易生物降解物质生长 而假定其在厌氧条利用易生物降解物质生长 而假定其在厌氧条 件下停止生长 件下停止生长 微生物因为衰减而损失 假定衰减的结果是生微生物因为衰减而损失 假定衰减的结果是生 物体转化为慢速生物降解物物体转化为慢速生物降解物XS和颗粒物和颗粒物Xp 由衰减生成的慢速生物降解物质可转化为用于由衰减生成的慢速生物降解物质可转化为用于 新细胞生长的物质 新细胞生长的物质 Xp对进一步的生物作用呈惰性 对进一步的生物作用呈惰性 4 自养微生物 自养微生物 XB A 自养微生物 硝化菌 的繁殖是通过在自养微生物 硝化菌 的繁殖是通过在 好氧条件下利用氨氮为能源 所需碳源好氧条件下利用氨氮为能源 所需碳源 为无机碳化合物 为无机碳化合物 自养微生物因为衰减而损失 假定衰减自养微生物因为衰减而损失 假定衰减 的结果是生物体转化为慢速生物降解物的结果是生物体转化为慢速生物降解物 XS和颗粒物和颗粒物Xp Xp对进一步的生物作用对进一步的生物作用 呈惰性 呈惰性 5 生物衰减生成的颗粒产物 生物衰减生成的颗粒产物XP XP由异养菌和自养菌的衰减形成 由异养菌和自养菌的衰减形成 XP是生物惰性的 实际上 这部分生是生物惰性的 实际上 这部分生 物体也许并不完全对生物处理呈惰性 物体也许并不完全对生物处理呈惰性 然而 它的降解速率太低 在活性污泥然而 它的降解速率太低 在活性污泥 系统的系统的SRT内 它可看作是惰性的 内 它可看作是惰性的 在模型中加入这个组分 是为了解释这在模型中加入这个组分 是为了解释这 样一种现象 在活性污泥系统中并不是样一种现象 在活性污泥系统中并不是 所有的微生物都是活性的 所有的微生物都是活性的 6 含氮组分 含氮组分 含氮组分分为不可生物降解和可生物降含氮组分分为不可生物降解和可生物降 解物质解物质 不可生物降解的含氮组分是和不可生物不可生物降解的含氮组分是和不可生物 降解颗粒状降解颗粒状COD XI 相联系的 相联系的 可溶不可生物降解的含氮组分少到可忽可溶不可生物降解的含氮组分少到可忽 略不计 略不计 可生物降解含氮物质划分为 氨氮可生物降解含氮物质划分为 氨氮SNH 可溶性有机氮可溶性有机氮SND和颗粒性有机氮和颗粒性有机氮XND 含氮组分的转化 水解 颗粒性有机氮溶解性有机氮 氨化细菌 异养菌自养菌 氮气硝酸盐氮氨氮 缺氧反硝化好氧硝化 自养菌或异养菌的细胞衰减均能导致颗粒性有机氮的释放 这部 分被释放的有机氮能重新回到系统的循环中 7 总碱度 总碱度SALK 所有包含质子增减的反应都能引起碱度的变化所有包含质子增减的反应都能引起碱度的变化 异养菌和自养菌合成过程中氨氮向氨基酸的转化 异养菌和自养菌合成过程中氨氮向氨基酸的转化 有机氮的氨化过程 有机氮的氨化过程 硝化过程 硝化过程 反硝化过程反硝化过程 碱度可以提供预测碱度可以提供预测pH的变化信息的变化信息 判断反应 判断反应 的正常与异常情况 的正常与异常情况 总碱度低于总碱度低于50g m3 碳酸盐当量碳酸盐当量 1mol总碱度总碱度 m3 pH值将变得不值将变得不 稳定且将降到稳定且将降到6以下 以下 ASM1的组分总结的组分总结 四四 模型中的反应过程 模型中的反应过程 1 异养菌的好氧生长异养菌的好氧生长 2 异养菌的缺氧生长异养菌的缺氧生长 3 自养菌的好氧生长自养菌的好氧生长 4 异养菌的衰减异养菌的衰减 5 自养菌的衰减自养菌的衰减 6 可溶性有机氮的氨化可溶性有机氮的氨化 7 絮集性有机物的水解絮集性有机物的水解 8 絮集性有机氮的水解絮集性有机氮的水解 1 异养菌的好氧生长 异养菌的好氧生长 异养菌好氧生长是以溶解性易降解物质异养菌好氧生长是以溶解性易降解物质 为底物 同时有氧的利用 为底物 同时有氧的利用 氨氮主要作为营养物从溶液中去除并结氨氮主要作为营养物从溶液中去除并结 合到细胞中 合到细胞中 异养菌好氧生长动力学受双重营养物限异养菌好氧生长动力学受双重营养物限 制 易生物降解底物制 易生物降解底物SS和和DO SO 是速 是速 率的决定因素 率的决定因素 异养菌的好氧生长过程以异养菌异养菌的好氧生长过程以异养菌 的好氧反应动力学方程为基础的好氧反应动力学方程为基础 BH OHO O SS S H BH X SK S SK S dt dX 1 2 异养菌的缺氧生长 异养菌的缺氧生长 异养菌的缺氧生长依赖于易生物降解底物 硝异养菌的缺氧生长依赖于易生物降解底物 硝 态氮作为电子受体态氮作为电子受体 根据根据COD物料恒算物料恒算 硝态氮的去除量和易生物硝态氮的去除量和易生物 降解物质去除量与细胞生成量之差成比例 降解物质去除量与细胞生成量之差成比例 氨氮作为营养转化为微生物中的有机氮 氨氮作为营养转化为微生物中的有机氮 缺氧条件下底物去除的最大速率比好氧条件下缺氧条件下底物去除的最大速率比好氧条件下 要小 考虑这一影响所采用的方法是在速率表要小 考虑这一影响所采用的方法是在速率表 达式中加入一个经验系数达式中加入一个经验系数 g g 1 0 缺氧反硝化过程 3222753233 68 1 47 0 06 0 24 0 08 1 HCOOHNNOHCCOHOHCHNO 在生物反硝化过程中 不仅可以使硝态氮化合物被还 原 而且还可使有机碳底物得到氧化分解 因此 反 硝化作用可同时起到去碳和脱氮的效果 从上式可以 计算出 每还原1gNO3 N需消耗2 47g甲醇 约合3 7g COD 可产生0 45g 新细胞和3 57gCaCO3碱度 NON 3 CaCO3 异养菌的缺氧生长以异养菌的缺异养菌的缺氧生长以异养菌的缺 氧生长动力学方程为基础氧生长动力学方程为基础 HBg NONO NO OHO HO SS S A BH X SK S SK K SK S dt dX 2 3 自养微生物的好氧生长 硝化过程 3232275324 88 1 98 0 04 1 0024 0 018 0 98 1 86 1 COHNOOHNOHCHCOONH 上式表明 1克氨氮 以N计 完成硝化需氧4 57克 需 碱度7 14克 以CaCO3计 可使亚硝酸菌和硝酸菌分别 增殖0 146克和0 019克 共0 165克 自养菌的好氧生长以自养菌的好 氧生长动力学方程为基础 AB OAO O NHNH NH A BA X SK S SK S dt dX 3 4 异养菌的衰减 异养菌的衰减 采用了死亡再生理论 采用了死亡再生理论 衰减的作用是将微生物转化为颗粒物和慢速生物降解衰减的作用是将微生物转化为颗粒物和慢速生物降解 底物 生成的慢速生物降解物质随后水解 释放等量底物 生成的慢速生物降解物质随后水解 释放等量 的易生物降解的易生物降解COD 因此每一单位细胞 因此每一单位细胞COD的消耗将的消耗将 最终导致一单位最终导致一单位COD的形成 即易生物降解底物与生的形成 即易生物降解底物与生 成的惰性颗粒产物成的惰性颗粒产物COD之和 之和 在这过程中没有在这过程中没有COD损失 也不利用电子受体 损失 也不利用电子受体 在好氧条件或缺氧条件下 水解生成的易生物降解底在好氧条件或缺氧条件下 水解生成的易生物降解底 物将被用来合成新细胞 物将被用来合成新细胞 如果既没有氧又没有硝态氮可利用 将不会发生任何如果既没有氧又没有硝态氮可利用 将不会发生任何 转化 慢速生物降解底物将产生积累 转化 慢速生物降解底物将产生积累 无论环境条件如何 衰减总是以恒定的速率进行 即无论环境条件如何 衰减总是以恒定的速率进行 即 bH不是电子受体或其浓度的函数 不是电子受体或其浓度的函数 ASM1中微生物的生长与衰减中微生物的生长与衰减 SOSNH SNO XP XS SSXBH SO 硝化菌 异养菌 水解 生长 衰减 衰减 生长 XBA 异养菌的衰减以异养菌的衰减异养菌的衰减以异养菌的衰减 动力学方程为基础动力学方程为基础 BHH BH Xb dt dX 4 5 自养菌的衰减自养菌的衰减 和异养菌的衰减完全相似和异养菌的衰减完全相似 自养菌的衰减速率常数可能比异养菌的自养菌的衰减速率常数可能比异养菌的 小小 自养菌的衰减以自养菌的衰减自养菌的衰减以自养菌的衰减 动力学方程为基础动力学方程为基础 BAA BA Xb dt dX 5 6 可溶性有机氮的氨化 可溶性有机氮的氨化 有机氮在氨化细菌的作用下 可以转化有机氮在氨化细菌的作用下 可以转化 为氨氮 为氨氮 微生物转化为慢速生物降解物质继而至微生物转化为慢速生物降解物质继而至 易生物降解物质的同时 也伴随着有机易生物降解物质的同时 也伴随着有机 氮向氨氮的转化 氮向氨氮的转化 可溶性有机氮的氨化以氨氮增可溶性有机氮的氨化以氨氮增 长的动力学方程为基础长的动力学方程为基础 BHNHa NH XSK dt dS 6 7 絮集性有机物的水解 絮集性有机物的水解 絮集性有机物的水解速率与存在的异养 菌浓度成一级反应关系 当被网捕絮集的慢速可降解有机底物量 相对于微生物量来说已很大时 水解速 率将接近于饱和 因为需要酶的合成 速率必然与存在的 电子受体的浓度有关 因此假定在氧气 和硝酸盐都不存在的情况下水解速率趋 向零 絮集性有机物的水解以易降解有絮集性有机物的水解以易降解有 机物机物SS的增长动力学方程为基础的增长动力学方程为基础 HB NONO NO OHO HO h OHO O HBSS HBS h S X SK S SK K SK S XXK XX k dt dS 7 8 絮集性有机氮的水解 假设有机氮被均匀地分散在慢速生物降假设有机氮被均匀地分散在慢速生物降 解有机底物中解有机底物中 这样被絮集有机氮的水这样被絮集有机氮的水 解速率与慢速生物降解有机物质的水解解速率与慢速生物降解有机物质的水解 速率成正比速率成正比 絮集性有机氮的水解以易降解有机氮絮集性有机氮的水解以易降解有机氮 SND的增长动力学方程为基础的增长动力学方程为基础 78 dt dS X X dt dS S S NDND 五 过程动力学方程 五 过程动力学方程 相对参与某一子过程反应的某一组分 可写出相对参与某一子过程反应的某一组分 可写出 一个反应动力学方程 来表示该组分的浓度在一个反应动力学方程 来表示该组分的浓度在 该子过程反应中随时间的变化情况 该子过程反应中随时间的变化情况 对于某一子过程 可写出一个或几个组分的动对于某一子过程 可写出一个或几个组分的动 力学方程 力学方程 一般以某一组分生长或衰减的反应动力学方程一般以某一组分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作为基本方程 其他组分的反应动力学方程以 该基本方程为基础 通过化学计量系数调整来该基本方程为基础 通过化学计量系数调整来 获得 获得 例 异养菌好氧生长过程的 反应动力学方程 涉及的组分 异养菌涉及的组分 异养菌XBH 可溶性 可溶性 易降解有机物易降解有机物SS 溶解氧 溶解氧SO 氨氮 氨氮 SNH 碱度 碱度SALK 基本速率方程 异养菌的好氧生基本速率方程 异养菌的好氧生 长反应动力学方程长反应动力学方程 BH OHO O SS S H BH X SK S SK S dt dX 1 相关速率方程 11 1 dt dX Ydt dS BH H S 11 1 dt dX Y Y dt dS BH H HO 11 dt dX i dt dS BH XB NH 11 14 dt dXi dt dS BHxbALK 六 组分的总动力学方程式 六 组分的总动力学方程式 j jiji r 例 易生物降解基质例 易生物降解基质Ss的转化过程的转化过程 在异养菌好氧生长过程 在异养菌好氧生长过程 1 中消耗中消耗 在异养菌缺氧生长过程 在异养菌缺氧生长过程 2 中消耗中消耗 在被絮集吸附的慢速有机物水解过程 在被絮集吸附的慢速有机物水解过程 7 中生成中生成 易生物降解基质易生物降解基质Ss的总反应动的总反应动 力学方程力学方程 BH NONO NO OOH OH h OOH O BHSX BHS h BHg OOH OH NONO NO SS S H H BH OOH O SS S H H SSS T S X SK S SK K SK S XXK XX k X SK K SK S SK S Y X SK S SK S Y dt dS dt dS dt dS dt dS 1 1 721 六 模型的参数 六 模型的参数 1 化学计量参数 化学计量参数 5个 个 符号符号名名称称单单位位 Y A 自养菌产率系数自养菌产率系数 生成细胞生成细胞 gCOD 氧化氧化 g N YH异养菌产率系数异养菌产率系数 生成细胞生成细胞 gCOD 氧化氧化 g COD fP生物体中可转化为颗粒性产生物体中可转化为颗粒性产 物的比例物的比例 无量纲无量纲 iXB生物体生物体COD中的含氮比例中的含氮比例 g N g COD 生物量 生物量 iXP生物体产物生物体产物COD中的含氮比中的含氮比 例例 g N g COD 内源代谢内源代谢 产物产物 六 模型的参数 六 模型的参数 2 反应动力学参数 反应动力学参数 14个 个 符号符号名名称称单单位位 异养菌最大比增长速率异养菌最大比增长速率d 1 KS异养菌半饱和系数异养菌半饱和系数g COD m3 KO H异养菌的氧半饱和系数异养菌的氧半饱和系数g O2 m3 KNO反硝化菌的硝酸盐半饱和系数反硝化菌的硝酸盐半饱和系数g NO3 N m3 bH异养菌的衰减系数异养菌的衰减系数d 1 缺氧条件下缺氧条件下 H的校正因子的校正因子无量纲无量纲 缺氧条件下水解校正因子缺氧条件下水解校正因子无量纲无量纲 Kh最大比水解速率最大比水解速率 g 慢速可生物降解慢速可生物降解COD g 细胞细胞COD d KX 慢速可生物降解底物水解的半饱和系数慢速可生物降解底物水解的半饱和系数g 慢速可生物降解慢速可生物降解COD g 细胞细胞COD 自养菌最大比增长速率自养菌最大比增长速率d 1 KNH自养菌的氨半饱和系数自养菌的氨半饱和系数g NH3 N m3 KO A自养菌的氧半饱和系数自养菌的氧半饱和系数g O2 m3 ba自养菌衰减系数自养菌衰减系数d 1 ka氨化速率氨化速率m3 COD g d H h g A 七 七 模型中化学计量系数剖析模型中化学计量系数剖析 假定如下反应发生 C18H19O9N O2 H C5H7O2N CO2 H2O 我们可以写成 a C18H19O9N b O2 c H d C5H7O2N e CO2 f H2O a b c d e fare called yieldor stoichiometric coefficients Note that one of the coefficients can be chosen equal to 1 统一单位的必要性 对活性污泥过程的13个组分可建立13个 方程 某一组分可能出现在不止一个方 程中 因此必须对13个方程联立求解 才能得出13个组分的浓度 在计算过程中统一各组分的浓度单位 是求解方程得必要条件 ASM1中各组分的单位 对于含碳有机物 其浓度用对于含碳有机物 其浓度用COD mg L 表示 表示 对于溶解氧 是负的对于溶解氧 是负的COD值值 其浓度用 其浓度用 COD mg L 表示 表示 对于微生物 其浓度用对于微生物 其浓度用COD mg L 表示 表示 1g微生物微生物 相当于相当于1 42g COD 对于氨氮 对于氨氮 NH3 N 用 用N mg L 表示 表示 1g NH3 N 相当于相当于4 57g COD 对于对于NO3 N 用 用N mg L 表示 表示 1g NO3 N相当于相当于 2 86 g O2 即 即 2 86 g COD 对于碱度 用对于碱度 用HCO3 mol L 表示 由于碱度本身不 表示 由于碱度本身不 参与其它组分的反应 其单位不同对于速率方程无影参与其它组分的反应 其单位不同对于速率方程无影 响 响 氨氮单位的换算氨氮单位的换算 NH3 2O2HNO3 H2O 14g 64g 1g 4 57g 硝酸盐氮单位的换算 NO3 6H 5e 1 2N2 3H2O O2 4H 4e 2H2O 在获得1mol电子时 需1 5mol NO3 或1 4mol O2 因此1g N 4 43gNO3 相当于2 86 g O2 微生物的单位换算 C5H7O2N 5O2CO2 H2O NH3 113g 160g 1g 1 42g 矩阵中的化学计量系数矩阵中的化学计量系数vij 矩阵内化学计量系数矩阵内化学计量系数vij 描述了单个过 描述了单个过 程中各组分之间的数量关系 程中各组分之间的数量关系 例如 每消耗可溶性底物例如 每消耗可溶性底物 1 YH 微生 微生 物增长 物增长 1 代谢过程中氧被利用 代谢过程中氧被利用 1 YH YH 系数系数vij对有机物 含氮物质 碱度分别对有机物 含氮物质 碱度分别 取一致的单位 并分别符合连续性原则 取一致的单位 并分别符合连续性原则 ASM1 Petersen Matrix Stoichiometry SI SS XI XS XH XA XP SO SNO SNH SND XND SALK g m3 COD COD COD COD COD COD COD O2 N N N N mole m3 Aerobic growth H 1 Y 1 H H 1 Y Y iXB 14 XB i Anoxic growth H 1 Y 1 H H 1 Y 2 86Y iXB H H XB 1 Y 14 2 86Y i 14 Nitrificat 1 1 A 4 57 Y A 1 Y A 1 Y XB i XB A i1 7Y14 XH decay 1 fP 1 fP iXB fPiXP XA decay 1 fP 1 fP iXB fPiXP Ammonif 1 1 1 14 Hydro XS 1 1 Hydro XND 1 1 化学计量系数化学计量系数v9 2 根据连续性原则根据连续性原则 V9 2 1 YH YH 组分组分SNO的单位为的单位为mg COD L 1 YH 2 86YH 组分 组分SNO的单位为的单位为mg N L 化学计量系数v8 3 57 4 LmgCODdS LmgCODdX LmgNdS LmgCODdX Y NH BA NH BA A 1 Y A 组分SNH的单位为mg N L 4 57 Y A 组分SNH的单位为mg COD L 根据连续性原则 V8 3 1 1 Y A 组分SNH的单位为mg N L 1 4 57 Y A 组分SNH的单位为mg COD L 4 57 Y A YA 组分SNH的单位为mg COD L 化学计量系数v13 2 硝酸盐氮还原产生碱度硝酸盐氮还原产生碱度 氨氮氧化氨氮氧化 用于用于异异异养菌缺氧生长异养菌缺氧生长1个个 单位质量浓度单位质量浓度 还原的硝酸盐质量浓度为 还原的硝酸盐质量浓度为 养养菌生长菌生长 消耗消耗碱度碱度 H H Y Y 86 2 1 摩尔浓度为 摩尔浓度为 H H Y Y 86 2 14 1 氨氮参与异养菌生长的质量浓度为氨氮参与异养菌生长的质量浓度为iXB 摩尔浓度为摩尔浓度为iXB 14 因此异养菌缺氧生长因此异养菌缺氧生长1个单位质量浓度个单位质量浓度 碱度的变化值为 碱度的变化值为 1486 2 14 1 XB H H i Y Y 三 模型参数的估计三 模型参数的估计 1 可以假设的参数值可以假设的参数值 符符 号号名名 称称 YA自养菌产率系数自养菌产率系数 bA自养菌衰减系数自养菌衰减系数 fP生物体中可转化为颗粒性产物的比例生物体中可转化为颗粒性产物的比例 iXB生物体生物体COD中的含氮比例中的含氮比例 iXP生物体产物生物体产物COD中的含氮比例中的含氮比例 KO H异养菌的氧半饱和系数异养菌的氧半饱和系数 KNO反硝化菌的硝酸盐半饱和系数反硝化菌的硝酸盐半饱和系数 KO A自养菌的氧半饱和系数自养菌的氧半饱和系数 2 需估测的动力学参数 需估测的动力学参数 H A g 符符 号号名名 称称前期所需信息前期所需信息 YH异养菌产率系数异养菌产率系数 自养菌最大比增长速率自养菌最大比增长速率bA KNH自养菌的氨半饱和系数自养菌的氨半饱和系数 bH异养菌的衰减系数异养菌的衰减系数YH fP 缺氧条件下缺氧条件下 H的校正因子的校正因子 缺氧条件下水解校正因子缺氧条件下水解校正因子 异养菌最大比增长速率系数异养菌最大比增长速率系数 YH XS1 XI1 SS1 fP KS异养菌半饱和系数异养菌半饱和系数 YH XS1 XI1 XS1 fP kh最大比水解速率最大比水解速率 KX慢速可生物降解底物水解的半饱慢速可生物降解底物水解的半饱 和系数和系数 ka氨化速率氨化速率 h 3 生活污水在中性 生活污水在中性pH和和20 时参时参 数的典型数值数的典型数值 g 符符 号号单单位位参数值参数值 20 数值范围数值范围 YAg细胞细胞COD 氧化氧化g N0 240 07 0 28 YHg细胞细胞COD 氧化氧化g COD0 670 46 0 69 fP无量纲无量纲0 080 08 iXBg N g 生物量生物量COD0 0860 086 iXPg N g 内源代谢产物内源代谢产物COD0 060 06 d 16 03 0 13 3 KSg COD m320 010 180 KO Hg O2 m30 200 01 0 15 KNOg NO3 N m30 500 1 0 2 bHd 10 620 09 4 38 无量纲无量纲0 80 6 1 0 无量纲无量纲0 40 4 khg 慢速可生物降解慢速可生物降解COD g 细胞细胞COD d3 03 0 KXg 慢速可生物降解慢速可生物降解COD g 细胞细胞COD0 030 03 d 10 800 34 0 65 KNHg NH3 N m31 00 6 3 6 KO Ag O2 m30 40 5 2 0 bAd 10 150 05 0 15 kam3 COD g d0 080 08 h A H 六六 模型实际使用中的约束条件模型实际使用中的约束条件 微生物的净生长速率和微生物的净生长速率和SRT必须在合适的范围必须在合适的范围 内内 以保证微生物絮体的形成以保证微生物絮体的形成 3 30d 污泥的沉降性能受进入二沉池中固体质量浓度污泥的沉降性能受进入二沉池中固体质量浓度 的影响的影响 750 7500gCOD m3 反应器曝气死区比例不应大于反应器曝气死区比例不应大于50 否则污泥沉否则污泥沉 降性能将会恶化降性能将会恶化 曝气反应器中 混合强度不能太大曝气反应器中 混合强度不能太大 ASM2 d 19个组分 21个反应过程 22个化学计量学参数 45个动力学参数 19个组分个组分 DenitrifByXPAO Anoxic growth of phosphate accumulating organisms on cell internal organic storage material Correction for ASM2d 21个反应过程个反应过程 ASM3 ASM1 的发展 ASM1 的缺陷 的缺陷 未考虑氮和碱度的限制对异养菌生长动力学的影响 导致某些环境出现负浓度 将溶解性和颗粒性可生物降解有机氮作为组分 这些 指标不易测定 给ASM1的使用带来不必要的复杂性 氨化动力学不易量化 且该过程很快 对模型预测几 乎无影响 将XI认为是进水和微生物衰减的产物 但实际应用中 二者难以区分 水解作用对预测氧的消耗量以及异养菌的反硝化有重 要影响 但实际这一过程表现了一些同时发生的作用 如有机体的水解 衰减和底物的贮存 因此该过程的 动力学参数难以确定 ASM3 ASM1 的发展 ASM1 的缺陷 的缺陷 衰减 水解和生长等过程常用于描述内源呼吸 的系列反应 如生物体中化合物的贮存 微生 物的死亡 捕食 衰减等 这一过程动力学参 数难于评估 未反映好氧和缺氧状态下胞内PHA 脂类 糖 原的贮存 未考虑硝化菌在好氧和缺氧状态下具有不同的 衰减速率 在高泥龄和缺氧区容积较大的情况 下 将导致最大硝化速率的预测偏差 不能直接预测MLSS 在呼吸实验中经常得到较高的生物产率 ASM3 vs ASM1 Desciribe the same processes COD and N removal Key differences from ASM1 Carbon transformation via storage product Endogenous respiration replacing death regeneration Different decay rates under anoxic and aerobic conditions Organic nitrogen no longer independent variables but fractions of organic carbon this change actually started with ASM2 ASM1中微生物的生长与衰减中微生物的生长与衰减 SOSNH SNO XP XS SSXBH SO 硝化菌 异养菌 水解 生长 衰减 衰减 生长 XBA ASM3中微生物的生长与衰减中微生物的生长与衰减 SO SNHXI XSSSX