活性污泥数学模型

2015 11 12 1 活活性性污污泥泥数数学学模模型型 ASMs简简介介 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 ASM2和ASM3简介 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 HEMMIS nv Modeling System Under study Optimized System Model of the System Solution for the System Simulating Experimenting Modelling Implement 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 2015 11 12 2 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活活性性污污泥泥数数学学模模型型发发展展的的历历史史 1986年年推推出出活活性性污污泥泥1号号模模型型 ASM1 包包 括括去去除除污污水水中中有有机机碳碳以以及及硝硝化化和和反反硝硝化化等等过过 程程 1995年年推推出出活活性性污污泥泥2号号模模型型 ASM2 包包 含含了了脱脱氮氮和和生生物物除除磷磷处处理理过过程程 1999年年ASM2被被拓拓展展为为ASM2d 将将反反硝硝化化聚聚 磷磷菌菌包包含含在在内内 1998年年推推出出了了活活性性污污泥泥3号号模模型型 ASM3 所所包包含含的的主主要要反反应应过过程程和和ASM1相相同同 是是对对 ASM1的的改改进进 更更适适合合于于实实际际应应用用 五五 活活性性污污泥泥1号号模模型型 ASM1 模模型型建建立立的的方方法法 模模型型表表述述 模模型型的的组组分分 模模型型中中的的反反应应过过程程 模模型型的的参参数数 模模型型实实际际使使用用中中的的约约束束条条件件 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 连连续续性性检检查查 6 模型假定 7 活性污泥1号模型的表述 2015 11 12 3 1 矩矩阵阵格格式式 建建立立矩矩阵阵的的第第一一个个步步骤骤是是确确定定模模型型中中相相关关的的组组分分组组分分 列列于于 表表头头 表表底底列列出出它它们们对对应应的的名名称称和和单单位位 第第二二个个步步骤骤是是定定义义发发生生在在系系统统中中的的生生物物过过程程生生物物过过程程 即即影影响响列列 表表中中组组分分转转化化和和变变化化的的过过程程 列列于于矩矩阵阵最最左左列列 在在矩矩阵阵对对应应行行的的最最右右列列列列出出了了每每个个过过程程的的动动力力学学表表达达式式动动力力学学表表达达式式 或或速速率率方方程程式式 表表的的右右下下角角定定义义了了速速率率方方程程中中的的动动力力 学学参参数数 矩矩阵阵内内的的元元素素是是化化学学计计量量系系数数化化学学计计量量系系数数v vij ij 描描述述了了单单个个过过程程中中各各 组组分分之之间间的的数数量量关关系系 矩矩阵阵中中约约定定的的符符号号为为 负负号号表表 示示消消耗耗 正正号号表表示示产产生生 表表的的左左下下角角列列出出了了定定义义的的全全部部 化化学学计计量量系系数数 Peterson matrix presentation 异异养养微微生生物物好好氧氧生生长长的的过过程程动动力力学学和和化化学学计计量量学学 2 统统一一单单位位 对对于于含含碳碳有有机机物物 其其浓浓度度用用COD mg L 表表示示 对对于于溶溶解解氧氧 是是负负的的COD值值 其其浓浓度度用用 COD mg L 表表示示 对对于于微微生生物物 其其浓浓度度用用COD mg L 表表示示 对对于于氨氨氮氮 NH3 N 用用N mg L 表表示示 根根据据反反应应 NH3 2O2HNO3 H2O 1g NH3 N相相当当于于4 57g COD 对对于于NO3 N 用用N mg L 表表示示 根根据据氧氧化化还还原原反反应应 在在获获得得1mol电电子子时时 需需1 5mol NO3 或或1 4mol O2 因因此此 1g NO3 N相相当当于于2 86 g O2 即即2 86 g COD 对对于于碱碱度度 用用HCO3 mol L 表表示示 由由于于碱碱度度本本身身不不 参参与与其其它它组组分分的的反反应应 其其单单位位不不同同对对于于速速率率方方程程无无影影 响响 3 基基本本符符号号 X 不不可可溶溶组组分分或或颗颗粒粒性性组组分分 S 可可溶溶性性组组分分 B 微微生生物物 下下标标 S 易易降降解解有有机机底底物物 下下标标 I 惰惰性性有有机机物物质质 下下标标 O 氧氧气气 下下标标 NH 氨氨氮氮 下下标标 NO 硝硝态态氮氮 包包括括硝硝酸酸盐盐氮氮和和亚亚硝硝酸酸盐盐氮氮 下下标标 ND 可可生生物物降降解解有有机机氮氮 下下标标 ALK 碱碱度度 下下标标 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 2015 11 12 4 例例 系系统统内内某某一一点点微微生生物物XB 溶溶解解性性底底 物物SS 溶溶解解氧氧SO的的反反应应速速率率 例例 系系统统内内某某一一点点微微生生物物XB 溶溶解解 性性底底物物SS 溶溶解解氧氧SO的的反反应应速速率率 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 连连续续性性检检查查 单个反应过程中化学计量系数的总和为 零 6 模模型型假假定定 系系统统运运行行温温度度恒恒定定 pH值值恒恒定定而而且且接接近近中中性性 微微生生物物所所需需营营养养充充足足 进进水水污污染染物物浓浓度度可可变变 但但组组成成和和性性质质不不变变 微微生生物物的的种种群群和和浓浓度度处处于于正正常常状状态态 假假设设微微生生物物对对颗颗粒粒有有机机物物的的捕捕捉捉是是瞬瞬时时进进行行的的 有有机机物物和和有有机机氮氮的的水水解解同同时时进进行行 且且速速率率相相等等 系系统统中中电电子子受受体体的的存存在在类类型型不不影影响响由由衰衰减减引引起起 的的活活性性污污泥泥生生物物量量损损失失 二二沉沉池池内内无无生生化化反反应应 仅仅为为一一个个固固液液分分离离装装置置 二二 活活性性污污泥泥1号号模模型型的的表表述述 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 X ND 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 K S K O H b H 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 HY 1 HY 1 H H Y Y 1 14 Xhi BH OHO O SS S H X SK S SK S AB OAO O NHNH NH A X SK S SK S 14 86 214 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 HY 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 jir 2015 11 12 5 三三 模模型型的的组组分分 1 可可溶溶性性惰惰性性有有机机物物SI 2 易易生生物物降降解解有有机机底底物物SS 3 颗颗粒粒性性惰惰性性有有机机物物XI 4 慢慢速速可可生生物物降降解解有有机机底底物物XS 5 活活性性异异养养菌菌生生物物量量XB H 6 活活性性自自养养菌菌生生物物量量XB A 7 微微生生物物衰衰减减产产生生的的颗颗粒粒性性产产物物XP 8 溶溶解解氧氧SO 9 硝硝态态氮氮SNO 10 氨氨氮氮SNH 11 溶溶解解性性可可生生物物降降解解有有机机氮氮SND 12 颗颗粒粒性性可可生生物物降降解解有有机机氮氮XND 13 碱碱度度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 废废水水中中有有机机物物质质的的划划分分是是以以其其生生物物降降解解性性为为基基 础础 不不可可生生物物降降解解物物质质是是生生物物惰惰性性的的 用用下下标标I表表 示示 经经过过活活性性污污泥泥系系统统处处理理后后没没有有形形态态上上的的 变变化化 不不可可生生物物降降解解物物质质可可分分为为两两部部分分 可可溶溶的的 S 和和颗颗粒粒性性的的 X 惰惰性性溶溶解解性性有有机机物物 SI 的的进进出出水水浓浓度度相相同同 惰惰性性悬悬浮浮性性 颗颗粒粒性性 有有机机物物 XI 被被活活性性污污 泥泥捕捕捉捉 并并随随剩剩余余污污泥泥排排出出系系统统 2 有机组分 可生物降解物质 可可生生物物降降解解物物质质 用用下下标标S表表示示 分分为为两两部部分分 易易生生物物降降 解解物物质质和和慢慢速速生生物物降降解解物物质质 易易生生物物降降解解物物质质 SS 被被当当作作可可溶溶物物来来处处理理 而而慢慢速速 生生物物降降解解物物质质 XS 被被当当作作颗颗粒粒物物处处理理 易易生生物物降降解解物物质质的的分分子子结结构构一一般般较较简简单单 它它们们可可以以直直 接接被被异异养养微微生生物物吸吸收收并并用用于于新新微微生生物物的的生生长长 这这些些分分 子子的的一一部部分分能能量量 COD 被被结结合合到到了了微微生生物物中中 2 3 同同时时一一部部分分能能量量被被消消耗耗来来提提供供细细胞胞合合成成所所需需的的能能量量 1 3 这这部部分分的的电电子子转转移移到到外外部部的的电电子子受受体体 氧氧或或硝硝 酸酸盐盐 慢慢速速降降解解物物质质一一般般具具有有较较复复杂杂的的分分子子结结构构 在在其其被被利利 用用之之前前 必必须须经经胞胞外外水水解解反反应应转转化化为为易易生生物物降降解解物物质质 假假设设慢慢速速生生物物降降解解物物转转化化为为易易生生物物降降解解形形式式过过程程没没有有 能能量量的的利利用用 这这样样也也没没有有与与它它们们相相关关的的电电子子受受体体的的利利 用用 3 异异养养微微生生物物 XB H 异异养养微微生生物物的的繁繁殖殖是是通通过过在在好好氧氧或或缺缺氧氧条条件件下下 利利用用易易生生物物降降解解物物质质生生长长 而而假假定定其其在在厌厌氧氧条条 件件下下停停止止生生长长 微微生生物物因因为为衰衰减减而而损损失失 假假定定衰衰减减的的结结果果是是生生 物物体体转转化化为为慢慢速速生生物物降降解解物物XS和和颗颗粒粒物物Xp 由由衰衰减减生生成成的的慢慢速速生生物物降降解解物物质质可可转转化化为为用用于于 新新细细胞胞生生长长的的物物质质 Xp对对进进一一步步的的生生物物作作用用呈呈惰惰性性 4 自自养养微微生生物物 XB A 自自养养微微生生物物 硝硝化化菌菌 的的繁繁殖殖是是通通过过在在 好好氧氧条条件件下下利利用用氨氨氮氮为为能能源源 所所需需碳碳源源 为为无无机机碳碳化化合合物物 自自养养微微生生物物因因为为衰衰减减而而损损失失 假假定定衰衰减减 的的结结果果是是生生物物体体转转化化为为慢慢速速生生物物降降解解物物 XS和和颗颗粒粒物物Xp Xp对对进进一一步步的的生生物物作作用用 呈呈惰惰性性 2015 11 12 6 5 生生物物衰衰减减生生成成的的颗颗粒粒产产物物XP XP由由异异养养菌菌和和自自养养菌菌的的衰衰减减形形成成 XP是是生生物物惰惰性性的的 实实际际上上 这这部部分分生生 物物体体也也许许并并不不完完全全对对生生物物处处理理呈呈惰惰性性 然然而而 它它的的降降解解速速率率太太低低 在在活活性性污污泥泥 系系统统的的SRT内内 它它可可看看作作是是惰惰性性的的 在在模模型型中中加加入入这这个个组组分分 是是为为了了解解释释这这 样样一一种种现现象象 在在活活性性污污泥泥系系统统中中并并不不是是 所所有有的的微微生生物物都都是是活活性性的的 6 含含氮氮组组分分 含含氮氮组组分分分分为为不不可可生生物物降降解解和和可可生生物物降降 解解物物质质 不不可可生生物物降降解解的的含含氮氮组组分分是是和和不不可可生生物物 降降解解颗颗粒粒状状COD XI 相相联联系系的的 可可溶溶不不可可生生物物降降解解的的含含氮氮组组分分少少到到可可忽忽 略略不不计计 可可生生物物降降解解含含氮氮物物质质划划分分为为 氨氨氮氮SNH 可可溶溶性性有有机机氮氮SND和和颗颗粒粒性性有有机机氮氮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 总总碱碱度度SALK 所所有有包包含含质质子子增增减减的的反反应应都都能能引引起起碱碱度度的的变变化化 异异养养菌菌和和自自养养菌菌合合成成过过程程中中氨氨氮氮向向氨氨基基酸酸的的转转化化 有有机机氮氮的的氨氨化化过过程程 硝硝化化过过程程 反反硝硝化化过过程程 碱碱度度可可以以提提供供预预测测pH的的变变化化信信息息 判判断断反反应应 的的正正常常与与异异常常情情况况 总总碱碱度度低低于于50g m3 碳碳酸酸盐盐当当量量 1mol总总碱碱度度 m3 pH值值将将变变得得不不 稳稳定定且且将将降降到到6以以下下 ASM1的的组组分分总总结结 四四 模模型型中中的的反反应应过过程程 1 异异养养菌菌的的好好氧氧生生长长 2 异异养养菌菌的的缺缺氧氧生生长长 3 自自养养菌菌的的好好氧氧生生长长 4 异异养养菌菌的的衰衰减减 5 自自养养菌菌的的衰衰减减 6 可可溶溶性性有有机机氮氮的的氨氨化化 7 絮絮集集性性有有机机物物的的水水解解 8 絮絮集集性性有有机机氮氮的的水水解解 2015 11 12 7 1 异异养养菌菌的的好好氧氧生生长长 异异养养菌菌好好氧氧生生长长是是以以溶溶解解性性易易降降解解物物质质 为为底底物物 同同时时有有氧氧的的利利用用 氨氨氮氮主主要要作作为为营营养养物物从从溶溶液液中中去去除除并并结结 合合到到细细胞胞中中 异异养养菌菌好好氧氧生生长长动动力力学学受受双双重重营营养养物物限限 制制 易易生生物物降降解解底底物物SS和和DO SO 是是速速 率率的的决决定定因因素素 异异养养菌菌的的好好氧氧生生长长过过程程以以异异养养菌菌 的的好好氧氧反反应应动动力力学学方方程程为为基基础础 BH OHO O SS S H BH X SK S SK S dt dX 1 2 异异养养菌菌的的缺缺氧氧生生长长 异异养养菌菌的的缺缺氧氧生生长长依依赖赖于于易易生生物物降降解解底底物物 硝硝 态态氮氮作作为为电电子子受受体体 根根据据COD物物料料恒恒算算 硝硝态态氮氮的的去去除除量量和和易易生生物物 降降解解物物质质去去除除量量与与细细胞胞生生成成量量之之差差成成比比例例 氨氨氮氮作作为为营营养养转转化化为为微微生生物物中中的的有有机机氮氮 缺缺氧氧条条件件下下底底物物去去除除的的最最大大速速率率比比好好氧氧条条件件下下 要要小小 考考虑虑这这一一影影响响所所采采用用的的方方法法是是在在速速率率表表 达达式式中中加加入入一一个个经经验验系系数数 g g 1 0 缺氧反硝化过程 3222753233 68 147 006 024 008 1HCOOHNNOHCCOHOHCHNO 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 异异养养菌菌的的缺缺氧氧生生长长以以异异养养菌菌的的缺缺 氧氧生生长长动动力力学学方方程程为为基基础础 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 88 198 004 1 0024 0018 0 98 186 1COHNOOHNOHCHCOONH 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 2015 11 12 8 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 异异养养菌菌的的衰衰减减 采采用用了了死死亡亡再再生生理理论论 衰衰减减的的作作用用是是将将微微生生物物转转化化为为颗颗粒粒物物和和慢慢速速生生物物降降解解 底底物物 生生成成的的慢慢速速生生物物降降解解物物质质随随后后水水解解 释释放放等等量量 的的易易生生物物降降解解COD 因因此此每每一一单单位位细细胞胞COD的的消消耗耗将将 最最终终导导致致一一单单位位COD的的形形成成 即即易易生生物物降降解解底底物物与与生生 成成的的惰惰性性颗颗粒粒产产物物COD之之和和 在在这这过过程程中中没没有有COD损损失失 也也不不利利用用电电子子受受体体 在在好好氧氧条条件件或或缺缺氧氧条条件件下下 水水解解生生成成的的易易生生物物降降解解底底 物物将将被被用用来来合合成成新新细细胞胞 如如果果既既没没有有氧氧又又没没有有硝硝态态氮氮可可利利用用 将将不不会会发发生生任任何何 转转化化 慢慢速速生生物物降降解解底底物物将将产产生生积积累累 无无论论环环境境条条件件如如何何 衰衰减减总总是是以以恒恒定定的的速速率率进进行行 即即 bH不不是是电电子子受受体体或或其其浓浓度度的的函函数数 ASM1中中微微生生物物的的生生长长与与衰衰减减 SOSNH SNO XP XS SSXBH SO 硝化菌 异养菌 水解 生长 衰减 衰减 生长 XBA 异异养养菌菌的的衰衰减减以以异异养养菌菌的的衰衰减减 动动力力学学方方程程为为基基础础 BHH BH Xb dt dX 4 5 自自养养菌菌的的衰衰减减 和和异异养养菌菌的的衰衰减减完完全全相相似似 自自养养菌菌的的衰衰减减速速率率常常数数可可能能比比异异养养菌菌的的 小小 自自养养菌菌的的衰衰减减以以自自养养菌菌的的衰衰减减 动动力力学学方方程程为为基基础础 BAA BA Xb dt dX 5 2015 11 12 9 6 可可溶溶性性有有机机氮氮的的氨氨化化 有有机机氮氮在在氨氨化化细细菌菌的的作作用用下下 可可以以转转化化 为为氨氨氮氮 微微生生物物转转化化为为慢慢速速生生物物降降解解物物质质继继而而至至 易易生生物物降降解解物物质质的的同同时时 也也伴伴随随着着有有机机 氮氮向向氨氨氮氮的的转转化化 可可溶溶性性有有机机氮氮的的氨氨化化以以氨氨氮氮增增 长长的的动动力力学学方方程程为为基基础础 BHNHa NH XSK dt dS 6 7 絮絮集集性性有有机机物物的的水水解解 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 絮絮集集性性有有机机物物的的水水解解以以易易降降解解有有 机机物物SS的的增增长长动动力力学学方方程程为为基基础础 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 假假设设有有机机氮氮被被均均匀匀地地分分散散在在慢慢速速生生物物降降 解解有有机机底底物物中中 这这样样被被絮絮集集有有机机氮氮的的水水 解解速速率率与与慢慢速速生生物物降降解解有有机机物物质质的的水水解解 速速率率成成正正比比 絮絮集集性性有有机机氮氮的的水水解解以以易易降降解解有有机机氮氮 SND的的增增长长动动力力学学方方程程为为基基础础 78 dt dS X X dt dS S S NDND 2015 11 12 10 五五 过过程程动动力力学学方方程程 相相对对参参与与某某一一子子过过程程反反应应的的某某一一组组分分 可可写写出出 一一个个反反应应动动力力学学方方程程 来来表表示示该该组组分分的的浓浓度度在在 该该子子过过程程反反应应中中随随时时间间的的变变化化情情况况 对对于于某某一一子子过过程程 可可写写出出一一个个或或几几个个组组分分的的动动 力力学学方方程程 一一般般以以某某一一组组分分生生长长或或衰衰减减的的反反应应动动力力学学方方程程 作作为为基基本本方方程程 其其他他组组分分的的反反应应动动力力学学方方程程以以 该该基基本本方方程程为为基基础础 通通过过化化学学计计量量系系数数调调整整来来 获获得得 例 异养菌好氧生长过程的 反应动力学方程 涉涉及及的的组组分分 异异养养菌菌XBH 可可溶溶性性 易易降降解解有有机机物物SS 溶溶解解氧氧SO 氨氨氮氮 SNH 碱碱度度SALK 基基本本速速率率方方程程 异异养养菌菌的的好好氧氧生生 长长反反应应动动力力学学方方程程 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 六六 组组分分的的总总动动力力学学方方程程式式 j jiji r 例例 易易生生物物降降解解基基质质Ss的的转转化化过过程程 在在异异养养菌菌好好氧氧生生长长过过程程 1 中中消消耗耗 在在异异养养菌菌缺缺氧氧生生长长过过程程 2 中中消消耗耗 在在被被絮絮集集吸吸附附的的慢慢速速有有机机物物水水解解过过程程 7 中中生生成成 2015 11 12 11 易易生生物物降降解解基基质质Ss的的总总反反应应动动 力力学学方方程程 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 六六 模模型型的的参参数数 1 化化学学计计量量参参数数 5个个 符符号号名名称称单单位位 YA自自养养菌菌产产率率系系数数 生生成成细细胞胞 gCOD 氧氧化化 gN YH异异养养菌菌产产率率系系数数 生生成成细细胞胞 gCOD 氧氧化化 gCOD fP生生物物体体中中可可转转化化为为颗颗粒粒性性产产 物物的的比比例例 无无量量纲纲 iXB生生物物体体COD中中的的含含氮氮比比例例 g N g COD 生生物物量量 iXP生生物物体体产产物物COD中中的的含含氮氮比比 例例 g N g COD 内内源源代代谢谢 产产物物 六六 模模型型的的参参数数 2 反反应应动动力力学学参参数数 14个个 符符号号名名称称单单位位 异异养养菌菌最最大大比比增增长长速速率率d 1 KS异异养养菌菌半半饱饱和和系系数数g COD m3 KO H异异养养菌菌的的氧氧半半饱饱和和系系数数g O2 m3 KNO反反硝硝化化菌菌的的硝硝酸酸盐盐半半饱饱和和系系数数g NO3 N m3 bH异异养养菌菌的的衰衰减减系系数数d 1 缺缺氧氧条条件件下下 H的的校校正正因因子子无无量量纲纲 缺缺氧氧条条件件下下水水解解校校正正因因子子无无量量纲纲 Kh最最大大比比水水解解速速率率 g 慢慢速速可可生生物物降降解解COD g细细胞胞COD d KX 慢慢速速可可生生物物降降解解底底物物水水解解的的半半饱饱和和系系数数g 慢慢速速可可生生物物降降解解COD g细细胞胞COD 自自养养菌菌最最大大比比增增长长速速率率d 1 KNH自自养养菌菌的的氨氨半半饱饱和和系系数数g NH3 N m3 KO A自自养养菌菌的的氧氧半半饱饱和和系系数数g O2 m3 ba自自养养菌菌衰衰减减系系数数d 1 ka氨氨化化速速率率m3 COD g d H h g A 七七 模模型型中中化化学学计计量量系系数数剖剖析析 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 对对于于含含碳碳有有机机物物 其其浓浓度度用用COD mg L 表表示示 对对于于溶溶解解氧氧 是是负负的的COD值值 其其浓浓度度用用 COD mg L 表表示示 对对于于微微生生物物 其其浓浓度度用用COD mg L 表表示示 1g微微生生物物 相相当当于于1 42g COD 对对于于氨氨氮氮 NH3 N 用用N mg L 表表示示 1g NH3 N 相相当当于于4 57g COD 对对于于NO3 N 用用N mg L 表表示示 1g NO3 N相相当当于于 2 86 g O2 即即 2 86 g COD 对对于于碱碱度度 用用HCO3 mol L 表表示示 由由于于碱碱度度本本身身不不 参参与与其其它它组组分分的的反反应应 其其单单位位不不同同对对于于速速率率方方程程无无影影 响响 2015 11 12 12 氨氨氮氮单单位位的的换换算算 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 矩矩阵阵中中的的化化学学计计量量系系数数vij 矩矩阵阵内内化化学学计计量量系系数数vij 描描述述了了单单个个过过 程程中中各各组组分分之之间间的的数数量量关关系系 例例如如 每每消消耗耗可可溶溶性性底底物物 1 YH 微微生生 物物增增长长 1 代代谢谢过过程程中中氧氧被被利利用用 1 YH YH 系系数数vij对对有有机机物物 含含氮氮物物质质 碱碱度度分分别别 取取一一致致的的单单位位 并并分分别别符符合合连连续续性性原原则则 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 i 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 化化学学计计量量系系数数v9 2 根根据据连连续续性性原原则则 V9 2 1 YH YH 组组分分SNO的的单单位位为为mg COD L 1 YH 2 86YH 组组分分SNO的的单单位位为为mg N L 2015 11 12 13 化学计量系数v8 3 57 4 LmgCODdS LmgCODdX LmgNdS LmgCODdX Y NH BA NH BA A 1 YA 组分SNH的单位为mg N L 4 57 YA 组分SNH的单位为mg COD L 根据连续性原则 V8 3 1 1 YA 组分SNH的单位为mg N L 1 4 57 YA 组分SNH的单位为mg COD L 4 57 YA YA 组分SNH的单位为mg COD L 化学计量系数v13 2 硝硝酸酸盐盐氮氮还还原原产产生生碱碱度度 氨氨氮氮氧氧化化 用用于于异异养养菌菌生生长长 消消耗耗碱碱度度 异异养养菌菌缺缺氧氧生生长长1个个单单位位质质量量浓浓度度 还还原原的的硝硝酸酸盐盐质质量量浓浓度度为为 H H Y Y 86 2 1 摩摩尔尔浓浓度度为为 H H Y Y 86 214 1 氨氨氮氮参参与与异异养养菌菌生生长长的的质质量量浓浓度度为为iXB 摩摩尔尔浓浓度度为为iXB 14 因因此此异异养养菌菌缺缺氧氧生生长长1个个单单位位质质量量浓浓度度 碱碱度度的的变变化化值值为为 1486 214 1 XB H H i Y Y 三三 模模型型参参数数的的估估计计 1 可可以以假假设设的的参参数数值值 符符 号号名名 称称 YA自自养养菌菌产产率率系系数数 bA自自养养菌菌衰衰减减系系数数 fP生生物物体体中中可可转转化化为为颗颗粒粒性性产产物物的的比比例例 iXB生生物物体体COD中中的的含含氮氮比比例例 iXP生生物物体体产产物物COD中中的的含含氮氮比比例例 KO H异异养养菌菌的的氧氧半半饱饱和和系系数数 KNO反反硝硝化化菌菌的的硝硝酸酸盐盐半半饱饱和和系系数数 KO A自自养养菌菌的的氧氧半半饱饱和和系系数数 2 需需估估测测的的动动力力学学参参数数 H A g 符符 号号名名 称称前前期期所所需需信信息息 YH异异养养菌菌产产率率系系数数 自自养养菌菌最最大大比比增增长长速速率率bA KNH自自养养菌菌的的氨氨半半饱饱和和系系数数 bH异异养养菌菌的的衰衰减减系系数数YH fP 缺缺氧氧条条件件下下 H的的校校正正因因子子 缺缺氧氧条条件件下下水水解解校校正正因因子子 异异养养菌菌最最大大比比增增长长速速率率系系数数 YH XS1 XI1 SS1 fP KS异异养养菌菌半半饱饱和和系系数数 YH XS1 XI1 XS1 fP kh最最大大比比水水解解速速率率 KX慢慢速速可可生生物物降降解解底底物物水水解解的的半半饱饱 和和系系数数 ka氨氨化化速速率率 h 3 生生活活污污水水在在中中性性pH和和20 时时参参 数数的的典典型型数数值值 g 符符 号号单单位位参参数数值值 20 数数值值范范围围 YAg细细胞胞COD 氧氧化化gN0 240 07 0 28 YHg细细胞胞COD 氧氧化化gCOD0 670 46 0 69 fP无无量量纲纲0 080 08 iXBg N g 生生物物量量COD0 0860 086 iXPg N g 内内源源代代谢谢产产物物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 无无量量纲纲0 80 6 1 0 无无量量纲纲0 40 4 khg 慢慢速速可可生生物物降降解解COD g细细胞胞COD d3 03 0 KXg 慢慢速速可可生生物物降降解解COD g细细胞胞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 2015 11 12 14 六六 模模型型实实际际使使用用中中的的约约束束条条件件 微微生生物物的的净净生生长长速速率率和和SRT必必须须在在合合适适的的范范围围 内内 以以保保证证微微生生物物絮絮体体的的形形成成 3 30d 污污泥泥的的沉沉降降性性能能受受进进入入二二沉沉池池中中固固体体质质量量浓浓度度 的的影影响响 750 7500gCOD m3 反反应应器器曝曝气气死死区区比比例例不不应应大大于于50 否否则则污污泥泥沉沉 降降性性能能将将会会恶恶化化 曝曝气气反反应应器器中中 混混合合强强度度不不能能太太大大 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个个组组分分 DenitrifByXPAO Anoxic growth of phosphate accumulating organisms on cell internal organic storage material Correction for ASM2d 21个个反反应应过过程程 ASM3 ASM1 的发展 ASM1 的的缺缺陷陷 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 如NH4 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 XP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 2015 11 12 15 ASM3 ASM1 的发展 ASM1 的的缺缺陷陷 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 transforma