含CN比的ASM1-2N拓展模型对SBR中短程硝化的模拟

1、.华中农业大学2016届硕士研究生学位论文315模型的评价3632实验值及模拟结果37321场景1(CN=28)SBR的模拟37322场景2(CN=60)SBR的模型39323场景3(CN=98)SBR的模拟4133参数值及其敏感性分析43331优化求解得到的参数值=43332参数的敏感性分析4334模型的运用4635本章小结484结论与展望4941结论4942展望49参考文献50致谢54万方数据*;含CN比的ASMl2N拓展模型对SBR中短程硝化的模拟摘要废水中的氨氮能够通过生物氧化为硝酸盐和亚硝酸盐，然后再还原为氮气的传 统硝化和反硝化过程去除。在此过程中，生物氧化有很大的能量消耗，而氨氮

2、先被 转化亚硝酸盐然后直接还原为氮气的短程硝化过程在理论上证明能够节省25的 能量消耗。影响短程硝化过程的因素很多，如温度，pH，游离氨，进水COD等，而进水C瓜比对该过程的影响还有待探究。因此，本研究着眼于C瓜对短程硝化的影响， 通过不同进水CN比条件下短程硝化实验的研究，建立了包含CN比控制因子的短 程硝化模型，并利用该模型模拟了四个进水条件下SBR反应器中的短程硝化过程。 通过实验结果和模拟分析，得出如下结论：(1)本研究在原有的ASMl2N模型的基础上，针对硝化反应过程做出调整， 添加了包含CN比的控制因子进入相应的反应阶段，将原有的模型拓展为包含CN 的短程硝化模型，精简拓展后的三个

3、模型ASMl2Nstandard，ASMl2NMonod， ASMl2NLogistic成为后续模拟的基本骨架。(2)通过在30，pH=7的条件下，调整SBR反应器的进水C瓜，测定了11h 内SBR中各个组分的变化情况，通过分析发现，较低的CN有利于短程硝化反应 的进行，为后续实现该过程提供了数据支撑。同时分析CN和硝化反应的关系发现： 当CN14时，为硝化反应抑制区。 (3)针对SBR反应器的反应特点，以拓展出的三套模型为骨架，建立了SBR的模拟模型，并运用到了三种CN比条件下，通过对比试验结果和模型评价发现， 三种模型中添加了CN比控制项的ASMl2NLogistic和ASMl2NMono

4、d对实验 值的模拟要比ASMI2Nstandard效果好很多。(4)三种模型效果的对比分析发现，效果最好的是ASMl2NLogistic模型， 模型的参数敏感性分析也发现该模型的参数对出水氮浓度影响明显，同时利用最高 CN比的实验值验证的良好模拟结果也证实了该模型有很好的适应性，也说明了 CN控制项添加在模型模拟中的重要性，为后续模型的推广运用奠定了良好基础。 关键词：SBR反应器；短程硝化；CN比；ASMl2N拓展模型；参数敏感性分析万方数据华中农业大学2016届硕士研究生学位论文AbstractAmmonium in wastewater carl be removed through t

5、he conventional nitrification-denitrification process，during which ammonium is biologically oxidized to nitrate and then reduced to N2Significant energy is consumed during this process due toaeration，but 25of the energy can theoretically be saved through shortcut biological nitrogen removal(SBNR)：am

6、monium is oxidize，d to nitrite and then reduced to N2Many factors have been proved that have effects on the process of shortcut biological nitrogen removal such as temperature，pH，NH4十N，COD in the in_fluent etal， while the effect of CN ratio still needs to be furture studiedBased on the purpouse of f

7、inding out the effect of CN on the process of partial nitrification，this study firstly took the experiment of four different emuents with different CN ratio in SBR，then constructed the mathematical model of partial nitrification with the contr01item of CN ratio and finally used this new model to fit

8、 the experiment data in SBRThrough the experiment results and modeling analysis，the main conclusion is as follows：(1)mS study constructed three new models based on the ASM 12N modelDifferent from the ASM 12Nthe new models transforrned the nitrification process and the new CN ratio contr01 iterns wer

9、e brought inT11is new models extended the ASMl-2N to a new partial nitrification model with CN ratio and the three new models ASM 1-2Nstandard， ASM 12NMonod， ASM 12N-Logistic became the basicframework of the following modelling(2)Under 3 O，pH=7，through changing the CN ration in the in_fluent of SBR，

10、the experimental data of different forms in the water were tested in the 1 l h reaction period Through these datait was found out that the lower CN ratio Was benefit for the processsof partioal nitrification which could be a guide for how to make this process come true In the meantime，through the an

11、alysis of the ralationships between the CN ratio and nitrification，it Was found out that when the CN ratio was below 76，the reaction in the SBR Was partial nitrification；when the CN ratio Was in the rank of 76-1 4，it Was traditional nitrification in SBR：when CN ratio was above 1 4it Was inhibition z

12、one forthe nitrification in SBR(3)Based on the charactor of SBR reaction and the three new models，a model about SBR was constructed and was used to model three different scenarios with different CNratioThrough the comparing of modelling results and model evaluation，it Can be seen万方数据that the perform

13、ances of two models ASM 12NLogistic and ASM 12NMonod withnew CN ratio are better than the ASMl2Nstandard model(4)Comparing the performances of three different modelsthe best is the ASM 1-2N-Logistic model，and the sensitivity analysis of modelling parameters also finds out that the new parameters hav

14、e a great effect on the effluent of NIn the meantime，the application of this new model to the highest CN ratio influent scenario and the better performance also proves that this new model has pratical application and the control item about CN ratio also has an important role in the modelling which c

15、onstructed a better basic for the following extension and applicationKeywords：SBR reaction；partial nitrification；CN ratio；ASMl2N extention models：parameters sensitivity analysis万方数据含ClN比的ASMl-2N拓展模型对SBR中短程硝化的模拟1前言从上世纪七八十年代开始，随着经济的发展和生活水平的提高，城镇化发展产 生的集中生活污水和工业化发展所产生的工业废水的排放量越来越大，由于前期的 粗犷式排放，导致自然水体的污染

16、和富营养化越来越严重，从而使得废水中的脱氮 除磷过程逐渐引起重视。根据统计，截止到2010年，我国的生活污水集中处理率 达到65左右(董文福和傅德黔2010)，其中生活污水的处理多是采用传统的脱氮 工艺，说明传统的脱氮模式已经在各个市政污水处理厂中得到广泛的推广。出于能 源节约、经济节省的考虑，区别于传统工艺的新的脱氮除磷工艺逐渐成为研究的热 点。短程硝化反硝化工艺作为新脱氮工艺中的代表，目前已经有较多的学者在不同 的反应器中实现，但是对短程硝化反硝化过程的控制和工程实践仍处于研究阶段。 数学模型模拟作为污水处理的研究方法之一，其成本低，效益大，精确度高以及贴 近机理的特点，使得其在工程实践中

17、得到广泛运用。本文从传统和硝化反硝化理论 和新的短程硝化反硝化理论出发，进而对脱氮模型的概况进行介绍包括ASMs系列 模型的发展和拓展的两步硝化模型的研究进程，最后详尽叙述了本研究的背景、意 义及研究内容。11生物脱氮理论111硝化和反硝化作用生活污水中的氨氮可以通过传统的硝化和反硝化过程去除。硝化过程是通过两 种组分的细菌在两步条件下实现(Bock et al 1986)。氨氮在亚硝化细菌(AOB)的 氧化作用下转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐在硝化细菌(NOB)的作用下转化为硝酸盐。 反硝化过程也是同样通过两种不同种类的微生物在两步作用下完成：硝酸盐细菌将 硝酸盐转化为亚硝酸盐，亚硝酸盐细菌将亚硝

18、酸盐转化为氮气(Metcalf 2002)。具 体的过程如下。1、硝化作用硝化作用(Nitrification)是指氨氮在微生物作用下氧化为硝酸盐的过程传统的硝化反应分为两个阶段，第一阶段为亚硝化反应阶段，铵盐(NH4+-N) 在细菌的生化作用下氧化为亚硝酸盐(N02-N)的阶段。参与这个阶段活动的亚硝 酸细菌主要有5个属：亚硝化毛杆菌属(Nitrosomonas)、亚硝化囊杆菌属 (Nitrosocystis)、亚硝化螺菌属(Nitrosospira)、亚硝化球菌属(Nitrosococcus)$1硝化 肢杆菌属(Nitrosogloea)。其中，以亚硝化毛杆菌属的作用为主导，常见的有欧洲亚

19、 硝化毛杆菌(Nitrosomonas europaea)等。万方数据华中农业大学2016届硕士研究生学位论文第二阶段为硝化反应阶段，即亚硝酸盐(N02-N)在细菌的生化作用下被氧化 为硝酸盐(N03-N)的阶段。参与这个阶段活动的硝酸细菌主要有3个属：硝酸细 菌属(Nitrobacter)；硝酸球菌属(Nitrococcus)和硝酸刺菌属(Nitrospina)。其中硝酸 细菌属占据主导，常见的有活跃硝酸细菌(Nagilis)和维氏硝酸细菌(Nitrobacter winogradskyi)等。具体的反应式可以表示如下(Barnes and Bliss 1 983)：AOBNH4十+1502

20、一N02+2H十十H20(11)NOBN02+05 02一N03(12)2、反硝化作用反硝化作用(Denitrification)也称脱氮作用，是指细菌将硝酸盐(N03-N)和 亚硝酸盐(N02-N)中的氮通过一系列中间产物还原为氮气(N2)的生物化学还原 过程。参与这一过程的细菌统被称为反硝化菌，反硝化细菌大部分是异养型细菌， 例如反硝化假单胞菌、脱氮小球菌等，它们以有机物为氮源和能源，进行无氧呼吸。 反硝化菌在无氧条件下，以将硝酸盐(N03一-N)和亚硝酸盐(N02一N)为电子受体完成呼吸作用以获得能量，最终产物都是氮气(Barnes and Bliss 1983；Orhon andArt

21、an 1994)。其中包括以下两个还原反应：15N03+65H+e。_110N2+35H20(13)13N02。+43H+e一16 N2+23(1-4)上述两个反应均为放热反应，所以在无氧或缺氧条件下，反硝化细菌可以同时 利用硝酸盐(N03)和亚硝酸盐(N02。)来作为电子传递链的最终电子受体，进而 完成物质能量的交换。112短程硝化反硝化过程1、短程消化反硝化原理 传统的氨氮去除过程可以通过一系列条件的控制缩减其中的两步而变为氨氮先被氧化为亚硝酸盐然后亚硝酸盐直接被还原为氮气，而这个被缩减后的过程称之 为短程氮去除过程(SBNR)或者部分硝化反硝化(Partial nitrification

22、 and denitrification)(Garrido et al 1 997；Ruiz et al 2003；Pollice et al 2002)。短程硝化反硝化之所以能够实现，其原因是：首先从进化谱系上进行分析，亚硝化菌和硝化细菌亲缘关系不仅显得并不十分密切，甚至绝大多数菌株的亲缘关系 都相距很远，说明它们完全可以独立生活(祝贵兵等2008)；其次，从氨氮的生物 化学转化过程来看，既然氧化氨的亚硝化菌和氧化亚硝酸盐的硝化菌是两类独立的 细菌，那么这两个反应过程能够分开，使得只完成其中一个反应成为可能；再次，万方数据含CN比的ASMl2N拓展模型对SBR中短程硝化的模拟反硝化细菌既能通

23、过还原亚硝态氮也能通过还原硝态氮来获得电子受体，就说明如 果只是单独提供亚硝酸盐来实现整个反硝化过程是可行的(毛鹤群2012)。同时，相对于传统的硝化反硝化过程，短程硝化反硝化有三大优势：1)硝化 过程能够减少25的氧气供应(Chung and Bae 2002；Peng and Zhu 2006)；2)反硝 化过程能够减少55的碳的供应(Peng and Zhu 2006)；3)更高的氮去除率(Beccari et a1 1983)。2、短程硝化反硝化过程的影响因素 短程硝化反硝化过程的实现就在于亚硝酸盐(N02-N)的积累，其根本就是促进亚硝化细菌(AOB)生长，抑制硝化细菌(NOB)生长

24、。而影响这两个细菌的因素有很多，其中被研究比较清楚的主要因素有温度、pH、DO浓度、污泥龄、游离氨(FA)浓度和有机物浓度等(李泽兵等2011)。 (1)温度生物硝化反应发生的温度范围为445，但是亚硝化细菌(AOB)和硝化细菌 (NOB)的最适宜生长温度却不相同，两者对温度有着不同的敏感性。在传统的活 性污泥中，硝化细菌的活性在1214时会受到严重抑制，进而会出现亚硝酸盐 (N02-N)的积累；但是在1525时，形成的亚硝酸盐(N02。-N)又会被完全氧 化；超过25，又会出现亚硝酸盐(N02-N)的积累。所以亚硝化细菌适应温度范 围较广，但是硝化细菌在1525较适于生长，这样通过温度的条件

25、控制可以控制 硝化反应进程。(2)pH硝化细菌(NOB)和亚硝化细菌(AOB)的最适宜生长pH范围不一样，二者 对酸碱性的适应程度不同，亚硝化细菌的最适宜pH范围为7585，喜好偏碱性环 境，但是硝化细菌的最适宜pH范围为6575，喜好中性偏酸性环境。(3)DO浓度硝化细菌(AOB)和亚硝化细菌(NOB)对于溶解氧的需求是不同的，一般情 况下，AOB的饱和常数为03mgL左右，NOB的为11mgL左右。通过控制溶解氧的浓度可以实现对两类细菌的控制。(4)污泥龄(SRT)硝化细菌(AOB)和亚硝化细菌(NOB)的繁殖世代周期是不同的，AOB要 短于NOB(相差10倍以上)，所以缩短SRT使其介于

26、AOB和NOB的最小世代时 间之间，可以逐渐使系统中的NOB被冲洗掉，从而增强亚硝酸盐的积累。 (5)游离氨(FA)游离氨虽然是硝化过程的原料，但是其浓度对于两类细菌有很大的影响，对 AOB的抑制浓度为O11mgL，对NOB则为10150mgL。所以控制合理的氨氮进 水有利于AOB的增殖氧化，从而抑制NOB。万方数据华中农业大学2016届硕士研究生学位论文(6)有机物浓度 有机物作为污水中主要存在的污染物，在污水处理过程中必然会伴随碳氧化过程，而碳氧化会引起水质中的DO、pH和ORP等参数发生改变，从而给短程硝化 过程带来很大的影响，而且碳氧化的产物C02会严重影响硝化细菌的活性和产物。 (7

27、)盐浓度污水中存在的某些常见的无机盐在适量的浓度范围时对短程硝化作用有促进 作用，一旦超过某个阈值，反而会抑制该过程。目前更多的对于无机盐对短程硝化 过程的影响的研究都是采用单一组分或少组分，与实际废水中复杂的组分和多浓度 梯度有差异，还有待进一步研究。12脱氮模型概述121 ASM系列模型1、ASM系列模型的发展国际水协(I删O)在1980s1990s期间提出的活性污泥系列模型(ASMs)是目前普遍采用的脱氮数学模型。ASMl模型是Henze et al在1987年提出，主要用 于描述市政污水处理厂中COD和氨氮的去处过程。ASMl模型中包含了八个描述 了活性污泥中自养和厌氧微生物的生长和衰

28、退的过程，而每个过程中对自养和异养 细菌的生长速率过程采用Monod反应式进行描述，并添加了开关函数来模拟好氧 和厌氧条件(Ostace et al 201 1)。从80年代中期到90年代中期，生物除磷逐渐引起 学者的重视，因此，在1995年，Henze et al提出了新的ASM2模型来专门模拟生 物除磷过程。ASM2包含19个组分和19个生物反应过程，其中包含了硝化过程， 反硝化过程以及生物除磷过程。不同于ASMl模型，ASM2模型在描述细菌结构时 添加了细胞内部结构，同时还添加了可悬浮颗粒物(TSS)进入模型(Henze et al 2000)。在1994年，当ASM2模型完成后，关于反

29、硝化过程和除磷过程的关系依然不明确， 所以该模型没有对此进行描述。但是，随着反硝化聚磷菌(PAOs)在越来越多的研 究结果中出现，因此模型必须做出改变，在1999年，新的拓展的ASM2d模型出现，并将PAOs包含在其中。ASM2d模型主要是ASM2模型的拓展，额外添加了两个 关于PAOs的反应过程(Henze et al 2000)。在1998年，ASM模型工作小组决定开发 一个新的模型平台ASM3。ASM3模型包含了能量的储存从而使得对生物降解和氧气消耗的描述更加准确(Henze et al 1998)。与ASMl模型相比，ASM3模型对细菌 的衰退和降解再生循环过程描述的更加详细。但是AS

30、M3模型只包含了微生物的转 化过程，化学反应过程没有包含，但是这些都可以通过ASM2进行添力H(Henze et al2000)。d万方数据含CN比的ASMl2N拓展模型对SBR中短程硝化的模拟2、ASM系列模型的基本格式符号 由于活性污泥反应动力学过程是一个复杂的反应过程，ASM系列活性污泥数学模型将一个小步的反应过程划归为局部系统，先将局部系统的模型建立，然后通 过各个小步反应之间的联系将各局部系统模型相互联系起来，形成完整的模型体系。 ASM模型通过矩阵的形式描述活性污泥系统中各组分的变化规律和相互关系，这 也是活性污泥数学模型的最主要特征。ASM系列模型将“开关函数”的概念引入到 各反

31、应过程的反应速率矩阵中，同时通过在反应速率表达式中加入开关函数来描述 影响活性污泥反应动力学过程的环境因素，这种表达形式可以有效避免因某些反应 过程的不连续性而导致的在模拟时出现的数值不稳定现象。ASM系列活性污泥数 学模型的矩阵包括化学计量系数矩阵和过程速率方程矩阵两个部分。 (1)模型组分和参数介绍模型矩阵构建的第一步是确定模型中的反应组分，反应组分采用命名法，以S，表示溶解性组分，X，表示不溶性组分，同时不同的下标代表不同的溶解性和颗粒 性组分。由于模型模拟的是化学动力学反应，因此很多动力学参数及化学计量系数被引 入到了化学计量系数矩阵和过程速率方程矩阵中。在化学计量系数中，Y代表产率

32、系数，f代表产率比例，i代表物质含量；在动力学参数中，q代表速率常数，K代表半饱和常数，p代表最大比增长速率，b代表呼吸速率，”为效率系数。不同的组分对应的不同的动力学参数与化学计量系数，以下标进行区分。 (2)化学计量系数矩阵在ASM系列模型中，不同生物反应过程对应各自的过程速率方程，参与同一 生物反应过程的不同组分的过程速率方程均相同，只是采用不同的化学计量系数来 反应这些组分不同的变化程度。化学计量系数同样采用以化学计量矩阵表示，能够很直观的看出每个组分在所 有反应过程中的变化情况。化学计量系数的正负表示该组分在某生物反应过程中的 增加或者减少，如果该组分不参与某个生物反应过程，那么对应

33、的化学计量系数就 为0，在矩阵中用空格表示。而矩阵中未列出的值，可根据物料守恒原则采用连续性方程计算得到。ASM系 列模型包含了电荷平衡、COD平衡、氮平衡、磷平衡和总悬浮固体平衡5个平衡。 (3)过程速率方程矩阵模型过程速率方程中添加了开关函数来反映某些因素对反应过程的抑制或促 进作用。如果某溶解性组分S对某一反应过程起起促进作用，开关函数形式则刀、焉5-， 如果起抑制作用，这个组分的开关函数的形式为去。K值的数值大小反映该组分万方数据华中农业大学2016届硕士研究生学位论文对该反应过程的促进或抑制作用程度。 3、ASM系列模型在描述氮去除过程的缺陷在传统的污水处理工艺中，由于污泥的回流，高

34、氨浓度废水氧化导致的pH的 明显下降，亚硝酸(HN02)的生成被抑制，反应池中的过程都是一步硝化反应过 程：NH4-N03(Volcke et al 2006)，而IAWO提出的ASM系列模型的初衷是针对采 用传统活性污泥法的污水处理过程进行模拟，因此目前已经发表的ASM模型中只 有ASMl对硝化过程的描述是采用两步：ND(有机氮)NIl4，NH4-N03，但是并 不是氨氧化和亚硝化氧化过程，其他模型ASM2，ASM2d，ASM3对硝化过程的描述也全部采用一步：NI-14N03进行描述。但是新的研究都发现，硝化过程均是两步 反应，所以ASM系列模型在氮去除的模拟上并不完善。122两步硝化模型针

35、对硝化作用的两步过程，NH4-N02和N02-N03，Ossenbruggew et al(1 995) 是最早通过建立经验的两步Monod形式对硝化过程进行完整描述的。而在传统的活 性污泥反应池中，Hellinga et al在1998年提出了一种新的除氮工艺SHARON工艺 (NH4NOR-N2)，通过pH和温度的调控以及高浓度的铵盐进水，让硝化过程停止在 N02-N，然后进行反硝化生成N2。而SHARON工艺涉及到一个很重要的中间产物亚硝 态氮，并且其目的旨在抑制硝化的N02-N03过程，因此对硝化过程的描述采用的是 两步。但是SHARON工艺需要的条件比较严苛，在传统的活性污泥反应池中

36、无法轻易办到，目前己知能够完成SHARON工艺的反应池有CSTR，SBR，BAS和mR。SHRON工艺的出现，也引起了很多学者对这一工艺模型的研究，最先是Hellinga et al 在1999年建立该过程的模型，他们以IWAQ(1987)的早期模型为基础，采用Monod 形式，加入抑制项，得到新的生长速率，并根据SHARON工艺估算了抑制参数值， 为后续关于两步硝化反硝化的模型提供了基础。Volcke et a1(2007)针对在CSTR的SHARON工艺两步硝化过程建立了模型，并对SHARON工艺的形成条件进行探讨。由于SHARON工艺的出现以及很多学者对SHARON工艺在不同反应器中的实

37、 现，而ASM本身针对硝化过程的采用一步描述的局限，使得很多学者开始在ASM模 型的基础上针对两步硝化反应过程进行拓展。MarsiliLibelli et al(2001)在ASM2d的 基础上做出调整，增加亚硝态氮这一组分，采用两步硝化和反硝化过程来描述SBR池中的反应过程。Iacopozzi et a1(2007)在ASM3的基础上提出了ASM32N模型，在原有 模型的基础上增加了氨氧化菌和亚硝化氧化菌两个组分，拓展了原有模型对菌群的 范围，同时弥补了原有模型对亚硝酸盐忽略的局限。Kaelin et a1(2009)在ASM3模型 的基础上，增加了新的自养菌组分氨氧化菌(XAOB)和亚硝化

38、氧化菌(XNoB)，同 时增加了AOB氧化和NOB氧化两大过程(包含三个过程)，同时将反硝化过程变为两 步，增加了四个过程，并根据实验数据对新增加的参数进行了估值，对模型进行了万方数据含CN比的ASMl2N拓展模型对SBR中短程硝化的模拟评估。针对已经拓展的ASM3两步硝化反硝化模型，Cruz Boumazou et al(2011)在原 有模型的基础上进行了精简探索，将原有的15步反应状态方程，精简到9步，6步和5 步三种模式，并根据SBR反应池的实验数据进行对比分析，最后证明5步模型有很高 的精度，同时相比原有模型更加简便和便于计算，为模型的简化提供了新的思路。1221 ExtendedA

39、SM2d模型针对SBR反应器中的硝化反硝化以及除磷过程，MarsiliLibelli et al(2001)建 立了新的ExtendedASM2d模型，区别于之前的ASM2d模型针对硝化过程一步描 述的方式，该模型将原有的硝化细菌组分拓展成了两种族群。针对不同的硝化细菌 族群，选用了各自的产率系数，最大生长率，衰减速率。该模型是最早的结合活性 污泥模型(ASMs)，并在模型的基础上进行拓展的两步脱氮模型，为后续相关的两步脱氮拓展模型提供了新的思路。ExtendedASM2d模型的具体的硝化过程描述采用如下的方式(公式1518)：rNs=IINs(1_5)Ls。S+oK。a LrsHsN+uKH

40、，anvsrNb=嘲喙羔)(摭)XNb(1-6)反硝化过程的描述如下(公式1314)：TH,N03=Im。s醋静畿)嗉鬻急嗉黼s(1-7)rH,N02=JH77N03醋静畿)嗉急(荔s(1-8)其中，SD、S、乳H、SN02、粕D3分别表示溶解氧、COD、氨氮、亚硝氮、硝氮的浓度；pb、肛肿TIN03分别为氨氧化阶段转化速率、亚硝化氧化阶段转化 速率、异养菌转化速率和硝酸盐转化率；小KN020X、D3、02口磁分别表 示相应的溶解项的控制因子；秭s、XNb、。分别表示氨氧化细菌、亚硝化氧化 细菌和反硝化细菌。该模型运用到容积为5L，运行周期为6h的SBR反应器中，成功的模拟了反应器 中各种溶解

41、项的变化。1222 ASM32N模型由于ASM3模型无法完整的描述脱氮过程，尤其是在脱氮过程很重要的研究当 中，使得ASM3模型的适应性受到了限制，所以Iacopozzi(2007)在原有的ASM3模 型基础上作出了加强，引入了两步硝化的概念。模型的具体反应速率如表11所示。万方数据华中农业大学2016届硕士研究生学位论文表11 ASM32N模型的速率方程Tablel一l Kinetic rates for the ASM32N model水解一xsxKx+(XsX)X2Ss的好氧存储ksro乏薏熹粕瓦而蕊叉H3Ss的厌氧存储ksr077DxXHS02SNH4SALKx汀0 7XHIJnrlN

42、ox面Ko瓦2纛荪SN+,SA慨LKK02+s02SNH4+KNH4sALK七KALK K汀o+(x汀ofX曲11H4好氧生长肛。，HK5反硝化以SN02厌氧生长XsroxHxHKsro+(Xsro隰小2薹鐾|羹羹蔓邈sNH4sALK肛H77以瓦i聂 籁鏊纂薹薹戮 sNH4+KNH4SALK+KALK6反硝化以sN03厌氧生长xsTofxHxHKsTo+(Xsro缂小7好氧内源呼吸b,02芒8厌氧内源呼吸厶删。x瓦雨K02磊xH 9以XsTo好氧呼吸bsro,oz瓦再S02瓦 硌7o10以XsTo厌氧呼吸。x彘xslroI I自养菌X。好氧生长13X。好氧内源呼吸囊甏燃黼鲻露麓西蕊囊糕12Xn

43、b氧化生长l黼8搿粼髓攀囊薹黪羹麓静豫l篓簿曩霹iii瓤ii藕冀耋蠢爨搿藿固露墓日泣瓣黥囊馨14X曲好氧内源呼吸15x。厌氧内源呼吸16Xnb厌氧内源呼吸8万方数据含CN比的ASMl2N拓展模型对SBR中短程硝化的模拟其中，S02、S、如H、SN02、粕D3分别表示溶解氧、COD、氨氮、亚硝氮、硝 氮的浓度；肛s、队b、肛H、tiN03分别为氨氧化阶段转化速率、亚硝化氧化阶段转化 速率、异养菌转化速率和硝酸盐转化率；H、KN020”D3、D2口n、Ks分别表示相应的溶解项的控制因子；k、Xnb、s分别表示氨氧化细菌、亚硝化氧化细菌和反硝化细菌；6z代表了对应过程步骤下对应物质的内源衰减系数。

44、表中所列出的做了标记的部分是为了区别之前的ASM3模型，主要是根据两步硝化反应的理论，添加了新的关于亚硝态氮的中间反应过程，包括氨氮氧化为亚硝态氮的反应过程，以亚硝态氮为原料的反硝化过程，同时根据反应方程式写出了相 应的速率方程，相应的控制项也做出了改变。1223 ASM3ninestate模型ASM3-2N模型是针对两步硝化反硝化过程描述的最完全和准确的模型，但是该 模型有一个弊端就是模型包含了20个反应速率，15个状态变量和超过35个参数，使 得该模型在运用过程要花费大量的时间去调整参数，而且很多参数值还难以预测。 因此，Cruz Boumazou et al在2011年针对原有的ASM3

45、。2N模型做出精简，提出了新 的ASM3ninestate模型。经过调整后的模型的系数矩阵如表12所示。相应的速率方程如下：吃口e=肛H莓S十ss。S，o十3。jHS。N十n4H XH(1-9) 吃口s 2纵1瓦S+os。s删s。n+nK4H XJs(i-10) 吃口肋=心2丽S：N。，0。202。S，O。小SN，H。4H4 XN6(i-11) 吃，。3=肛H1五S+S。s。S。N，0J3。K：0，2，I。，HS。N，H。4H4 Xs(i-12)吃。2=肛H2嚣S十Ss。S2N十0j2D2022K02+2。HS。N，H。4H4 XH(1-13)其中，So、Ss、SNH4、SN02、Sn03分别

46、表示溶解氧、COD、氨氮、亚硝氮、硝氮的浓度；纵”队2、弘H、肛H”MH2分别为氨氧化阶段转化速率、亚硝化氧化阶段 转化速率、异养菌转化速率和反硝化阶段的两个转化率；扑KN02”03、 烙分别表示相应的溶解项的控制因子；p XNb、。、妇分别表示氨氧化细菌、 亚硝化氧化细菌、反硝化细菌和异养细菌。万方数据华中农业大学2016届硕士研究生学位论文该模型运用至USBR反应器中模拟氮的变化后发现，该模型能够有效地模拟N的浓 度变化，同时节省了计算的步骤，降低了电脑成本。同时该模型的成功运用为后续 模型的精简和优化提供了新的思路。1224 ASMl2N模型鉴于ASMl模型运用的广泛性以及ASMl对脱氮

47、过程描述的不完整性，Ostace et al(2011)在ASMl模型的基础上，针对两步硝化反硝化过程，提出了ASMl2N模型， 该模型对ASMl模型进行了拓展，为硝化反应添加了新的中间产物亚硝酸盐，并成 功对BSMl反应池中的硝化和反硝化过程进行了模拟。1、模型的组分ASMl2N模型是ASMl模型的拓展，在对COD的描述上，沿用了ASMl的 模式，划分为三个组分：可生物降解COD，不可生物降解COD和活性微生物。总 氮被分为氨氮(SNH)和有机氮。在ASMl模型基础上发生改变的是，按照两步硝 化理论将自养型微生物被分成了两个部分：氨氧化细菌(XNoB)和亚硝化氧化细菌 (XNoB)。异养型细菌依然采用一个组分进行描述，因为完成两步反硝化作用的细 菌是同一类。其他新添加的组分是硝态氮(SN03)和亚硝态氮(SN02)，而在ASMl 模型中是作为一个组分进行考虑的。出于氮平衡的考虑，ASMl