活性污泥數(shù)學模型.pdf

活性污泥數(shù)學模型活性污泥數(shù)學模型 ASMs簡介簡介 提綱 一 仿真 二 模型分類 三 傳統(tǒng)活性污泥數(shù)學模型簡介 四 IAWQ活性污泥數(shù)學模型發(fā)展的歷史 五 活性污泥1號模型 ASM1 六 ASM3和ASM2 ASM2d 一 仿真 模擬 1 仿真的定義和分類 仿真 Simulation 模擬 當問題有一定 的復雜性時 可以先建立該問題的模型 Model 并以模型為基礎對問題進行 分析 這一過程 稱為仿真 仿真分為物理仿真和數(shù)學仿真 2 仿真和試驗的關系 對立統(tǒng)一 仿真可以減少試驗量 節(jié)省試驗費用 為試驗提供參考數(shù)據(jù) 仿真模型中的參數(shù) 需通過試驗來確定 仿真的結果需通過試驗來驗證 將仿真與試驗有機地結合在一起 是研 究復雜系統(tǒng)的有效方法 二 模型分類 數(shù)學模型分為機理模型和統(tǒng)計模型 機理模型是依據(jù)過程的質量 能量 動 量守恒原則 以及反應動力學等原理來 建立模型 屬于 白箱 模型 統(tǒng)計模型是依據(jù)過程輸入 輸出數(shù)據(jù) 利用一定的統(tǒng)計方法對數(shù)據(jù)進行分析來 建立模型 屬于 黑箱 模型 即利用過程機理又利用測試數(shù)據(jù)來建立 的混合模型屬于 灰箱 模型 三 傳統(tǒng)活性污泥數(shù)學模型簡介 1942年Monod提出了以米 門公式為基礎 的Monod方程 SK S s max 三 傳統(tǒng)活性污泥數(shù)學模型簡介 表示有機物降解的傳統(tǒng)典型模型 Eckenfelder 1955年 Mckinny 1961年 和 Lawrence McCarty 1970年 活性污泥法模 型 以上三個模型都是靜態(tài)模型 僅考慮了 污水中含碳有機污染物的去除 無論是 參數(shù)的求解還是計算過程都相對簡單 四 四 IAWQ活性污泥數(shù)學模型發(fā)展的歷史活性污泥數(shù)學模型發(fā)展的歷史 1986年推出活性污泥年推出活性污泥1號模型 號模型 ASM1 包 包 括去除污水中有機碳以及硝化和反硝化等過括去除污水中有機碳以及硝化和反硝化等過 程 程 1995年推出活性污泥年推出活性污泥2號模型 號模型 ASM2 包 包 含了脫氮和生物除磷處理過程 含了脫氮和生物除磷處理過程 1999年年ASM2被拓展為被拓展為ASM2d 將反硝化聚 將反硝化聚 磷菌包含在內 磷菌包含在內 1998年推出了活性污泥年推出了活性污泥3號模型 號模型 ASM3 所包含的主要反應過程和所包含的主要反應過程和ASM1相同 是對相同 是對 ASM1的改進 更適合于實際應用 的改進 更適合于實際應用 五 活性污泥五 活性污泥1號模型 號模型 ASM1 模型建立的方法模型建立的方法 模型表述模型表述 模型的組分模型的組分 模型中的反應過程模型中的反應過程 模型的參數(shù)模型的參數(shù) 模型實際使用中的約束條件模型實際使用中的約束條件 一 模型建立的方法 1 矩陣格式 2 統(tǒng)一單位 3 基本符號 4 質量守恒定律的應用 5 連續(xù)性檢查連續(xù)性檢查 6 設置模型假定 7 活性污泥1號模型的表述 1 矩陣格式矩陣格式 建立矩陣的第一個步驟是確定模型中相關的建立矩陣的第一個步驟是確定模型中相關的組分組分 列于 列于 表頭 表底列出它們對應的名稱和單位 表頭 表底列出它們對應的名稱和單位 第二個步驟是定義發(fā)生在系統(tǒng)中的第二個步驟是定義發(fā)生在系統(tǒng)中的生物過程生物過程 即影響列 即影響列 表中組分轉化和變化表中組分轉化和變化 的過程 列于矩陣最左列 的過程 列于矩陣最左列 在矩陣對應行的最右列列出了每個過程的在矩陣對應行的最右列列出了每個過程的動力學表達式動力學表達式 或速率方程式或速率方程式 表的右下角定義了速率方程中的動力 表的右下角定義了速率方程中的動力 學參數(shù) 學參數(shù) 矩陣內的元素是矩陣內的元素是化學計量系數(shù)化學計量系數(shù)vij 描述了單個過程中各 描述了單個過程中各 組分之間的數(shù)量關系組分之間的數(shù)量關系 矩陣中約定的符號為 負號表 矩陣中約定的符號為 負號表 示消耗 正號表示產生 表的左下角列出了定義的全部示消耗 正號表示產生 表的左下角列出了定義的全部 化學計量系數(shù) 化學計量系數(shù) Peterson matrix presentation 異養(yǎng)微生物好氧生長的過程動力學和化學計量學異養(yǎng)微生物好氧生長的過程動力學和化學計量學 2 統(tǒng)一單位 統(tǒng)一單位 對于含碳有機物 其濃度用對于含碳有機物 其濃度用COD mg L 表示 表示 對于溶解氧 是負的對于溶解氧 是負的COD值值 其濃度用 其濃度用 COD mg L 表示 表示 對于微生物 其濃度用對于微生物 其濃度用COD mg L 表示 表示 對于氨氮 對于氨氮 NH3 N 用 用N mg L 表示 根據(jù)反應 表示 根據(jù)反應 NH3 2O2HNO3 H2O 1g NH3 N相當于相當于4 57g COD 對于對于NO3 N 用 用N mg L 表示 根據(jù)氧化還原反應 表示 根據(jù)氧化還原反應 在獲得在獲得1mol電子時 需電子時 需1 5mol NO3 或或1 4mol O2 因此 因此 1g NO3 N相當于相當于2 86 g O2 即 即 2 86 g COD 對于堿度 用對于堿度 用HCO3 mol L 表示 由于堿度本身不 表示 由于堿度本身不 參與其它組分的反應 其單位不同對于速率方程無影參與其它組分的反應 其單位不同對于速率方程無影 響 響 3 基本符號基本符號 X 不可溶組分或顆粒性組分不可溶組分或顆粒性組分 S 可溶性組分可溶性組分 B 微生物 下標 微生物 下標 S 易降解有機底物 下標 易降解有機底物 下標 I 惰性有機物質 下標 惰性有機物質 下標 O 氧氣氧氣 下標 下標 NH 氨氮 下標 氨氮 下標 NO 硝態(tài)氮 包括硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮 硝態(tài)氮 包括硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮 下標 下標 ND 可生物降解有機氮 下標 可生物降解有機氮 下標 ALK 堿度 下標 堿度 下標 4 質量守恒定律的應用 輸入量 輸出量 反應量 累積量 組分i的反應速率 j jiji r 例 系統(tǒng)內某一點微生物例 系統(tǒng)內某一點微生物XB 溶解性底 溶解性底 物物SS 溶解氧 溶解氧SO的反應速率的反應速率 例 系統(tǒng)內某一點微生物例 系統(tǒng)內某一點微生物XB 溶解 溶解 性底物性底物SS 溶解氧 溶解氧SO的反應速率的反應速率 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 連續(xù)性檢查連續(xù)性檢查 單個反應過程中化學計量系數(shù)的總和為 零 6 模型假定 模型假定 系統(tǒng)運行溫度恒定 系統(tǒng)運行溫度恒定 pH值恒定而且接近中性 值恒定而且接近中性 微生物所需營養(yǎng)充足 微生物所需營養(yǎng)充足 進水污染物濃度可變 但組成和性質不變 進水污染物濃度可變 但組成和性質不變 微生物的種群和濃度處于正常狀態(tài) 微生物的種群和濃度處于正常狀態(tài) 假設微生物對顆粒有機物的捕捉是瞬時進行的假設微生物對顆粒有機物的捕捉是瞬時進行的 有機物和有機氮的水解同時進行 且速率相等 有機物和有機氮的水解同時進行 且速率相等 系統(tǒng)中電子受體的存在類型不影響由衰減引起系統(tǒng)中電子受體的存在類型不影響由衰減引起 的活性污泥生物量損失 的活性污泥生物量損失 二沉池內無生化反應 僅為一個固液分離裝置二沉池內無生化反應 僅為一個固液分離裝置 二 二 活性污泥活性污泥1號模型的表述號模型的表述 表 2 2 碳氧化 硝化及反硝化的過程動力學與化學計量 組分 i 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 j 工藝過程 SI SS X1 XS XB H XB A XP SO SNO SNH SND XND SALK 工藝過程速率 j ML 3T 1 1 異養(yǎng)菌的 好氧生長 1 iXB 2 異養(yǎng)菌的 缺氧生長 1 iXB 3 自養(yǎng)菌的 好氧生長 1 4 異養(yǎng)菌的衰減 1 fP 1 fP iXB fPiXP bHXB H 5 自養(yǎng)菌的衰減 1 fP 1 fP iXB fPiXP bAXB A 6 可溶性有機 氮的氨化 1 1 kSSNDXB H 7 網(wǎng)捕性有機 物的水解 1 1 8 網(wǎng)捕性有機 的水解 1 1 j XND XB 觀察到的轉換速率 ML 3T 1 化學計量參數(shù) 異養(yǎng)菌產率 YH 自養(yǎng)菌產率 YA 顆粒性衰減產物的比 例 fP N在生物量COD中的 比值 iXB N在惰性懸浮COD中 的比例 iXP 可溶性惰性有機物質 M COD L 3 易生物降解基質 M COD L 3 顆粒性惰性有機物質 M COD L 3 慢速可生物降解基質 M COD L 3 異養(yǎng)性活性生物量 M COD L 3 自養(yǎng)性活性生物量 M COD L 3 由生物量衰減而產生的顆粒性產物 M COD L 3 氧 負 COD M COD L 3 硝酸鹽與亞硝酸鹽氮 M N L 3 NH4 NH3氮 M N L 3 溶解性可生物降解有機氮 M N L 3 顆粒性可生物降解有機氮 M N L 3 堿度 摩爾單位 動力學參數(shù) 異養(yǎng)生長與衰減 H KS KO H bH 自養(yǎng)生長與衰減 A KNH KO A bA 異養(yǎng)菌缺氧生長的校正因數(shù) g 氨化 kS 水解 kh KX 缺氧水解的校正因數(shù) 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 模型的組分 三 模型的組分 1 可溶性惰性有機物可溶性惰性有機物SI 2 易生物降解有機底物易生物降解有機底物SS 3 顆粒性惰性有機物顆粒性惰性有機物XI 4 慢速可生物降解有機底物慢速可生物降解有機底物XS 5 活性異養(yǎng)菌生物量活性異養(yǎng)菌生物量XB H 6 活性自養(yǎng)菌生物量活性自養(yǎng)菌生物量XB A 7 微生物衰減產生的顆粒性產物微生物衰減產生的顆粒性產物XP 8 溶解氧溶解氧SO 9 硝態(tài)氮硝態(tài)氮SNO 10 氨氮氨氮SNH 11 溶解性可生物降解有機氮溶解性可生物降解有機氮SND 12 顆粒性可生物降解有機氮顆粒性可生物降解有機氮XND 13 堿度堿度Salk 1 模型組分分類 有機組分 微生物 含氮組分 堿度 1 有機組分 惰性物質 廢水中有機物質的劃分是以其生物降解性為基廢水中有機物質的劃分是以其生物降解性為基 礎 礎 不可生物降解物質是生物惰性的不可生物降解物質是生物惰性的 用下標用下標I表表 示示 經過活性污泥系統(tǒng)處理后沒有形態(tài)上的 經過活性污泥系統(tǒng)處理后沒有形態(tài)上的 變化 變化 不可生物降解物質可分為兩部分 可溶的 不可生物降解物質可分為兩部分 可溶的 S 和顆粒性的 和顆粒性的 X 惰性溶解性有機物 惰性溶解性有機物 SI 的進出水濃度相同 的進出水濃度相同 惰性懸浮性 顆粒性 有機物 惰性懸浮性 顆粒性 有機物 XI 被活性污 被活性污 泥捕捉 并隨剩余污泥排出系統(tǒng) 泥捕捉 并隨剩余污泥排出系統(tǒng) 2 有機組分 可生物降解物質 可生物降解物質可生物降解物質 用下標用下標S表示表示 分為兩部分 易生物降分為兩部分 易生物降 解物質和慢速生物降解物質 解物質和慢速生物降解物質 易生物降解物質 易生物降解物質 SS 被當作可溶物來處理 而慢速 被當作可溶物來處理 而慢速 生物降解物質 生物降解物質 XS 被當作顆粒物處理 被當作顆粒物處理 易生物降解物質的分子結構一般較簡單易生物降解物質的分子結構一般較簡單 它們可以直它們可以直 接被異養(yǎng)微生物吸收并用于新微生物的生長接被異養(yǎng)微生物吸收并用于新微生物的生長 這些分這些分 子的一部分能量子的一部分能量 COD 被結合到了微生物中被結合到了微生物中 2 3 同時一部分能量被消耗來提供細胞合成所需的能量同時一部分能量被消耗來提供細胞合成所需的能量 1 3 這部分的電子轉移到外部的電子受體這部分的電子轉移到外部的電子受體 氧或硝氧或硝 酸鹽酸鹽 慢速降解物質一般具有較復雜的分子結構慢速降解物質一般具有較復雜的分子結構 在其被利在其被利 用之前用之前 必須經胞外水解反應轉化為易生物降解物質必須經胞外水解反應轉化為易生物降解物質 假設慢速生物降解物轉化為易生物降解形式過程沒有假設慢速生物降解物轉化為易生物降解形式過程沒有 能量的利用能量的利用 這樣也沒有與它們相關的電子受體的利這樣也沒有與它們相關的電子受體的利 用用 3 異養(yǎng)微生物 異養(yǎng)微生物 XB H 異養(yǎng)微生物的繁殖是通過在好氧或缺氧條件下異養(yǎng)微生物的繁殖是通過在好氧或缺氧條件下 利用易生物降解物質生長 而假定其在厭氧條利用易生物降解物質生長 而假定其在厭氧條 件下停止生長 件下停止生長 微生物因為衰減而損失 假定衰減的結果是生微生物因為衰減而損失 假定衰減的結果是生 物體轉化為慢速生物降解物物體轉化為慢速生物降解物XS和顆粒物和顆粒物Xp 由衰減生成的慢速生物降解物質可轉化為用于由衰減生成的慢速生物降解物質可轉化為用于 新細胞生長的物質 新細胞生長的物質 Xp對進一步的生物作用呈惰性 對進一步的生物作用呈惰性 4 自養(yǎng)微生物 自養(yǎng)微生物 XB A 自養(yǎng)微生物 硝化菌 的繁殖是通過在自養(yǎng)微生物 硝化菌 的繁殖是通過在 好氧條件下利用氨氮為能源 所需碳源好氧條件下利用氨氮為能源 所需碳源 為無機碳化合物 為無機碳化合物 自養(yǎng)微生物因為衰減而損失 假定衰減自養(yǎng)微生物因為衰減而損失 假定衰減 的結果是生物體轉化為慢速生物降解物的結果是生物體轉化為慢速生物降解物 XS和顆粒物和顆粒物Xp Xp對進一步的生物作用對進一步的生物作用 呈惰性 呈惰性 5 生物衰減生成的顆粒產物 生物衰減生成的顆粒產物XP XP由異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌的衰減形成 由異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌的衰減形成 XP是生物惰性的 實際上 這部分生是生物惰性的 實際上 這部分生 物體也許并不完全對生物處理呈惰性 物體也許并不完全對生物處理呈惰性 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 系統(tǒng)的系統(tǒng)的SRT內 它可看作是惰性的 內 它可看作是惰性的 在模型中加入這個組分 是為了解釋這在模型中加入這個組分 是為了解釋這 樣一種現(xiàn)象 在活性污泥系統(tǒng)中并不是樣一種現(xiàn)象 在活性污泥系統(tǒng)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 含氮組分 含氮組分 含氮組分分為不可生物降解和可生物降含氮組分分為不可生物降解和可生物降 解物質解物質 不可生物降解的含氮組分是和不可生物不可生物降解的含氮組分是和不可生物 降解顆粒狀降解顆粒狀COD XI 相聯(lián)系的 相聯(lián)系的 可溶不可生物降解的含氮組分少到可忽可溶不可生物降解的含氮組分少到可忽 略不計 略不計 可生物降解含氮物質劃分為 氨氮可生物降解含氮物質劃分為 氨氮SNH 可溶性有機氮可溶性有機氮SND和顆粒性有機氮和顆粒性有機氮XND 含氮組分的轉化 水解 顆粒性有機氮溶解性有機氮 氨化細菌 異養(yǎng)菌自養(yǎng)菌 氮氣硝酸鹽氮氨氮 缺氧反硝化好氧硝化 自養(yǎng)菌或異養(yǎng)菌的細胞衰減均能導致顆粒性有機氮的釋放 這部 分被釋放的有機氮能重新回到系統(tǒng)的循環(huán)中 7 總堿度 總堿度SALK 所有包含質子增減的反應都能引起堿度的變化所有包含質子增減的反應都能引起堿度的變化 異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌合成過程中氨氮向氨基酸的轉化 異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌合成過程中氨氮向氨基酸的轉化 有機氮的氨化過程 有機氮的氨化過程 硝化過程 硝化過程 反硝化過程反硝化過程 堿度可以提供預測堿度可以提供預測pH的變化信息的變化信息 判斷反應 判斷反應 的正常與異常情況 的正常與異常情況 總堿度低于總堿度低于50g m3 碳酸鹽當量碳酸鹽當量 1mol總堿度總堿度 m3 pH值將變得不值將變得不 穩(wěn)定且將降到穩(wěn)定且將降到6以下 以下 ASM1的組分總結的組分總結 四四 模型中的反應過程 模型中的反應過程 1 異養(yǎng)菌的好氧生長異養(yǎng)菌的好氧生長 2 異養(yǎng)菌的缺氧生長異養(yǎng)菌的缺氧生長 3 自養(yǎng)菌的好氧生長自養(yǎng)菌的好氧生長 4 異養(yǎng)菌的衰減異養(yǎng)菌的衰減 5 自養(yǎng)菌的衰減自養(yǎng)菌的衰減 6 可溶性有機氮的氨化可溶性有機氮的氨化 7 絮集性有機物的水解絮集性有機物的水解 8 絮集性有機氮的水解絮集性有機氮的水解 1 異養(yǎng)菌的好氧生長 異養(yǎng)菌的好氧生長 異養(yǎng)菌好氧生長是以溶解性易降解物質異養(yǎng)菌好氧生長是以溶解性易降解物質 為底物 同時有氧的利用 為底物 同時有氧的利用 氨氮主要作為營養(yǎng)物從溶液中去除并結氨氮主要作為營養(yǎng)物從溶液中去除并結 合到細胞中 合到細胞中 異養(yǎng)菌好氧生長動力學受雙重營養(yǎng)物限異養(yǎng)菌好氧生長動力學受雙重營養(yǎng)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 率的決定因素 率的決定因素 異養(yǎng)菌的好氧生長過程以異養(yǎng)菌異養(yǎng)菌的好氧生長過程以異養(yǎng)菌 的好氧反應動力學方程為基礎的好氧反應動力學方程為基礎 BH OHO O SS S H BH X SK S SK S dt dX 1 2 異養(yǎng)菌的缺氧生長 異養(yǎng)菌的缺氧生長 異養(yǎng)菌的缺氧生長依賴于易生物降解底物 硝異養(yǎng)菌的缺氧生長依賴于易生物降解底物 硝 態(tài)氮作為電子受體態(tài)氮作為電子受體 根據(jù)根據(jù)COD物料恒算物料恒算 硝態(tài)氮的去除量和易生物硝態(tài)氮的去除量和易生物 降解物質去除量與細胞生成量之差成比例 降解物質去除量與細胞生成量之差成比例 氨氮作為營養(yǎng)轉化為微生物中的有機氮 氨氮作為營養(yǎng)轉化為微生物中的有機氮 缺氧條件下底物去除的最大速率比好氧條件下缺氧條件下底物去除的最大速率比好氧條件下 要小 考慮這一影響所采用的方法是在速率表要小 考慮這一影響所采用的方法是在速率表 達式中加入一個經驗系數(shù)達式中加入一個經驗系數(shù) g g 1 0 缺氧反硝化過程 3222753233 68 1 47 0 06 0 24 0 08 1 HCOOHNNOHCCOHOHCHNO 在生物反硝化過程中 不僅可以使硝態(tài)氮化合物被還 原 而且還可使有機碳底物得到氧化分解 因此 反 硝化作用可同時起到去碳和脫氮的效果 從上式可以 計算出 每還原1gNO3 N需消耗2 47g甲醇 約合3 7g COD 可產生0 45g 新細胞和3 57gCaCO3堿度 NON 3 CaCO3 異養(yǎng)菌的缺氧生長以異養(yǎng)菌的缺異養(yǎng)菌的缺氧生長以異養(yǎng)菌的缺 氧生長動力學方程為基礎氧生長動力學方程為基礎 HBg NONO NO OHO HO SS S A BH X SK S SK K SK S dt dX 2 3 自養(yǎng)微生物的好氧生長 硝化過程 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計 完成硝化需氧4 57克 需 堿度7 14克 以CaCO3計 可使亞硝酸菌和硝酸菌分別 增殖0 146克和0 019克 共0 165克 自養(yǎng)菌的好氧生長以自養(yǎng)菌的好 氧生長動力學方程為基礎 AB OAO O NHNH NH A BA X SK S SK S dt dX 3 4 異養(yǎng)菌的衰減 異養(yǎng)菌的衰減 采用了死亡再生理論 采用了死亡再生理論 衰減的作用是將微生物轉化為顆粒物和慢速生物降解衰減的作用是將微生物轉化為顆粒物和慢速生物降解 底物 生成的慢速生物降解物質隨后水解 釋放等量底物 生成的慢速生物降解物質隨后水解 釋放等量 的易生物降解的易生物降解COD 因此每一單位細胞 因此每一單位細胞COD的消耗將的消耗將 最終導致一單位最終導致一單位COD的形成 即易生物降解底物與生的形成 即易生物降解底物與生 成的惰性顆粒產物成的惰性顆粒產物COD之和 之和 在這過程中沒有在這過程中沒有COD損失 也不利用電子受體 損失 也不利用電子受體 在好氧條件或缺氧條件下 水解生成的易生物降解底在好氧條件或缺氧條件下 水解生成的易生物降解底 物將被用來合成新細胞 物將被用來合成新細胞 如果既沒有氧又沒有硝態(tài)氮可利用 將不會發(fā)生任何如果既沒有氧又沒有硝態(tài)氮可利用 將不會發(fā)生任何 轉化 慢速生物降解底物將產生積累 轉化 慢速生物降解底物將產生積累 無論環(huán)境條件如何 衰減總是以恒定的速率進行 即無論環(huán)境條件如何 衰減總是以恒定的速率進行 即 bH不是電子受體或其濃度的函數(shù) 不是電子受體或其濃度的函數(shù) ASM1中微生物的生長與衰減中微生物的生長與衰減 SOSNH SNO XP XS SSXBH SO 硝化菌 異養(yǎng)菌 水解 生長 衰減 衰減 生長 XBA 異養(yǎng)菌的衰減以異養(yǎng)菌的衰減異養(yǎng)菌的衰減以異養(yǎng)菌的衰減 動力學方程為基礎動力學方程為基礎 BHH BH Xb dt dX 4 5 自養(yǎng)菌的衰減自養(yǎng)菌的衰減 和異養(yǎng)菌的衰減完全相似和異養(yǎng)菌的衰減完全相似 自養(yǎng)菌的衰減速率常數(shù)可能比異養(yǎng)菌的自養(yǎng)菌的衰減速率常數(shù)可能比異養(yǎng)菌的 小小 自養(yǎng)菌的衰減以自養(yǎng)菌的衰減自養(yǎng)菌的衰減以自養(yǎng)菌的衰減 動力學方程為基礎動力學方程為基礎 BAA BA Xb dt dX 5 6 可溶性有機氮的氨化 可溶性有機氮的氨化 有機氮在氨化細菌的作用下 可以轉化有機氮在氨化細菌的作用下 可以轉化 為氨氮 為氨氮 微生物轉化為慢速生物降解物質繼而至微生物轉化為慢速生物降解物質繼而至 易生物降解物質的同時 也伴隨著有機易生物降解物質的同時 也伴隨著有機 氮向氨氮的轉化 氮向氨氮的轉化 可溶性有機氮的氨化以氨氮增可溶性有機氮的氨化以氨氮增 長的動力學方程為基礎長的動力學方程為基礎 BHNHa NH XSK dt dS 6 7 絮集性有機物的水解 絮集性有機物的水解 絮集性有機物的水解速率與存在的異養(yǎng) 菌濃度成一級反應關系 當被網(wǎng)捕絮集的慢速可降解有機底物量 相對于微生物量來說已很大時 水解速 率將接近于飽和 因為需要酶的合成 速率必然與存在的 電子受體的濃度有關 因此假定在氧氣 和硝酸鹽都不存在的情況下水解速率趨 向零 絮集性有機物的水解以易降解有絮集性有機物的水解以易降解有 機物機物SS的增長動力學方程為基礎的增長動力學方程為基礎 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 絮集性有機氮的水解 假設有機氮被均勻地分散在慢速生物降假設有機氮被均勻地分散在慢速生物降 解有機底物中解有機底物中 這樣被絮集有機氮的水這樣被絮集有機氮的水 解速率與慢速生物降解有機物質的水解解速率與慢速生物降解有機物質的水解 速率成正比速率成正比 絮集性有機氮的水解以易降解有機氮絮集性有機氮的水解以易降解有機氮 SND的增長動力學方程為基礎的增長動力學方程為基礎 78 dt dS X X dt dS S S NDND 五 過程動力學方程 五 過程動力學方程 相對參與某一子過程反應的某一組分 可寫出相對參與某一子過程反應的某一組分 可寫出 一個反應動力學方程 來表示該組分的濃度在一個反應動力學方程 來表示該組分的濃度在 該子過程反應中隨時間的變化情況 該子過程反應中隨時間的變化情況 對于某一子過程 可寫出一個或幾個組分的動對于某一子過程 可寫出一個或幾個組分的動 力學方程 力學方程 一般以某一組分生長或衰減的反應動力學方程一般以某一組分生長或衰減的反應動力學方程 作為基本方程 其他組分的反應動力學方程以作為基本方程 其他組分的反應動力學方程以 該基本方程為基礎 通過化學計量系數(shù)調整來該基本方程為基礎 通過化學計量系數(shù)調整來 獲得 獲得 例 異養(yǎng)菌好氧生長過程的 反應動力學方程 涉及的組分 異養(yǎng)菌涉及的組分 異養(yǎng)菌XBH 可溶性 可溶性 易降解有機物易降解有機物SS 溶解氧 溶解氧SO 氨氮 氨氮 SNH 堿度 堿度SALK 基本速率方程 異養(yǎng)菌的好氧生基本速率方程 異養(yǎng)菌的好氧生 長反應動力學方程長反應動力學方程 BH OHO O SS S H BH X SK S SK S dt dX 1 相關速率方程 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 組分的總動力學方程式 六 組分的總動力學方程式 j jiji r 例 易生物降解基質例 易生物降解基質Ss的轉化過程的轉化過程 在異養(yǎng)菌好氧生長過程 在異養(yǎng)菌好氧生長過程 1 中消耗中消耗 在異養(yǎng)菌缺氧生長過程 在異養(yǎng)菌缺氧生長過程 2 中消耗中消耗 在被絮集吸附的慢速有機物水解過程 在被絮集吸附的慢速有機物水解過程 7 中生成中生成 易生物降解基質易生物降解基質Ss的總反應動的總反應動 力學方程力學方程 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 模型的參數(shù) 六 模型的參數(shù) 1 化學計量參數(shù) 化學計量參數(shù) 5個 個 符號符號名名稱稱單單位位 Y A 自養(yǎng)菌產率系數(shù)自養(yǎng)菌產率系數(shù) 生成細胞生成細胞 gCOD 氧化氧化 g N YH異養(yǎng)菌產率系數(shù)異養(yǎng)菌產率系數(shù) 生成細胞生成細胞 gCOD 氧化氧化 g COD fP生物體中可轉化為顆粒性產生物體中可轉化為顆粒性產 物的比例物的比例 無量綱無量綱 iXB生物體生物體COD中的含氮比例中的含氮比例 g N g COD 生物量 生物量 iXP生物體產物生物體產物COD中的含氮比中的含氮比 例例 g N g COD 內源代謝內源代謝 產物產物 六 模型的參數(shù) 六 模型的參數(shù) 2 反應動力學參數(shù) 反應動力學參數(shù) 14個 個 符號符號名名稱稱單單位位 異養(yǎng)菌最大比增長速率異養(yǎng)菌最大比增長速率d 1 KS異養(yǎng)菌半飽和系數(shù)異養(yǎng)菌半飽和系數(shù)g COD m3 KO H異養(yǎng)菌的氧半飽和系數(shù)異養(yǎng)菌的氧半飽和系數(shù)g O2 m3 KNO反硝化菌的硝酸鹽半飽和系數(shù)反硝化菌的硝酸鹽半飽和系數(shù)g NO3 N m3 bH異養(yǎng)菌的衰減系數(shù)異養(yǎng)菌的衰減系數(shù)d 1 缺氧條件下缺氧條件下 H的校正因子的校正因子無量綱無量綱 缺氧條件下水解校正因子缺氧條件下水解校正因子無量綱無量綱 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 細胞細胞COD d KX 慢速可生物降解底物水解的半飽和系數(shù)慢速可生物降解底物水解的半飽和系數(shù)g 慢速可生物降解慢速可生物降解COD g 細胞細胞COD 自養(yǎng)菌最大比增長速率自養(yǎng)菌最大比增長速率d 1 KNH自養(yǎng)菌的氨半飽和系數(shù)自養(yǎng)菌的氨半飽和系數(shù)g NH3 N m3 KO A自養(yǎng)菌的氧半飽和系數(shù)自養(yǎng)菌的氧半飽和系數(shù)g O2 m3 ba自養(yǎng)菌衰減系數(shù)自養(yǎng)菌衰減系數(shù)d 1 ka氨化速率氨化速率m3 COD g d H h g A 七 七 模型中化學計量系數(shù)剖析模型中化學計量系數(shù)剖析 假定如下反應發(fā)生 C18H19O9N O2 H C5H7O2N CO2 H2O 我們可以寫成 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 統(tǒng)一單位的必要性 對活性污泥過程的13個組分可建立13個 方程 某一組分可能出現(xiàn)在不止一個方 程中 因此必須對13個方程聯(lián)立求解 才能得出13個組分的濃度 在計算過程中統(tǒng)一各組分的濃度單位 是求解方程得必要條件 ASM1中各組分的單位 對于含碳有機物 其濃度用對于含碳有機物 其濃度用COD mg L 表示 表示 對于溶解氧 是負的對于溶解氧 是負的COD值值 其濃度用 其濃度用 COD mg L 表示 表示 對于微生物 其濃度用對于微生物 其濃度用COD mg L 表示 表示 1g微生物微生物 相當于相當于1 42g COD 對于氨氮 對于氨氮 NH3 N 用 用N mg L 表示 表示 1g NH3 N 相當于相當于4 57g COD 對于對于NO3 N 用 用N mg L 表示 表示 1g NO3 N相當于相當于 2 86 g O2 即 即 2 86 g COD 對于堿度 用對于堿度 用HCO3 mol L 表示 由于堿度本身不 表示 由于堿度本身不 參與其它組分的反應 其單位不同對于速率方程無影參與其它組分的反應 其單位不同對于速率方程無影 響 響 氨氮單位的換算氨氮單位的換算 NH3 2O2HNO3 H2O 14g 64g 1g 4 57g 硝酸鹽氮單位的換算 NO3 6H 5e 1 2N2 3H2O O2 4H 4e 2H2O 在獲得1mol電子時 需1 5mol NO3 或1 4mol O2 因此1g N 4 43gNO3 相當于2 86 g O2 微生物的單位換算 C5H7O2N 5O2CO2 H2O NH3 113g 160g 1g 1 42g 矩陣中的化學計量系數(shù)矩陣中的化學計量系數(shù)vij 矩陣內化學計量系數(shù)矩陣內化學計量系數(shù)vij 描述了單個過 描述了單個過 程中各組分之間的數(shù)量關系 程中各組分之間的數(shù)量關系 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 物增長 物增長 1 代謝過程中氧被利用 代謝過程中氧被利用 1 YH YH 系數(shù)系數(shù)vij對有機物 含氮物質 堿度分別對有機物 含氮物質 堿度分別 取一致的單位 并分別符合連續(xù)性原則 取一致的單位 并分別符合連續(xù)性原則 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 化學計量系數(shù)化學計量系數(shù)v9 2 根據(jù)連續(xù)性原則根據(jù)連續(xù)性原則 V9 2 1 YH YH 組分組分SNO的單位為的單位為mg COD L 1 YH 2 86YH 組分 組分SNO的單位為的單位為mg N L 化學計量系數(shù)v8 3 57 4 LmgCODdS LmgCODdX LmgNdS LmgCODdX Y NH BA NH BA A 1 Y A 組分SNH的單位為mg N L 4 57 Y A 組分SNH的單位為mg COD L 根據(jù)連續(xù)性原則 V8 3 1 1 Y A 組分SNH的單位為mg N L 1 4 57 Y A 組分SNH的單位為mg COD L 4 57 Y A YA 組分SNH的單位為mg COD L 化學計量系數(shù)v13 2 硝酸鹽氮還原產生堿度硝酸鹽氮還原產生堿度 氨氮氧化氨氮氧化 用于用于異異異養(yǎng)菌缺氧生長異養(yǎng)菌缺氧生長1個個 單位質量濃度單位質量濃度 還原的硝酸鹽質量濃度為 還原的硝酸鹽質量濃度為 養(yǎng)養(yǎng)菌生長菌生長 消耗消耗堿度堿度 H H Y Y 86 2 1 摩爾濃度為 摩爾濃度為 H H Y Y 86 2 14 1 氨氮參與異養(yǎng)菌生長的質量濃度為氨氮參與異養(yǎng)菌生長的質量濃度為iXB 摩爾濃度為摩爾濃度為iXB 14 因此異養(yǎng)菌缺氧生長因此異養(yǎng)菌缺氧生長1個單位質量濃度個單位質量濃度 堿度的變化值為 堿度的變化值為 1486 2 14 1 XB H H i Y Y 三 模型參數(shù)的估計三 模型參數(shù)的估計 1 可以假設的參數(shù)值可以假設的參數(shù)值 符符 號號名名 稱稱 YA自養(yǎng)菌產率系數(shù)自養(yǎng)菌產率系數(shù) bA自養(yǎng)菌衰減系數(shù)自養(yǎng)菌衰減系數(shù) fP生物體中可轉化為顆粒性產物的比例生物體中可轉化為顆粒性產物的比例 iXB生物體生物體COD中的含氮比例中的含氮比例 iXP生物體產物生物體產物COD中的含氮比例中的含氮比例 KO H異養(yǎng)菌的氧半飽和系數(shù)異養(yǎng)菌的氧半飽和系數(shù) KNO反硝化菌的硝酸鹽半飽和系數(shù)反硝化菌的硝酸鹽半飽和系數(shù) KO A自養(yǎng)菌的氧半飽和系數(shù)自養(yǎng)菌的氧半飽和系數(shù) 2 需估測的動力學參數(shù) 需估測的動力學參數(shù) H A g 符符 號號名名 稱稱前期所需信息前期所需信息 YH異養(yǎng)菌產率系數(shù)異養(yǎng)菌產率系數(shù) 自養(yǎng)菌最大比增長速率自養(yǎng)菌最大比增長速率bA KNH自養(yǎng)菌的氨半飽和系數(shù)自養(yǎng)菌的氨半飽和系數(shù) bH異養(yǎng)菌的衰減系數(shù)異養(yǎng)菌的衰減系數(shù)YH fP 缺氧條件下缺氧條件下 H的校正因子的校正因子 缺氧條件下水解校正因子缺氧條件下水解校正因子 異養(yǎng)菌最大比增長速率系數(shù)異養(yǎng)菌最大比增長速率系數(shù) YH XS1 XI1 SS1 fP KS異養(yǎng)菌半飽和系數(shù)異養(yǎng)菌半飽和系數(shù) 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飽慢速可生物降解底物水解的半飽 和系數(shù)和系數(shù) 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 時參時參 數(shù)的典型數(shù)值數(shù)的典型數(shù)值 g 符符 號號單單位位參數(shù)值參數(shù)值 20 數(shù)值范圍數(shù)值范圍 YAg細胞細胞COD 氧化氧化g N0 240 07 0 28 YHg細胞細胞COD 氧化氧化g COD0 670 46 0 69 fP無量綱無量綱0 080 08 iXBg N g 生物量生物量COD0 0860 086 iXPg N g 內源代謝產物內源代謝產物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 無量綱無量綱0 80 6 1 0 無量綱無量綱0 40 4 khg 慢速可生物降解慢速可生物降解COD g 細胞細胞COD d3 03 0 KXg 慢速可生物降解慢速可生物降解COD g 細胞細胞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 模型實際使用中的約束條件模型實際使用中的約束條件 微生物的凈生長速率和微生物的凈生長速率和SRT必須在合適的范圍必須在合適的范圍 內內 以保證微生物絮體的形成以保證微生物絮體的形成 3 30d 污泥的沉降性能受進入二沉池中固體質量濃度污泥的沉降性能受進入二沉池中固體質量濃度 的影響的影響 750 7500gCOD m3 反應器曝氣死區(qū)比例不應大于反應器曝氣死區(qū)比例不應大于50 否則污泥沉否則污泥沉 降性能將會惡化降性能將會惡化 曝氣反應器中 混合強度不能太大曝氣反應器中 混合強度不能太大 ASM2 d 19個組分 21個反應過程 22個化學計量學參數(shù) 45個動力學參數(shù) 19個組分個組分 DenitrifByXPAO Anoxic growth of phosphate accumulating organisms on cell internal organic storage material Correction for ASM2d 21個反應過程個反應過程 ASM3 ASM1 的發(fā)展 ASM1 的缺陷 的缺陷 未考慮氮和堿度的限制對異養(yǎng)菌生長動力學的影響 導致某些環(huán)境出現(xiàn)負濃度 將溶解性和顆粒性可生物降解有機氮作為組分 這些 指標不易測定 給ASM1的使用帶來不必要的復雜性 氨化動力學不易量化 且該過程很快 對模型預測幾 乎無影響 將XI認為是進水和微生物衰減的產物 但實際應用中 二者難以區(qū)分 水解作用對預測氧的消耗量以及異養(yǎng)菌的反硝化有重 要影響 但實際這一過程表現(xiàn)了一些同時發(fā)生的作用 如有機體的水解 衰減和底物的貯存 因此該過程的 動力學參數(shù)難以確定 ASM3 ASM1 的發(fā)展 ASM1 的缺陷 的缺陷 衰減 水解和生長等過程常用于描述內源呼吸 的系列反應 如生物體中化合物的貯存 微生 物的死亡 捕食 衰減等 這一過程動力學參 數(shù)難于評估 未反映好氧和缺氧狀態(tài)下胞內PHA 脂類 糖 原的貯存 未考慮硝化菌在好氧和缺氧狀態(tài)下具有不同的 衰減速率 在高泥齡和缺氧區(qū)容積較大的情況 下 將導致最大硝化速率的預測偏差 不能直接預測MLSS 在呼吸實驗中經常得到較高的生物產率 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中微生物的生長與衰減中微生物的生長與衰減 SOSNH SNO XP XS SSXBH SO 硝化菌 異養(yǎng)菌 水解 生長 衰減 衰減 生長 XBA ASM3中微生物的生長與衰減中微生物的生長與衰減 SO SNHXI XSSSX