课时九 活性污泥法数学模型
1IAWQ活性污泥数学模型简介[工程类精品文档]
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1IAWQ活性污泥数学模型简介[工程类精品文档]本文内容极具参考价值,如若有用,请打赏支持,谢谢!IAWQ活性污泥数学模型简介为了鼓励环境科学家和工程师更广泛地把数学模型应用到废水生物处理系统的分析设计和运行管理中去，1983年，原国际水污染控制协会（IAWPRC）（国际水质协会IAWQ的前身）组织了南非、丹麦、美国等五国专家组成活性污泥工艺模型课题组来完成活性污泥处理系统数学模型的研究。
ASM课题组于1987年正式发表了技术报告，阐明了活性污泥1号模型（ASMNo.1）的主要特性。
它以矩阵的形式描述了污水中好氧、缺氧条件下所发生的水解、有机物降解、微生物生长、衰减等8种反应，模型中包含13种组分、5个化学计量系数和14个动力学参数[1].ASMNO.1自推出以来得到广泛应用，但它的缺陷是未包含磷的去除。
针对此问题，IAWQ专家组于1995年又推出活性污泥2号模型（ASMNo.2），它包含了磷的吸收和释放，增加了厌氧水解、酵解及与聚磷菌有关的4个反应过程。
因为生物除磷机理很复杂，所以ASMNo.2非常庞大，它包含19种物质、19种反应、22个化学计量系数以及42个动力学参数.该模型提出了包含化学需氧量（COD）、氮和磷去除过程在内的综合性生物处理工艺过程动态模拟理论，它不是生物除磷模型的最终方案，而是一种折中方案。
1999年IAWQ专家组经过对1号模型应用中问题的修正，推出活性污泥3号模型（ASMNo.3）。
ASMNo.3不以水解作用为重点、引入有机物在微生物体内的贮藏及内源呼吸，以强调细胞内部的活动过程。
ASMNo.3与ASMNo.1中主要现象是相关的，如以城市污水为主的活性污泥系统中的氧消耗、污泥产量、硝化和反硝化，但ASMNo.2中的生物除磷在此不予考虑。
ASMNo.3包括13个组分，12个生化过程。
ASMNo.3仅考虑微生物转化过程，不包括化学沉淀，但基于ASMNo.2（包含磷的吸收和释放过程）所提供的信息，很容易加入该过程.结语：借用拿破仑的一句名言：播下一个行动，你将收获一种习惯；播下一种习惯，你将收获一种性格；播下一种性格，你将收获一种命运。
活性污泥法的设计计算PPT课件
二、劳伦斯-麦卡蒂（Lawrence -McCarty）法
细胞平均停留时间
二、劳伦斯-麦卡蒂法
1、劳伦斯和麦卡蒂根据莫诺特方程提出了曝气 池中基质去除速率和微生物浓度的关系方程：
q qmaxKsCsCs
dS/dt = KS•x / (Ks+S)
2、微生物的增长和基质的去除关系方程：
九、活性生物滤池（ABF）工艺
塔高4~6m，设计负荷率为3.2kg/m3•d，去除率65%，塔的出流含氧率 达6~8mg/L，混合液需氧速率可达30~300mg/L•h。
十、吸附-生物降解工艺（AB）
A级以高负荷或超高负荷运行（污泥负荷大于2.0kgBOD5/kgMLSS•d），B 级以低负荷运行（污泥符合一般为0.1~0.3kgBOD5/kgMLSS•d ），A级曝气池 停留时间短，30~60min， B级停留2~4h。
回流比 R = Qr/Q = 0.78
9.5 活性污泥法的发展和演变
一、普通曝气法
全池呈推流型，停 留时间为4~8h，污泥 回流比20~50%，池 内污泥浓度2~3g/L， 剩余污泥量为总污泥 量的10%左右。优点 在于因曝气时间长而 处理效率高，一般 BOD去除率为 90~95%，特别适用 于处理要求高而水质 比较稳定的废水。
六、氧化沟
当用转刷曝气时，水深不 超过2.5m，沟中混合液流 速0.3~0.6m/s。
9.5 活性污泥法的发展和演变
七、接触稳定（吸附再生）法
可提高池容积负荷，适应冲击负荷的 能力强，最适于处理含悬浮和胶体物质 较多的废水，如制革废水、焦化废水等。
八、纯氧曝气
在密闭的容器中，溶解氧饱和浓度可提高，氧溶解的推动力提高，氧传递速 率增加，污泥的沉淀性能好。曝气时间短，约1.5~3.0h，MLSS较高，约 4000~8000mg/L。
活性污泥法污水处理数学模型的发展和应用
活性污泥法污水处理数学模型的发展和应用活性污泥法污水处理数学模型的发展和应用污水处理是国家和社会发展中的一个重要环节。
随着工业化和城市化进程的加快，污水处理厂的建设和运行愈加重要。
活性污泥法是目前应用最广泛的一种污水处理技术，它通过活性污泥微生物群落的代谢活动来去除水中的有机物质和氮、磷等污染物。
为了更好地设计和运行活性污泥法污水处理系统，科学家们开展了大量的研究，并发展了一系列的数学模型。
本文将探讨活性污泥法污水处理数学模型的发展和应用。
首先，要了解活性污泥法的基本原理。
在活性污泥法污水处理系统中，活性污泥是核心元素。
活性污泥中的微生物以有机物为能源，通过氧化、还原反应分解有机物，从而将污水中的有机物质降解为水和二氧化碳。
此外，活性污泥还可以通过硝化和反硝化过程将水中的氨氮转化为硝酸盐和氮气，并通过磷酸盐的沉淀去除水中的磷。
因此，了解活性污泥的代谢特性和微生物群落结构对于优化污水处理系统非常重要。
由于活性污泥法处理系统的复杂性和实际运行中的不确定性，传统经验模型的优化和改进已经不能满足实际需求。
因此，科学家们开始研究并发展了数学模型，以预测和模拟活性污泥法处理系统的性能。
这些数学模型包括质量平衡模型、动力学模型和群体动力学模型等。
质量平衡模型是最基本的数学模型之一，它基于质量守恒原理，以质量浓度的变化作为变量，描述污水中有机物质和污染物的传输和转化。
质量平衡模型可以用来优化活性污泥污染物的去除效率，提高系统的稳定性和可靠性。
然而，质量平衡模型无法描述微生物群落的动态变化和相互作用。
为了更好地描述活性污泥法处理系统中微生物的动态行为，科学家们发展了动力学模型。
动力学模型以微生物群落的代谢过程为基础，通过微分方程组描述了有机物质和污染物的转化动力学。
这些模型可以用来预测系统的稳态和响应速度，优化供碳、氮和磷源的进料方式，提高活性污泥的处理效率。
群体动力学模型是动力学模型的进一步发展，它考虑了微生物群体内部的异质性和互作。
第四章___活性污泥法全解
将上式取倒数的得：
上式中V /Q为水力停留时间，用t表示，则上式变为：
气体传递原理和曝气设备
（一）曝气方式及原理
曝气类型：鼓风曝气、机械曝气（表面曝气、潜水曝气、 卧轴式曝气）、鼓风机械曝气 鼓风曝气：将鼓风机提供的压缩空气，通过管道系统送入 曝气池中空气扩散装置上，并以气泡形式扩散 到混合液中。（例如：微气泡扩散器） 鼓风机械曝气：采用鼓风装置将空气送入水下，用机械搅 拌的方法使空气和污水充分混合，本方法 适用于有机物浓度较高的污水。
（2）推导曝气池内微生物浓度与污泥泥龄的关系： 在稳态条件下，根据曝气池底物的物料平衡，有：
整理得：
将式③代入式②可得：
从上式解出X并整理得：
V /Q=t，上式中Q /V可替换成1/t 从上式可以看出，曝气池中的活性污泥浓度与进出 水水质、污泥泥龄和曝气时间等都相关。
（3）推导回流比R与污泥泥龄θc的关系： 对曝气池内生物量进行物料衡算⑥⑤：
（1）推导出水水质与污泥泥龄的关系 在稳态条件下，由系统活性污泥的物料守恒，有：
X0 — 进水中微生物浓度，gVSS /m3；
Xe — 出水中的污泥浓度，g/m3; XR — 排出的剩余污泥中的污泥浓度，g/m3； X — 曝气池中污泥浓度，gVSS /m3; V — 曝气池容积，m3; Q — 进水流量，m3/d；长、有机物降解、污泥沉淀性能 以及需氧量的重要因素，也是进行工艺设计的主要参数。 污泥膨胀与污泥 负荷有重要关系，一 般在低负荷和高负荷 都不会出现污泥膨胀， 而在1.0左右的中间负 荷时SVI值很高，属 于污泥膨胀区，在设 计或运行时避免采用 这一区域的负荷值。
（2）水温
一般二沉池沉淀效果良好时，出水中的SS小于15 mg/L,因 此，随出水排出的污泥量对污泥泥龄的影响相比剩余污泥对污 泥泥龄的影响小很多，一般可以忽略，因而污泥泥龄可简化为：
活性污泥模型概述
第1节活性污泥模型概述本节中，概述了数学方法模拟活性污泥过程的规则。
在本章的开始，对此过程的发展进行了概略的历史性回顾，同时，对现存过程中的大量变化因素进行了分析。
对近30年来活性污泥过程数学模拟的各种模型也进行了总结。
这里将重点放在了ASM模型的探讨上。
1.1.1 活性污泥基础理论发展回顾在活性污泥法污水处理工艺发明和建立能够对此工艺进行定量描述和详细设计的理论框架之间，存在着相当长的转换时间，之所以存在这样的转换时间，主要是由于：①对过程的机理解释存在许多假设，这些假设常常是与实际相矛盾；②这些假设常常很难用实际的数学模型来表达；③处理工艺的不断发展和改进使这些理论也要不断发展。
由于缺乏基础理论的指导，活性污泥法处理厂早期的设计方法更象是艺术而不是一门科学。
从1920年到1960年间，出现了很多活性污泥法对污水中有机物质去除机理的理论假设。
Arden和Lockett等人的初期研究中错误！未找到引用源。
，认识到污水净化过程中，物理的、化学的和生物的方法均起到了不同程度的作用。
这些作用现在已经有理论对其进行了解释，如絮凝理论、吸附理论、胶体理论、微生物理论、酶化学理论等等。
尽管在理论发展的早期，吸附理论在很长时间内是一个占主导地位，但是应该注意到的是，Buswell和Long等人在1923年就提出了基于生物机理的不同解释错误！未找到引用源。
，他们的研究认为，活性污泥絮体是由胶集的丝状和单细胞细菌组成，其中还包括原生和后生动物，污水中有机污染物的转化是通过絮体对污染物的摄取（ingestion）和同化（assimilation）过程完成的，同时将其转化为絮体中活性物质的一部分。
他们的理论后来被大多数研究者所接受，至今仍然没有得到质疑。
直到1940年，大量的试验研究才证明，吸附过程不是有机污染物去除的主要和决定性过程，如果吸附过程没有发生，那么必须有生物化学过程在对污染物的去除起作用。
McKee 和Fair等人认为，污水中污染物的去除机理是由物理吸附和生物降解两个过程组成错误！未找到引用源。
第四章 活性污泥法
将上式取倒数的得：
上式中V /Q为水力停留时间，用t表示，则上式变为：
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气体传递原理和曝气设备
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（一）曝气方式及原理
曝气类型：鼓风曝气、机械曝气（表面曝气、潜水曝气、 卧轴式曝气）、鼓风机械曝气
鼓风曝气：将鼓风机提供的压缩空气，通过管道系统送入 曝气池中空气扩散装置上，并以气泡形式扩散 到混合液中。（例如：微气泡扩散器）
第四章 活性污泥法
第三节 活性污泥法数学模型基础 第四节 气体传递原理和曝气设备
1
活性污泥法的影响因素：
活性污泥法污水处理设备就是要创造有利于微生物生理活
动的环境条件，充分发挥活性污泥微生物的代谢功能，必须充
分考虑影响活性污泥活性的环境因素，主要包括以下几点：
(1) 有机负荷
① 污泥负荷FW 每千克活性污泥每日所承担的降解有机物的千 克数，计算公式如下：
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（2）卧轴式曝气器 目前应用的主要是水平推流式表面曝气机，适用于氧化
沟。由水平轴和固定在轴上的叶轮组成，转轴带动叶片旋转搅 动水面溅起水花，空气中的氧通过气液界面转移到水中，同时 也推动氧化沟中的污水流动。 优点：负荷调节方便、维护管理简单、动力效率高。 （3）潜水曝气机
该类曝气机由叶轮、混合室、底座、进气管以及消音器等 组成。
进气管上端为空气入口，位于水面以上，下端与混合室连 通，由于叶轮旋转产生的高速水流在混合室形成负压，空气被 吸入并与液体混合，混合液从周边流出，完成对液体的充氧。 优点： ①结构紧凑、占地面积小、安装方便；
②除吸气口外，其余部分在水下，噪音小； ③产生气泡多而细、溶氧率高； ④采用潜污泵技术，叶轮采用无堵塞式，运行安全可靠
活性污泥法的动力学方程讨论及数学模型研究
式 中， Ｓ为可降解 的溶解性 限制基质浓度 ， 为微生物浓度 ，
一
为最大 比生长速率 。Ｍ ｎｄ原来的关系式是根据基 质浓 ｏｏ
度较高和微生物 比较 年轻的条件下试 验结果 导 出的。由于 微生物都很年轻 ， 质又很丰富 ， 基 因此微生物繁殖速度很快 ，
上述 的结果基本上 是正确的 。虽 然 Ｍｏｏ ｎｄ是采用单 一基 质 和单一菌种做的试验 ， 但在后来学者 的研究 中 ， 混合基 质 对 和混合菌种的培养 ， ｏｏ 关 系式基本上 也是正确 的。所 以 Ｍ ｎｄ Ｍ ｎｄ 系式被广泛地应用于混合培养中。 ｏｏ 关
Ｚ ＨＡＯ ｕ ｎ Ｊａ
（ ｈ ｄ矿Ｎ ｔ ａ ｅ ｌｃ ａｄＥ ｖｏ ＆ｏ ａｕｌ Ｒ￥ ｌｅ ｎ ｎｉ￣ ｒ ｏｒ ｒ
Ｅｇｎｅｉ ｎｉｅ ｒ ｉ ｇｉ ｒｔ ａ ｘ ｇ，Ｊ ｎ
ｏ ｃｎｅａｄＴｃｎｌ ｙ Ｃｌｈｌ Ｊ ｎｘ ３ ￣０ ） ｆＳｉ ｃ ｎ ｅ ｏ ｇ ｓｌ ｏ ，ｉ ｇｉ ４００ ｅ ｈ ｏ ａｇ ｌ ａ
行提供指导 。
关键词 活性 污泥法
底物浓度
溶解氧
微生物增长
动力学模型
Ｄｉ ｌ ｓｏ ｎ Ｋｉ ｅｉ ｑ ａｉ ｎ ｏ ｔ ａ ｅ ｌ ｄ ｅＭ ｅｈ ｄ ａ ｄ ｔ ｅＣｏ ｓ ｒ ｃｉ ｎ ｏ ｓ Ｋ ｉ ｎ ｏ ｎ ｔ Ｅ ｕ ｔ ｆＡｃ ｖ ｔｄ Ｓ ｕ ｇ ｔ ｏ ｎ ｈ ｎ ｔｕ ｔ ｆＭａ ｈ ｍ ａｉａ ｏ ｅｓ ｃｑ ｃ ｏ ｉ ｏ ｔ ｅ ｔ ｌＭ ｄ ｌ ｃ
细数活性污泥法数学模型ASM
第六讲第8章 ASM系列活性污泥数学模型8.1 引言20世纪80年代南非开普敦大学的G.v.R.Marais 教授就提出了碳、氮、磷去除的动态活性污泥模型，其研究处于领先的地位。
1982年国际水污染研究及控制协会（International Association on Water Pollution Research and Control, IAWPRC,现更名为国际水质协会，International Association on Water Quality, IAWQ）组织了丹麦、美国、瑞士、南非和日本五国五位专家成立了活性污泥法设计和运行数学模型课题组，该课题组由丹麦技术大学Mogens Henze教授任组长。
该课题组在1987年以国际水污染研究及控制协会系列科技研究报告（STR）1号的形式出版了研究成果，即活性污泥1号模型（Activated Sludge Model1,ASM1）。
活性污泥1号模型（ASM1）包括碳氧化、硝化和反硝化3个主要作用，以矩阵的形式描述了污水在好氧、缺氧条件下所发生的水解、微生物生长、衰减等8种生化反应过程，模型中包括13个组分、5个化学计量常数和14个动力学参数。
活性污泥1号模型（ASM1）的内容不仅仅是模型本身，还提出了污水特性的描述方法。
活性污泥1号模型（ASM1）得到了普遍的认同和应用，但它的缺点是模型中未包含磷的去除。
1995年课题组（由丹麦、瑞士、日本和南非四国六位专家组成）以国际水质协会系列科技研究报告（STR）2号的形式出版了活性污泥2号模型（ASM2）一书，它包括了脱氮和生物除磷处理过程，还增加了厌氧水解、酵解及及聚磷菌有关的反应过程。
活性污泥2号模型（ASM2）中包括了19种生化反应过程、19个组分、22个化学计量常数和42个动力学参数。
在活性污泥2号模型（ASM2）研究刚完成的时候，反硝化及生物除磷的关系尚不清楚，因此，活性污泥2号模型（ASM2）中未包含这一因素。
课时九 活性污泥法数学模型
• 劳伦斯-麦卡蒂方程参数的测定
取倒数
• 实测时，根据污水处理厂的进出水水质，曝气池 污泥浓度，水力停留时间，按上式作图，采用兰 维福-布克图解法求得qmax和Ks • 对于产率系数Y、内源代谢系数Kd
• 典型的城镇污水动力学参数
• 例题1
某生活污水处理厂拟采用活性污泥法处理系 统，污水设计流量为6000 m3/d，原污水BOD5 为200 mg/L，出水BOD5为20 mg/L。设计参数： 混合液污泥浓度MLSS为2500 mg/L，MLVSS为 2000 mg/L，污泥龄θ为20天，污泥产率系数Y = 0.5，衰减系数Kd = 0.1。用污泥龄设计，曝 气池需要的容积为多少m3。
• 例题2
曝气池废水量Q = 3×105 m3/d，停留时间为8 h， MLSS = 4000 mg/L，二沉池下部污泥浓度为8000 mg/L，二沉池上清液SS为10 mg/L。如果污泥龄θc = 20天，则每天排泥量为多少m3/d？
• 例题3 已知活性污泥曝气池进水水量Q = 10000 m3/d， 进水BOD5为200 mg/L，混合液挥发性悬浮固 体浓度MLVSS 为1350 mg/L，f = 0.75，产率系 数Y为0.5 kg MLSS/kg BOD5，kd = 0.1 d-1，曝气 池泥龄θc为20天。假使曝气池BOD5去除率90% 以上，求曝气池的最小容积。
• 例题4
某城市生活污水采用活性污泥法处理，废水 量2500 m3/d，进水BOD5为300 mg/L，BOD5去 除率为90%，曝气池混合液固体浓度3000 mg/L，其中挥发性悬浮固体占75%。产率系 数Y为0.6 kg MLSS/kg BOD5， 内源呼吸系数kd 为 0.07 d-1。求：（1）BOD5污泥负荷Ls，（2） 污泥龄θc ，（3）每日剩余污泥量？
活性污泥数学模型
♦ 对于微生物，其浓度用COD（mg/L）表示；
♦ 对于氨氮（NH3-N），用N（ mg/L）表示，根据反应 NH3+2O2 HNO3+H2O，1g NH3-N相当于4.57g COD；
♦ 对于NO3—N，用N（ mg/L）表示，根据氧化还原反应， 在获得1mol电子时，需1/5mol NO3-或1/4mol O2，因此 1g NO3—N相当于2.86 g O2，即 2.86 g –COD；
−1
YH
1
− 1 − YH
YH
-iXB
SALK − iXh
14
工艺过程速率，ρj， （ML-3T-1）
µH
SS KS +
SS
SO KO,H +
SO
X
BH
1
异养菌的 2
− YH
1
缺氧生长
− 1 − YH 2.86YH -iXB
1 − YH 14 ⋅ 2.86YH
− iXH /14
µ A
SS KS +
♦ 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XS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 新细胞生长的物质。
♦ Xp对进一步的生物作用呈惰性。
（4）自养微生物（XB,A）
♦ 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 为无机碳化合物。
♦ 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 XS和颗粒物Xp ，Xp对进一步的生物作用 呈惰性。
（5）生物衰减生成的颗粒产物XP
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• 例题2
曝气池废水量Q = 3×105 m3/d，停留时间为8 h， MLSS = 4000 mg/L，二沉池下部污泥浓度为8000 mg/L，二沉池上清液SS为10 mg/L。如果污泥龄θc = 20天，则每天排泥量为多少m3/d？
• 例题3 已知活性污泥曝气池进水水量Q = 10000 m3/d， 进水BOD5为200 mg/L，混合液挥发性悬浮固 体浓度MLVSS 为1350 mg/L，f = 0.75，产率系 数Y为0.5 kg MLSS/kg BOD5，kd = 0.1 d-1，曝气 池泥龄θc为20天。假使曝气池BOD5去除率90% 以上，求曝
取倒数
• 实测时，根据污水处理厂的进出水水质，曝气池 污泥浓度，水力停留时间，按上式作图，采用兰 维福-布克图解法求得qmax和Ks • 对于产率系数Y、内源代谢系数Kd
• 典型的城镇污水动力学参数
• 例题1
某生活污水处理厂拟采用活性污泥法处理系 统，污水设计流量为6000 m3/d，原污水BOD5 为200 mg/L，出水BOD5为20 mg/L。设计参数： 混合液污泥浓度MLSS为2500 mg/L，MLVSS为 2000 mg/L，污泥龄θ为20天，污泥产率系数Y = 0.5，衰减系数Kd = 0.1。用污泥龄设计，曝 气池需要的容积为多少m3。
活性污泥法数学模型
• 出水有机底物浓度与污泥龄的关系
半速率常数
出水溶解性有 机底物浓度
最大比底物利用速率
c
θc增大，Se减小
c c
• 曝气池污泥浓度或容积与污泥龄的关系
• 污泥回流比与污泥龄的关系
R
c c c
R
R
对于稳定运行的完全混合曝气池，对活性污 泥的微生物物料平衡
• 产率系数与污泥龄的关系
• 例题4
某城市生活污水采用活性污泥法处理，废水 量2500 m3/d，进水BOD5为300 mg/L，BOD5去 除率为90%，曝气池混合液固体浓度3000 mg/L，其中挥发性悬浮固体占75%。产率系 数Y为0.6 kg MLSS/kg BOD5， 内源呼吸系数kd 为 0.07 d-1。求：（1）BOD5污泥负荷Ls，（2） 污泥龄θc ，（3）每日剩余污泥量？