活性污泥数学模型

♦ 碱度可以提供预测pH的变化信息 ，判断反应 的正常与异常情况。
♦ 总碱度低于50g/m3(碳酸盐当量)(1mol总碱度/m3)，pH值将变得不 稳定且将降到6以下。
ASM1的组分总结
(四)、模型中的反应过程
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：
rSS
=−1 Y
µ SS
KS + SS
XB
∧
r SO
= −1− Y µ SS
Y KS + SS
XB
− bX B
5、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
♦ 系统运行温度恒定。 ♦ pH值恒定而且接近中性。 ♦ 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。 ♦ 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 ♦ 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
♦ 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。
6 氮的氨化
网捕性有机 7
物的水解 网捕性有机 8 的水解 观察到的转换速率
（ML-3T-1）
1
∑ ri = υη ρ j
1-fP -1
fP
1-fP
-1
fP
-1
iXB-fPiXP
iXB-fPiXP
1
1
-1
14
1
-1
bHXB，H bAXB，A
kSSNDXB，H
kh
KS
X +
S
(
/ X
X B,H S /X
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
动力学参数： 异养生长与衰减： μH，KS，KO，H，bH 自养生长与衰减： μA，KNH，KO，A，bA 异养菌缺氧生长的校正因数：ηg 氨化：kS 水解：kh，KX 缺氧水解的校正因数：ηh
µ
=
µmax
S Ks + S
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。
SS
KO,H KO,H +
SO
S NH K NO + S NO
ηg
X B,H
自养菌的 3
好氧生长
1
− 4.57 − YA
1
YA
YH
1 − iXB − YA
− iXB − 1 14 7YA
µ A
S NH K NH + S NH
SO KO,A +
SO
X
B
,
A
4 异养菌的衰减
5 自养菌的衰减 可溶性有机
♦ 慢速降解物质一般具有较复杂的分子结构，在其被利 用之前，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 能量的利用，这样也没有与它们相关的电子受体的利 用。
（3）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 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。
−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 +
（三）模型的组分
♦ 1.可溶性惰性有机物
SI
♦ 2.易生物降解有机底物
SS
♦ 3.颗粒性惰性有机物
XI
♦ 4.慢速可生物降解有机底物
XS
♦ 5.活性异养菌生物量
XB.H
♦ 6.活性自养菌生物量
XB.A
♦ 7.微生物衰减产生的颗粒性产物
XP
♦ 8.溶解氧
SO
♦ 9.硝态氮
SNO
♦ 10.氨氮
SNH
♦ 11.溶解性可生物降解有机氮
♦ 对于溶解氧，是负的COD值 ，其浓度用 -COD（mg/L） 表示；
♦ 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；
五建立的方法 ♦ 模型表述 ♦ 模型的组分 ♦ 模型中的反应过程 ♦ 模型的参数 ♦ 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 ♦ 6、设置模型假定 ♦ 7、活性污泥1号模型的表述
B,
H
)
KO,
SO H+
SO
+
ηh
KO,H KO,H +
SO
K
S ND NO + S
NO
X B,H
ρj（XND/XB）
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
♦ 矩阵内的元素是化学计量系数vij，描述了单个过程中各 组分之间的数量关系 。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 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
2、统一单位
♦ 对于含碳有机物，其浓度用COD（mg/L）表示；
♦ 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 所有的微生物都是活性的。
（6）含氮组分
♦ 含氮组分分为不可生物降解和可生物降 解物质
♦ 不可生物降解的含氮组分是和不可生物 降解颗粒状COD(XI)相联系的。
♦ 可溶不可生物降解的含氮组分少到可忽 略不计。
♦ 可生物降解含氮物质划分为：氨氮SNH、 可溶性有机氮SND和颗粒性有机氮XND。
SND
♦ 12.颗粒性可生物降解有机氮
XND
♦ 13.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 础。
♦ 不可生物降解物质是生物惰性的(用下标I表 示) ，经过活性污泥系统处理后没有形态上的 变化。
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：
∑ ri = ν ij ρ j j
例：系统内某一点微生物XB、溶解性底 物SS、溶解氧SO的反应速率
例：系统内某一点微生物XB、溶解 性底物SS、溶解氧SO的反应速率
∧
rX B
=
µ SS
KS + SS
XB
− bX B
∧
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SALK
♦ 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； 有机氮的氨化过程； 硝化过程； 反硝化过程
♦ 对于碱度，用HCO3-（mol/L）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 响。
3、 基本符号
♦ X—不可溶组分或颗粒性组分 ♦ S —可溶性组分 ♦ B —微生物（下标） ♦ S —易降解有机底物（下标） ♦ I —惰性有机物质（下标） ♦ O —氧气 （下标） ♦ NH —氨氮（下标） ♦ NO—硝态氮（包括硝酸盐氮和亚硝酸盐氮） （下标） ♦ ND —可生物降解有机氮（下标） ♦ ALK —碱度（下标）