活性污泥过程建模.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,活性污泥过程建模,1,参考文献,张锡辉,刘勇弟译,.,废水生物处理技术,.,第二版,北京,:,化学工业出版社,2003.1,姚重华,.,废水处理计量学导论,.,北京,:,化学工业出版社,2002.4,李亚新,郑兴灿,.,污水除磷脱氮技术,.,北京,:,中国建筑工业出版社,1998.11,张自杰,.,排水工程,(,第,4,版,下册,).,北京,:,中国建筑工业出版社,2000.6,刑建,段宁译,.,废水生物处理过程设计,.,北京,:,中国建筑工业出版社,1984.8Larry D.,Benefield,Clifford W.Randal.Biological Process Design for Wastewater Treatment.Prentice-Hall,Inc.,1980.,国家城市给水排水工程技术研究中心 译,.,污水生物与化学处理技术,.,北京,:,中国建筑工业出版社,1999.12.,张亚雷,李咏梅译,.,国际水协废水生物处理设计与运行数学模型课题组著,.,活性污泥数学模型,.,上海,:,同济大学出版社,2002.3,马勇,彭永臻译,.,污水系统的仪表、控制和自动化,.,北京,:,中国建筑工业出版社,2007.3,2,序论,(Introduction),1.,仿真？,仿真就是对真实的模仿,物理仿真,数字仿真,物理模型,数学模型,建模及分析,3,2.,自动控制？,自动控制,过程控制,顺序控制,姿态控制,.,环境工程,序论,(Introduction),4,DO,探头,变送器,DO,下降,改变阀门开启度,PI,控制器,标准信号,控制指令,(,电流，电压,),序论,(Introduction),3.,环境工程过程控制,空气控制阀,鼓风机,活性污泥曝气池曝气过程,进水,(,受控过程,),出水,DO,设定值，如,2.0mg/L,曝气池,DO,浓度建模,(COD,升高,),5,4.,环境工程仿真与控制的目的,仿真与控制,理解污染物处理过程的机制,提高污染物的处理效率,降低污染物的处理费用,方便与自控工程师交流,序论,(Introduction),6,数字仿真,被称为是一项“无孔不入”的技术：,仿真与试验的关系：对立的统一,之所以要仿真，主要是试验有困难；,仿真不能完全替代试验；,仿真的结果要通过试验来验证；,仿真具有重要作用；试验具有终裁性。,第,1,章 仿真,(simulation),环境工程仿真主要是数字仿真,7,第,1,章 仿真,(simulation),第,1,节 模型的建立,(modeling),用数学语言描述研究对象或过程内部各个变量间的相互关系。,对问题进行分析,考察外界扰动或人为控制引起的响应；,改变模型结构或参数，考察过程输出的相应变化；,建模过程,模型的用途,8,第,1,章 仿真,(simulation),代数方程,微分方程,偏微分方程,按数学形式,机理模型,统计模型,按原理,混合模型,第,1,节 模型的建立,(modeling),1.1.1,模型的分类,白箱模型,灰箱模型,黑箱模型,9,第,1,章 仿真,(simulation),第,1,节 模型的建立,(modeling),1.1.1,模型的分类,按参数的适用范围分,集总参数模型,分布参数模型,反应器内部各组分的浓度在空间上有较大变化，而且随时间变化，由此建立的模型为分布参数模型。,反应器内部各组分的浓度在空间上没有变化，只随时间变化，由此建立的模型为集总参数模型。,活性污泥过程模型,二沉池一维浓度分布模型,10,第,1,章 仿真,(simulation),第,1,节 模型的建立,(modeling),1.1.1,模型的分类,线性,非线性,按模型内变量间的关系分,连续,离散,按时间特性分,稳态,非稳态,按变量与时间的关系分,11,第,1,章 仿真,(simulation),第,1,节 模型的建立,(modeling),1.1.1,模型的分类,(2)在仿真工作中，使用较多的是机理模型；,(1)在实际工作中，混合模型获得广泛应用；,说明,(3)在机理模型中，集总参数过程的变量间的关系一般,用微分方程(组)描述；而分布参数过程的变量间的,关系一般用偏微分方程(组,),描述。,12,第,1,章 仿真,(simulation),1.1,模型的建立,(modeling),1.1.2,简单系统建模,1.1.1,模型的分类,建模原则,单位时间、单位体积系统内：,A,的累积量,进入,该系统的,A,的量,离开,该系统的,A,的量（）系统内,A,的,反应,生成量（或消失量）,A,指物质、电荷（如,COD,）、能量或动量；,机理模型的建模原则：“一进一出一反应”。,“进入”,或,“离开”,是输送项，由被模拟的系统的物理特性决定。,重点是,“反应”,项，是建模的关键。,物质不灭,13,第,1,章 仿真,(simulation),1.1.2,简单系统建模,有关物质数量模型的建模原则为：,反应器体积,组分,j,在,V,内的浓度,随时间,t,的变化率,流入,V,的液体流量,组分,j,在进水中的浓度,流出,V,的液体流量,组分,j,在出水中的浓度,Rj,n,:,第,n,个反应中组分,j,生成或消失时浓度变化的速率,14,简单系统建模实例,曝气池溶解氧浓度模型,若仅考虑溶解氧浓度，不考虑生化反应，则可把曝气池视为：水与溶解氧的双组分系统。,q,in,S,o,in,q,out,S,o,out,V,S,o,进水,出水,空气,(O,2,),15,膜片式微孔曝气器,曝气池与曝气器,16,实际曝气池(微孔曝气),17,曝气池溶解氧浓度模型,S,o,s,为曝气池当前条件下的饱和,DO;,K,L,a,氧总转移系数，该值表示在曝气过程中氧的总传递性，当传递过程中阻力大，该值低，反之则高。,“两进一出零反应”,q,in,S,o,in,q,out,S,o,out,V,S,o,？,18,气泡,水,氧总转移系数,K,L,a,与双膜理论,1923,年，,Lewis and Whitman,创立“双膜理论”。基本点归纳如下：,(1),在气液两相接触的界面两侧存在着处于层流状态的气膜和液膜，在其两侧分别为气相主体和液相主体；气体以分子扩散方式从气相主体通过气膜与液膜而进入液相主体。,气相主体,液相主体,气膜,液膜,界面,19,(2),气液两相的主体均处于紊流状态，其中的物质浓度基本上是均匀的，不存在浓度差，也不存在传质阻力，阻力仅存在于气膜和液膜中；,气相主体,液相主体,气,膜,液,膜,P,g,P,i,S,o,s,S,o,（层流）,（层流）,S,o,P,g,（紊流）,（紊流）,氧总转移系数,K,L,a,与双膜理论,20,(3),在气膜中存在着氧的分压梯度，在液膜中存在着氧的浓度梯度，它们是氧转移的推动力；,气相主体,液相主体,气,膜,液,膜,P,g,P,i,S,o,s,S,o,（紊流）,（紊流）,（层流）,（层流）,S,o,P,g,(4),氧难溶解于水，因此氧转移决定性的阻力集中在液膜上，氧分子通过液膜是氧转移的控制步骤；,氧总转移系数,K,L,a,与双膜理论,21,(5),在气膜中，气相主体与界面之间的氧分压差值,Pg-Pi,很低，氧分子的传递动力很小，一般可以认为,Pg,Pi,；由此可知，界面处的溶解氧浓度值,So,s,，就是氧分压为,Pg,条件下的溶解氧饱和浓度值。,气相主体,液相主体,气,膜,液,膜,P,g,P,i,S,o,s,S,o,（紊流）,（紊流）,（层流）,（层流）,S,o,P,g,P,g,氧总转移系数,K,L,a,与双膜理论,22,假定气液界面的总面积为,A,，在,dt,时间内通过界面的物质数量为,dM,，则有：,物质的扩散速度，即单位时间内单位断面上通过的物质数量；,气泡,水,氧总转移系数,K,L,a,与双膜理论,曝气池内的氧传递速率,23,根据扩散的基本定律,Fick,第一扩散定律可知：,物质的,扩散速度,，即单位时间内单位断面上通过的物质数量；,扩散常数,，表示物质在某种介质中的扩散能力，主要取决于扩散物质和介质的特性和温度；,浓度梯度,，即单位长度内的浓度变化值。,物质的扩散速率与浓度梯度呈正比关系,氧总转移系数,K,L,a,与双膜理论,24,曝气池内氧转移原理,双膜理论,气相主体,液相主体,气,膜,液,膜,P,g,S,o,s,S,o,（紊流）,（紊流）,（层流）,（层流）,X,f,P,g,P,g,S,o,（紊流）,假定液膜厚度为,X,f,，则在液膜内溶解氧的浓度梯度为：,25,氧传递速率，,kgO,2,/h,；,氧分子在液膜中的,扩散常数,，,m,2,/h,；,在液膜内,DO,的浓度梯度，,kgO,2,/(m,3,m),；,气液两相接触界面面积，,m,2,；,氧总转移系数,K,L,a,与双膜理论,26,设液相主体的容积为,V(m,3,),，则有：,液相主体中溶解氧浓度的变化速度,(,或氧转移速度,),，,kgO,2,/(m,3,h),；,液膜内氧分子,传质系数,，,m/h,，,K,L,=D,L,/,X,f,；,由于,A,值很难测定，采用,总转移系数,K,L,a,如下：,氧总转移系数,K,L,a,与双膜理论,27,曝气池内氧转移原理,双膜理论,设,t=0,时,S,o,=S,，则积分常数,-,ln(S,o,s,-S),，这样有：,K,L,a,的测定,28,曝气池溶解氧浓度模型,S,o,s,为曝气池当前条件下的饱和,DO;,K,L,a,氧总转移系数，该值表示在曝气过程中氧的总传递性，当传递过程中阻力大，该值低，反之则高。,“两进一出零反应”,q,in,S,o,in,q,out,S,o,out,V,S,o,29,例,1.4,曝气池溶解氧浓度模型,q,in,S,o,in,q,out,S,o,out,V,S,o,q,a,一般而言，,K,L,a,值与空气流速成正比，常可线形化为,K,a,q,a,，则：,q,a,空气流量；,K,a,与曝气装置等有关。,30,本例中仅考虑了“两进一出”，不考虑反应项。实际上，曝气池是复杂系统，当该池内有活性污泥时，则会发生生化反应，消耗,DO,。在建立曝气池,DO,的动态模型时，必须考虑生化反应造成的系统变化，即：,q,in,S,o,in,q,out,S,o,out,V,S,o,曝气池溶解氧浓度模型,溶解氧的消耗速率；,？,31,例,1.7,异养菌好氧生长与有机碳消耗模型,1.,系统组分：,异养菌,(heterotrophic organisms),X,h,;,溶解氧,(oxygen)S,o,;,易降解有机碳,(substrate)S,s,;,2.,系统方程：,一进一出一反应，,3,组分则,3,个方程,X,，不可溶解组分；,S,可溶解组分；,32,3.,反应速率方程,3.1,异养菌反应速率方程,(1),异养菌好氧生长,(,G,row),速率方程,例,1.7,异养菌好氧生长与有机碳消耗模型,u,h,:,最大比生长速率；,Ks:,基质半饱和常数；,K,oh,:,氧呼吸半饱和常数；,细菌以二分裂方式繁殖。细菌的生长速率可以表示为活性细胞浓度的一级反应。,u:,比生长速率系数,(d,-1,),；,X,B,:,活性细胞浓度；,33,例,1.7,异养菌好氧生长与有机碳消耗模型,异养菌好氧生长速率方程实际上是废水生物处理中,Monod,方程,再加上一个与溶解氧有关的,开关函数,。在开关函数中，,K,oh,是一个较小的数,(,约为,0.1,),。当,DO,较大时，该开关函数的值趋近于,1,，表示异养菌好氧反应动力学符合,Monod,方程。当,DO,很小时，该开关函数的值趋近于,0,，表示异养菌因缺乏,DO,而停止生长。,Monod,方程,开关函数使用开关函数是,ASMs,的一个特色！,34,3.1,异养菌反应速率方程,(1),异养菌好氧生长速率方程,实际上，研究混合微生物的,K,oh,值的工作相对较少，可能是因为随着溶解氧浓度的变化，群落中的生物种群也发生变化，因而难以估计,K,oh,值。有限的纯培养数据表明：,K,oh,值非常低，如下表。,名称,K,oh,(mgO2/L),Sphaerotilus,natans,(,丝状菌,),0.01,Candidautilis,(,酵母菌,),0.08,Citrobacter,sp.(,絮体形成菌,),0.15,3.,反应速率方程,例,1.7,异养菌好氧生长与有机碳消耗模型,(,表中的数据参见张锡辉等，废水生物处理，,P58-59),35,3.1,异养菌反应速率方程,(1),异养菌好氧生长,(,G,row),速率方程,(2),异养菌衰减,(,D,isintegration),速率方程,(3),异养菌反应速率方程,3.,反应速率方程,例,1.7,异养菌好氧生长与有机碳消耗模型,b,h,:,异养菌比衰减速率,(d,-1,),；,36,3.1,异养菌反应速率方程,3.2,易降解有机碳反应速率方程,(1),易降解有机碳的消耗,(,C,onsume),3.,反应速率方程,例,1.7,异养菌好氧生长与有机碳消耗模型,根据异养菌产率系数,Y,h,的定义可知,37,3.1,异养菌反应速率方程,3.2,易降解有机碳反应速率方程,(1),易降解有机碳的消耗,(,C,onsume),(2),易降解有机碳的增加,(,P,roduce),f,P,异养菌衰减产物中残留物的分数,(,约为,0.08),；,(3),易降解有机碳反应速率方程,3.,反应速率方程,例,1.7,异养菌好氧生长与有机碳消耗模型,38,3.1,异养菌反应速率方程,3.2,易降解有机碳反应速率方程,3.3,溶解氧反应速率方程,(1),化学计量方程：,A,1,A,k,为反应物，,a,1,a,k,为相应的摩尔计量系数；,A,k+1,A,m,为产物，,a,k+1,a,m,为相应的摩尔计量系数；,预备知识,3.,反应速率方程,例,1.7,异养菌好氧生长与有机碳消耗模型,张锡辉,刘勇弟译,.,废水生物处理,.pp40,51,39,化学计量方程：,摩尔计量方程的两种特性：,(i),电荷是平衡的：,(ii),反应物中任何元素的总摩尔数产物中该元素的总摩尔数：,(2),建立细胞生长的化学计量方程,半反应法：,McCarty,建立了三种类型的半反应：,(i),细菌细胞合成的半反应,(,Rc,);,(ii),电子受体的半反应,(Ra);,(iii),电子供体的半反应,(Rd);,例,1.7,异养菌好氧生长与有机碳消耗模型,异养菌细胞合成反应,溶解氧氧化反应,有机碳还原反应,40,(2),建立细胞生长的化学计量方程,半反应法：,总计量方程,(R),是各个半反应之和：,代表与电子受体相结合，亦即用于能量,(energy),的电子供体的比例；,代表用于合成,(,synthesize,),的电子供体的比例；,为使总计量方程保持平衡：,例,1.7,异养菌好氧生长与有机碳消耗模型,41,异养菌对有机碳好氧氧化的,以摩尔为单位,的半反应方程为：,1.,细胞合成反应,(,Rc,),：,2.,溶解氧氧化反应,(Ra),：,3.,有机碳还原反应,(Rd),：,4.,总反应为：,R=R,d,-,f,e,R,a,-,f,s,R,c,f,e,与溶解氧结合的有机碳所失电子的分数；,f,s,用于合成细胞的有机碳所失电子的分数；,f,e,+,f,s,=1,42,R=,43,结论,:1g,异养菌相当于,1.42gCOD;,结论,:1g,有机物相当于,1.99gCOD;,C,5,H,7,O,2,N+,5,O,2,+,H,+,5,CO,2,+,2,H,2,O+,NH,4,+,113,160,1,x,x=160/113=1.42,2,C,10,H,19,O,3,N+,25,O,2,+,2,H,+,20,CO,2,+,16,H,2,O+,2,NH,4,+,402,800,1,y,y=800/402=1.99,44,异养菌,COD,相对于有机碳,COD,的生长系数为：,g(COD,，异养菌,)/g(COD,，有机碳,),溶解氧,COD(,负值,),相对于有机碳,COD,的消耗系数为：,g(COD,，溶解氧,)/g(COD,，有机碳,),45,(,dX,h,/dt),G,/(,dS,s,/dt,)=,Y,h,f,s,(,dS,o,/dt,)/(,dS,s,/dt,)=-(1-Y,h,),溶解氧反应速率方程,46,3.1,异养菌反应速率方程,3.2,易降解有机碳反应速率方程,3.3,溶解氧反应速率方程,4.,异养菌好氧生长与有机碳消耗的系统动态模型方程组,3.,反应速率方程,例,1.7,异养菌好氧生长与有机碳消耗模型,47,第,1,章 仿真,(simulation),1.1,模型的建立,(modeling),1.1.2,简单系统建模,1.1.1,模型的分类,影响反应进程的因素多，且没有全部搞清楚；,机理模型的建模原则：“一进一出一反应”。,1.1.3,复杂系统建模,模型的参数具有空间的分布，即过程参数随空间位置会有所变化；,合理的过程假定,抓主要矛盾,空间分割,在子系统内建模，然后综合,48,例,1.8,活性污泥过程数学模型,进水,出水,空气,剩余污泥,回流污泥,1982,年，国际水污染研究与控制协会,(International Association on Water Pollution Research and Control,IAWPRC),成立活性污泥法设计和运行数学模型课题组。,最早研究活性污泥法数学模拟的是南非开普敦大学,(Univ.of Cape Town),Gerrit,v.R.Marais,教授领导的课题组。,49,例,1.8,活性污泥过程数学模型,Activated Sludge Models(,ASMs,),ASM1,1986,年发表，,1987,年出版。,具有除碳、脱氮功能,ASM2,1995,年出版。,具有除碳、脱氮、生物除磷功能,ASM2D,1999,年发表。,具有除碳、脱氮、生物除磷,(,包括了反硝化聚磷菌,),功能,ASM3,1999,年发表。,对胞内反应过程,(,贮存,),进行了更为详细的描述，并可根据环境条件对衰减过程进行优化调节。,50,ASM1,的性质,首先要明确,ASM1,所描述的,，是活性污泥过程内有关组分的,反应动力学,，,不是整个活性污泥过程的数学模型,。,一个过程的机理模型，一般可根据所谓“一进一出一反应”的守恒原理来建立。对于,活性污泥过程,而言，组分的“进”、“出”可根据流体的流动来确定，比较简单，但组分的“,反应,”部分比较复杂，因为涉及的组分比较多，如异养菌、自养菌、溶解氧、氨氮等；涉及的子过程也比较多，如异养菌好氧生长，异养菌衰减、有机氮氨化等。如何正确反映活性污泥过程有关组分的反应动力学，是建立活性污泥过程机理模型的关键之一。,ASM1,要解决的，就是活性污泥过程内的反应动力学,。在微生物生长速率方面，,ASM1,利用描述微生物生长速率的,Monod,方程；在微生物衰减速率方面，,ASM1,利用一级速率方程；在环境因素对反应速率的影响方面，,ASM1,利用一系列开关函数；在不确定性因素对反应速率的影响方面，,ASM1,利用校正系数。,51,例,1.8,活性污泥过程数学模型,Activated Sludge Model No.1(ASM1),1,模,型,假,定,活性污泥过程,当前运行正常,二沉池内,无生化反应,曝气池内处于正常,pH,及温度下；,曝气池内微生物的种群和浓度处于正常状态；,曝气池内污染物浓度可变，但成分及组成不变；,曝气池内微生物的营养充分；,52,Activated Sludge Model No.1(ASM1),2,系,统,分,割,8,个子过程,13,个组分,好氧生长,异养菌,缺氧生长,衰减,自养菌,好氧生长,衰减,污染物,有机碳,有机氮,缓慢降解有机氮水解,可溶有机氮氨化,缓慢降解有机碳水解,53,Activated Sludge Model No.1(ASM1),2,系,统,分,割,8,个子过程,13,个组分,(1),异养菌,X,bh,(2),自养菌,X,ba,(3),微生物衰减产物,X,p,(5),缓慢降解有机碳,X,s,(4),易降解有机碳,S,s,(7),颗粒惰性有机碳,X,i,(6),可,溶惰性有机碳,S,i,(8),可溶性可降解有机氮,S,nd,(9),颗粒状可降解有机氮,X,nd,(10),氨态氮,S,nh,(11),硝态氮,S,no,微生物,有机碳,氮化合物,其他,(12),溶解氧,S,o,(13),碱度,S,alk,54,3,基本速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),在,ASM1,的,8,个子过程,中，对于参与某一,子过程,反应的某一组分，可以写出一个反应动力学方程。,而每一个子过程则由一个或多个组分的反应动力学方程构成。,易降解有机碳,S,s,氨态氮,S,nh,异养菌好氧生长,异养菌,X,bh,溶解氧,S,o,碱度,S,alk,在构成每一个子过程的一个或多个动力学方程时，以参与该子过程的某一组分的生长或衰减的反应动力学方程为基本方程，其他组分的反应动力学方程以该基本动力学方程为基础经过系数调整而得。,55,3,基本速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),异,养,好,氧,生,长,异养菌,X,bh,易降解有机碳,S,s,氨态氮,S,nh,溶解氧,S,o,碱度,S,alk,56,3,基本速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),3.1,异养菌好氧生长,的基本速率方程,3.2,异养菌缺氧生长,的基本速率方程,当存在溶解氧时，异养菌首先利用溶解氧和基质生长，当溶解氧很低又存在硝酸盐时，异养菌利用硝酸盐作为电子受体进行生长。因此方程中包含溶解氧和硝态氮的开关函数。,注意：,由于异养菌处于同一个系统内，因此方程,1,和方程,2,中溶解氧的开关函数是互补的，当一个为,1,时，另一个就为,0,。,57,3,基本速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),3.1,异养菌好氧生长,的基本速率方程,3.2,异养菌缺氧生长,的基本速率方程,对于利用多种营养物的异养菌，其好氧生长和缺氧生长的唯一区别在于最终电子受体的性质及其对细胞产生,ATP,数量的影响。对符合这种条件的基质，两种条件下的生长动力学参数非常接近。但是，由于缺氧条件下生成的,ATP,较少，缺氧生长比率比较低，因此引进一个小于,1,的校正系数,g,。,方程,1,和,2,采用相同的,u,h,K,s,58,3,基本速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),3.1,异养菌好氧生长,的基本速率方程,3.2,异养菌缺氧生长,的基本速率方程,3.3,自养菌好氧生长,的基本速率方程,3.4,异养菌衰减,3.5,自养菌衰减,59,3,基本速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),3.6,可溶有机氮氨化,的基本速率方程,氨化是在异养型微生物消耗溶解性含氮有机物时，可溶有机氮转化为氨氮的过程。大多数研究者假定，氨化将所有可溶有机氮以氨的形式释放到介质中。,Ka,是氨化速率系数，单位为,L/(mg,细胞,CODh,),(,实际上，简单的化合物如氨基酸可以直接被微生物利用。,),60,Activated Sludge Model No.1(ASM1),K,h,，水解动力学常数,(h,-1,);,K,x,，水解反应半饱和系数,(mg,缓慢降解,COD/mg,活性生物量,COD),；,h,，缺氧水解校正因子。,3.7,被吸着缓慢降解有机碳的水解,(3),当好氧和缺氧系统只是短时间处于厌氧状态时，由于专性厌氧菌需要一定的适应期，显然不会发生厌氧水解反应。,(1),水解反应速率受,(X,s,/,X,bh,),的控制，而不只受,X,s,的控制。因为水解反应被认为是受细胞界面调节的，依赖于胞外酶，而胞外酶的数量于细胞浓度成比例。,(2),水解反应包括好氧和缺氧条件下两部分。而,h,反应了缺氧条件下水解反应的延滞程度，与,g,类似，这个校正因子也是经验性的。,61,Activated Sludge Model No.1(ASM1),被吸着缓慢降解有机氮的水解速率与被吸着缓慢降解有机碳的水解速率成正比。,3.8,被吸着缓慢降解有机氮的水解,62,ASM1,的,8,个基本速率方程,1,异养菌好氧生长,的基本速率方程,2,异养菌缺氧生长,的基本速率方程,3,自养菌好氧生长,的基本速率方程,4,异养菌衰减,5,自养菌衰减,6,可溶有机氮氨化的基本速率方程,7,被吸着缓慢降解有机碳的水解,8,被吸着缓慢降解有机氮的水解,63,4,相关速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),4.1,异养菌好氧生长相关速率方程,在,8,个子过程,基本速率方程,的基础上，参各子过程的其他组分的反应动力学方程可经过,系数调整,依次建立。,异,养,好,氧,生,长,异养菌,X,bh,易降解有机碳,S,s,氨态氮,S,nh,溶解氧,S,o,碱度,S,alk,1,-1/Y,h,-(1-Y,h,)/Y,h,-,i,xb,-i,xb,/14,64,4,相关速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),4.1,异养菌好氧生长相关速率方程,(2),生长系数,Y,h,的单位为,g(,生成细胞,COD)/g(,氧化,COD);,说明,(1),该反应动力学方程的构建是以,COD,守恒为基础，而不是以反应物的质量守恒为基础。需要注意的是，任何反应物或产物，若其中的元素在生化氧化或还原中不改变氧化状态，那么它们的,COD,变化为零。如,CO,2,、碳酸盐和重碳酸盐等。,(3),因,Ss,是消耗，因此系数需加负号，即,-1/Y,h,；,j=1,X,bh,S,s,S,o,S,nh,S,alk,j,异养菌好氧生长,1,-1/Y,h,-(1-Y,h,)/Y,h,-,i,xb,-i,xb,/14,1,65,4,相关速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),4.1,异养菌好氧生长相关速率方程,(4),易降解有机碳被溶解氧生化氧化时，会发生电子得失，有机碳失,COD,，溶解氧与细胞得,COD,。有机碳失去的,COD,等于溶解氧与细胞各自所得,COD,之和。,设溶解氧的化学计量系数为,K,，根据,COD,守恒可得，,因溶解氧是消耗，故乘以,-1,的系数,66,(5),氨态氮是微生物生长生长中比较容易被利用的一种形式。根据异养菌生长时的需氮量确定一个系数,ixb,。异养菌好氧生长的需氮量约为其干重的,12,，即,1g,异养菌,(,干重,),含,0.12gN,。因,1g,细胞相当于,1.42,gCOD,，故,1g,细胞,COD,含氮量为,0.12/1.42=0.085,，即,ixb,=0.085.,(6),对于碱度，用,HCO,3,-,表示，单位为,mol/L,。由下式可知，每消耗,1mol,氨氮，同时消耗,1mol HCO,3,-,，由此可知碱度的消耗等于氨氮的消耗,(,单位为,mol/L),，单位换算系数为,1/14.,4,相关速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),4.1,异养菌好氧生长相关速率方程,67,4,相关速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),4.2,异养菌缺氧生长相关速率方程,j=2,X,bh,S,s,S,no,S,nh,S,alk,j,异养菌缺氧生长,1,-1/Y,h,-(1-Y,h,),2.86Y,h,-,i,xb,(1-Y,h,)/(14,2.86Y,h,)-i,xb,/14,2,说明,(1),设硝态氮的化学计量系数为,K,，根据,COD,守恒可得，,68,4,相关速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),4.2,异养菌缺氧生长相关速率方程,因计算时以硝态氮输入，单位为,mg/L,。因此必须将,COD,转换成硝态氮。,根据氧化还原反应式，在获得,1mol,电子时，需要,1/5molNO,3,-,，或,1/4O,2,。,14/5,32/4,1,x,因此，,1g,硝态氮相当于,2.86gCOD,X=(32/4)/(14/5),=40/14=2.86,69,4,相关速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),4.2,异养菌缺氧生长相关速率方程,(2),异养菌对有机碳缺氧氧化的,以摩尔为单位,的半反应方程为：,(i),细胞合成反应,(,Rc,),：,(iii),有机碳还原反应,(Rd),：,(ii),硝酸盐氧化反应,(Ra),：,70,4,相关速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),4.2,异养菌缺氧生长相关速率方程,(2),从上式可以看出，异养菌缺氧生长消耗的碱度,(,摩尔,HCO,3,-,),的摩尔数等于消耗的氨氮的摩尔数，即,i,xb,/14,；同时，反应还消耗了与硝态氮相同摩尔数的,H,+,。,我们知道，,1,摩尔,H,+,能消耗,1,摩尔,HCO,3,-,碱度，因此，异养菌缺氧生长过程亦即产生了或节省了与消耗的硝态氮相同摩尔数的,HCO,3,-,碱度。而消耗的硝态氮的摩尔数为,(1-Yh)/(142.86Yh),(iv),总反应为：,R=R,d,-,f,e,R,a,-,f,s,R,c,71,异养菌好氧生长,异养菌缺氧生长,1g,硝态氮相当于,2.86gCOD,72,4,相关速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),4.3,自养菌好氧生长相关速率方程,j=3,X,ba,S,o,S,no,S,nh,S,alk,j,自养菌好氧生长,1,-(4.57-Y,a,),Y,a,1/Y,a,-,i,xb,-,1/Y,a,(-i,xb,/14)-,(1/7Y,a,),3,说明,1mol,氨氮与,2,摩尔氧气作用完全，即,14g,氨氮相当于,64g,氧气,(COD),，因此，,1g,氨氮相当于,4.57gCOD,73,4,相关速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),4.3,自养菌好氧生长相关速率方程,(1),设溶解氧的化学计量系数为,K,，根据,COD,守恒可得，,因溶解氧是消耗，故乘以,1,(2)S,nh,的化学计量系数为,-i,xb,-1/Y,a,，其中,1/Y,a,部分用于产能，供细胞合成，此部分氨氮变为硝态氮，故硝态氮的系数为,1/Y,a,。,Ya,，自养菌产率系数，,g,细胞,COD,产生,/,gN,消耗,74,4,相关速率方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),4.3,自养菌好氧生长相关速率方程,(3),根据硝化反应，,1mol,的,NH,4,+,(,电荷,),转变为,NO,3,-,需要,2mol HCO,3,-,(,电荷,),，即消耗,2mol,的碱度。在消耗的氨氮中，有,1/14Y,a,mol,转变为硝态氮，此部分消耗的碱度为,2*1/14Y,a,=1/7Y,a,，而直接转移到细胞中的氨氮消耗的碱度为,i,xb,/14,。,因此，自养菌好氧生长消耗的碱度的系数为,(-i,xb,/14)-(1/7Y,a,),75,ASM1,反应动力学及化学计量,76,ASM1,矩阵,p,1=,p,2=,p,3=,p,4=,p,5=,p,6=,p,7=,p,8=,77,5,组分总动力学方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),5.1,易降解有机碳,Ss,的总反应速率,在,ASM1,中，除了惰性组分,Si,、,Xi,外，其余,11,个组分中，每一个组分至少在一个子过程中参与了反应。该组分在其所参与的所有子过程中的总的反应速率，为其在各子过程中反应速率之和。,Ss,共参与了三个子过程的反应,：,(1),异养菌好氧生长中的消耗,(2),异养菌缺氧生长中的消耗,(7),被吸着缓慢降解有机碳,的水解中生成,78,5,组分总动力学方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),5.1,易降解有机碳,Ss,的总反应速率,在,ASM1,中，除了惰性组分,Si,、,Xi,外，其余,11,个组分中，每一个组分至少在一个子过程中参与了反应。该组分在其所参与的所有子过程中的总的反应速率，为其在各子过程中反应速率之和。,79,5,组分总动力学方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),5.2,溶解氧,So,的总反应速率,其他组分的总动力学方程，同样可以根据组分所在子过程的基本动力学方程、动力学系数以及总动力学方程的构成一一列出。方法如下：,5.1,易降解有机碳,Ss,的总反应速率,80,5,组分总动力学方程,Activated Sludge Model No.1(ASM1),5.3,其他组分的总反应速率,r,i,的计算,ASM1,中，序号为,i,的组分,(i=113),的总反应速率,(,或表观转化率,),r,i,可由下式计算：,式中，,ij,表中,i,列,j,行的化学计量系数；,j,表中,j,行的反应过程速率。,5.2,溶解氧,So,的总反应速率,5.1,易降解有机碳,Ss,的总反应速率,81,6,统一单位,Activated Sludge Model No.1(ASM1),ASM1,共有,13,种组分，分别建立反应动力学方程后，即可对,13,个方程联立求解，可求得同时满足,13,个方程的,13,个组分浓度。由于,13,个组分涉及有机碳、有机氮、微生物等不同物质，计量单位各不相同，给方程求解带来困难。,因此，在计算过程中统一各组分的浓度单位，是对方程联立求解的必要条件。,有机污染物,COD,mg/L,溶解氧,-COD,mg/L,微生物,COD,mg/L,1gMLVSS=1.42gCOD,氨氮,N,mg/L,1gN=4.57gCOD,硝态氮,N,mg/L,1gN=2.86gCOD,碱度,HCO,3,-,mol/L,82,ASM1,组成成分及单位一览表,成分序号,成分符号,成分定义,单位,1,S,i,溶解性不可生物降解有机碳,mgCOD,/L,2,S,s,溶解性快速可生物降解有机碳,mgCOD,/L,3,X,i,颗粒性不可生物降解有机物,mgCOD,/L,4,X,s,慢速可生物降解有机物,mgCOD,/L,5,X,bh,活性异养菌生物固体,mgCOD,/L,6,X,ba,活性自养菌生物固体,mgCOD,/L,7,X,p,生物固体衰减产生的惰性物质,mgCOD,/L,8,S,o,溶解氧,(,负,COD),-,mgCOD,/L,9,S,no,NO,3,-N,和,NO,2,-N,mgN,/L,10,S,nh,NH,4,-N,和,NH,3,-N,mgN,/L,11,S,nd,溶解性可生物降解有机氮,mgN,/L,12,X,nd,颗粒性可生物降解有机氮,mgN,/L,13,S,alk,碱度,mol/L,83,7,确定参数,Activated Sludge Model No.1(ASM1),序号,名称,符号,单位,典型取值,1,异养菌产率系数,Y,h,g,细胞,COD,产生,/,gCOD,消耗,0.666,2,自养菌产率系数,Y,a,g,细胞,COD,产生,/,gN,消耗,0.24,3,生物固体的惰性组分分数,f,p,0.08,4,生物固体的含氮量,i,xb,gN/g,活性生物体细胞,COD,0.086,5,生物固体惰性组分的含氮量,i,xp,gN/g,内源残留物,COD,0.06,ASM1,的,19,个参数,5,个化学计量系数,14,反应动力学参数,生活污水在,pH,中性和,20,时化学计量系数取值,84,生活污水在,pH,中性和,20,时动力学参数取值,85,8,活性污泥过程数学模型的生成,Activated Sludge Model No.1(ASM1),机理模型的建模原则：“一进一出一反应”