活性污泥过程建模-1 活性污泥法活性污泥法的数学模型的数学模型ASM1模型包括有机物降解和硝化过程模型包括有机物降解和硝化过程ASM2模型是在模型是在ASM1的基础上发展了包的基础上发展了包括聚磷菌及其相应的厌氧、缺氧和好氧括聚磷菌及其相应的厌氧、缺氧和好氧过程的反应过程的反应ASM2D模型包括了反硝化聚磷菌反应过模型包括了反硝化聚磷菌反应过程程ASM3模型是在进一步深入了解活性污泥法模型是在进一步深入了解活性污泥法机理的基础上发展而来的机理的基础上发展而来的模型的研究还在不断发展过程中现在很多软件程序可应用于不同形式模型的研究还在不断发展过程中现在很多软件程序可应用于不同形式的反应器，很方便根据不同目标获得模型程序并加以利用的反应器，很方便根据不同目标获得模型程序并加以利用模型中采用了模型中采用了Monod比生长速率动力学比生长速率动力学来解释来解释自养菌或异养菌的生长自养菌或异养菌的生长，，与生长速率有关的单个过程中与生长速率有关的单个过程中各组分之间的数量关系各组分之间的数量关系用用化学计量系数化学计量系数描描述为了简化单位的换算，模型对全部有机组分和生物体统一采用述为了简化单位的换算，模型对全部有机组分和生物体统一采用COD当量来表示，从而存在基质利用、生物体生长和氧消耗的当量来表示，从而存在基质利用、生物体生长和氧消耗的COD平衡平衡。
2 2 •模型矩阵格式、组分和过程模型矩阵格式、组分和过程异氧菌的生长率：式中：RB，H——异氧菌的生长率，g/（m3·d）； SS——易生物降解的基质浓度，gCOD/m3； ——最大比生长速率，gVSS/（gVSS·d）； KS——易生物降解基质的半速率系数，gCOD/m3； SO——溶解氧浓度，g/m3； KO，H——溶解氧浓度的半速率系数，g/m3； XB，H——异氧菌浓度，g/m3；3 3 • 易降解基质易降解基质S SS S，用于生长，而，用于生长，而- -（（1/Y1/YH H）将异氧菌生长速率与）将异氧菌生长速率与S SS S浓度变化联系起来：浓度变化联系起来：• S SS S的总变化速率等于的总变化速率等于S SS S栏中化学计算系数乘以各自的过程速栏中化学计算系数乘以各自的过程速率之和 • 耗氧的化学计算系数表示如下：对于异氧生长（耗氧的化学计算系数表示如下：对于异氧生长（R Rj j，，1 1），），（（1-Y1-YH H）项为去除单位）项为去除单位CODCOD所需氧的比例。
所需氧的比例1-Y1-YH H）项除以）项除以Y YH H[gCOD[gCOD（细胞）（细胞）/gCOD/gCOD（利用）（利用）] ]，以得出，以得出细胞生长与所需细胞生长与所需氧的化学计算系数氧的化学计算系数，与矩阵格式相适应自养生长的化学计，与矩阵格式相适应自养生长的化学计算项含系数算项含系数4.574.57，因为氨是硝化菌的基质，在矩阵中以，因为氨是硝化菌的基质，在矩阵中以S SNHNH表表示，而氧是以示，而氧是以CODCOD表示，氧对氨的当量是表示，氧对氨的当量是4.57gO4.57gO2 2/g/g（（NHNH3 3- -N N），分子中的数量少了），分子中的数量少了Y YA A，是由于氨用于细胞合成是由于氨用于细胞合成4 4 • 模型的应用模型的应用数学模型的主要作用：数学模型的主要作用：①①用于污水处理工艺模型的建立或直接用于污水处理厂的设计；用于污水处理工艺模型的建立或直接用于污水处理厂的设计； ②②作为研究的工具以评价生物过程，并深入了解影响某种工艺运行的作为研究的工具以评价生物过程，并深入了解影响某种工艺运行的重要参数，进一步指明污水处理系统的研究方向；重要参数，进一步指明污水处理系统的研究方向；③③用以评价给定设施的处理容量，帮助污水处理厂操作管理人员获得用以评价给定设施的处理容量，帮助污水处理厂操作管理人员获得更有效信息，提高运行操作和管理水平。
更有效信息，提高运行操作和管理水平为评估现有污水厂的能力，利用污水特性表征和污水厂运行数据对为评估现有污水厂的能力，利用污水特性表征和污水厂运行数据对模型进行校正掌握的数据愈多，校正后的模型愈贴近实际情况模型进行校正掌握的数据愈多，校正后的模型愈贴近实际情况模型参数的典型取值见书模型参数的典型取值见书P173表表12-95 5 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6 6 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。
7 7 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8 8 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。
9 9 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；1010 Activated Sludge Model No.1 (ASM1)2系统分割8个子过程13个组分①好氧生长异养菌②缺氧生长③衰减自养菌④好氧生长⑤衰减污染物有机碳有机氮⑧缓慢降解有机氮水解⑦可溶有机氮氨化⑥缓慢降解有机碳水解1111 Activated Sludge Model No.1 (ASM1)2系统分割8个子过程13个组分(1)异养菌Xbh(2)自养菌Xba(3)微生物衰减产物Xp(5)缓慢降解有机碳Xs(4)易降解有机碳Ss(7)颗粒惰性有机碳Xi(6)可溶惰性有机碳Si(8)可溶性可降解有机氮Snd(9)颗粒状可降解有机氮Xnd(10)氨态氮Snh(11)硝态氮Sno微生物有机碳氮化合物其他(12)溶解氧So(13)碱度Salk1212 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Ss氨态氮Snh异养菌好氧生长异养菌Xbh溶解氧So碱度Salk 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1313 3基本速率方程Activated Sludge Model No.1 (ASM1)异养好氧生长异养菌Xbh易降解有机碳Ss氨态氮Snh溶解氧So碱度Salk1414 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01515 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ηg方程1和2采用相同的uh, Ks1616 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1717 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COD·h)(实际上，简单的化合物如氨基酸可以直接被微生物利用)1818 Activated Sludge Model No.1 (ASM1)Kh，水解动力学常数(h-1); Kx，水解反应半饱和系数(mg缓慢降解COD/mg活性生物量COD)； ηh，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(Xs/Xbh)的控制，而不只受Xs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ηh反应了缺氧条件下水解反应的延滞程度，与ηg类似，这个校正因子也是经验性的1919 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2020 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2121 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Xbh易降解有机碳Ss氨态氮Snh溶解氧So碱度Salk1-1/Yh-(1-Yh)/Yh-ixb-ixb/142222 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Yh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CO2、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/Yh；j=1XbhSsSoSnhSalkρj异养菌异养菌好氧生长好氧生长1 1-1/Y-1/Yh h-(1-Y-(1-Yh h)/Y)/Yh h-i -ixbxb-i -ixbxb/14/14ρ ρ1 12323 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2424 (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HCO3-表示，单位为mol/L由下式可知，每消耗1mol氨氮，同时消耗1mol HCO3-，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2525 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=2XbhSsSnoSnhSalkρj异养菌异养菌缺氧生长缺氧生长1 1-1/Y-1/Yh h-(1-Y-(1-Yh h) )2.86Y2.86Yh h-i -ixbxb[(1-Y[(1-Yh h)/(14×)/(14×2.86Y2.86Yh h)]-i)]-ixbxb/14/14ρ ρ2 2说明(1)设硝态氮的化学计量系数为K，根据COD守恒可得，2626 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1/5molNO3-，或1/4O214/532/41x因此，1g硝态氮相当于2.86gCODX=(32/4)/(14/5)=40/14=2.862727 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)：2828 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HCO3-)的摩尔数等于消耗的氨氮的摩尔数，即ixb/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HCO3-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HCO3-碱度而消耗的硝态氮的摩尔数为[(1-Yh)/(14×2.86Yh)][(1-Yh)/(14×2.86Yh)](iv)总反应为：R=Rd - feRa - fsRc2929 异养菌好氧生长异养菌缺氧生长1g硝态氮相当于2.86gCOD3030 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=3XbaSoSnoSnhSalkρj自养菌自养菌好氧生长好氧生长1 1-(4.57-Y-(4.57-Ya a) )Y Ya a1/Y1/Ya a-i -ixbxb- -1/Y1/Ya a(-i(-ixbxb/14)-/14)-(1/7Y(1/7Ya a) )ρ ρ3 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4.57gCOD3131 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)Snh的化学计量系数为-ixb-1/Ya，其中1/Ya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/Ya。
》》Ya，自养菌产率系数，g细胞COD产生/gN消耗3232 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NH4+(电荷)转变为NO3-需要2mol HCO3-(电荷)，即消耗2mol的碱度在消耗的氨氮中，有1/14Yamol转变为硝态氮，此部分消耗的碱度为2*1/14Ya=1/7Ya，而直接转移到细胞中的氨氮消耗的碱度为ixb/14因此，自养菌好氧生长消耗的碱度的系数为(-ixb/14)-(1/7Ya)3333 ASM1反应动力学及化学计量3434 ASM1矩阵p1=p2=p3=p4=p5=p6=p7=p8=3535 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3636 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3737 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3838 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ri的计算ASM1中，序号为i的组分(i=1~13)的总反应速率(或表观转化率)ri可由下式计算：式中，νij ——表中i列j行的化学计量系数； ρj ——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3939 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有机污染物CODCODmg/Lmg/L溶解氧溶解氧-COD-CODmg/Lmg/L微生物微生物CODCODmg/Lmg/L1gMLVSS=1.42gCOD1gMLVSS=1.42gCOD氨氮氨氮N Nmg/Lmg/L1gN=4.57gCOD1gN=4.57gCOD硝态氮硝态氮N Nmg/Lmg/L1gN=2.86gCOD1gN=2.86gCOD碱度碱度HCOHCO3 3- -mol/Lmol/L4040 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1Si溶解性不可生物降解有机碳mgCOD/L2Ss溶解性快速可生物降解有机碳mgCOD/L3Xi颗粒性不可生物降解有机物mgCOD/L4Xs慢速可生物降解有机物mgCOD/L5Xbh活性异养菌生物固体mgCOD/L6Xba活性自养菌生物固体mgCOD/L7Xp生物固体衰减产生的惰性物质mgCOD/L8So溶解氧(负COD)-mgCOD/L9SnoNO3-N和NO2-NmgN/L10SnhNH4-N和NH3-NmgN/L11Snd溶解性可生物降解有机氮mgN/L12Xnd颗粒性可生物降解有机氮mgN/L13Salk碱度mol/L4141 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Yhg细胞COD产生/gCOD消耗0.6662自养菌产率系数Yag细胞COD产生/gN消耗0.243生物固体的惰性组分分数fp0.084生物固体的含氮量ixbgN/g活性生物体细胞COD0.0865生物固体惰性组分的含氮量ixpgN/g内源残留物COD0.06ASM1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4242 生活污水在pH中性和20℃时动力学参数取值4343 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”。
ASM1是机理模型典型活性污泥过程数学模型的生成进水出水空气剩余污泥回流污泥4444 Activated Sludge Model No.1 (ASM1)典型活性污泥过程的建模3Xs 3Xbh3Xba 3Xnd 3Xp进水qi出水qo剩余污泥qw回流污泥qr曝气池Ss Snh Snd SnoXs Xnd Xbh Xba Xp二沉池Ssi XsiSndi XndiSnoi SnhiSs SnoSnh Snd3Xs 3Xbh3Xba 3Xnd 3XpFig. 1.11 典型活性污泥过程物流图4545 Activated Sludge Model No.1 (ASM1)典型活性污泥过程的ASM1生成(1)由于惰性物质Si和Xi不参与反应，图中未列出碱度Salk，在反应中为消耗物质，在碱度适当时对其他成分的反应没有影响，没有列入进水的成分中说明(2)曝气池内溶解氧浓度假定保持恒定，因而没有列入变量系列中3)经过二沉池，颗粒物完全沉淀，各组分沉淀物的浓度假定为悬浮时的3倍，即二沉池污泥浓缩(concentration)比为34)二沉池出水流量近似等于曝气池进水流量，即qo=qi4646 Activated Sludge Model No.1 (ASM1)基于ASM1的典型活性污泥过程数学模型的生成建模范围为图中虚线框所示。
假定曝气池体积为V，反应物j的浓度为ρj，反应物j的速率方程以(d ρj/dt)R表示，流量用q表示，脚标“i”表示进水，“o”表示出水，“r”表示回流，“R”表示反应，“w”表示废弃，则模型的通式可表示为：可溶性组分位于该式“＝”右侧的1、2、4项或2、4项，颗粒组分位于“＝”右侧的1、3、4项或3、4项，视物流情况而定对于Ss，方程为：4747 Activated Sludge Model No.1 (ASM1)t1 为废水水力停留时间，即HRT，单位d基于ASM1的典型活性污泥过程数学模型的生成4848 Activated Sludge Model No.1 (ASM1)(3)异养菌Xbh(4)自养菌Xba(1)易降解有机碳Ss(8)可溶性可降解有机氮Snd(9)颗粒状可降解有机氮Xnd(6)氨态氮Snh(7)硝态氮Sno(2)缓慢降解有机碳Xs(5)微生物衰减产物Xp基于ASM1的典型活性污泥过程数学模型微分方程组4949 5050 此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢 。