活性污泥动力学模型的建立及在完全混合式污泥系统中的应用

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摘要　首先建立了微生物衰减系数和污泥浓度、底物浓度的函数关系式，带人Lawrence-McCarty第一方程式得到了Logistic方程形式的微生物生长方程式，在分析污泥泥龄和污泥停留时关系基础上，引入Monod方程建立了活性污泥动力学模型，推导证明了Lawrence-McCarty方程式是模型静态条件下的表达形式，用建立的活性污泥动力学模型对完全混合式污泥系统进行了模拟，并分析了水力停留时Hydraulic retention time(HRT)和污泥停留时Sludge retention time(SRT)对完全混合式污泥系统的影响，表明模型能很好地对活性污泥系统的动态过程进行模拟，根据模型编程画出了污泥系统相关变量关于HRT和SRT变化的三维曲面图，通过编程将复杂模型看作一定输入输出的函数，使得模型更易于应用和推广。

关键词　污泥泥龄，污泥停留时，活性污泥动力学模型，完全混合式污泥系统。

传统水处理设计方法包括经验负荷法和污泥泥龄法，经验负荷法是基于零级反应的最原始方法，但是对工程实践却具有很重要的价值，污泥泥龄法是静态模型Lawrence-McCarty方程式的应用，传统设计方法具有不确定性、模糊性和主观性，无法满足逐渐精确化智能化的设计要求，这就为动态模型的应用提供了条件，动态模型不但能够对污泥系统进行模拟、实时预测，还能用于系统智能优化设计。

为了促进生物废水处理系统模型的发展及模型在设计和运行中的实用性，国际水协会(IWA)先后推出了系列活性污泥动态模型，1987年国际水协会课题组推出了活性污泥1号模型(ASMl)，在ASMl基础上，课题组在1995年推出了增加强化除磷过程的活性污泥2号模型(ASM2)1999年推出的ASM2d模型弥补了ASM2无法描述缺氧条件下磷的去除现象的不足，考虑了缺氧条件下聚磷菌(PAOs)的反硝化作用，同年又推出了全新的ASM3模型，将储存理论引入到了模型当中，这些模型都已用于水处理工艺的模拟和优化设计。

ASMl是后面所有模型的基础，其它模型都是基于第一套模型改进和扩充得到的，该模型将废水生物处理过程分为8个子过程，物质分成13种组分，包含19个参数，可以看到，模型比较复杂，不利于具体讨论各参数和变量问的作用规律和数学关系，实际上模型的8个子过程形式上基本相同，都是基于Monod方程建立的，并且都需要建立底物衡算和污泥衡算，通过简化，本论文只研究单一底物、单一微生物条件下污泥系统的动态变化过程和数学特征，并通过编程具体研究了水力停留时HRT和污泥停留时SRT与污泥系统的二元函数作用关系。

1　微生物的衰减及对Monod方程的改进

污泥内源呼吸强度用Kd表示(d-1)，又称为微生物衰减系数，研究表明，在底物浓度不足情况下，微生物会进行内源呼吸消耗自身物质以维持生存，微生物的内源呼吸强度随着底物浓度的增大而减小，最后内源呼吸达到最小临界值，符合负指数递减规律，根据环境容量理论和Logistic方程，物种的衰减和种群密度呈正相关，在一定环境容量条件下，种群的死亡率随着种群数量的增长而增长，最后达到出生率等于死亡率的平衡，根据所述关系，可以用函数形式Kd=aebsX表示三者关系。