含CN比的ASM1-2N拓展模型對(duì)SBR中短程硝化的模擬

1、.華中農(nóng)業(yè)大學(xué)2016屆碩士研究生學(xué)位論文315模型的評(píng)價(jià)3632實(shí)驗(yàn)值及模擬結(jié)果37321場(chǎng)景1(CN=28)SBR的模擬37322場(chǎng)景2(CN=60)SBR的模型39323場(chǎng)景3(CN=98)SBR的模擬4133參數(shù)值及其敏感性分析43331優(yōu)化求解得到的參數(shù)值=43332參數(shù)的敏感性分析4334模型的運(yùn)用4635本章小結(jié)484結(jié)論與展望4941結(jié)論4942展望49參考文獻(xiàn)50致謝54萬(wàn)方數(shù)據(jù)*;含CN比的ASMl2N拓展模型對(duì)SBR中短程硝化的模擬摘要廢水中的氨氮能夠通過生物氧化為硝酸鹽和亞硝酸鹽，然后再還原為氮?dú)獾膫?統(tǒng)硝化和反硝化過程去除。在此過程中，生物氧化有很大的能量消耗，而氨氮

2、先被 轉(zhuǎn)化亞硝酸鹽然后直接還原為氮?dú)獾亩坛滔趸^程在理論上證明能夠節(jié)省25的 能量消耗。影響短程硝化過程的因素很多，如溫度，pH，游離氨，進(jìn)水COD等，而進(jìn)水C瓜比對(duì)該過程的影響還有待探究。因此，本研究著眼于C瓜對(duì)短程硝化的影響， 通過不同進(jìn)水CN比條件下短程硝化實(shí)驗(yàn)的研究，建立了包含CN比控制因子的短 程硝化模型，并利用該模型模擬了四個(gè)進(jìn)水條件下SBR反應(yīng)器中的短程硝化過程。 通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果和模擬分析，得出如下結(jié)論：(1)本研究在原有的ASMl2N模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)硝化反應(yīng)過程做出調(diào)整， 添加了包含CN比的控制因子進(jìn)入相應(yīng)的反應(yīng)階段，將原有的模型拓展為包含CN 的短程硝化模型，精簡(jiǎn)拓展后的三個(gè)

3、模型ASMl2Nstandard，ASMl2NMonod， ASMl2NLogistic成為后續(xù)模擬的基本骨架。(2)通過在30，pH=7的條件下，調(diào)整SBR反應(yīng)器的進(jìn)水C瓜，測(cè)定了11h 內(nèi)SBR中各個(gè)組分的變化情況，通過分析發(fā)現(xiàn)，較低的CN有利于短程硝化反應(yīng) 的進(jìn)行，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)該過程提供了數(shù)據(jù)支撐。同時(shí)分析CN和硝化反應(yīng)的關(guān)系發(fā)現(xiàn)： 當(dāng)CN14時(shí)，為硝化反應(yīng)抑制區(qū)。 (3)針對(duì)SBR反應(yīng)器的反應(yīng)特點(diǎn)，以拓展出的三套模型為骨架，建立了SBR的模擬模型，并運(yùn)用到了三種CN比條件下，通過對(duì)比試驗(yàn)結(jié)果和模型評(píng)價(jià)發(fā)現(xiàn)， 三種模型中添加了CN比控制項(xiàng)的ASMl2NLogistic和ASMl2NMono

4、d對(duì)實(shí)驗(yàn) 值的模擬要比ASMI2Nstandard效果好很多。(4)三種模型效果的對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，效果最好的是ASMl2NLogistic模型， 模型的參數(shù)敏感性分析也發(fā)現(xiàn)該模型的參數(shù)對(duì)出水氮濃度影響明顯，同時(shí)利用最高 CN比的實(shí)驗(yàn)值驗(yàn)證的良好模擬結(jié)果也證實(shí)了該模型有很好的適應(yīng)性，也說明了 CN控制項(xiàng)添加在模型模擬中的重要性，為后續(xù)模型的推廣運(yùn)用奠定了良好基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：SBR反應(yīng)器；短程硝化；CN比；ASMl2N拓展模型；參數(shù)敏感性分析萬(wàn)方數(shù)據(jù)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)2016屆碩士研究生學(xué)位論文AbstractAmmonium in wastewater carl be removed through t

5、he conventional nitrification-denitrification process，during which ammonium is biologically oxidized to nitrate and then reduced to N2Significant energy is consumed during this process due toaeration，but 25of the energy can theoretically be saved through shortcut biological nitrogen removal(SBNR)：am

6、monium is oxidize，d to nitrite and then reduced to N2Many factors have been proved that have effects on the process of shortcut biological nitrogen removal such as temperature，pH，NH4十N，COD in the in_fluent etal， while the effect of CN ratio still needs to be furture studiedBased on the purpouse of f

7、inding out the effect of CN on the process of partial nitrification，this study firstly took the experiment of four different emuents with different CN ratio in SBR，then constructed the mathematical model of partial nitrification with the contr01item of CN ratio and finally used this new model to fit

8、 the experiment data in SBRThrough the experiment results and modeling analysis，the main conclusion is as follows：(1)mS study constructed three new models based on the ASM 12N modelDifferent from the ASM 12Nthe new models transforrned the nitrification process and the new CN ratio contr01 iterns wer

9、e brought inT11is new models extended the ASMl-2N to a new partial nitrification model with CN ratio and the three new models ASM 1-2Nstandard， ASM 12NMonod， ASM 12N-Logistic became the basicframework of the following modelling(2)Under 3 O，pH=7，through changing the CN ration in the in_fluent of SBR，

10、the experimental data of different forms in the water were tested in the 1 l h reaction period Through these datait was found out that the lower CN ratio Was benefit for the processsof partioal nitrification which could be a guide for how to make this process come true In the meantime，through the an

11、alysis of the ralationships between the CN ratio and nitrification，it Was found out that when the CN ratio was below 76，the reaction in the SBR Was partial nitrification；when the CN ratio Was in the rank of 76-1 4，it Was traditional nitrification in SBR：when CN ratio was above 1 4it Was inhibition z

12、one forthe nitrification in SBR(3)Based on the charactor of SBR reaction and the three new models，a model about SBR was constructed and was used to model three different scenarios with different CNratioThrough the comparing of modelling results and model evaluation，it Can be seen萬(wàn)方數(shù)據(jù)that the perform

13、ances of two models ASM 12NLogistic and ASM 12NMonod withnew CN ratio are better than the ASMl2Nstandard model(4)Comparing the performances of three different modelsthe best is the ASM 1-2N-Logistic model，and the sensitivity analysis of modelling parameters also finds out that the new parameters hav

14、e a great effect on the effluent of NIn the meantime，the application of this new model to the highest CN ratio influent scenario and the better performance also proves that this new model has pratical application and the control item about CN ratio also has an important role in the modelling which c

15、onstructed a better basic for the following extension and applicationKeywords：SBR reaction；partial nitrification；CN ratio；ASMl2N extention models：parameters sensitivity analysis萬(wàn)方數(shù)據(jù)含ClN比的ASMl-2N拓展模型對(duì)SBR中短程硝化的模擬1前言從上世紀(jì)七八十年代開始，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和生活水平的提高，城鎮(zhèn)化發(fā)展產(chǎn) 生的集中生活污水和工業(yè)化發(fā)展所產(chǎn)生的工業(yè)廢水的排放量越來(lái)越大，由于前期的 粗獷式排放，導(dǎo)致自然水體的污染

16、和富營(yíng)養(yǎng)化越來(lái)越嚴(yán)重，從而使得廢水中的脫氮 除磷過程逐漸引起重視。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止到2010年，我國(guó)的生活污水集中處理率 達(dá)到65左右(董文福和傅德黔2010)，其中生活污水的處理多是采用傳統(tǒng)的脫氮 工藝，說明傳統(tǒng)的脫氮模式已經(jīng)在各個(gè)市政污水處理廠中得到廣泛的推廣。出于能 源節(jié)約、經(jīng)濟(jì)節(jié)省的考慮，區(qū)別于傳統(tǒng)工藝的新的脫氮除磷工藝逐漸成為研究的熱 點(diǎn)。短程硝化反硝化工藝作為新脫氮工藝中的代表，目前已經(jīng)有較多的學(xué)者在不同 的反應(yīng)器中實(shí)現(xiàn)，但是對(duì)短程硝化反硝化過程的控制和工程實(shí)踐仍處于研究階段。 數(shù)學(xué)模型模擬作為污水處理的研究方法之一，其成本低，效益大，精確度高以及貼 近機(jī)理的特點(diǎn)，使得其在工程實(shí)踐中

17、得到廣泛運(yùn)用。本文從傳統(tǒng)和硝化反硝化理論 和新的短程硝化反硝化理論出發(fā)，進(jìn)而對(duì)脫氮模型的概況進(jìn)行介紹包括ASMs系列 模型的發(fā)展和拓展的兩步硝化模型的研究進(jìn)程，最后詳盡敘述了本研究的背景、意 義及研究?jī)?nèi)容。11生物脫氮理論111硝化和反硝化作用生活污水中的氨氮可以通過傳統(tǒng)的硝化和反硝化過程去除。硝化過程是通過兩 種組分的細(xì)菌在兩步條件下實(shí)現(xiàn)(Bock et al 1986)。氨氮在亞硝化細(xì)菌(AOB)的 氧化作用下轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽在硝化細(xì)菌(NOB)的作用下轉(zhuǎn)化為硝酸鹽。 反硝化過程也是同樣通過兩種不同種類的微生物在兩步作用下完成：硝酸鹽細(xì)菌將 硝酸鹽轉(zhuǎn)化為亞硝酸鹽，亞硝酸鹽細(xì)菌將亞硝

18、酸鹽轉(zhuǎn)化為氮?dú)?Metcalf 2002)。具 體的過程如下。1、硝化作用硝化作用(Nitrification)是指氨氮在微生物作用下氧化為硝酸鹽的過程傳統(tǒng)的硝化反應(yīng)分為兩個(gè)階段，第一階段為亞硝化反應(yīng)階段，銨鹽(NH4+-N) 在細(xì)菌的生化作用下氧化為亞硝酸鹽(N02-N)的階段。參與這個(gè)階段活動(dòng)的亞硝 酸細(xì)菌主要有5個(gè)屬：亞硝化毛桿菌屬(Nitrosomonas)、亞硝化囊桿菌屬 (Nitrosocystis)、亞硝化螺菌屬(Nitrosospira)、亞硝化球菌屬(Nitrosococcus)$1硝化 肢桿菌屬(Nitrosogloea)。其中，以亞硝化毛桿菌屬的作用為主導(dǎo)，常見的有歐洲亞

19、 硝化毛桿菌(Nitrosomonas europaea)等。萬(wàn)方數(shù)據(jù)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)2016屆碩士研究生學(xué)位論文第二階段為硝化反應(yīng)階段，即亞硝酸鹽(N02-N)在細(xì)菌的生化作用下被氧化 為硝酸鹽(N03-N)的階段。參與這個(gè)階段活動(dòng)的硝酸細(xì)菌主要有3個(gè)屬：硝酸細(xì) 菌屬(Nitrobacter)；硝酸球菌屬(Nitrococcus)和硝酸刺菌屬(Nitrospina)。其中硝酸 細(xì)菌屬占據(jù)主導(dǎo)，常見的有活躍硝酸細(xì)菌(Nagilis)和維氏硝酸細(xì)菌(Nitrobacter winogradskyi)等。具體的反應(yīng)式可以表示如下(Barnes and Bliss 1 983)：AOBNH4十+1502

20、一N02+2H十十H20(11)NOBN02+05 02一N03(12)2、反硝化作用反硝化作用(Denitrification)也稱脫氮作用，是指細(xì)菌將硝酸鹽(N03-N)和 亞硝酸鹽(N02-N)中的氮通過一系列中間產(chǎn)物還原為氮?dú)?N2)的生物化學(xué)還原 過程。參與這一過程的細(xì)菌統(tǒng)被稱為反硝化菌，反硝化細(xì)菌大部分是異養(yǎng)型細(xì)菌， 例如反硝化假單胞菌、脫氮小球菌等，它們以有機(jī)物為氮源和能源，進(jìn)行無(wú)氧呼吸。 反硝化菌在無(wú)氧條件下，以將硝酸鹽(N03一-N)和亞硝酸鹽(N02一N)為電子受體完成呼吸作用以獲得能量，最終產(chǎn)物都是氮?dú)?Barnes and Bliss 1983；Orhon andArt

21、an 1994)。其中包括以下兩個(gè)還原反應(yīng)：15N03+65H+e。_110N2+35H20(13)13N02。+43H+e一16 N2+23(1-4)上述兩個(gè)反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，所以在無(wú)氧或缺氧條件下，反硝化細(xì)菌可以同時(shí) 利用硝酸鹽(N03)和亞硝酸鹽(N02。)來(lái)作為電子傳遞鏈的最終電子受體，進(jìn)而 完成物質(zhì)能量的交換。112短程硝化反硝化過程1、短程消化反硝化原理 傳統(tǒng)的氨氮去除過程可以通過一系列條件的控制縮減其中的兩步而變?yōu)榘钡缺谎趸癁閬喯跛猁}然后亞硝酸鹽直接被還原為氮?dú)?，而這個(gè)被縮減后的過程稱之 為短程氮去除過程(SBNR)或者部分硝化反硝化(Partial nitrification

22、 and denitrification)(Garrido et al 1 997；Ruiz et al 2003；Pollice et al 2002)。短程硝化反硝化之所以能夠?qū)崿F(xiàn)，其原因是：首先從進(jìn)化譜系上進(jìn)行分析，亞硝化菌和硝化細(xì)菌親緣關(guān)系不僅顯得并不十分密切，甚至絕大多數(shù)菌株的親緣關(guān)系 都相距很遠(yuǎn)，說明它們完全可以獨(dú)立生活(祝貴兵等2008)；其次，從氨氮的生物 化學(xué)轉(zhuǎn)化過程來(lái)看，既然氧化氨的亞硝化菌和氧化亞硝酸鹽的硝化菌是兩類獨(dú)立的 細(xì)菌，那么這兩個(gè)反應(yīng)過程能夠分開，使得只完成其中一個(gè)反應(yīng)成為可能；再次，萬(wàn)方數(shù)據(jù)含CN比的ASMl2N拓展模型對(duì)SBR中短程硝化的模擬反硝化細(xì)菌既能通

23、過還原亞硝態(tài)氮也能通過還原硝態(tài)氮來(lái)獲得電子受體，就說明如 果只是單獨(dú)提供亞硝酸鹽來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)反硝化過程是可行的(毛鶴群2012)。同時(shí)，相對(duì)于傳統(tǒng)的硝化反硝化過程，短程硝化反硝化有三大優(yōu)勢(shì)：1)硝化 過程能夠減少25的氧氣供應(yīng)(Chung and Bae 2002；Peng and Zhu 2006)；2)反硝 化過程能夠減少55的碳的供應(yīng)(Peng and Zhu 2006)；3)更高的氮去除率(Beccari et a1 1983)。2、短程硝化反硝化過程的影響因素 短程硝化反硝化過程的實(shí)現(xiàn)就在于亞硝酸鹽(N02-N)的積累，其根本就是促進(jìn)亞硝化細(xì)菌(AOB)生長(zhǎng)，抑制硝化細(xì)菌(NOB)生長(zhǎng)

24、。而影響這兩個(gè)細(xì)菌的因素有很多，其中被研究比較清楚的主要因素有溫度、pH、DO濃度、污泥齡、游離氨(FA)濃度和有機(jī)物濃度等(李澤兵等2011)。 (1)溫度生物硝化反應(yīng)發(fā)生的溫度范圍為445，但是亞硝化細(xì)菌(AOB)和硝化細(xì)菌 (NOB)的最適宜生長(zhǎng)溫度卻不相同，兩者對(duì)溫度有著不同的敏感性。在傳統(tǒng)的活 性污泥中，硝化細(xì)菌的活性在1214時(shí)會(huì)受到嚴(yán)重抑制，進(jìn)而會(huì)出現(xiàn)亞硝酸鹽 (N02-N)的積累；但是在1525時(shí)，形成的亞硝酸鹽(N02。-N)又會(huì)被完全氧 化；超過25，又會(huì)出現(xiàn)亞硝酸鹽(N02-N)的積累。所以亞硝化細(xì)菌適應(yīng)溫度范 圍較廣，但是硝化細(xì)菌在1525較適于生長(zhǎng)，這樣通過溫度的條件

25、控制可以控制 硝化反應(yīng)進(jìn)程。(2)pH硝化細(xì)菌(NOB)和亞硝化細(xì)菌(AOB)的最適宜生長(zhǎng)pH范圍不一樣，二者 對(duì)酸堿性的適應(yīng)程度不同，亞硝化細(xì)菌的最適宜pH范圍為7585，喜好偏堿性環(huán) 境，但是硝化細(xì)菌的最適宜pH范圍為6575，喜好中性偏酸性環(huán)境。(3)DO濃度硝化細(xì)菌(AOB)和亞硝化細(xì)菌(NOB)對(duì)于溶解氧的需求是不同的，一般情 況下，AOB的飽和常數(shù)為03mgL左右，NOB的為11mgL左右。通過控制溶解氧的濃度可以實(shí)現(xiàn)對(duì)兩類細(xì)菌的控制。(4)污泥齡(SRT)硝化細(xì)菌(AOB)和亞硝化細(xì)菌(NOB)的繁殖世代周期是不同的，AOB要 短于NOB(相差10倍以上)，所以縮短SRT使其介于

26、AOB和NOB的最小世代時(shí) 間之間，可以逐漸使系統(tǒng)中的NOB被沖洗掉，從而增強(qiáng)亞硝酸鹽的積累。 (5)游離氨(FA)游離氨雖然是硝化過程的原料，但是其濃度對(duì)于兩類細(xì)菌有很大的影響，對(duì) AOB的抑制濃度為O11mgL，對(duì)NOB則為10150mgL。所以控制合理的氨氮進(jìn) 水有利于AOB的增殖氧化，從而抑制NOB。萬(wàn)方數(shù)據(jù)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)2016屆碩士研究生學(xué)位論文(6)有機(jī)物濃度 有機(jī)物作為污水中主要存在的污染物，在污水處理過程中必然會(huì)伴隨碳氧化過程，而碳氧化會(huì)引起水質(zhì)中的DO、pH和ORP等參數(shù)發(fā)生改變，從而給短程硝化 過程帶來(lái)很大的影響，而且碳氧化的產(chǎn)物C02會(huì)嚴(yán)重影響硝化細(xì)菌的活性和產(chǎn)物。 (7

27、)鹽濃度污水中存在的某些常見的無(wú)機(jī)鹽在適量的濃度范圍時(shí)對(duì)短程硝化作用有促進(jìn) 作用，一旦超過某個(gè)閾值，反而會(huì)抑制該過程。目前更多的對(duì)于無(wú)機(jī)鹽對(duì)短程硝化 過程的影響的研究都是采用單一組分或少組分，與實(shí)際廢水中復(fù)雜的組分和多濃度 梯度有差異，還有待進(jìn)一步研究。12脫氮模型概述121 ASM系列模型1、ASM系列模型的發(fā)展國(guó)際水協(xié)(I刪O)在1980s1990s期間提出的活性污泥系列模型(ASMs)是目前普遍采用的脫氮數(shù)學(xué)模型。ASMl模型是Henze et al在1987年提出，主要用 于描述市政污水處理廠中COD和氨氮的去處過程。ASMl模型中包含了八個(gè)描述 了活性污泥中自養(yǎng)和厭氧微生物的生長(zhǎng)和衰

28、退的過程，而每個(gè)過程中對(duì)自養(yǎng)和異養(yǎng) 細(xì)菌的生長(zhǎng)速率過程采用Monod反應(yīng)式進(jìn)行描述，并添加了開關(guān)函數(shù)來(lái)模擬好氧 和厭氧條件(Ostace et al 201 1)。從80年代中期到90年代中期，生物除磷逐漸引起 學(xué)者的重視，因此，在1995年，Henze et al提出了新的ASM2模型來(lái)專門模擬生 物除磷過程。ASM2包含19個(gè)組分和19個(gè)生物反應(yīng)過程，其中包含了硝化過程， 反硝化過程以及生物除磷過程。不同于ASMl模型，ASM2模型在描述細(xì)菌結(jié)構(gòu)時(shí) 添加了細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)，同時(shí)還添加了可懸浮顆粒物(TSS)進(jìn)入模型(Henze et al 2000)。在1994年，當(dāng)ASM2模型完成后，關(guān)于反

29、硝化過程和除磷過程的關(guān)系依然不明確， 所以該模型沒有對(duì)此進(jìn)行描述。但是，隨著反硝化聚磷菌(PAOs)在越來(lái)越多的研 究結(jié)果中出現(xiàn)，因此模型必須做出改變，在1999年，新的拓展的ASM2d模型出現(xiàn)，并將PAOs包含在其中。ASM2d模型主要是ASM2模型的拓展，額外添加了兩個(gè) 關(guān)于PAOs的反應(yīng)過程(Henze et al 2000)。在1998年，ASM模型工作小組決定開發(fā) 一個(gè)新的模型平臺(tái)ASM3。ASM3模型包含了能量的儲(chǔ)存從而使得對(duì)生物降解和氧氣消耗的描述更加準(zhǔn)確(Henze et al 1998)。與ASMl模型相比，ASM3模型對(duì)細(xì)菌 的衰退和降解再生循環(huán)過程描述的更加詳細(xì)。但是AS

30、M3模型只包含了微生物的轉(zhuǎn) 化過程，化學(xué)反應(yīng)過程沒有包含，但是這些都可以通過ASM2進(jìn)行添力H(Henze et al2000)。d萬(wàn)方數(shù)據(jù)含CN比的ASMl2N拓展模型對(duì)SBR中短程硝化的模擬2、ASM系列模型的基本格式符號(hào) 由于活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)過程，ASM系列活性污泥數(shù)學(xué)模型將一個(gè)小步的反應(yīng)過程劃歸為局部系統(tǒng)，先將局部系統(tǒng)的模型建立，然后通 過各個(gè)小步反應(yīng)之間的聯(lián)系將各局部系統(tǒng)模型相互聯(lián)系起來(lái)，形成完整的模型體系。 ASM模型通過矩陣的形式描述活性污泥系統(tǒng)中各組分的變化規(guī)律和相互關(guān)系，這 也是活性污泥數(shù)學(xué)模型的最主要特征。ASM系列模型將“開關(guān)函數(shù)”的概念引入到 各反

31、應(yīng)過程的反應(yīng)速率矩陣中，同時(shí)通過在反應(yīng)速率表達(dá)式中加入開關(guān)函數(shù)來(lái)描述 影響活性污泥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程的環(huán)境因素，這種表達(dá)形式可以有效避免因某些反應(yīng) 過程的不連續(xù)性而導(dǎo)致的在模擬時(shí)出現(xiàn)的數(shù)值不穩(wěn)定現(xiàn)象。ASM系列活性污泥數(shù) 學(xué)模型的矩陣包括化學(xué)計(jì)量系數(shù)矩陣和過程速率方程矩陣兩個(gè)部分。 (1)模型組分和參數(shù)介紹模型矩陣構(gòu)建的第一步是確定模型中的反應(yīng)組分，反應(yīng)組分采用命名法，以S，表示溶解性組分，X，表示不溶性組分，同時(shí)不同的下標(biāo)代表不同的溶解性和顆粒 性組分。由于模型模擬的是化學(xué)動(dòng)力學(xué)反應(yīng)，因此很多動(dòng)力學(xué)參數(shù)及化學(xué)計(jì)量系數(shù)被引 入到了化學(xué)計(jì)量系數(shù)矩陣和過程速率方程矩陣中。在化學(xué)計(jì)量系數(shù)中，Y代表產(chǎn)率

32、系數(shù)，f代表產(chǎn)率比例，i代表物質(zhì)含量；在動(dòng)力學(xué)參數(shù)中，q代表速率常數(shù)，K代表半飽和常數(shù)，p代表最大比增長(zhǎng)速率，b代表呼吸速率，”為效率系數(shù)。不同的組分對(duì)應(yīng)的不同的動(dòng)力學(xué)參數(shù)與化學(xué)計(jì)量系數(shù)，以下標(biāo)進(jìn)行區(qū)分。 (2)化學(xué)計(jì)量系數(shù)矩陣在ASM系列模型中，不同生物反應(yīng)過程對(duì)應(yīng)各自的過程速率方程，參與同一 生物反應(yīng)過程的不同組分的過程速率方程均相同，只是采用不同的化學(xué)計(jì)量系數(shù)來(lái) 反應(yīng)這些組分不同的變化程度?；瘜W(xué)計(jì)量系數(shù)同樣采用以化學(xué)計(jì)量矩陣表示，能夠很直觀的看出每個(gè)組分在所 有反應(yīng)過程中的變化情況?；瘜W(xué)計(jì)量系數(shù)的正負(fù)表示該組分在某生物反應(yīng)過程中的 增加或者減少，如果該組分不參與某個(gè)生物反應(yīng)過程，那么對(duì)應(yīng)

33、的化學(xué)計(jì)量系數(shù)就 為0，在矩陣中用空格表示。而矩陣中未列出的值，可根據(jù)物料守恒原則采用連續(xù)性方程計(jì)算得到。ASM系 列模型包含了電荷平衡、COD平衡、氮平衡、磷平衡和總懸浮固體平衡5個(gè)平衡。 (3)過程速率方程矩陣模型過程速率方程中添加了開關(guān)函數(shù)來(lái)反映某些因素對(duì)反應(yīng)過程的抑制或促 進(jìn)作用。如果某溶解性組分S對(duì)某一反應(yīng)過程起起促進(jìn)作用，開關(guān)函數(shù)形式則刀、焉5-， 如果起抑制作用，這個(gè)組分的開關(guān)函數(shù)的形式為去。K值的數(shù)值大小反映該組分萬(wàn)方數(shù)據(jù)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)2016屆碩士研究生學(xué)位論文對(duì)該反應(yīng)過程的促進(jìn)或抑制作用程度。 3、ASM系列模型在描述氮去除過程的缺陷在傳統(tǒng)的污水處理工藝中，由于污泥的回流，高

34、氨濃度廢水氧化導(dǎo)致的pH的 明顯下降，亞硝酸(HN02)的生成被抑制，反應(yīng)池中的過程都是一步硝化反應(yīng)過 程：NH4-N03(Volcke et al 2006)，而IAWO提出的ASM系列模型的初衷是針對(duì)采 用傳統(tǒng)活性污泥法的污水處理過程進(jìn)行模擬，因此目前已經(jīng)發(fā)表的ASM模型中只 有ASMl對(duì)硝化過程的描述是采用兩步：ND(有機(jī)氮)NIl4，NH4-N03，但是并 不是氨氧化和亞硝化氧化過程，其他模型ASM2，ASM2d，ASM3對(duì)硝化過程的描述也全部采用一步：NI-14N03進(jìn)行描述。但是新的研究都發(fā)現(xiàn)，硝化過程均是兩步 反應(yīng)，所以ASM系列模型在氮去除的模擬上并不完善。122兩步硝化模型針

35、對(duì)硝化作用的兩步過程，NH4-N02和N02-N03，Ossenbruggew et al(1 995) 是最早通過建立經(jīng)驗(yàn)的兩步Monod形式對(duì)硝化過程進(jìn)行完整描述的。而在傳統(tǒng)的活 性污泥反應(yīng)池中，Hellinga et al在1998年提出了一種新的除氮工藝SHARON工藝 (NH4NOR-N2)，通過pH和溫度的調(diào)控以及高濃度的銨鹽進(jìn)水，讓硝化過程停止在 N02-N，然后進(jìn)行反硝化生成N2。而SHARON工藝涉及到一個(gè)很重要的中間產(chǎn)物亞硝 態(tài)氮，并且其目的旨在抑制硝化的N02-N03過程，因此對(duì)硝化過程的描述采用的是 兩步。但是SHARON工藝需要的條件比較嚴(yán)苛，在傳統(tǒng)的活性污泥反應(yīng)池中

36、無(wú)法輕易辦到，目前己知能夠完成SHARON工藝的反應(yīng)池有CSTR，SBR，BAS和mR。SHRON工藝的出現(xiàn)，也引起了很多學(xué)者對(duì)這一工藝模型的研究，最先是Hellinga et al 在1999年建立該過程的模型，他們以IWAQ(1987)的早期模型為基礎(chǔ)，采用Monod 形式，加入抑制項(xiàng)，得到新的生長(zhǎng)速率，并根據(jù)SHARON工藝估算了抑制參數(shù)值， 為后續(xù)關(guān)于兩步硝化反硝化的模型提供了基礎(chǔ)。Volcke et a1(2007)針對(duì)在CSTR的SHARON工藝兩步硝化過程建立了模型，并對(duì)SHARON工藝的形成條件進(jìn)行探討。由于SHARON工藝的出現(xiàn)以及很多學(xué)者對(duì)SHARON工藝在不同反應(yīng)器中的實(shí)

37、 現(xiàn)，而ASM本身針對(duì)硝化過程的采用一步描述的局限，使得很多學(xué)者開始在ASM模 型的基礎(chǔ)上針對(duì)兩步硝化反應(yīng)過程進(jìn)行拓展。MarsiliLibelli et al(2001)在ASM2d的 基礎(chǔ)上做出調(diào)整，增加亞硝態(tài)氮這一組分，采用兩步硝化和反硝化過程來(lái)描述SBR池中的反應(yīng)過程。Iacopozzi et a1(2007)在ASM3的基礎(chǔ)上提出了ASM32N模型，在原有 模型的基礎(chǔ)上增加了氨氧化菌和亞硝化氧化菌兩個(gè)組分，拓展了原有模型對(duì)菌群的 范圍，同時(shí)彌補(bǔ)了原有模型對(duì)亞硝酸鹽忽略的局限。Kaelin et a1(2009)在ASM3模型 的基礎(chǔ)上，增加了新的自養(yǎng)菌組分氨氧化菌(XAOB)和亞硝化

38、氧化菌(XNoB)，同 時(shí)增加了AOB氧化和NOB氧化兩大過程(包含三個(gè)過程)，同時(shí)將反硝化過程變?yōu)閮?步，增加了四個(gè)過程，并根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)新增加的參數(shù)進(jìn)行了估值，對(duì)模型進(jìn)行了萬(wàn)方數(shù)據(jù)含CN比的ASMl2N拓展模型對(duì)SBR中短程硝化的模擬評(píng)估。針對(duì)已經(jīng)拓展的ASM3兩步硝化反硝化模型，Cruz Boumazou et al(2011)在原 有模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行了精簡(jiǎn)探索，將原有的15步反應(yīng)狀態(tài)方程，精簡(jiǎn)到9步，6步和5 步三種模式，并根據(jù)SBR反應(yīng)池的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，最后證明5步模型有很高 的精度，同時(shí)相比原有模型更加簡(jiǎn)便和便于計(jì)算，為模型的簡(jiǎn)化提供了新的思路。1221 ExtendedA

39、SM2d模型針對(duì)SBR反應(yīng)器中的硝化反硝化以及除磷過程，MarsiliLibelli et al(2001)建 立了新的ExtendedASM2d模型，區(qū)別于之前的ASM2d模型針對(duì)硝化過程一步描 述的方式，該模型將原有的硝化細(xì)菌組分拓展成了兩種族群。針對(duì)不同的硝化細(xì)菌 族群，選用了各自的產(chǎn)率系數(shù)，最大生長(zhǎng)率，衰減速率。該模型是最早的結(jié)合活性 污泥模型(ASMs)，并在模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓展的兩步脫氮模型，為后續(xù)相關(guān)的兩步脫氮拓展模型提供了新的思路。ExtendedASM2d模型的具體的硝化過程描述采用如下的方式(公式1518)：rNs=IINs(1_5)Ls。S+oK。a LrsHsN+uKH

40、，anvsrNb=嘲喙羔)(摭)XNb(1-6)反硝化過程的描述如下(公式1314)：TH,N03=Im。s醋靜畿)嗉鬻急嗉黼s(1-7)rH,N02=JH77N03醋靜畿)嗉急(荔s(1-8)其中，SD、S、乳H、SN02、粕D3分別表示溶解氧、COD、氨氮、亞硝氮、硝氮的濃度；pb、肛腫TIN03分別為氨氧化階段轉(zhuǎn)化速率、亞硝化氧化階段轉(zhuǎn)化 速率、異養(yǎng)菌轉(zhuǎn)化速率和硝酸鹽轉(zhuǎn)化率；小KN020X、D3、02口磁分別表 示相應(yīng)的溶解項(xiàng)的控制因子；秭s、XNb、。分別表示氨氧化細(xì)菌、亞硝化氧化 細(xì)菌和反硝化細(xì)菌。該模型運(yùn)用到容積為5L，運(yùn)行周期為6h的SBR反應(yīng)器中，成功的模擬了反應(yīng)器 中各種溶解

41、項(xiàng)的變化。1222 ASM32N模型由于ASM3模型無(wú)法完整的描述脫氮過程，尤其是在脫氮過程很重要的研究當(dāng) 中，使得ASM3模型的適應(yīng)性受到了限制，所以Iacopozzi(2007)在原有的ASM3模 型基礎(chǔ)上作出了加強(qiáng)，引入了兩步硝化的概念。模型的具體反應(yīng)速率如表11所示。萬(wàn)方數(shù)據(jù)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)2016屆碩士研究生學(xué)位論文表11 ASM32N模型的速率方程Tablel一l Kinetic rates for the ASM32N model水解一xsxKx+(XsX)X2Ss的好氧存儲(chǔ)ksro乏薏熹粕瓦而蕊叉H3Ss的厭氧存儲(chǔ)ksr077DxXHS02SNH4SALKx汀0 7XHIJnrlN

42、ox面Ko瓦2纛蓀SN+,SA慨LKK02+s02SNH4+KNH4sALK七KALK K汀o+(x汀ofX曲11H4好氧生長(zhǎng)肛。，HK5反硝化以SN02厭氧生長(zhǎng)XsroxHxHKsro+(Xsro隰小2薹鐾|羹羹蔓邈sNH4sALK肛H77以瓦i聶 籟鏊纂薹薹戮 sNH4+KNH4SALK+KALK6反硝化以sN03厭氧生長(zhǎng)xsTofxHxHKsTo+(Xsro緙小7好氧內(nèi)源呼吸b,02芒8厭氧內(nèi)源呼吸厶刪。x瓦雨K02磊xH 9以XsTo好氧呼吸bsro,oz瓦再S02瓦 硌7o10以XsTo厭氧呼吸。x彘xslroI I自養(yǎng)菌X。好氧生長(zhǎng)13X。好氧內(nèi)源呼吸囊甏燃黼鯔露麓西蕊囊糕12Xn

43、b氧化生長(zhǎng)l黼8搿粼髓攀囊薹黲羹麓靜豫l簍簿曩霹iii瓤ii藕冀耋蠢爨搿藿固露墓日泣瓣黥囊馨14X曲好氧內(nèi)源呼吸15x。厭氧內(nèi)源呼吸16Xnb厭氧內(nèi)源呼吸8萬(wàn)方數(shù)據(jù)含CN比的ASMl2N拓展模型對(duì)SBR中短程硝化的模擬其中，S02、S、如H、SN02、粕D3分別表示溶解氧、COD、氨氮、亞硝氮、硝 氮的濃度；肛s、隊(duì)b、肛H、tiN03分別為氨氧化階段轉(zhuǎn)化速率、亞硝化氧化階段轉(zhuǎn)化 速率、異養(yǎng)菌轉(zhuǎn)化速率和硝酸鹽轉(zhuǎn)化率；H、KN020”D3、D2口n、Ks分別表示相應(yīng)的溶解項(xiàng)的控制因子；k、Xnb、s分別表示氨氧化細(xì)菌、亞硝化氧化細(xì)菌和反硝化細(xì)菌；6z代表了對(duì)應(yīng)過程步驟下對(duì)應(yīng)物質(zhì)的內(nèi)源衰減系數(shù)。

44、表中所列出的做了標(biāo)記的部分是為了區(qū)別之前的ASM3模型，主要是根據(jù)兩步硝化反應(yīng)的理論，添加了新的關(guān)于亞硝態(tài)氮的中間反應(yīng)過程，包括氨氮氧化為亞硝態(tài)氮的反應(yīng)過程，以亞硝態(tài)氮為原料的反硝化過程，同時(shí)根據(jù)反應(yīng)方程式寫出了相 應(yīng)的速率方程，相應(yīng)的控制項(xiàng)也做出了改變。1223 ASM3ninestate模型ASM3-2N模型是針對(duì)兩步硝化反硝化過程描述的最完全和準(zhǔn)確的模型，但是該 模型有一個(gè)弊端就是模型包含了20個(gè)反應(yīng)速率，15個(gè)狀態(tài)變量和超過35個(gè)參數(shù)，使 得該模型在運(yùn)用過程要花費(fèi)大量的時(shí)間去調(diào)整參數(shù)，而且很多參數(shù)值還難以預(yù)測(cè)。 因此，Cruz Boumazou et al在2011年針對(duì)原有的ASM3

45、。2N模型做出精簡(jiǎn)，提出了新 的ASM3ninestate模型。經(jīng)過調(diào)整后的模型的系數(shù)矩陣如表12所示。相應(yīng)的速率方程如下：吃口e=肛H莓S十ss。S，o十3。jHS。N十n4H XH(1-9) 吃口s 2縱1瓦S+os。s刪s。n+nK4H XJs(i-10) 吃口肋=心2麗S：N。，0。202。S，O。小SN，H。4H4 XN6(i-11) 吃，。3=肛H1五S+S。s。S。N，0J3。K：0，2，I。，HS。N，H。4H4 Xs(i-12)吃。2=肛H2囂S十Ss。S2N十0j2D2022K02+2。HS。N，H。4H4 XH(1-13)其中，So、Ss、SNH4、SN02、Sn03分別

46、表示溶解氧、COD、氨氮、亞硝氮、硝氮的濃度；縱”隊(duì)2、弘H、肛H”MH2分別為氨氧化階段轉(zhuǎn)化速率、亞硝化氧化階段 轉(zhuǎn)化速率、異養(yǎng)菌轉(zhuǎn)化速率和反硝化階段的兩個(gè)轉(zhuǎn)化率；撲KN02”03、 烙分別表示相應(yīng)的溶解項(xiàng)的控制因子；p XNb、。、婦分別表示氨氧化細(xì)菌、 亞硝化氧化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌和異養(yǎng)細(xì)菌。萬(wàn)方數(shù)據(jù)華中農(nóng)業(yè)大學(xué)2016屆碩士研究生學(xué)位論文該模型運(yùn)用至USBR反應(yīng)器中模擬氮的變化后發(fā)現(xiàn)，該模型能夠有效地模擬N的濃 度變化，同時(shí)節(jié)省了計(jì)算的步驟，降低了電腦成本。同時(shí)該模型的成功運(yùn)用為后續(xù) 模型的精簡(jiǎn)和優(yōu)化提供了新的思路。1224 ASMl2N模型鑒于ASMl模型運(yùn)用的廣泛性以及ASMl對(duì)脫氮

47、過程描述的不完整性，Ostace et al(2011)在ASMl模型的基礎(chǔ)上，針對(duì)兩步硝化反硝化過程，提出了ASMl2N模型， 該模型對(duì)ASMl模型進(jìn)行了拓展，為硝化反應(yīng)添加了新的中間產(chǎn)物亞硝酸鹽，并成 功對(duì)BSMl反應(yīng)池中的硝化和反硝化過程進(jìn)行了模擬。1、模型的組分ASMl2N模型是ASMl模型的拓展，在對(duì)COD的描述上，沿用了ASMl的 模式，劃分為三個(gè)組分：可生物降解COD，不可生物降解COD和活性微生物?？?氮被分為氨氮(SNH)和有機(jī)氮。在ASMl模型基礎(chǔ)上發(fā)生改變的是，按照兩步硝 化理論將自養(yǎng)型微生物被分成了兩個(gè)部分：氨氧化細(xì)菌(XNoB)和亞硝化氧化細(xì)菌 (XNoB)。異養(yǎng)型細(xì)菌依然采用一個(gè)組分進(jìn)行描述，因?yàn)橥瓿蓛刹椒聪趸饔玫募?xì) 菌是同一類。其他新添加的組分是硝態(tài)氮(SN03)和亞硝態(tài)氮(SN02)，而在ASMl 模型中是作為一個(gè)組分進(jìn)行考慮的。出于氮平衡的考慮，ASMl