基于混合基质数学模拟生长过程.pdf

基于复杂基质的活性污泥同时储存生长试验及模型研究
前言
自 1982 年成立国际水污染研究与控制协会(IAWPRC)以来,活性
污泥模型不断发展并一直也是水环境的研究热点之一,模型的发展能
够帮助理解活性污泥工艺中基质去处的生物动力学。1987 年国际水
协首次推出 ASM1 模型,在假定外源基质只为生物量增长所消耗的基
础上,来解释碳和氮的氧化过程。但一些研究人员实验观察到一个现
象,ASM1不适合解释基质在不足阶段时观察到的实验 OUR 数据,
这意味着包内聚合物这样的存储聚合物在除碳过程中起着重要作用。
从单纯的以增长为基础的动力模型发展到更为复杂的活性污泥流程
模型,尤其是生物基质转化,对储存聚合物不断增长的认识是该模型
趋势发展的主要推动力,国内外研究者认识到储存聚合物是所有活性
污泥系统中全面基质去除的重要中介,尤其易受饱食或饥荒情况的影
响。

鉴于 ASM1 在实验过程中出现的问题和对反应机理认识的深化,
Gujer 等人于 1999 年推出 ASM3 模型,ASM3 模型是最早涉及储存现
象的模型之一,为了使模型操作简单,研究者假定所有易于降解的基
质在饥荒中增长前,都作为内部产物来储存。Krishna 和 van Loosdrecht
首次用实验数据对 ASM3 进行评估,但是他们发现 ASM3 并没有验证
两个重要的实验现象:(1)在饱食和饥荒状态下观察到的生物量增长
的不连贯性(2)它要求预测比实际测量更高的内部储存聚合物,来
适应在饱食和饥饿条件下的氧气消耗量。
原假定是在饱食状态下 ASM3 中只发生存储现象,而实际观察到的
结果是在饱食状态下储存与生长是同时发生的,这种冲突导致了试验
的失败。(Beun et al.,2000; Krishna and van Loosdrecht, 1999; van
Aalst-van Leeuwen et al., 1997) 。这次失败促使 Krishna 和
vanLoosdrecht (1999) 更好的阐述第一个同时储存和生长模型的试验
数据。另外表明 ASM3 方法也引起了一些严重的实际可鉴性的问题,
导致在运用 OUR 数据这种传统模型标定方法时,产生一些不符合实
际和非机理的参数估算。从机理模型的角度看,很显然 ASM3 应该要
延伸开来说明同时储存和增长的情况。除 Krishna and van Loosdrecht
(1999)外,其他研究者()也建立过几个机理模型试图改善活性污泥
系统中同时储存和生长的模型,然而,并没有一个模型让学者们同时
满意。
综述
*同时存储生长模型(SSAG)作为 ASM3 模型的一种扩展,所介绍
的模型都用矩阵的形式表示(见表 1), 可以很好解释碳氧化的过程,
其适用性已经得到实验验证(Gujer 等 1999 年;Guisasola 等人 2005
年)其基本假设是:易生物降解的化合物(乙酸盐)仅通过储存去处,
然后在生长过程是由内部储存聚合物消耗,生物量生长所需要外部基
质消耗和储存过程同步进行,当缺乏外源基质时将使用自身的储存物
质。通过查阅参数估计值,从而估计模型参数 kSTO,YSTO,μ MAX,STO,
YH,STO,KS,τ。
* al(2005 年)提出了一种修正的同时储存生长模型,、(概念模
型见图1),并用活性污泥法中的呼吸滴定方法对模型进行校核。
Hoque 对其进行了修正(Hoque et al, 2010),生物降解过程模型中包括
储存物质的形成,消耗基质的有氧生长,消耗储存物质的有氧生长,
内源呼吸,消耗物质的呼吸,水合态的 CO2的解离等过程(过程矩阵
见表 2)。在有机化合物的好氧生物降解过程中存储物质的形成产生
CO2。与来源于基质的存储物质形成有关的化学计量表明了各自的 CO2
产率,可以用生物降解过程中所涉及的生化反应简单地确定。

在基质充足的条件下,可以使用该代谢模型方法(sin 等人 2009
年)。存储产率系数,消耗基质引起的生长和消耗内部存储物质引起
的生长各自通过基质的代谢而相互联系。此外,发现产率系数与氧化
磷酸化的效率(δ)相关。因此该模型就简化了计算,只需估计一个
参数(δ),而不需估计三个产率系数(Beun2000 年,Sin 等人 2005
年)。此外,在基质不足的条件下,用一个二阶模型来描述存储物质
的降解。在此模型中,使用非线性估计技术(过程矩阵如表 2 所示)
估计参数 qMAX,fSTO,KS,δ,K1,K2,和τ。然后通过 qMAX 和 fSTO
的估计值来计算参数 kSTO 和μ MAX,S,此过