活性污泥数学模型

1IAWQ活性污泥数学模型简介[工程类精品文档]本文内容极具参考价值,如若有用,请打赏支持,谢谢!IAWQ活性污泥数学模型简介为了鼓励环境科学家和工程师更广泛地把数学模型应用到废水生物处理系统的分析设计和运行管理中去，1983年，原国际水污染控制协会（IAWPRC）（国际水质协会IAWQ的前身）组织了南非、丹麦、美国等五国专家组成活性污泥工艺模型课题组来完成活性污泥处理系统数学模型的研究。

ASM课题组于1987年正式发表了技术报告，阐明了活性污泥1号模型（ASMNo.1）的主要特性。

它以矩阵的形式描述了污水中好氧、缺氧条件下所发生的水解、有机物降解、微生物生长、衰减等8种反应，模型中包含13种组分、5个化学计量系数和14个动力学参数[1].ASMNO.1自推出以来得到广泛应用，但它的缺陷是未包含磷的去除。

针对此问题，IAWQ专家组于1995年又推出活性污泥2号模型（ASMNo.2），它包含了磷的吸收和释放，增加了厌氧水解、酵解及与聚磷菌有关的4个反应过程。

因为生物除磷机理很复杂，所以ASMNo.2非常庞大，它包含19种物质、19种反应、22个化学计量系数以及42个动力学参数.该模型提出了包含化学需氧量（COD）、氮和磷去除过程在内的综合性生物处理工艺过程动态模拟理论，它不是生物除磷模型的最终方案，而是一种折中方案。

1999年IAWQ专家组经过对1号模型应用中问题的修正，推出活性污泥3号模型（ASMNo.3）。

ASMNo.3不以水解作用为重点、引入有机物在微生物体内的贮藏及内源呼吸，以强调细胞内部的活动过程。

ASMNo.3与ASMNo.1中主要现象是相关的，如以城市污水为主的活性污泥系统中的氧消耗、污泥产量、硝化和反硝化，但ASMNo.2中的生物除磷在此不予考虑。

ASMNo.3包括13个组分，12个生化过程。

ASMNo.3仅考虑微生物转化过程，不包括化学沉淀，但基于ASMNo.2（包含磷的吸收和释放过程）所提供的信息，很容易加入该过程.结语：借用拿破仑的一句名言：播下一个行动，你将收获一种习惯；播下一种习惯，你将收获一种性格；播下一种性格，你将收获一种命运。

活性污泥ASM系列数学模型进展和展望摘要：本文简述了国际水协推出的ASM系列模型，讨论了活性污泥法动力学模型研究存在的几个重要问题；对活性污泥数学模型的研究进行展望，包括废水组分的进一步细化、污水处理厂运行快速自动模拟预测及控制系统和污水处理厂设计自动化系统。

关键字：活性污泥数学模型研究进展存在问题研究展望1、前言活性污泥法作为废水生物处理的重要方法，已在城市污水和工业废水处理中得到大量应用。

而数学模型是工艺选择、设计、运行的决策支持方式及强有力的优化工具。

但是活性污泥系统是一个多因素、多变量相互作用、多种反应过程相互耦合的系统，因此其建立模型较复杂。

快速发展的计算机技术使数学模型的建立成为可能，使数学模型在工程应用与试验研究中的作用日益凸显。

近年来，活性污泥数学模型的研究一直是国际上污水处理领域研究的热点之一。

在众多的数学模型中，由国际水质协会IWA先后推出的ASM1、ASM2、ASM2D及ASM3一系列模型发展最为成熟，受到环境工程界的广泛关注【1】。

2、ASM模型的研究与应用进展活性污泥1、2、3号模型将污水中的组分分为可溶性组分和颗粒性组分，可溶性组分包括溶解氧、碱度及大部分污染物，颗粒性组分包括微生物及部分污染物，应用理论建立生物或化学反应过程，均以Monod方程为基础，都是多维的并包含大量的动力学参数和化学计量系数，均以矩阵的形式描述生物反应过程，从而简化了反应速率方程式的表达。

ASM矩阵反应速率中采用了“开关函数”的概念，来反映环境因素改变而产生的抑制作用，从而避免那些因为具有不连续特性的反应过程在模拟过程中出现的数值不稳定的现象；此外，研究者还可根据理论发展及实际情况需要对现有ASM进行反应过程的增加或简化，扩大了ASM应用的灵活性。

其中ASM1与ASM2主要基于微生物的死亡—再生及维持理论，而ASM3主要基于微生物的内源呼吸理论。

大量资料已对ASM系列模型的特点及限制因素做了阐述，ASM1模型不仅包含了含碳有机物去除过程，还描述了硝化和反硝化作用对含氮物质的去除，ASM2是ASM1 的发展，不仅包含污水中含碳有机物和氮的去除过程，还包含生物除磷过程，增加了厌氧水解、发酵及生物除磷、化学除磷等8个反应过程。

I污水处理系统数学模型摘要随着水资源的日益紧缩和水环境污染的愈加严重，污水处理的问题越来越受到人们的关注。

由于污水处理过程具有时变性、非线性和复杂性等鲜明特征，这使得污水处理系统的运行和控制极为复杂。

而采用数学模型，不仅能优化设计、提高设计水平和效率，还可优化已建成污水厂的运行管理，开发新的工艺，这是污水处理设计的本质飞跃，它摆脱了经验设计法，严格遵循理论的推导，使设计的精确性和可靠性显著提高。

数学模型是研究污水处理过程中生化反应动力学的有效方法和手段。

计算机技术的发展使数学模型的快速求解成为可能，使这些数学模型日益显示出他们在工程应用与试验研究中的巨大作用。

对于污水处理，有活性污泥法、生物膜法以及厌氧生物处理法等污水处理工艺，其中以活性污泥法应用最为广泛。

活性污泥法是利用自然界微生物的生命活动来清除污水中有机物和脱氮除磷的一种有效方法。

活性污泥法污水处理过程是一个动态的多变量、强耦合过程，具有时变、高度非线性、不确定性和滞后等特点，过程建模相当困难。

为保证处理过程运行良好和提高出水质量，开发精确、实用的动态模型已成为国内外专家学者普遍关心的问题。

此外，由于污水处理过程是一个复杂的生化反应过程，现场试验不仅时间长且成本很高，因此，研究对污水处理过程的建模和仿真技术具有十分重要的现实意义。

本文在充分了解活性污泥法污水处理过程的现状及工艺流程的基础上，深入分析了现有的几种建模的方法，其中重点分析了ASM1。

ASM1主要适用于污水生物处理的设计和运行模拟，着重于生物处理的基本过程、原理及其动态模拟，包括了碳氧化、硝化和反硝化作用等8种反应过程；包含了异养型和自养型微生物、硝态氮和氨氮等12种物质及5个化学计量系数和14个动力学参数。

ASMI的特点和内容体现在模型的表述方式、污水水质特性参数划分、有机生物固体的组成、化学计量学和动力学参数等四个方面。

关键词：污水处理系统，活性污泥，数学模型，ASM1II Sewage Treatment System Mathematical ModelABSTRACTWith water increasingly tight and increasingly serious water pollution , sewage disposal problems getting people's attention . Because of the distinctive characteristics of variability, nonlinear and complex with time , such as sewage treatment process , which makes the operation and control of wastewater treatment system is extremely complex. The use of mathematical models , not only to optimize the design and improve the level of design and efficiency , but also to optimize the operation of the wastewater treatment plant has been built in the management , development of new technology, which is essentially a leap wastewater treatment design , experience design method to get rid of it , strictly follow derivation theory , the design accuracy and reliability improved significantly. Mathematical model to study effective ways and means of sewage treatment process biochemical reaction kinetics . Rapid development of computer technology makes it possible to solve the mathematical model , these mathematical models increasingly showing their huge role in the study of engineering and test applications.For wastewater treatment, activated sludge , biological membrane and anaerobic biological treatment , such as sewage treatment process , in which the activated sludge method most widely used. Activated sludge process is the use of natural microbial life activities is an effective method to remove organic matter and nutrient removal in wastewater of . Activated sludge wastewater treatment process is a dynamic multi-variable , strong coupling process with time-varying , highly nonlinear , uncertainties and hysteresis characteristics, process modeling quite difficult. To ensure the process runs well and improve water quality, develop accurate , practical dynamic model has become a common concern of experts and scholars at home and abroad . In addition, because the sewage treatment process is a complex biochemical reaction process , the field test not only for a long time and high cost , therefore , research has practical significance for modeling and simulation technology of sewage treatment process. Based on the current situation fully understand the activated sludge wastewater treatment process and the process based on in-depth analysis of several existing modeling method , which focuses on the ASM1. ASM1 mainly used in biological wastewater treatment design and operation of simulation , focusing on the basic biological treatment processes , principles and dynamic simulation , including carbon oxidation , nitrification and denitrification and other 8 kinds of reactions ; contains heterotrophic and self- autotrophic microorganisms, nitrate and ammonia and other 12 kinds of substances andIIIfive stoichiometric coefficients and 14 kinetic parameters . ASMI features and content reflected in four aspects of expression model , effluent quality parameters division, consisting of organic biological solid , stoichiometry and kinetic parameters.KEY WORDS:sewage treatment system,activated sludge,mathematical model, ASMIIV目录1 绪论 (1)1.1 污水处理数学模型的作用 (1)2 污水处理机理 (3)2.1 微生物的生长 (3)2.2 有机物的去除 (4)3 污水处理静态模型 (10)3.1 有机污染物降解动力学模型 (10)3.2 微生物增殖动力学模型 (13)3.3 营养物去除动力学 (16)3.3.1 生物硝化反应动力学 (16)3.3.2 生物反硝化动力学 (19)3.3.3 生物除磷动力学 (21)4 活性污泥数学模型 (22)4.1 活性污泥数学模型概述 (22)4.2 活性污泥1号模型 (23)4.2.1 ASM1简介 (23)4.2.2 模型的理论基础 (23)4.2.3 模型的假设和限定 (24)4.2.4 ASM1的约束条件 (24)4.2.5 ASM1的组分 (25)4.2.6 ASM1的反应过程 (27)4.2.7 ASM1模型中化学计量系数及动力学参数 (28)4.2.8 组分浓度的物料平衡方程 (29)污水处理系统数学模型 11 绪论水是最宝贵的自然资源之一，也是人类赖以生存的必要条件。

活性污泥法污水处理数学模型的发展和应用活性污泥法污水处理数学模型的发展和应用污水处理是国家和社会发展中的一个重要环节。

随着工业化和城市化进程的加快，污水处理厂的建设和运行愈加重要。

活性污泥法是目前应用最广泛的一种污水处理技术，它通过活性污泥微生物群落的代谢活动来去除水中的有机物质和氮、磷等污染物。

为了更好地设计和运行活性污泥法污水处理系统，科学家们开展了大量的研究，并发展了一系列的数学模型。

本文将探讨活性污泥法污水处理数学模型的发展和应用。

首先，要了解活性污泥法的基本原理。

在活性污泥法污水处理系统中，活性污泥是核心元素。

活性污泥中的微生物以有机物为能源，通过氧化、还原反应分解有机物，从而将污水中的有机物质降解为水和二氧化碳。

此外，活性污泥还可以通过硝化和反硝化过程将水中的氨氮转化为硝酸盐和氮气，并通过磷酸盐的沉淀去除水中的磷。

因此，了解活性污泥的代谢特性和微生物群落结构对于优化污水处理系统非常重要。

由于活性污泥法处理系统的复杂性和实际运行中的不确定性，传统经验模型的优化和改进已经不能满足实际需求。

因此，科学家们开始研究并发展了数学模型，以预测和模拟活性污泥法处理系统的性能。

这些数学模型包括质量平衡模型、动力学模型和群体动力学模型等。

质量平衡模型是最基本的数学模型之一，它基于质量守恒原理，以质量浓度的变化作为变量，描述污水中有机物质和污染物的传输和转化。

质量平衡模型可以用来优化活性污泥污染物的去除效率，提高系统的稳定性和可靠性。

然而，质量平衡模型无法描述微生物群落的动态变化和相互作用。

为了更好地描述活性污泥法处理系统中微生物的动态行为，科学家们发展了动力学模型。

动力学模型以微生物群落的代谢过程为基础，通过微分方程组描述了有机物质和污染物的转化动力学。

这些模型可以用来预测系统的稳态和响应速度，优化供碳、氮和磷源的进料方式，提高活性污泥的处理效率。

群体动力学模型是动力学模型的进一步发展，它考虑了微生物群体内部的异质性和互作。

第1节活性污泥模型概述本节中，概述了数学方法模拟活性污泥过程的规则。

在本章的开始，对此过程的发展进行了概略的历史性回顾，同时，对现存过程中的大量变化因素进行了分析。

对近30年来活性污泥过程数学模拟的各种模型也进行了总结。

这里将重点放在了ASM模型的探讨上。

1.1.1 活性污泥基础理论发展回顾在活性污泥法污水处理工艺发明和建立能够对此工艺进行定量描述和详细设计的理论框架之间，存在着相当长的转换时间，之所以存在这样的转换时间，主要是由于：①对过程的机理解释存在许多假设，这些假设常常是与实际相矛盾；②这些假设常常很难用实际的数学模型来表达；③处理工艺的不断发展和改进使这些理论也要不断发展。

由于缺乏基础理论的指导，活性污泥法处理厂早期的设计方法更象是艺术而不是一门科学。

从1920年到1960年间，出现了很多活性污泥法对污水中有机物质去除机理的理论假设。

Arden和Lockett等人的初期研究中错误！未找到引用源。

，认识到污水净化过程中，物理的、化学的和生物的方法均起到了不同程度的作用。

这些作用现在已经有理论对其进行了解释，如絮凝理论、吸附理论、胶体理论、微生物理论、酶化学理论等等。

尽管在理论发展的早期，吸附理论在很长时间内是一个占主导地位，但是应该注意到的是，Buswell和Long等人在1923年就提出了基于生物机理的不同解释错误！未找到引用源。

，他们的研究认为，活性污泥絮体是由胶集的丝状和单细胞细菌组成，其中还包括原生和后生动物，污水中有机污染物的转化是通过絮体对污染物的摄取（ingestion）和同化（assimilation）过程完成的，同时将其转化为絮体中活性物质的一部分。

他们的理论后来被大多数研究者所接受，至今仍然没有得到质疑。

直到1940年，大量的试验研究才证明，吸附过程不是有机污染物去除的主要和决定性过程，如果吸附过程没有发生，那么必须有生物化学过程在对污染物的去除起作用。

McKee 和Fair等人认为，污水中污染物的去除机理是由物理吸附和生物降解两个过程组成错误！未找到引用源。

第六讲第8章ASM系列活性污泥数学模型8.1 引言20世纪80年代南非开普敦大学的G.v.R.Marais 教授就提出了碳、氮、磷去除的动态活性污泥模型，其研究处于领先的地位。

1982年国际水污染研究与控制协会（International Association on Water Pollution Research and Control, IAWPRC,现更名为国际水质协会，International Association on Water Quality, IAWQ）组织了丹麦、美国、瑞士、南非和日本五国五位专家成立了活性污泥法设计和运行数学模型课题组，该课题组由丹麦技术大学Mogens Henze教授任组长。

该课题组在1987年以国际水污染研究与控制协会系列科技研究报告（STR）1号的形式出版了研究成果，即活性污泥1号模型（Activated Sludge Model1,ASM1）。

活性污泥1号模型（ASM1）包括碳氧化、硝化和反硝化3个主要作用，以矩阵的形式描述了污水在好氧、缺氧条件下所发生的水解、微生物生长、衰减等8种生化反应过程，模型中包括13个组分、5个化学计量常数和14个动力学参数。

活性污泥1号模型（ASM1）的内容不仅仅是模型本身，还提出了污水特性的描述方法。

活性污泥1号模型（ASM1）得到了普遍的认同和应用，但它的缺点是模型中未包含磷的去除。

1995年课题组（由丹麦、瑞士、日本和南非四国六位专家组成）以国际水质协会系列科技研究报告（STR）2号的形式出版了活性污泥2号模型（ASM2）一书，它包括了脱氮和生物除磷处理过程，还增加了厌氧水解、酵解及与聚磷菌有关的反应过程。

活性污泥2号模型（ASM2）中包括了19种生化反应过程、19个组分、22个化学计量常数和42个动力学参数。

在活性污泥2号模型（ASM2）研究刚完成的时候，反硝化与生物除磷的关系尚不清楚，因此，活性污泥2号模型（ASM2）中未包含这一因素。