好氧颗粒污泥数学模型研究进展

《好氧颗粒污泥数学模型研究进展》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、好氧颗粒污泥数学模型研究进展摘要介绍了好氧颗粒污泥经验模型、反应器模型（包括模型的离散化、传质扩散模型、生化反应模型、微生物存储模型）、污泥颗粒化过程模型（污泥粒径生长模型、沉降选择过程模型、过程优化模型），并对好氧颗粒污泥数学模型的研究方向进行了展望。关键词好氧颗粒污泥；模型；研究进展中图分类号X70文献标识码A文章编号1007-5739（2015）08-0227-01好氧颗粒污泥是絮体活性污泥在特殊条件下形成的微生物自凝聚体，其具有结构密实、沉淀性能好、容积负荷高、抗冲击负荷和毒性抑制能力强等优点。为了将这种新的污泥形式应用于实际污水处理，近30年来，国内外学者对好氧颗

2、粒污泥的培养条件，形成机制，物理、化学和生物特性进行了广泛的研究。但是，试验研究需要耗费大量的财力、物力和人力，且需要较长的时间，因此，研究者在10年前开始在试验基础上建立了好氧颗粒污泥相关的数学模型，以便对反应器设计、运行和优化提供理论指导。该文将从最初的经验模型到更加复杂的机理模型的角度，介绍颗粒污泥数学模型的研究进展，并对未来的研究方向提出展望。1好氧颗粒污泥经验模型9经验模型通常不考虑过程的机理，而是采用经验公式来模拟，故其模型较简单，参数较少。Logistic曲线是一种常见的S形函数，最初被用于模拟人口的增长。Su和Yu[1]采用改进的Logistic模型（式1）

3、来模拟颗粒化过程中污泥平均粒径D（t）随运行时间t的变化情况，模型涉及停滞时间t0、粒径比生长速率k以及最大平均粒径Dmax3个参数，并与实验结果吻合较好。同期，Yang等[2]采用线性唯象方程（linearphenomenologicalequation，LPE）同样对污泥粒子的粒径变化曲线进行模拟，其模型参数与上述类似，也取得了较好的模拟效果。2好氧颗粒污泥反应器模型尽管经验模型结构简单、参数少，但由于未能将颗粒污泥内部复杂的反应考虑在内，而难以应用于其他人的研究，更不能对反应器运行优化进行指导。因此，国内外研究者基于基质扩散、生物反应等过程并结合反应器宏观模型建立了好

4、氧颗粒污泥反应器的机理模型。2.1模型的离散化9由于机理模型将多个过程的定量描述考虑在内，难以求得解析解，故须将模型离散化之后求其数值解。由于好氧颗粒污泥大多基于序批式反应器（SBR），可将SBR的运行过程离散化为多个时间单元。反应器内颗粒的粒径均不相同，故将其进行分级，成为多个粒径单元。而颗粒内部的各基质浓度均不相同，故将颗粒分为多层分别进行计算[1]。2.2传质扩散模型基质在进入颗粒内部与微生物进行反应之前，需要经过气液、液固和固体内部扩散3个步骤，其中液固过程相对于其他两步过程很快，可以忽略不计。气―液传质速率与气体和液体表面的氧的浓度差成正比，其比例系数即为氧的气―

5、液传质系数kLa。根据扩散-反应模型，对于第m粒径分级的颗粒，其内部一厚度为dx的薄层内第i组分的物料平衡方程式可表示为：2.3生化反应模型研究结果显示，好氧颗粒污泥内部的生化反应与絮体污泥没有实质性差别，故其生化反应也采用国际水协的活性污泥数学模型（ASM）进行模拟。Su和Yu[1]采用ASM1模拟了自养菌生长、异养菌好氧、缺氧生长等过程，模型计算采用自编的MATLAB程序。Beun等[3]则是采用ASM3研究运行条件对脱氮效果的影响，模型使用AQUASIM软件进行运算。Ni等[4]对自养菌和异养菌在颗粒内部的竞争生长和其活性进行深入的模型研究。DeKreuk等[5]模拟

6、了颗粒污泥同时实现COD、氮和磷的去除过程，并研究了温度、氧浓度、粒径、污泥负荷率、运行周期对去除效果的影响。Kagawa等[6]将反应器规模和颗粒规模模型进行耦合，可较好地模拟SBR反应器中厌氧―好氧―缺氧运行模式下机制去除情况。92.4微生物存储模型相比于ASM1，ASM3中增加微生物存储过程的模拟，但仍不能较好地模拟好氧颗粒污泥的生物存储过程。Ni和Yu[7]采用附、扩散过程，建立处理豆制品废水的好氧颗粒污泥内部微生物同步生长和储存的数学模型，在该模型中，微生物可利用易降解有机物同时进行生长和储存，当有机物浓度小于半饱和浓度时，微生物则利用存储物生长。为深入研究好氧颗

7、粒污泥内部的微生物存储过程，又建立好氧颗粒污泥内部反硝化细菌在缺氧条件下进行存储的过程模型[8]。3污泥颗粒化过程模型絮体活性污泥颗粒化过程是一个复杂的物理、化学和生物过程，影响这一过程的因素也非常多，如反应器进水、沉淀的选择、水流剪切力等，因此，国内外学者对其机理尚难有一个公认的解释。研究者正尝试对这一复杂过程进行定量模拟，以实现指导颗粒污泥反应器快速启动和稳定高速运行的目的。3.1污泥粒径生长模型9在污泥颗粒化过程模型中，除生化反应过程和反应器宏观模型外，如何实现污泥粒径的生长模拟至关重要。AQUASIM软件可