活性污泥法的动力学方程讨论及数学模型研究

·14·工业安全与环保IndustrialSafetyandEnvironmentalProtection2OO8年第34卷第1期January2008活性污泥法的动力学方程讨论及数学模型研究赵娟(江西理工大学资源与环境工程学院江西赣州341000)摘要活性污泥法水处理过程是一个复杂的生化反应过程，伴随有物理化学反应、生化反应、相变过程及物质与能量的转化和传递过程。通过对微生物动力学方程的讨论，进而建立动力学模型，比较了Monod方程和Contois方程分别来模拟有机碳在曝气条件下的生化去除过程。模型主要预测底物浓度、溶解氧、微生物增长等引起的系统响应，为污水处理厂的运行提供指导。关键词活性污泥法底物浓度溶解氧微生物增长动力学模型DisclKqsiononKineticEquationofActivatedSludgeMethodandtheConstructionofMathematicalModelsZHAOJuan(&hod矿NaturalRe$ollrceandEnviro~Engineerirtg，JiangxiofScienceandTechnologyCsallgholl，Jiangxi34~000)AbstractActivatedsludgemethodisacomplicatedbiochemicalprocessinwatertreammmt，withphysicalandbiochemicaliPAtetion，phasechangeandthetransformationandtransmissionprocessofrnaitelandenergy．Afterthediscussiononthekineticequation，thedynamicsmodelissetupandMonodkineticsequationandContoisequationarec叩medtosimulatethebiochemicalremovalprocessoforgltno—carbonattheconditionofairing．Themodelmainlyforecaststhere甲mseofthesystem，resultedfromfactors，suchasnutrientconcentration，dissolvedoxygenandmicrobiongowthandtheresultswillinstructthertlnofsewagedisposalplant、Keywordsactivatedsludgemethodorgano—cadxmconcentrationdissolvedoxygenmicrobiongrowthdynamicsmodel活性污泥是悬浮的微生物群体及它们所吸附的有机物质和无机物质的总称。它利用人工培养的微生物群体来吸附、分解、氧化污水中可生物降解的有机物，通过生物化学反应，将这些有机物从污水中分离出来，使污水得到净化。活性污泥法在污水处理行业中处于非常重要的地位，是目前国内外应用最为广泛的一种二级污水处理法。据统计，我国已建和在建的城市污水处理厂有8o％以上均采用活性污泥法⋯1。数学模型对于污水处理行业来说是一个具有重要理论意义和实用价值的工具。将数学模型和控制理论及方法结合起来，可以对污水处理的控制系统进行优化，从而提高净化效率，降低处理成本。1动力学方程讨论1940年，Monod最早提出微生物生长动力学关系式。他采用单一的可降解可溶性限制基质和单一菌种做连续培养试验，建立了微生物对基质去除速率以及生长介质中限制基质之间的关系。假定其他所有的养料是过剩的，并假定反应物积累不会引起抑制作用，Monod基质去除速率公式如下：r=dS／dt=kXS／(Ks+S)(1)式中，k为最大比基质去除速率常数，S为可降解的溶解性限制基质浓度，为微生物浓度，为饱和常数。基质去除速率与微生物浓度和基质浓度有关，k(为零级反应时的比基质去除速率)只与微生物性质和基质性质有关，与基质浓度无关。Monod采用单一限制基质和单一菌种培养试验，得到了表达微生物生长速率的关系式如下：r=dX／dt=一’S／(+S)(2)式中，S为可降解的溶解性限制基质浓度，为微生物浓度，一为最大比生长速率。Monod原来的关系式是根据基质浓度较高和微生物比较年轻的条件下试验结果导出的。由于微生物都很年轻，基质又很丰富，因此微生物繁殖速度很快，上述的结果基本上是正确的。虽然Monod是采用单一基质和单一菌种做的试验，但在后来学者的研究中，对混合基质和混合菌种的培养，Monod关系式基本上也是正确的。所以Monod关系式被广泛地应用于混合培养中。McCarty和Mosey(1991)【J提出了可变产率的概念，认