6 第一章仿真 (dX dt)s=b, X a (1.6) 式中,b。是自养菌衰减…级速率方程动力学常数。脚标“5”表示第5个子过程, 即自养菌衰减。 在可溶有机氮氨化子过程中,各组分的反应动力学方程以氨氮Sm增长的 动力学方程为基础。该方程是 ( ds,/ dt)。=K。SaXt (1.7) 式中,K,是有机氮氨化动力学常数。脚标“6”表示第6个子过程,即可溶有机氮 氨化。 在被吸着缓慢降解有机碳的“水解”子过程中,各组分的反应动力学方程以 易降解有机碳S,增长的动力学方程为基础。该方程是: (dSdt),=K(XXt)[Kx+(X、X)][S/(Kh+S)] +n[K。(K。+S)][S(K。+Sm)]X(1.8) 式中,KA是水解动力学常数,K是水解反应常数,?是缺氧水解校正因子。脚 标“7”表示第7个子过程,即被吸着缓慢降解有机碳的“水解 在被吸着缓慢降解有机氮的“水解”子过程中,各组分的反应动力学方程以 易降解有机氮Sn增长的动力学方程为基础。该方程是 ( ds,u/dt)s=(Xn/X,)(dS,dt)有机水解 (1.9) 式中,(dS,dt)水解为被吸着缓慢降解有机碳的“水解”子过程速率方程。脚 标“8”表示第8个子过程,即被吸着缓慢降解有机氮的“水解”。 4.相关速率方程 在各子过程基本反应动力学方程的基础上,参与该子过程的其它组分的反 应动力学方程也可依次建立。 例如,在异养菌好氧生长子过程中,对于易降解有机碳S,可根据微生物生 长与基质消耗的关系,利用异养菌产率系数Y及微生物生长引起基质消耗的 事实,可得方程: (dS, / dt)=(-1/y)(dX,,/dt) (1.10) 对于溶解氧S。,由于异养菌X的生长主要由易降解有机碳S,和溶解氧 S.的消耗所支撑,因而可以认为X的增长速率大体等于易降解有机碳S和 溶解氧S消耗速率的和。由此可得: (dSo/de)=-[(1-Yb)/Y](dX,/dt) (1.11) 对于氨态氮S,则根据异养菌生长时的需氮量确定一个系数ix,可得 dS/dt)=-ixb(dXb/dL) (1.12) 对于碱度S成,根据消耗量是氨氮的1/14的经验公式,可得
第一节模型的建立 (dSk/d)=(-ixb14)(dX h/dt). (1.13) 由以上分析可知,某一子过程中某一组分的反应动力学方程,可以由该子过 程的基动力学程乘以一个系数来得到。该系数对于产生基本动力学方程的 组分为1(数量增加)或-1(数量减少);对于其它组分,则可根据反应机理(如方 程1.10)、质量守恒(如方程1.1)或经验常数(如方程1.12,1.13)来获得。活 性污泥过程1AwQ模型各子过程的反应系数可见表1.1。 5.组分总动力学方程 在活性污泥过程的IAWQ模型中,每一个组分至少在一个子过程中参加了 反应(惰性组分除外),该组分在其参与的所有子过程中的总的反应速率,为其在 各个子过程中反应速率之和 例如,对于易降解有机碳S,在子过程异养菌好氧生长“1”中消耗,在异养 缺氧生长“2”中消耗,在被吸着缓慢降解有机碳的“水解”“7”屮生成。囚此,易 降解有机碳S,总的反应动力学方程为3个子过程中反应速率之和。由此可得 (dS,/dt)T=(dS./dt)+(dS,/dt)2+(dS, /dt), =(-1/Y)3[S(K,+S,)[S(K+S。)]X (-/Yn),/(K,+S, )Sr/(K S )JK.b/(K, b+So]ng X h +K(X,X[K4+(X,X)H[S。(K。+Sn) +n1K h/(Koh+ So)[Sn/(Kn+Sr )JI Xbh (1.14) 其它组分的总动力学方程,同样可根据:①组分所在子过程的基本动力学方 程,②表1.1的动力学系数,③总功力学方程的构成方法,逐一写出,这里不 列举。 6.统一单位 在对活性污泥过程的13个组分分别建立反应动力学方程后,即可开始对方 程求解。由于某一组分可能出现在一个以上的方程中,即若干方程包含同组 分,因此必须对这13个方程联立求解,以求得能同时满足13个方程的13个组 分的浓度。由于这13个组分涉及有机碳、有机氮、黴生物等不同物质,计量单位 各不相同,给方程求解带来困难。因此,在计算过程中统一各组分的浓度单位, 是对方程联立求解的必要条件。 IAWQ模型在这方面有其特色,具体做法是:对于含碳的污染物,用COD mng/L)来表示其浓度;对于溶解氧S。,是负的COD值,用-COD(mg/L)表示其 浓度;对于好氧或厌氧微生物,用OOD(mg1L)表示其浓度,经验公式为:1mg MLVSS=1.48 mg COD。对于NH3-N,用N(mgL)表示,但在反应速率方程 的动力学系数前加上校正因子。根据反应方程NH1+2O2→HNO3+HO可 知,17gNH3可与64gO2作用完全,相当于64g(OD;所以,1gN(相当于
8 第一章仿真 |狲卡标划剧2 胆一 米屏擦米 味取|蓬|转 证安原幕留趣盘
第一节模型的建立 1.2l4gNH3)可与4.57gO2反应,相当于4.57g(OD。对于NO)3-N,也用 (mg江L)表示,但同样在反应速率方程的动力学系数前加上校正因子。根据氧 化还原反应式,在获得1mol电子时,需15 mol No3,或1/4molO2。因此,1/5 mol NO3相当于1/4molO2;或1gN(相当于4.43gNO3)相当于2.86gO2, 或2.86g-COD(COD的负值)。对于碱度,用HCO3(molL)表示。由于碱度 本身并没有参与其它组分的反应,其单位不同在联立方程组内没有影响。 7.参数值 IAWQ模型涉及19个参数,其中5个是化学计量系数,14个是反应动力学 参数。经过对大量文献数据的分析归纳,该模型给出了各参数在20℃和中性 pH的选值范围和默认值数据。具体数值可见表1.2 表1,2生活污水在中性pH和20℃时参数的典型数值 类别符号 单位 默认值数值范围 Y 生成细胞)8COm氧化)N0.240.07-0.8 化学计量系 (生成细胞)gCOD(氧化)gCOD 0.46~0.69 fi 无量纲 0.08 0.08 g Ng COD(细胞) 0.086 0.086 g Ng COD 0.06 0.06 1/d CoD/ O2/m3 0.l 0.01~0.15 K NO-N 0.1 0.1~0.2 反应动 无量纲 0.6-1.0 力K 无量纲 学 g缓慢降解COD(细胞)gCOD·d 参 数 g缓慢降解COD(细胞)gCOD 0.15 0.15 1/d 0.60.34-0.65 K O2/ 0.5~2.0 l/d 0.15 0.05~0.15 K m3/gCOD·d 8.模型生成 在对活性污泥过程AwQ模型的过程假定系统分割、基本速率方程、相关 速率方程、组分总动力学方程、统一单位、参数值等方面分别了解后,现在可以进 入模型生成阶段的讲述
第一章仿真 如前所述,该模型是机理模型,建模原则是“一进一出一反应”。由于活性污 泥过程有若干种不同的流程,因而最终建立的机理模型也会有所不同。这种不 同主要在丁废水进入噪气池的位置、流量、成分和浓度,曝气的位置与强度,废弃 污泥的位置及回流比,等等。可以看出,这种不同主要反映在“一进一出”部分 而在“一反应”部分则基本保持不变。 水 曝气池 Ss Soh Soys 3X23 阿流污泥q 废弃污泥q 3X。3ad3x 3X, 3 Xbh 3X I 3X 3xnd 图1.2典型活性污泥过程物流图 若某活性污泥过程的物流状况如图1.2所示。进水成分为S。X。、Sm、 Xn、Sm、Sn。惰性物质S,和X,不参与反应,图中未列人。S为碱度,在反 应中为消耗物质在碱度适当时对其它成分的反应没有影响,没有列人进水的成 分中。噪气池中存在有机碳S,、X,有机氮S、X,氪态氮S灬,硝态氮S。,微 生物X、Xb、X。曝气池中溶解氧DO的浓度假定保持恒定,因而没有列入变 址系列中。经过二沉池颗粒物完全沉淀,各组分沉淀物的浓度假定为悬浮时的 3倍。沉淀的污泥一部分回流至曝气池,一部分废弃 若建模范围为图1.2中虚线框内所示,曝气池体积为v,反应物j的浓度 的速率方程以( de, /dt)2表示,流量用q表示,脚标“'”表示进水,“。”表示出水, r”表示回流,w”表示废弃,则模型的通式可为: V(de, /d2)=qvi P: ;-qVo,i Po ;-9vwPw.+ 2 v(dp, /dt ).(1.15) 可溶组分位于(1.15)式等号右侧的1、2、4项或2、4项,颗粒组分位于 (1.15)式等号右侧13、4项或34项,视物流状况而定。 对于S,方程为v(dS,dt)=qnS.-4v5+∑v(dS、dt),(1.16) 对于X,则为v(dXdt)=qvxX-qw3X+∑vdxd) 图1.2所示活性污泥过程的整个模型是一个鐵分方程组,方程的个数等于 模型中变量的个数(9个)。除S,和X,外的其它组分的方程(分别相应于X、 X如、Xm、Sm、S。Sm、Xn)读者可自行推导,整个系统模型可参阅方程(1,94)。 例1.2厌氧消化过程模型