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ASMs 模型中异养菌减衰系数之间的关系及其测定
发表时间: 2017-02-12
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  • 活性污泥法污水处理系统包含众多变量, 进水流量和水质随时间不断波动变化。因此,为了模拟这样一个高度复杂, 且具有时变性的动态系统, 同时为了能够对活性污泥系统的设计、运行和管理提供科学指导和理论依据,自1987年以来,国际水质协会(IAWQ),以生化反应机理为基础陆续推出了多个活性污泥数学模型, 以满足实际生产中的不同需求。如用于模拟碳氧化、硝化、反硝化的ASM1ASM3 号模型,模拟脱氮除磷的 ASM2ASM2D模型。其中描述微生物的减衰过程时 ,ASM1ASM2ASM2D中采用了死亡再生模式,ASM3中采用了传统减衰模式。

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     1.两种减衰模式之间的区别与联系

    1.1 理论基础

    活性污泥系统中微生物的衰亡是多种生命过程综合作用的结果, 其中主要包括:

    ( 1) 由内源呼吸引起的衰减:所谓内源呼吸,是指微生物消耗体内能源(体内的储存物或组成微生物体的氨基酸、蛋白质等)供给生命活动所需。当外部能源不足,供给微生物生命活动的能量主要来自体内能源时,会导致细胞质量衰减。当全部内源能量耗尽时, 细胞就会退化、死亡或进入休眠状态。

    ( 2) 溶胞:细菌的生长要求生物合成与细胞壁物质分解协同进行, 这样才会使细胞得以长大和分裂。然而,当这种协同作用失调时,会引起细胞壁破裂,即溶胞。 细胞壁破裂后,细胞质和细胞内的其它成分释放到介质中,成为其它生物细胞的生长基质。细胞壁、细胞膜等受到介质中水解酶的作用而溶解,变成可被其它细胞利用的基质。破裂细胞中结构最复杂的单位难于溶解,从而成为细胞残留物。

    ( 3) 死亡:死细胞是指在琼脂平板上失去分裂能力的细胞。死细胞不能永久留存,也是会溶解,形成可再次被微生物利用的基质和细胞残留物。根据以上生化反应机理,人们提出了以下两种模式用于描述微生物的衰亡过程。

    1.1.1 传统减衰模式

    如图 1 所示, 传统减衰模式是以内源呼吸理论为基础,该模式不考虑微生物细胞死亡后, 细胞体及其体内基质作为其它细胞生长发育基质的再利用过程,而是将微生物的衰亡统一为一个过程, 即通过自身氧化提供维持生命活动所需能量,这一过程中包含了微生物量的减少和氧的利用等转化关系。

    图片1

    1.1.1 传统减衰模式

    传统减衰模式也可用下式表述:

    细 胞 COD + [ –( 1- fP) ] 电 子 受 体 的 O2 当 量→fP细胞残留物 COD ( 1)

    式中: fP—传统减衰模式中活性生物量转化为细胞残留物 XP 的比例, 其值约为 0.2[1]

    式 ( 1) 表明, 细胞减衰中所消耗的电子受体的氧当量必须等于损失的活性生物量 COD 与所生成细胞残留物 COD 之差。 异养菌减衰速率是活性细胞生物量的一次方程, 即:

    r’ XBH= dXBHdt =- b’ H XBH   (2)

    式 中 : r’XBH—传 统 减 衰 模 式 下 异 养 菌 减 衰 速 率 ;XBH—异养菌活性生物量; t—时间; bH—传统减衰模式下异养菌减衰系数。

    由 ( 1) 式所示的计量关系可知,与异养微生物减衰相关联的氧气利用速率和细胞残留物的产生速率分别为:

    r’SO=dSOdt=-(1-f’P )b’ HXBH(3)

    r’ XPH= dXPHdt =f’ P b’ H XBH ( 4)

    式中: rSO—传统减衰模式下氧气利用速率; SO—溶解氧浓度; rXPH—传统减衰模式下异养菌细胞残留物的产生速率; XPH—异养菌细胞残留物浓度。

    640.webp

    1.1.2 死亡-再生模式

    如图 2 所示,Dold 等人提出的死亡—再生模式不考虑内源呼吸作用,将微生物的衰亡统一为细胞体死亡、溶胞及基质的再利用这样一个过程,并且假定活性微生物死亡溶胞后只形成细胞残留物和颗粒态基质,而后颗粒态基质水解全部转化为溶解态基质[2]

    该模式所表述的生化反应过程可以由以下几个方程式表示:

    细胞 COD→ ( 1- fP) 颗粒态基质 COD+fP 细胞残留物 COD ( 5)

    ( 1- fP) 颗 粒 态 基 质 COD→ ( 1- fP) 溶 解 态 基 质COD ( 6)

    ( 1- fP) 溶解态基质 COD+[-( 1- Y)( 1- fP) ]电子受体的 O2 当量→ Y (1- fP) 细胞 COD ( 7)

    式中: fP—死亡再生模式中活性生物量转化为细胞残留物 XP 的比例; Y—产率系数。

    因此, 在死亡再生模式中, 死亡、溶胞及水解过程没有细胞 COD 的损失, 也不消耗溶解氧。 在溶解态基质作为底物用于细胞生长时, 才有 COD 的损失并消耗溶解氧。 将死亡再生模式用一个公式表示是:

    细 胞 COD+[-( 1- Y )( 1- fP) ] 电 子 受 体 的 O2 当量→Y ( 1- fP) 细胞 COD+fP 细胞残留物 COD ( 8)

    由于, 异养微生物细胞的减衰速率是活性细胞生物量的一次方程, 即:

    r’ XPH1= dXPHdt 1 =- bHXBH ( 9)

    式 中 : rXBH1—死 亡再 生 模 式 下 异 养 菌 的 减 衰 速率; bH—死亡再生模式下异养菌减衰系数。

    由 ( 8) 式所示的计量关系可知, 与异养微生物减衰相关联的氧气利用速率、活性微生物的生成速率及细胞残留物的产生速率分别为:

    rSO= dSOdt =- (1- Y H)(1- fP)bHXBH ( 10)

    rXPH= dXPHdt =fP bH XBH ( 11)

    rXPH2= dXBHdt 2 =Y H(1- fP) bHXBH ( 12)

    式中: rSO—死亡再生模式下氧气利用速率; Y H—异养菌产率系数; rXPH—死亡再生模式下异养菌细胞残留物的产生速率; rXBH2—死亡再生模式下异养菌活性生物量的生成速率。

    1.2 区别与联系

    两种模式描述微生物衰亡的途径不同, 其中涉及到的异养菌减衰系数bHbH以及 fPfP的意义及数值也不同相同,原因在于,死亡再生模式中有COD循环, 所以传统减衰模式中一次损失的细胞COD量,在死亡再生模式中需要循环多次才能获得, 所以bH必然大于 bH。同时,因为一定数量的细胞COD通过减衰而损失, 而最终形成的细胞残留物的COD量相同, 所以fP必然大于fP。因为两种模式描述微生物衰亡的净结果是相同的,所以两种减衰模式中的参数又是相互关联的。如对于同一体系有:

    r’XBH=rXBH1+rXBH1(13)

    r’SO=rSO(14)

    r’XBH=rXBH(15)

    分别由 (13) 、 (14) 、 (15)式推得:

    bH= b’H[1-YH(1-fP)](16)

    (1-f’P)b’H=(1-YH)(1-fP)bH(17)

    f’Pb’H =fPbH (18)

    联立 (17) 和 (18) 式得:

    fP=(1-Y H)f’P(1-YHf’P) (19)

    对 ( 2) 式两端积分得:

    XBH=XBH(0)e- b’ Ht ( 20)

    式中: XBH(0)—初始时刻异养微生物活性生物量

    将 ( 20) 式代入 ( 3) 式得:

    r’ SO= dSOdt – (1- f’ P)b’ HXBH(0)e- b’ Ht ( 21)

    因 (21) 式中等式右端的负号表示生化反应中消耗溶解氧, 所以取其绝对值有:

    OUR(t)=-(1-f’P)b’HXBH(0)e-b’Ht =(1-f’P)b’HXBH(0)e-b’H(t22)

    式中:OUR(t)t时刻的耗氧速率

    对(22)式两边取对数得:

    InOUR(t)=In[((1-f’P)b’HXBH(0)]- b’Ht (23)

    (23)式可知, 当没有外源基质时,所得活性污泥耗氧速率(OUR)的自然对数与时间关系曲线的斜率就是传统衰减系数 bH[3]。所以,可通过实验求得 bH,在已知YHfP时,可以通过(16)式求得bH

    2实验方法及结果

    某市污水集中处理厂, 日处理水量 22 万吨, 废水中约含 85%的印染废水, 10%左右的化工废水和 5%左右的生活污水, 废水采用厌氧—好氧—混凝处理工艺。 为了应用 ASM1 模拟该污水处理厂, 本文应用以上原理, 通过实验求得了 20℃条件下, 该厂活性污泥的 异 养 菌 传 统 减 衰 系 数 bH和 死 亡再 生 减 衰 系 数bH, 该系数是描述异养微生物衰亡过程的重要动力学参数, 它的取值会影响到污泥产率和需氧量的估测。从污水集中处理厂取 1000mL 回流污泥, 用蒸馏水反复冲洗以便去除外源基质, 然后将其放入 1L 反应器中, 并投加 20mg/L 的烯丙基硫脲(ATU), 以抑制自养菌的硝化作用, 温度控制在 20± 0.5℃范围内, 连续曝气 7d, 每日测定耗氧速率。 耗氧速率的自然对数与时间关系曲线的斜率就是 bH, 见图 3

    640.webp (1)

    bH‘ 测定 次, 所得数据见表 1。 最终结果取 次测定的平均值, 即 bH‘=0.20

    图片2

    文献中推荐 fP’的值为0.2[1],用污水集中处理厂的实际废水和活性污泥测得的异养菌产率系数YH=0.65(测定原理和方法另文撰述), 则由(19)式得fP=0.08,与ASM1中的推 荐值相同[3],于是可由(16)或(18)式,求得bH=0.50。

    3 结语
    本文从描述微生物衰亡的传统减衰模式和死亡-再生模式出发,详述了两种减衰模式 的内容、所采用的机理和它们之间的区别与联系,同时推导得出了传统减衰模式下异养菌 减衰系数bH’和死亡-再生模式下异养菌减衰系数bH的测定计算方法。应用以上方法,文中通过实验测得了20℃条件下,以印染废水为主的污水处理厂活性污泥异养菌减衰系数的值,即bH’和bH别为0.20、0.50。

    文献中推荐 fP’的值为0.2[1],用污水集中处理厂的实际废水和活性污泥测得的异养菌产率系数 Y H=0.65(测 定 原 理 和 方 法 另 文 撰 述),则由(19)式得fP=0.08,ASM1中的推荐值相同[3],于是可由(16)或(18)式,求得bH=0.50

    参考文献
    [1] 张锡辉, 刘勇弟(译). 废水生物处理(第二版)[M]. 北京:化学工业出版社, 2003.
    [2] P L Dold, G A Ekama, G v R Marais. A general model for theactivated sludge process[J]. Progress in Water Technology,1980, 12(6):47- 77.
    [3] IWA. IWA task group on mathematical modeling for design and operation of biological wastewater treatment, activated sludge models ASM1, ASM2, ASM2d and ASM3[C]. LondonIWA, 2000.

    (来源:张志峰博士论文)




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