活性污泥動力學模型即活性污泥法數學模型，該研究始於20世紀50年代，其模型研究經歷了從簡單擬合實驗數據到採用經典的微生物生長動力學模型，進而根據污水生物處理過程的特性進行過程動態分析、探索辨識建模的發展過程;實現了從指導活性污泥工藝設計，到研究活性污泥工藝的動態過程、系統的高效率低能耗運行的轉變，並出現了相應的商業化軟體。
基本介紹
- 中文名：活性污泥動力學模型
- 屬性：物理學模型
- 相關領域：生物學
- 研究時間：20世紀50年代，
研究發展,靜態模型,動態模型,套用與改進,
研究發展
活性污泥數學模型基本點是從表示細胞生長動力學的Monod方程出發，結合化工領域的反應器理論與微生物學理論，對基質降解、微生物生長等各參數之間的數學關係做定量描述。
靜態模型
20世紀50年代中期，國外一批學者引入化工領域的反應器理論及微生物理論，通過基質降解、微生物生長及各參數之間的關係建立了各自的活性污泥靜態數學模型。其中具有代表性的有Eckenfelder等揮發性懸浮固體(Volatile Suspended Solid , VSS )積累速率經驗公式提出的活性污泥模型，Mckinney等活性污泥全混假設提出的活性污泥模型和Lawrence , McCartv L等基於微生物生長動力學理論提出的話性污泥模型。這3種模型所採用的是生長—衰減機理。這此模型對實際的生化反應系統作了很大簡化，其區別僅在於有機物降解速率表達式和活性污泥組分劃分的差異。由於模型計算結果可基本滿足活性污泥工藝設計的要求，且具有模型變數易測、動力學參數確定及方程求解方便等特點，迄今仍廣泛用於活性污泥的工藝設計。但是，這此靜態模型只考慮了污水中含碳有機物的去除，並沒有考慮氮磷的去除過程;不能解釋和描述污水生物處理中常見的有機物“快速去除”和出水中有機物濃度隨進水濃度變化的現象;也不能很好地預測實際觀察中存在的有機物濃度增加時，微生物增長速率變化的滯後效應。
動態模型
20世紀80年代由於水體富營養化等問題越來越嚴重污水處理去除氮、磷等要求為數學模型提出了新的研究方向。
1975年，Andrews J F提出了“存儲一代謝”機理，該機理認為在活性污泥法污水處理過程中，非溶解性有機物和部分溶解性有機物首先被生物絮體快速吸附，以細胞內貯存物的形式被貯存，然後再被微生物利用、Jones等提出了“存活一非存活”機理模型，認為有機物的降解可以在不伴隨微生物增長的情況下完成，強調非存活細胞的代謝話性、1987年，Mo-gens}%}等在總結前人尤其是南非的Marais和Dold等人工作的基礎上，提出IWA ( International Water Association , IWA )活性污泥1號模型ASM1(Activated Sludge Model No.l )。 ASM1採用了Dold等人提出的“死亡—再生( death-regeneration )”的模型化方法，但未接受“貯存一代謝”機理，而採用“死亡一再溶解”機理，體現了對代謝殘餘物的再利用。
ASM1包括了碳氧化、硝化和反硝化過程，以矩陣形式描述了污水中好氧和缺氧條件卜所發生的有機碳水解、微生物生長和衰減等8個反應過程。模型包含13種組分、5個化學計量參數和14個動力學參數。模型可以很好地描述活性污泥法污水處理系統的構造狀況、進水水質特性及系統運行參數、ASM1是模擬硝化和反硝化的良好工具，促進了關於模型和污水特性描述的進一步研究，自推出以來在歐美得到廣泛套用，但模型並未包含磷的吸收和釋放過程，無法模擬包含除磷過程的污水處理系統，限制了ASM1的進一步套用。
為了彌補ASM1的不足，IWA專家組於1995年推出含有19種組分、19個反應過程,22個化學計量參數及42個動力學參數的話性污泥25模型ASM2‑ ASM2是ASM1的延伸，沿用了ASM1的概念，包含了ASM1的所有工藝過程，即碳和氮的去除，還包含生物除磷過程，增加了厭氧水解、發酵及生物除磷、化學除磷等8個反應過程、該模型可以對化學需氧量(Chemical Oxygen Demanded,COD)、氮磷去除的綜合處理工藝進行動態模擬。ASM2不是生物除磷模型的最終形式，它介於簡單和複雜之間，是許多關於正確的模型應該是什麼樣子的不同觀點的一個折中方案，它更應該被看作是模型進一步發展的一個概念平台。
隨著對生物除磷機理的認知，在隨後推出的活性污泥2D號模型ASM2D中又加入了聚磷菌在缺氧條件卜的生長過程，使其含19種組分、21種反應、22個化學計量參數及45個動力學參數。ASM2D解決了ASM2中沒有解決的與聚磷菌有關的反硝化問題，增加了兩個過程來說明聚磷菌可利用細胞內的有機貯存產物進行反硝化。與ASM2相比，在模擬硝酸鹽和磷酸鹽動力學方面,ASM2D更準確。ASM2D被看作是進一步研究和發展話}h'I污泥系統除磷脫氮過程動力學模型的平台和參考。
隨著對有機物貯存試驗認識的深化，針對ASM1在實際套用中出現的問題,1998年IWA推出了活性污泥35模型ASM3,含有13種組分、12個反應過程,6個化學計量參數和21個動力學參數}, ASM3所涉及的主要反應過程和ASM1相同，即以處理生話污水為主的話性污泥系統的碳氧化過程和硝化、反硝化過程，但沒有包括生物除磷過程，側重點也由水解轉為有機物的貯存。該模型修正了ASM1的某此缺陷，增加了有機物的存儲過程，將以水解反應為代表的衰減過程改為用內源呼吸過程來解釋，從而更逼真地展示了衰減過程。由於ASM3將異養菌的“死亡一再生”循環過程與硝化菌的衰減過程清晰地分開了，因此ASM3的COD數據流圖比ASM1簡中了許多。
套用與改進
ASM系列模型的複雜性導致無法將完整的模型直接套用於污水廠的設計、模擬和運行控制，這就需要根據具體條件將模型適當修正和簡化。
季民等在總結IA W活性污泥模型的基礎上，建立了適合於普通推流式活性污泥法的碳氧化數學模型;套用MATLAB數學軟體，在WINDOWS操作平台上開發出模擬系統。該模擬系統考慮了8個組分和3個生化過程。套用該模擬系統模擬了人津紀莊子污水處理廠的實際運行資料，模擬結果與實測數據吻合較好。
劉芳以活性污泥1號模型(ASM1)為開發平台，建立了簡化的話性污泥數學模型(ASM-CN )該模型主要描述了碳氧化和硝化過程，其中模型組分、反應過程和參數的數量都少於ASM1，從而提高了該模型在城市污水廠中的實用性。通過測定模型組分、化學計量係數和動力學參數，為模型的套用提供了重要的前提和基礎。最後利用ASM-CN模型對實際城市污水廠的運行進行了動態模擬，模擬結果良好，驗證了ASM-CN模型的實用性和有效性，並且也驗證了模擬程式的準確性。
Manga J等根據生物除磷工藝中缺氧下出現的聚磷菌生長、聚磷酸鹽積累及肝糖的積累現象，對ASM2D進行了修正。引進了聚糖菌的競爭生化反應過程;增加組分聚糖菌XGAO,聚糖菌細胞內積累物XPHA,G，聚磷菌細胞內積累物XGLY及聚糖菌細胞內積累物XGLY , G ;同時新添了11個反應動力學方程，運用3種不同的污泥齡進行中試實驗，結果證明能夠更好地說明除磷工藝中出現的現象。
