一种描述活性污泥中丝状菌与菌胶团菌竞争生长过程与出水水质预测的方法

本发明属于污水生物处理与资源化，特别涉及一种描述活性污泥中丝状菌与菌胶团菌竞争生长状态与出水水质预测的方法。

背景技术：

1、活性污泥法作为应用最为广泛的污水处理办法，时常受到污泥膨胀问题的干扰。污泥膨胀是一种活性污泥中丝状菌与菌胶团菌的比例失衡，进而导致活性污泥絮体压缩性能恶化、污泥沉降速率变慢、泥水分离困难等问题的状态，发生率高且普遍存在，一般分为丝状膨胀与黏性膨胀两大类，其中又以丝状菌过量繁殖导致的丝状膨胀为主，其实质是丝状菌与菌胶团菌的竞争不平衡。

2、我国城市污水处理厂数量多、分布广，而已有相关领域研究报道的取样点较少，往往只能反映该取样污水处理厂的污泥膨胀问题现状，不能代表该地区的整体特征，更无法体现出全国范围内城市污水处理厂污泥膨胀现象的整体差异性，这给解决污水处理厂实际问题带来了困难。而活性污泥膨胀数学模型能帮助我们更好地理解污水处理系统活性污泥膨胀的各种过程，并通过模拟各种运行工况来解释复杂现象，经校正后的模型还可以帮助提供正确的控制策略来使污泥膨胀问题得以有效解决。

3、自1985年国际水协(iwa)提出asm系列模型以来，学界开始尝试将动态数学模型应用至实际的污水处理厂运行之中。针对活性污泥膨胀的数学模型能帮助我们更好地理解污水处理系统活性污泥膨胀的各种过程，并通过模拟各种运行工况来解释复杂现象，经校正后的模型还可以帮助提供正确的控制策略来使污泥膨胀问题得以有效解决。目前有一些用于解释活性污泥膨胀现象并描述丝状菌和菌胶团菌竞争的数学模型，但是这些模型基本上都是以某一个理论或学说为基础，一方面是应用条件受限，另一方面对于一些复杂现象的解释还有冲突。

4、基于以上背景，本发明以动力-扩散双选择理论为基础，以同时生长与贮存理论作为补充，对asm3模型进行扩展，提出一种描述活性污泥中丝状菌与菌胶团菌竞争生长状态与出水水质预测的方法，以期能够为实现对活性污泥丝状膨胀问题的模拟与预测开拓思路。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述问题。

2、为此，本发明提出了一种描述活性污泥中丝状菌与菌胶团菌竞争生长状态与出水水质预测的方法，包括以下步骤：步骤(1)：对asm3号模型进行理论扩展与补充，增加动力学-扩散双选择理论与同时贮存与生长理论的相关描述；步骤(2)：增加asm3号模型中用于描述絮体菌与游离丝状菌的组分，并根据两者的生理特征对模型的其他组分与反应过程进行扩展；步骤(3)：使用反应过程动力学方程对微生物生长状态进行描述，并预测出水水质；步骤(4)：以微生物生长速率与出水水质进行参数的灵敏度分析，筛选出高灵敏参数，作为参数校准集。另外，根据本发明所提出的描述活性污泥丝状膨胀的数学模型，还具有如下附加技术特征：

3、进一步的，步骤(1)所述的对asm3号模型进行理论扩展，增加动力学-扩散双选择理论相关内容，其具体内容为：在非极端浓度条件下赋予絮体菌和游离丝状菌不同的ks以及相同的μmax来进行动力选择理论与扩散选择理论的融合，较低的ks代表了较强的亲和能力，这样一来通过底物浓度能够实现两种的区分。

4、进一步的，步骤(1)所述的对asm3号模型进行理论扩展，增加同时贮存与生长理论的相关内容，其具体内容为：将微生物利用有机物进行贮存与生长的过程视作是同时进行的过程，利用开关函数控制基质充足期与匮乏期的表达式转换，有利于研究不同种群基于基质浓度的竞争关系。具体动力学表达式为：

5、基质充足时，微生物贮存进水有机物的动力学表达式见式(1)，微生物利用进水有机物生长的动力学表达式见式(2)；基质匮乏时，微生物消耗胞内存储物生长和维持的动力学表达式见式(3)。

6、

7、

8、

9、以上各式中，rsto表示微生物贮存进水有机物的速率，fsto表示基质用于储存的比例，ksto表示贮存速率常数，so表示溶解氧浓度，ko表示so饱和常数，ss表示易生物降解的溶解性有机物，ks表示ss饱和常数，xh表示异养菌，rh,ss表示微生物利用进水有机物进行生长的速率，μh,s表示微生物利用进水有机物进行生长的最大比生长速率，snh表示铵盐与氨氮，knh表示snh饱和常数，salk表示污水碱度，kalk表示salk饱和常数，rh,st表示微生物消耗胞内贮存物的速率，μh,sto表示微生物利用胞内贮存物进行生长的最大比生长速率，xsto表示微生物胞内贮存物，k2表示相关亲和力参数，k1表示控制xsto代谢的常数。

10、进一步的，步骤(2)所述的增加asm3号模型中用于描述絮体菌与游离丝状菌的组分，并根据两者的生理特征对模型的其他组分与反应过程进行扩展，其具体内容为：将异养生物xh分为絮体菌(xfloc)和游离丝状菌(xfil)。这里的游离丝状菌是指在活性污泥絮体外部运动的丝状菌，也包括伸出絮体的那一部分；絮体菌指的是能分泌具有黏性胞外聚合物的菌胶团菌和在絮体内部的一部分丝状菌，表现为活性污泥絮体。增加的反应过程主要包括xfloc和xfil分别利用易生物降解溶解性有机物ss,和胞内贮存物xsto在缺氧阶段和好氧阶段进行生长、贮存与内源呼吸等一系列生化反应过程，其中游离丝状菌xfil由于无法进行反硝化，视作不参与缺氧过程。

11、进一步的，步骤(3)以asm3为基础，增加反应过程速率方程以实现对游离丝状菌与絮体菌在活性污泥系统中进行的竞争生长描述，其增加具体内容为以下过程速率方程：

12、(1)xfil利用ss的好氧储存：

13、

14、(2)xfloc利用ss的好氧储存：

15、

16、(3)xfloc利用ss的缺氧储存：

17、

18、(4)xfil利用ss的好氧生长：

19、

20、(5)xfloc利用ss的好氧生长：

21、

22、(6)xfloc利用ss的缺氧生长:

23、

24、(7)xfil利用xsto的好氧生长:

25、

26、(8)xfloc利用xsto的好氧生长:

27、

28、(9)xfloc利用xsto的缺氧生长:

29、

30、(10)xfil好氧内源呼吸：

31、

32、(11)xfloc好氧内源呼吸：

33、

34、(12)xfloc缺氧内源呼吸：

35、

36、以上各式中，除去特殊规定的，其余符号意义与单位均与asm3模型保持一致，参数初始值选自asm3推荐的20℃典型参考值，下标中带有fil字样的为游离丝状菌xfil相关参数，带有floc字样的为絮体菌xfloc相关参数。fsto,o为基质用于好氧储存的比例，fsto,no为基质用于缺氧储存的比例，两者初始值均为0.67；ksto,fil,o与ksto,floc,o分别是xfil与xfloc的好氧储存速率常数，初始值分别为2.15和4.3，ksto,floc,no是xfloc的缺氧储存速率常数，初始值为4.3；ηno是缺氧降低因数，初始值取0.6；ko,fil和ko,floc分别是xfil和xfloc的溶解氧饱和常数，由于两者对溶解氧的亲和力不同，分别取0.1和0.2；ks,fil和ks,floc分别是xfil和xfloc的ss饱和常数，初始值均为2；k2,fil和k2,floc分别是xfil与xfloc的亲和力相关集总参数，取值分别为0.0012与0.0024；k1,fil和k1,floc分别是xfil与xfloc控制胞内贮存物代谢的常数，取值分别为0.051和0.102。以上特殊参数的初始取值来自于文献或经验值，在后续的应用过程中可以根据实际情况不断进行调试以满足需求，调试范围一般在-200％到200％。

37、进一步的，步骤(3)所述的出水水质预测，包括出水化学需氧量(cod)，总氮(tn)，氨氮(snh)，用于计算预测值的各组分变化速率方程为：

38、cod：

39、snh：

40、tn：

41、以上各式中，ρ13是进水xs水解过程速率方程，ρ14是自养菌好氧内源呼吸过程速率方程，ρ15是自养菌缺氧内源呼吸过程速率方程，ρ16是自养菌好氧生长过程速率方程，ρ17是xsto好氧内源呼吸过程速率方程，ρ18是xsto缺氧内源呼吸过程速率方程表达方式，与asm3模型一致。fsi是xi水解产生si的比例，初始值取0；fi是内源呼吸产生xi的比例，初值取0.2；ys,o,fil和ys,o,floc分别是xfil与xfloc利用ss的好氧产率初值均取0.55，ys,no,floc是xfloc利用ss的缺氧产率，初值取0.42；ya是单位自养菌产率，初值取0.24。除去特殊规定的，其余符号意义与单位均与asm3模型保持一致，参数初始值选自asm3推荐的20℃典型参考值。

42、进一步的，步骤(4)所述的模型参数的灵敏度分析，其具体内容为：以出水水质(cod、tn、氨氮)和微生物生长速率(絮体菌、游离丝状菌)作为评估对象，使用灵敏度分析方法，筛选出各自的高灵敏参数，便于应用过程中对参数的校准与模型的验证，使用的灵敏度分析方法算式如下：

43、

44、式中s为某一输出值的摩尔斯系数；yi为模型第i次运行输出值；yi+1为模型第i+1次运行输出值；y0代表初始参数代入模型后的计算结果；pi为第i次模型运算参数值相对于初始参数值的变化百分率；pi+1为第i+1次模型运算参数值相对于初始参数值的变化百分率；n为改变步长的次数。得到的灵敏度s绝对值越大，则说明该参数对评估对象的影响程度越强，若某一参数的灵敏度绝对值∣s∣≤0.05，则将其视为不灵敏参数，若0.05≤∣s∣＜0.2，视为中灵敏参数，若∣s∣≥0.2，视为高灵敏参数。

45、具体实施方案可见实施例1。