SBR动力学数学模型及动态模拟研究

甘树应1 杨 青2 潘 煜1 宋晓智1
(1,上海市环境科学研究院,上海,200235;2,同济大学环境工程学院,上海,200029)

前言

　　SBR工艺自80年代在我国被应用以来，已有近20多年的历史。目前，SBR工艺以其独特的优点，已广泛地应用于工业废水和生活污水处理中。近几年来，在环保工作者的共同努力下，SBR工艺在运行形式上得到了大力的发展和改进。对有关SBR工艺动力学数学模型许多学者在过去的文章中相继都有不同的讨论和研究，本文针对SBR工艺结合IAWQ提出的ASM No.1，并就其动力学提出一种新的数学模型，并通过动态模拟来证明该新数学模型的正确性。

1.SBR动力学模型的机理

　　在新SBR模型中，废水中组成COD的物质被分成二类，即溶解性COD和颗粒性COD：S_TCOD=S_sCOD+S_pCOD其中S_TCOD：总的COD (mg/L)，S_sCOD：溶解性的COD (mg/L)，S_pCOD：颗粒性的COD (mg/L)。溶解性COD（S_sCOD）分成3个组份，即溶解性快速生物降解COD（S₁）、溶解性难生物降解COD（S₂）和溶解性不可生物降解COD（S₃）。溶解性COD（SsCOD）能够通过微生物的氧化和其他形式的物理化学过程被去除，同时有一种利用副产物（SUAP）产生。这种利用副产物部分可转化成溶解性难生物降解COD（S₂），余下转化成溶解性不可生物降解COD（S₃）。颗粒性COD（S_pCOD）通过污泥的扑集和吸附形式被去除，同时有部分转化成微生物，它被降解的过程类似于污泥的衰减。活性污泥在分解时，两种产物：微生物相关产物(SBAP)和非挥发性颗粒物。释放出的微生物相关产物包含着溶解性快速生物降解COD（S₁）、溶解性难生物降解COD（S₂）和溶解性不可生物降解COD（S₃）。非挥发性颗粒物构成污泥的一部分，随剩余污泥而排放。出水溶解性COD（SeCOD）由三个部分组成，即溶解性快速生物降解COD（S_1e）、溶解性难生物降解COD（S_2e）和溶解性不可生物降解COD（S_3e）。

2.SBR动力学数学模型建立

　　在SBR系统中的溶解性快速生物降解COD（S₁）、溶解性难生物降解COD（S₂）和溶解性不可生物降解COD（S₃）。根据系统的质量平衡可建立SBR动力学数学模型，该模型是以微分方程组的形式表述的。

3.动态模拟和讨论

　　动力学模型由非线性微分方程(1)～(4)组成。应用数值方法中的4阶龙格库塔法求解，利用Matlab 5.3 (R11) (MathWorks Inc. 1999)实现龙格库塔算法。
　　SBR初始体积Vi 2.67 m₃，进水后反应器体积Vb 8 m₃，V_i/V_b为1/3。在动态模拟过程中，tc(循环周期)是常数，假定为3.5小时(包括出水时间0.5小时)。因此tf和t r(反应时间)为3小时。边界条件如下：
　　当 t = 0, V(0) = VI; S₁(0) = S_1e ≈ 0; S₂(0) = S_2e; S₃(0) = S_3e; X(0) = Xv·Vb/Vi.
　　当 t = tf, V(tf) = Vb; X(tf) = Xv; Q = 0.

　　(1)进水S0的变化对系统的影响

　　(2) tf/tc值的变化对系统的影响

　　(3) Xv0浓度的变化对系统的影响

结论

　　本文提出了一个新的动态的SBR模型。此模型中总COD被分为两部分：溶解的COD和颗粒性COD，前者细分为溶解性快速生物降解COD,溶解性慢速生物降解COD和溶解性不可生物降解COD。通过COD的细化，有机基质的降解过程刻划地更精确。tf/tc, F/M 和污泥龄是SBR系统中非常重要的参数，因此SBR系统的设计和运行过程中要进行合理的选取。建议采用低tf/tc、低F/M和长污泥龄，推荐范围：tf/tc1/7～2/7, F/M大约1kgCOD/kgVSS.d，污泥龄超过10d。