本發(fā)明屬于污水生物處理與資源化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種用于模擬污水反硝化過程氧化亞氮產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)模型。

背景技術(shù)：

隨著我國(guó)城鎮(zhèn)化過程的不斷推進(jìn)，溫室氣體的排放受到越來越多的關(guān)注，氣候變暖及大氣污染問題也日益凸顯。氧化亞氮（N₂O）作為一種強(qiáng)溫室氣體，其排放與控制逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。近年來，污水生物處理過程被認(rèn)為是N₂O產(chǎn)生的重要人為來源，其微生物的硝化與反硝化過程都會(huì)導(dǎo)致N₂O的產(chǎn)生與釋放。因此，基于污水處理過程中N₂O產(chǎn)生機(jī)理與釋放規(guī)律，構(gòu)建用于模擬N₂O產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)模型，將對(duì)我國(guó)溫室效應(yīng)的改善及大氣污染的治理提供更加科學(xué)的理論依據(jù)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

污水脫氮過程中硝化階段雖為N₂O產(chǎn)生的主要途徑，但N₂O作為反硝化過程的中間產(chǎn)物，其產(chǎn)生與釋放問題同樣嚴(yán)峻。目前相比硝化階段N₂O動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建，反硝化階段N₂O動(dòng)力學(xué)模型種類相對(duì)較少并缺乏對(duì)微生物生長(zhǎng)衰減過程的描述。因此，構(gòu)建一種既可準(zhǔn)確模擬反硝化階段N₂O產(chǎn)生情況，又可體現(xiàn)微生物生長(zhǎng)衰減過程的反硝化階段N₂O動(dòng)力學(xué)模型尤為重要。

作為國(guó)際水協(xié)推出的最新版活性污泥模型-活性污泥3號(hào)模型（ASM3）,其對(duì)水解和內(nèi)源呼吸理論的描述具有一定的前瞻性與教育價(jià)值。因此本發(fā)明旨在以ASM3號(hào)模型的建模理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建一種污水脫氮過程中反硝化階段N₂O動(dòng)力學(xué)模型，以實(shí)現(xiàn)對(duì)反硝化過程中N₂O產(chǎn)生和釋放進(jìn)行準(zhǔn)確模擬?；谏鲜龇治?，本發(fā)明提出了一種用于模擬污水反硝化過程N(yùn)₂O產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)模型。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決上述問題。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種用于模擬污水反硝化過程N(yùn)₂O產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)模型，其特征在于包括以下步驟：（1）對(duì)ASM3號(hào)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，保留與反硝化階段N₂O產(chǎn)生相關(guān)的生化過程與相應(yīng)組分；（2）擴(kuò)展ASM3號(hào)模型中缺氧反應(yīng)階段，增加對(duì)反硝化階段N₂O產(chǎn)生的描述；（3）構(gòu)建微生物衰減過程中利用NO₂^- 作為電子受體時(shí)N₂O產(chǎn)生與釋放的生化過程；（4）根據(jù)模型中各生化過程中電子受體與電子供體的不同，同時(shí)結(jié)合相應(yīng)的環(huán)境影響因素，建立各生化階段的過程速率方程。

另外，根據(jù)本發(fā)明所提出的污水反硝化過程N(yùn)₂O動(dòng)力學(xué)模型，還具有如下附加技術(shù)特征：

進(jìn)一步的，步驟（1）中所述的對(duì)ASM3號(hào)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，保留與反硝化階段N₂O產(chǎn)生相關(guān)的生化過程為：COD缺氧貯存、反硝化細(xì)菌缺氧內(nèi)源呼吸、胞內(nèi)貯存物缺氧呼吸；相應(yīng)組分為：S_S、S_NH4、X_I、X_STO、X_H。

進(jìn)一步的，步驟（2）中所述的擴(kuò)展ASM3號(hào)模型中缺氧反應(yīng)階段，增加對(duì)反硝化階段N₂O產(chǎn)生的描述，具體表現(xiàn)為將反硝化細(xì)菌缺氧生長(zhǎng)細(xì)分為4步進(jìn)行，即NO₃^- →NO₂^- →NO→N₂O→N₂；此過程共增加了SNO₂、SNO₃、SNO、SN₂O、SN₂五個(gè)組分以及四個(gè)對(duì)應(yīng)的生化過程。

進(jìn)一步的，步驟（3）中所述的構(gòu)建微生物衰減過程中利用NO₂^- 作為電子受體時(shí)N₂O產(chǎn)生與釋放的生化過程主要表現(xiàn)為：將硝化細(xì)菌分為氨氧化菌與亞硝酸鹽氧化菌，并分別表示其以NO₃^- 為電子受體時(shí)的內(nèi)源呼吸作用；此外分別對(duì)反硝化細(xì)菌、氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌構(gòu)建以NO₂^- 作為電子受體時(shí)微生物內(nèi)源呼吸作用，并認(rèn)為此生化過程會(huì)導(dǎo)致N₂O的產(chǎn)生與釋放；此過程使模型增加了X_A、X_N兩個(gè)組分及三個(gè)相應(yīng)的生化過程。

進(jìn)一步的，步驟（4）中所述的根據(jù)模型中各生化過程中電子受體與電子供體的不同，同時(shí)結(jié)合相應(yīng)的環(huán)境影響因素，建立各生化階段的過程速率方程具體表現(xiàn)為：分別表示反硝化細(xì)菌各步缺氧生長(zhǎng)過程中的比生長(zhǎng)速率；分別表示反硝化細(xì)菌、氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌以NO₃^- 或NO₂^- 作為電子受體時(shí)微生物內(nèi)源呼吸作用的比衰減速率。

本發(fā)明是基于對(duì)ASM3號(hào)模型的合理簡(jiǎn)化，通過擴(kuò)展反硝化細(xì)菌缺氧生長(zhǎng)過程和增加對(duì)微生物衰減過程的描述，構(gòu)建的一種用于模擬污水反硝化過程氧化亞氮產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)模型。

附圖說明：

圖1是本發(fā)明提出的一種用于模擬污水反硝化過程氧化亞氮產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建流程示意圖。

具體實(shí)施方式：

圖1是本發(fā)明提出的一種用于模擬污水反硝化過程氧化亞氮產(chǎn)生的動(dòng)力學(xué)模型的構(gòu)建流程示意圖，以下結(jié)合圖1詳細(xì)闡述污水反硝化過程氧化亞氮?jiǎng)恿W(xué)模型中的各個(gè)步驟：

步驟（1）：對(duì)ASM3號(hào)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化，保留與反硝化階段N₂O產(chǎn)生相關(guān)的生化過程與相應(yīng)組分。

具體的，保留與反硝化階段N₂O產(chǎn)生相關(guān)的生化過程為：COD缺氧貯存、反硝化細(xì)菌缺氧生長(zhǎng)、反硝化細(xì)菌缺氧內(nèi)源呼吸、胞內(nèi)貯存物缺氧呼吸；相應(yīng)組分為：S_S、S_NH4、X_I、X_STO、X_H；其各組分及生化過程的化學(xué)計(jì)量學(xué)矩陣如表1所示。

表1：簡(jiǎn)化ASM3號(hào)模型后組分及生化過程化學(xué)計(jì)量學(xué)矩陣

其中S_S表示污水中有機(jī)物組分；S_NH表示污水中NH₄⁺ 組分；X_STO表示胞內(nèi)儲(chǔ)藏物組分；X_H表示異養(yǎng)菌；X_I表示惰性顆粒有機(jī)物；同時(shí)本步驟共包含4個(gè)化學(xué)計(jì)量學(xué)系數(shù)（S_S中N的含量-i_N,SS、微生物中N的含量-i_N,BM、以NO₃^- 為電子受體時(shí)單位S_S貯存物缺氧產(chǎn)率-Y_STO,NO3、內(nèi)源呼吸中X_I的產(chǎn)率-f_I），這些參數(shù)均可根據(jù)需要從試驗(yàn)或文獻(xiàn)中獲得。

步驟（2）：擴(kuò)展ASM3號(hào)模型中缺氧反應(yīng)階段，增加對(duì)反硝化階段N₂O產(chǎn)生的描述。

具體的，將反硝化細(xì)菌缺氧生長(zhǎng)細(xì)分為4步進(jìn)行，即NO₃^- →NO₂^- →NO→N₂O→N₂；此過程共增加了SNO₂、SNO₃、SNO、SN₂O、SN₂五個(gè)組分以及四個(gè)對(duì)應(yīng)的生化過程；其各組分及生化過程的化學(xué)計(jì)量學(xué)矩陣如表2所示。

表2：反硝化細(xì)菌缺氧生長(zhǎng)過程化學(xué)計(jì)量學(xué)矩陣

其中S_NO表示污水中NO組分；S_N2O表示污水中N₂O組分；S_N2表示污水中N₂組分；S_NO2表示污水中NO₂^- 組分；S_NO3表示污水中NO₃^- 組分；同時(shí)本步驟增加了4個(gè)化學(xué)計(jì)量學(xué)系數(shù)（以NO₃^-為電子受體時(shí)異養(yǎng)菌缺氧產(chǎn)率-Y_H,NO3、以NO₂^- 為電子受體時(shí)異養(yǎng)菌缺氧產(chǎn)率-Y_H,NO2、以NO 為電子受體時(shí)異養(yǎng)菌缺氧產(chǎn)率-Y_H,NO、以N₂O 為電子受體時(shí)異養(yǎng)菌缺氧產(chǎn)率-Y_H,N2O），這些參數(shù)均可根據(jù)需要從試驗(yàn)或文獻(xiàn)中獲得。

步驟（3）：構(gòu)建微生物衰減過程中利用NO₂^-作為電子受體時(shí)N₂O產(chǎn)生與釋放的生化過程。

具體的，將硝化細(xì)菌分為氨氧化菌與亞硝酸鹽氧化菌，并分別表示其以NO₃^-為電子受體時(shí)的內(nèi)源呼吸作用；此外分別對(duì)反硝化細(xì)菌、氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌構(gòu)建以NO₂^- 作為電子受體時(shí)微生物內(nèi)源呼吸作用，并認(rèn)為此生化過程會(huì)導(dǎo)致N₂O的產(chǎn)生與釋放；其各組分及生化過程的化學(xué)計(jì)量學(xué)矩陣如表3所示。

表3：微生物缺氧呼吸階段各組分及生化過程化學(xué)計(jì)量學(xué)矩陣

其中X_A表示氨氧化菌；X_N表示亞硝酸鹽氧化細(xì)菌；同時(shí)本步驟共增加了1個(gè)化學(xué)計(jì)量學(xué)系數(shù)（X_I中N的含量-i_N,XI），此參數(shù)可根據(jù)需要從試驗(yàn)或文獻(xiàn)中獲得。

步驟（4）：根據(jù)模型中各生化過程中電子受體與電子供體的不同，同時(shí)結(jié)合相應(yīng)的環(huán)境影響因素，建立各生化階段的過程速率方程。

具體的，分別表示反硝化細(xì)菌各步缺氧生長(zhǎng)過程中的比生長(zhǎng)速率；分別表示反硝化細(xì)菌、氨氧化菌、亞硝酸鹽氧化菌以NO₃^- 或NO₂^- 作為電子受體時(shí)微生物內(nèi)源呼吸作用的比衰減速率；其各生化過程的速率方程如表4所示。

表4：反硝化階段N₂O動(dòng)力學(xué)模型過程速率方程表達(dá)

其中k_STO表示COD貯存速率常數(shù)；η_COD,NO2表示缺氧貯存降低因數(shù)；μ_x表示不同生化過程異養(yǎng)菌最大比生長(zhǎng)速率；b_x表示不同微生物在不同生化過程中的缺氧內(nèi)源呼吸速率；K_x表示不同物質(zhì)的飽和常數(shù)；這些參數(shù)均可根據(jù)需要從試驗(yàn)或文獻(xiàn)中獲得。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并非用于限定本發(fā)明的保護(hù)范圍。因此凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。