一种污水强化生物除磷过程聚磷菌富集优化的方法和提高污水强化生物除磷过程性能的方法与流程

本发明涉及污水除磷技术，具体来讲，涉及一种污水强化生物除磷技术，特别是延长厌氧条件下的污水强化生物除磷技术，以及对污水强化生物除磷过程聚磷菌富集的设计和/或运行进行优化的方法，提高污水强化生物除磷过程性能的方法。

背景技术

随着近年来对于污水中含有磷的更高水平处理的需求，更可靠和更好的优化除磷方法的出现被广泛期待。与传统的化学除磷(使用铁盐、铝盐或氢氧化钙等化学物质与含磷化合物进行反应进行除磷的技术)相比，强化生物除磷过程，即利用污水处理中微生物通过过量吸收超过自身代谢所需要的磷元素而以积累磷为细胞内聚合磷的方式完成的除磷，被认为是一种具有经济和环境优势的潜在高效方法。但是，在实践中，存在如下技术问题：许多强化生物除磷设施的表现不稳定，除磷的表现受进水条件影响大。强化生物除磷方法由于其运作不稳定通常需要备用化学品(standbychemicals)来保障其获得可靠和一致的出水达标性能，而经常地添加通过商业购买的碳源或现场初级污泥发酵的外部碳会增加成本并增加过程中的碳足迹，并且并非在所有情况下初级污泥发酵都是可行的，特别是对于没有初级处理的设施。越来越多的设施面临较低的磷排放许可限制。如果没有一致有效的强化生物除磷过程性能，这些设施被迫越来越依赖化学磷去除，这显着增加了化学品使用的成本和不良环境影响。

技术实现要素：

越来越多的设施面临较低的磷排放许可限制。具有稳定、有效的性能，不依赖于商业化学碳源的强化生物除磷过程的开发受到迫切期待。

在对强化生物除磷工艺进行改进的新型旁流强化生物除磷工艺(旁流强化生物除磷过程)中，包括有旁流式厌氧生物污泥水解和发酵反应器；旁流强化生物除磷工艺(旁流强化生物除磷过程)可以消除外部添加碳的需求并最大限度地减少化学品的使用。其对污水进水的依赖程度低并可提高强化生物除磷过程工艺稳定性，被认为具有潜在优势。旁流强化生物除磷过程的其他优点包括：建筑和运行成本低，设计灵活，可以在多种现有水资源回收设施中实施的多种工艺配置；减少对污水进水特性和碳源的依赖；使进水碳源更多用于反硝化从而帮助除氮；与初级污泥发酵相比较少的气味，不需要初级澄清池。但是，因旁流强化生物除磷过程过程的基本机理尚未被阐明，对于基本机理的关键空白妨碍了该过程的更广泛应用，造成无法对该工艺进行有效设计和操作标准的制定。

在污水生物除磷系统性能优化中,数学建模(数学模型)的使用在指导设计和优化污水处理性能方面发挥着越来越重要的作用。目前在实践中被经常使用的数学模型通常在新型强化生物除磷工艺，特别是具有大量无氧区域的旁流强化生物除磷工艺(旁流强化生物除磷过程)中会因低估其性能而失败。旁流强化生物除磷过程的性能往往无法被充分预测，特别是当使用默认模型化学计量和动力学参数时。因此迫切需要开发这样一个可用于强化生物除磷工艺性能预测的改良模型，并用其来进行污水旁流生物除磷系统性能的优化。

本发明人基于上述技术情况进行了锐意研究，深入研究阐明了延长厌氧条件下强化生物除磷过程。特别是具有延长厌氧区域生物除磷过程，尤其是旁流强化生物除磷过程的基本机理，并开发了新的改良污泥模型，以及使用该改良污泥模型对污水旁流生物除磷系统性能优化的方法。以及应用了改机理的一种提高污水强化生物除磷过程性能的方法。

一种对污水强化生物除磷过程的设计和/或运行进行优化的方法，其特征在于：使用改良活性污泥模型，该改良活性污泥模型包括聚磷菌-聚糖菌竞争模块，该聚磷菌-聚糖菌竞争模块中包含了分阶段的细胞维护-细胞凋亡。

上述方法中，还可以是：上述污水强化生物除磷过程是处于延长厌氧条件下的污水强化生物除磷过程，上述改良活性污泥模型是基于延长厌氧状况下生物除磷过程中微生物种群间竞争机理的模型的。

上述方法中，还可以是：上述污水强化生物除磷过程是高浓度污泥(比如回流污泥)厌氧旁流生物除磷过程。

上述方法中，还可以是：上述方法是在强化生物除磷过程中通过活性污泥发酵连续产生可挥发性有机酸从而使对于进水中碳源的依赖程度减少，并通过延长厌氧条件下聚磷菌-聚糖菌间竞争使得聚磷菌得以富集，从而对旁流强化生物除磷系统性能进行优化的。

上述方法中，还可以是：上述延长厌氧条件指处于厌氧状态的时间为8小时以上，优选14小时以上，更优选18小时以上，特别更优选24小时以上。

上述方法中，还可以是：上述改良活性污泥模型的基本模型继承自asm2活性污泥模型，上述分阶段的细胞维护-细胞凋亡和上述聚磷菌-聚糖菌竞争模块是用以模拟延长厌氧条件下的聚磷菌-聚糖菌活性竞争的。

上述方法中，还可以是：将该方法用于评估污泥停留时间、水力停留时间、有机酸生成速率以及聚磷菌/聚糖菌相对种群丰度对于厌氧聚磷菌选择反应器性能的影响，从而为进一步优化设计和/或运行条件以及针对特定水厂的生物除磷过程的设计和/或运行提供标准。

上述方法中，还可以是：针对聚磷菌，进行如下模拟：(1)在厌氧阶段的可挥发性有机酸摄取，活性p释放，糖原降解和聚β羟基烷酸酯形成；维护中按次序的聚合物利用，聚合物消耗后的分解凋亡；以及(2)在有氧阶段基于聚β羟基烷酸酯的生物质成长，基于聚β羟基烷酸酯的糖原合成，基于聚β羟基烷酸酯的多磷酸盐合成，维护中的按次序的聚合物利用，生物质凋亡，细胞内聚合物凋亡；

针对聚糖菌，进行如下模拟：(1)在厌氧阶段的可挥发性有机酸摄取，糖原降解和聚β羟基烷酸酯形成；维护中的按次序的聚合物利用，聚合物消耗后的分解凋亡；以及(2)在有氧阶段的基于聚β羟基烷酸酯的生物质成长，基于聚β羟基烷酸酯的糖原合成，维护中的按次序的聚合物利用，生物质凋亡，细胞内聚合物凋亡；

针对其他异养菌，进行如下模拟：(1)在厌氧阶段的生物质凋亡，(2)在有氧阶段的基于环境中可利用底物的生物质增长以及生物质凋亡。

上述方法中，还可以是：在上述细胞维护的模拟中，使用一组潜在的可利用的细胞内聚合物{s1，s2，...，sn}时，这些聚合物按照利用率优先顺序进行排序，细胞维护中个物质的实时降解率如下：

ri是第i种物质的实时降解率，单位为mol-atp/c-molmlvss/hr；

m^atp是细胞维护需求，单位为mol-atp/c-molmlvss/hr，其仅取决于被模拟微生物本身以及环境条件，该环境条件包括温度和氧化还原条件，该还原条件环境即需氧、厌氧或缺氧；

wi是第i种物质si的开关函数，取决于各物质的剩余储量，使用如下公式计算得出：

ki是特定的半饱和浓度常数，针对多磷酸盐单位是gp/gmlvsscod，针对糖原和聚β羟基烷酸酯的单位是gcod/gmlvsscod；

fi＝xi/x是第i种物质的归一化浓度，即其储存含量对所在细胞的生物量的比值，针对多磷酸盐单位是gp/gmlvsscod，针对糖原和聚β羟基烷酸酯的单位是gcod/gmlvsscod；其中xi作为聚β羟基烷酸酯或糖原的cod当量或多磷酸盐当量，x表示生物质的cod当量。

上述方法中，还可以是：在上述细胞凋亡的模拟中，每个个体的实时凋亡速率如下计算得出：

b'是实时凋亡比速率(d^-1)；

b是最大特定凋亡速率(maximumspecificdecayrate)(d^-1)；

σγri是实时总体可用atp供应量，单位为mol-atp/c-molmlvss/hr。

上述方法中，还可以是：在个体为本模型中实现该模型：常规模型为每个被模拟的个体分别显式地使用变量xi与x，但在计算速率时必须经常性地实时计算fi＝xi/x；在个体为本模型中，这部分计算的开会销变得十分明显。为了简化重复计算以适应个体为本模型的计算强度，在本发明模型中每个个体(agent)将直接储存fi与x，并在需要时通过反算得到xi。

一种提高污水强化生物除磷过程性能的方法，其特征在于：使污水生物强化除磷过程中对于进水中碳源依赖程度减少并且使聚磷菌得以富集，具有如下步骤：使经过厌氧区、好氧区处理之后的部分活性污泥处于延长厌氧条件下的步骤。

上述方法中，还可以是：对于上述部分活性污泥处于延长厌氧条件下的固体停留时间进行如下设定，

聚糖菌丰度在≥4.5％时，聚磷菌丰度≤3.5％则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在＞3.5％且≤9.5％则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度＞9.5％且≤13.5％则固体停留时间设定为至少21小时；聚磷菌丰度＞13.5％则固体停留时间设定为至少27小时；

聚糖菌丰度在≥3.5％且＜4.5％时，聚磷菌丰度≤3.5％则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在＞3.5％且≤9.5％则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度＞9.5％且≤14.5％则固体停留时间设定为至少21小时；聚磷菌丰度＞14.5％则固体停留时间设定为至少27小时；

聚糖菌丰度在≥2.5％且＜3.5％时，聚磷菌丰度≤1.5％则固体停留时间设定为至少3小时，聚磷菌丰度在＞1.5％且≤4.5％则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在＞4.5％且≤10.5％则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度＞10.5％且≤14.5％则固体停留时间设定为至少21小时；聚磷菌丰度＞14.5％则固体停留时间设定为至少27小时；

聚糖菌丰度在≥0.5％且＜2.5％时，聚磷菌丰度≤2.5％则固体停留时间设定为至少3小时，聚磷菌丰度在＞2.5％且≤6.5％则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在＞6.5％且≤11.5％则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度＞14.5％则固体停留时间设定为至少21小时；

聚糖菌丰度在＜0.5％时，聚磷菌丰度≤3.5％则固体停留时间设定为至少3小时，聚磷菌丰度在＞3.5％且≤7.5％则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在＞7.5％且≤12.5％则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度＞12.5％则固体停留时间设定为至少21小时。

上述方法中，还可以是：上述使经过厌氧区、好氧区处理之后的部分活性污泥处于延长厌氧条件下的步骤包括：使经过厌氧区、好氧区处理之后的部分活性污泥回流至位于生物强化除磷系统的旁流的聚磷菌选择装置中并从该聚磷菌选择装置中通过，使该聚磷菌选择装置处于延长厌氧状态，并具有足够的污泥停留时间和/或水力停留时间。

上述方法中，还可以是：上述方法是在生物除磷过程中通过活性污泥发酵连续产生可挥发性有机酸从而使对于进水中碳源的依赖程度减少，并通过延长厌氧条件下聚磷菌-聚糖菌间竞争使得聚磷菌得以富集，从而提高污水强化生物除磷过程性能。

本发明人深入研究阐明了旁流强化生物除磷过程过程的基本机理，并开发了新的改良污泥模型，以及用于污水生物除磷系统性能优化的方法。该方法可用于强化生物除磷工艺性能预测，并用其来进行污水旁流生物除磷系统性能的优化。这将从根本上改变如何设计和实施有效的除磷技术。该方法可用于提供关于针对特定工厂的设计和运行条件和标准的进一步指导，并且提出了一种提高污水强化生物除磷过程性能的方法，其使污水生物强化除磷过程中对于进水中碳源依赖程度减少并且使聚磷菌得以富集，从而提高污水强化生物除磷过程性能。

附图说明

图1是聚磷生物体除磷机理的简化示意性表示图。

图2是利用细胞维护-凋亡双阶段模型(既本发明的模型)对厌氧饥饿实验中观测到的磷酸根离子浓度和游离氨氮的模拟结果，及其与传统模型(asm2)模拟结果的比较。

图3是利用细胞维护-凋亡双阶段模型(既本发明的模型)的对图2所述厌氧饥饿实验中来自聚磷酸盐atp的模拟结果，及其与传统模型(asm2)模拟结果的比较。

图4是利用细胞维护-凋亡双阶段模型(既本发明的模型)的对厌氧培养实验中观测的磷酸根离子浓度、挥发性有机酸浓度和游离氨氮浓度的模拟结果和对观测值的比较。

图5是利用细胞维护-凋亡双阶段模型(既本发明的模型)的对厌氧培养实验中的聚磷菌和聚糖菌细胞内糖原和聚磷酸储存量的模拟，及其在此模型下的细胞凋亡趋势。

图6是利用细胞维护-凋亡双阶段模型(既本发明的模型)对于不同聚磷菌(0％-15％)和聚糖菌(0％-5％)丰度下达到最大总体磷摄取速率所需的厌氧处理时间的示意图。

具体实施方式

术语“污水强化生物除磷”，是指利用污水处理中微生物通过过量吸收超过自身代谢所需要的磷元素而以积累磷为细胞内聚合磷的方式完成的除磷，被认为是一种具有经济和环境优势的潜在高效方法。

术语“聚磷菌”(polyphosphate-accumulatingorganism，pao)，又被称作磷酸盐聚集型生物，其中，最常见为candidatusaccumulibacterphosphatis(accumulibacter)，常被作为这一类生物的代表来进行研究和建模。此外，还包括candidatusaccumulimonas,candidatushalomonas,tetrashpaera，但不限于此。

术语“聚糖菌”(glycogenaccumulatingorganism,gao),又被称为糖原累积生物体，较常见为candidatuscompetibacter此外，还包括defluviicoccus,candidatuscontendobacter，但不限于此。

术语“活性污泥模型”，也称活性污泥法数学模型，始于20世纪50年代，广泛用于污水处理工艺中，其研究经历了从简单拟合实验数据到根据微生物生长动力学，进而对污水生物处理过程的特性进行过程动态分析、探索辨识的发展过程；对于指导活性污泥污水处理的工艺设计具有重要意义。包括但不限于asm1、asm2、asm3、barker&dold、uctpho+等，及其所有衍生和扩展模型。

术语“细胞维护”，是指特指聚磷菌，聚糖菌等持有细胞内聚合物之微生物以此类聚合物为能源，在厌氧、缺氧和/或有氧条件下，消耗此类聚合物以进行维持生物活性所必须的基础之代谢并避免细胞死亡的过程。“维护”在pao的无氧代谢中起着重要作用。某些内部存储聚合物可被pao和gao用于维护目的，以避免活性生物量在饥饿条件下的损失。

术语“细胞凋亡”，是指细胞失去维持活性所需最基础的生命活动而出现活性生物质减少，细胞完整性及功能丧失，并最终永久性失去生物活性的过程。通常被定义为测量到的生物量损失或生物活性降低。在这项研究中，凋亡是基于asm2定义的，即被定义为细胞死亡，即细胞结构崩解的同时释放细胞内物质到环境液相中。

术语“延长厌氧条件”，是指处于比现有污水处理中的厌氧时间更长时间的厌氧条件下，现有污水处理中的厌氧时间多为1.5-2.5小时，延长厌氧条件指厌氧时间为8小时以上，优选14小时以上，更优选18小时以上，特别更优选24小时以上。

术语“污水旁流强化生物除磷”，是指一种通过增加一个发酵池(或创造有利于发酵进行的条件，如间歇性关闭搅拌器使污泥沉积)，并把污泥发酵产生挥的发性有机酸作为聚磷菌厌氧状态下积累pha所需有机酸碳源的强化生物除磷的分支技术。作为发酵底物的污泥可以来自初沉池或二沉池。由于此发酵池在多数工艺流程位于旁流支路，因此得名。

术语“挥发性有机酸”，是指含二至六个碳原子的有机酸，也称为短链脂肪酸。

术语“微生物种间竞争机理”，是指不同微生物种群之间因竞争资源、空间、食物等产生的相互对抗、抑制，优胜劣汰的关系及其生物学相互作用机理。

术语“分阶段的细胞维护-细胞凋亡”，是指细胞维护被认为将先于细胞凋亡发生，并且在细胞维护期间细胞生物量衰减降低或停止的机制假说，以及实现该假说的微生物代谢模型。

术语“污泥停留时间”(solidretentiontime，srt)，是指污泥通过反应器平均所需时间，亦即污泥在反应器中平均停留的时间。

术语“水力停留时间”(hydraulicretentiontime，hrt)，是指水流通过反应器平均所需时间。

术语“丰度”，是指属于特定微生物种群的生物量在整体微生物群落的生物量中所占比例。

术语“混合液挥发性悬浮物”(mixedliquorvolatilesuspendedsolids，mlvss)，是指污泥悬浮液中有机固体的浓度。此处认为该浓度代表了污泥悬浮液中生物质的浓度。

术语“个体为本模型”(agent-basedmodel)，是指通过模拟群体中每个个体的行为来研究整个群体行为模式的建模方法，以及用此方法建立的模型。

术语“聚β羟基烷酸酯”(poly-β-hydroxyalkanoate)，即pha，一种微生物体内合成的聚合物。

因旁流强化生物除磷过程的基本机理尚未被阐明，对于机理的未知造成无法对该工艺进行有效设计和操作标准的制定。本发明人进行了锐意研究，深入研究阐明了旁流强化生物除磷过程过程的基本机理：1)具有足够固体停留时间和水力停留时间的旁流反应器允许ras发酵连续产生具有比常规污水流入物中组分更复杂(即更高丙酸盐水平)的原位可挥发性有机酸。质量守恒分析表明，旁流强化生物除磷过程工艺中的反硝化作用和强化生物除磷性能均通过将回流污泥移至缺氧区并通过发酵产生额外的碳而增强；2)由于不同的底物偏好和相应的生长和动力学特性，相对于gao，可挥发性有机酸的连续进料模式和复杂组成可能更有利于pao；3)在延长厌氧发酵的最初14-36小时内，pao可以保持并增强其强化生物除磷的活性和增加体内pha。这可以从以下厌氧培养的观察事实得到印证，即观测到磷酸盐的释放量高于生物质凋亡所释放的理论值，同时伴随着污泥悬浮液中可挥发性有机酸的消耗以及细胞内聚β羟基烷酸酯积累；4)由于pao可以依次利用聚磷酸盐和糖原进行维护，在延长厌氧条件下有着比gao更大的竞争优势，而后者只能使用糖原进行厌氧维护。模拟表明gao在10-24小时内消耗糖原，并且其凋亡发生得相当迅速；而显著的pao凋亡则比前者迟了约24小时才发生。其结果是在整个36小时延长厌氧过程中，gao的生物质有着更大的累积衰减量，这或许解释了pao选择器之所以能有利于选择pao而控制gao的原理。

本发明可在下述生物除磷过程中实现，但不局限于此：

无补充碳源的厌氧侧流pao(聚磷菌)选择器：pao(聚磷菌)选择器是一种厌氧侧流活性污泥反应器，其用于ras(回流活性淤泥)的水解以及发酵处理。ras(回流活性污泥)的一定百分比被分流入侧流厌氧反应器，并保持适当的hrt(水力停留时间)。典型情况下，pao(聚磷菌)选择器只进行间歇性混合搅拌。pao(聚磷菌)选择器的出水则重新汇入主流。通过本次构建的改良污泥模型，其设计以及理想作业环境可以得到实现。本次构建的改良污泥模型可以用来研究此类pao选择器的理想作业参数并为设计新的选择器提供建议。

有补充碳源的pao(聚磷菌)选择器：此种pao(聚磷菌)选择器与上述相似，不同之处在于选择器反应器中另外具有补充碳源。补充碳源的存在使得与没有补充碳源的情况相比，hrt(水力停留时间)可以更短。典型情况下pao(聚磷菌)选择器的hrt(水力停留时间)在几个小时之内，反应器进行间歇性搅拌。通过本次构建的改良污泥模型，其设计以及理想作业环境可以得到实现。本次构建的改良污泥模型可以用来研究此类pao选择器的理想作业参数并为设计新的选择器提供建议。

具有混合液悬浮固体(mlss)发酵的pao(聚磷菌)选择器：此种机制可以通过以下方式实现，(1)一定百分比的厌氧mlss被转移到选择器中；(2)或者利用原本处于工艺流程内的反应器(可以是主流中的反应器)，通过降低搅拌频率(比如降低至每天搅拌1-2次，每次1-5分钟)同时控制适当的hrt(水力停留时间)来延长以达到所需的最短srt(固体停留时间)。发酵槽中的上清液以及污泥会回到主流的厌氧或缺氧区域。通过本次构建的改良污泥模型，其设计以及理想作业环境可以得到实现。本次构建的改良污泥模型可以用来研究此类pao选择器的理想作业参数并为设计新的选择器提供建议。

与干流短程脱氮过程组合的pao(聚磷菌)选择器：pao(聚磷菌)选择器可以被整合入短程脱氮过程，即部分氮化/厌氧氨氧化(脱氨)或氮化/脱氮化(亚硝酸盐分流)。与pao(聚磷菌)选择器相似，二沉池中的10-40％的ras(回流活性污泥)会被转移至pao(聚磷菌)选择器，其出水随后回到干流短程脱氮过程，以达到同时除去氮和磷的效果。通过本次构建的改良污泥模型，其设计以及理想作业环境可以得到实现。本次构建的改良污泥模型可以用来研究此类pao选择器的理想作业参数并为设计新的选择器提供建议。

污泥浓缩脱水旁流液处理用pao(聚磷菌)选择器：上述paos(聚磷菌)选择器过程可以富集paos(聚磷菌)，且不依赖于进水中的碳源。其可以用于污泥浓缩脱水旁流液处理与旁流液液n-去除过程结合。离心液n-去除过程中的高p以及硝酸盐浓度流出使得高比例缺氧ebpr(强化生物除磷)反应器可以作为脱硝dpaos(聚磷菌)选择器。通过本次构建的改良污泥模型，其设计以及理想作业环境可以得到实现。本次构建的改良污泥模型可以用来研究此类pao选择器的理想作业参数并为设计新的选择器提供建议。

图1是聚磷生物体除磷机理的简化示意性表示图。在厌氧/缺氧条件下，底物可溶性挥发性有机酸(solublevolatilefattyacid，svfa)被摄取并以pha的形式储存，这个过程中所需的能量和还原力分别来自于聚磷酸盐和糖原的分解，这也因此导致磷酸盐的释放；在好氧/缺氧条件下，被消耗的聚磷酸盐和糖原库重新得到补充，释放的磷被重新摄取，同时pao细胞生长也在此环境下进行。上述好氧过程的所需的物质和/或能量均来自于氧化分解厌氧/缺氧状态下所积累的pha。同时因为有氧状态下摄取的磷通常高于厌氧释放的磷，环境中磷的净去除量为正。被摄取并积累于pao细胞内的磷则可以通过剩余污泥排放最终离开系统。

现有强化生物除磷过程(强化生物除磷)常受到以下因素的负面影响：(1)进水碳源不足(低c/p比)；(2)回流污泥中混有的硝酸根和氧会对聚磷菌所需的厌氧环境产生负面影响；(3)竞争微生物(例如聚糖菌或反硝化菌)与聚磷菌之间的碳源争夺。多种强化生物除磷工艺(强化生物除磷)的效果可能因上述一个或多个的原因而不稳定。旁流反应器作为聚磷菌选择器，可以同时克服上述困难：其一，一是因其利用浓缩污泥例如回流污泥(ras)来代替普通进水，使得反应器中具有较高的污泥浓度；二是因更长的污泥停留时间(srt)以及更长的水力停留时间(hrt)设计，在不曝气的情况更有利于形成低氧化、强还原性的环境；这使得旁流反应器与传统系统中的厌氧反应器相比，回流污泥得以更有效地发酵并持续产生挥发性有机酸，以用作内源性的碳源，并以此减弱或消除强化生物除磷系统对外源碳源的直接依赖，克服了上述碳源不足的问题；同时由于所需的浓缩回流污泥在体积上较一般进水少得多，因此即使使用较小的反应器(小于或与传统系统的厌氧池大小相当)亦能达到更长的污泥停留时间(污泥反应时间)以及更长的水力停留时间(hrt)的设计运行要求；其二，通过原位发酵产生的挥发性脂肪酸(可挥发性有机酸)组成的复合碳源相比于一般进水的碳源组份更有利于维护聚磷菌菌群，削弱具有碳源偏好的聚糖菌在底物利用上的潜在优势，并以此减弱聚糖菌的竞争效应；其三，聚糖菌在延长厌氧条件下相较于聚磷菌更容易受到细胞衰亡的影响因而有着更弱的生存能力。合适的厌氧污泥停留时间和水力停留时间(视各设施运行时的状态而定)有助于在淘汰聚糖菌的同时保持聚磷菌的活性并允许其持续积累pha，最终提高好氧池的除磷活性；其四，由于选择器本身是一个持续产生挥发性有机酸的碳源，同时又具有较高的污泥浓度，进水中残留的硝酸根和氧可以被快速消耗从而最小化对聚磷菌厌氧活性的负面冲击。综上四点，与传统系统相比，聚磷菌选择器更加适合聚磷菌的生存和富集，并最终有助于生物除磷的效果的改善。无独有偶，反硝化池的效果也可以间接地从中受益。这是因为聚磷菌将转而更依赖发酵产生的内源性碳源，因而其与反硝化菌之间潜在的碳源竞争得以被消除。与传统系统相比，缺氧池内的反硝化菌可以得到更多来自进水的碳源而得以增强其脱氮能力。

一种对污水强化生物除磷过程的富集聚磷菌设计和/或运行进行优化的方法，其特征在于：使用改良活性污泥模型，该改良活性污泥模型包括聚磷菌-聚糖菌竞争模块，该聚磷菌-聚糖菌竞争模块中包含了分阶段的细胞维护-细胞凋亡。上述方法中，还可以是：上述污水强化生物除磷过程是处于延长厌氧条件下的污水强化生物除磷过程，上述改良活性污泥模型是基于延长厌氧状况下生物除磷过程中微生物种群间竞争机理的模型的。上述方法中，还可以是：上述污水强化生物除磷过程是污水旁流生物除磷过程。上述方法中，还可以是：上述方法是在强化生物除磷过程中通过活性污泥发酵连续产生可挥发性有机酸从而使对于进水中碳源的依赖程度减少，并通过延长厌氧条件下聚磷菌-聚糖菌间竞争使得聚磷菌得以富集，从而对旁流强化生物除磷系统性能进行优化的。上述方法中，还可以是：上述延长厌氧条件指处于厌氧状态的时间为8小时以上，优选14小时以上，更优选18小时以上，特别更优选24小时以上。

在污水旁流生物除磷系统性能优化中，数学建模(数学模型)的使用在指导设计和优化污水处理性能方面发挥着越来越重要的作用，特别是随着如asm1、asm2、asm3、barker&dold、uctpho+等活性污泥代谢模拟模型的出现和广泛利用。目前已建模的工艺包括水解、发酵、硝化、反硝化、甲烷生成、硫还原、捕食以及其他物理化学过程。这些不同过程的建模涉及包括普通异养生物(oho)、氨氧化菌(aob)、亚硝酸盐氧化菌(nob)、反硝化菌、产甲烷菌、硫还原菌和原生动物在内的各种微生物功能群的好氧、厌氧和缺氧代谢模型。目前实现的强化生物除磷模型主要考虑了pao相关的多磷酸盐、聚β羟基烷酸酯以及糖原的储存和利用。而其他代谢过程，例如细胞维护和细胞凋亡，通常未被建模或是以经验方式进行近似而非基于机制的建模。例如，在asm2中，细胞维护建模是基于定常速率的一级反应动力学衰退模型，这是用单一过程对凋亡和维护混合效应的近似。与实际观测到的恒定的细胞维护速率相比，这种建模预测出的细胞内聚合物消耗量可能因细胞内实时聚合物储存量的多寡而过量或不足。另一种近似出现在uctpho+和asm2d+tud中，pao的细胞维护虽有被描述但是仅使用多磷酸盐一种聚合物。然而，有研究表明糖原也是一种可利用能源物质。此外，也有实验观测到细胞内聚合物的枯竭可以同时伴随着生物量凋亡的加速，暗示两者之间的可能联系。综合来看，因为旁流反应器中延长厌氧条件会潜在地导致细胞内聚合物耗尽，使得细胞维护与细胞凋亡的效应相对于传统厌氧反应器要更加显著，因此准确有效地描述细胞维护和细胞凋亡两个过程是精确模拟旁流强化生物除磷过程的重要前提。

此外，无论是在常规还是旁流强化生物除磷的建模中，来自如糖原累积生物(gao)等pao竞争者的效应也应纳入考量。如何控制和最小化gao对碳源的竞争被认为是稳定强化生物除磷性能的重要指标。微生物群落分析显示与使用传统生物除磷工艺的设施相比，旁流式生物除磷系统中gao的丰度均显著较低，这被认为是此类延长厌氧聚磷菌富集强化生物除磷过程的主要优势之一。旁流式强化生物除磷系统因而被公认为可以有效地选择性pao(聚磷菌)，并同时抑制竞争者gao的生长。有关于这种选择性抑制和富集机制的解释尚处于欠缺。

上述方法中，还可以是：上述改良活性污泥模型的基本模型继承自asm2活性污泥模型，上述分阶段的细胞维护-细胞凋亡和上述聚磷菌-聚糖菌竞争模块是用以模拟延长厌氧条件下的聚磷菌-聚糖菌活性竞争的。上述方法中，还可以是：将该方法用于评估固体停留时间、水力停留时间、以及聚磷菌/聚糖菌相对种群丰度对于测流反应器性能的影响，从而为进一步优化设计和/或运行条件以及针对特定水厂的生物除磷过程的设计和/或运行提供标准。

本发明提出了一个改良的强化生物除磷过程模型，包括阶段性细胞维护和细胞凋亡以及pao-gao模块来研究延长厌氧培养下pao和gao之间的竞争动力学。其基本架构继承自asm2的pao和oho代谢模块，并额外引入了gao代谢模块以研究pao和gao之间的竞争关系；此gao模块模拟了在有氧和无氧条件下聚β羟基烷酸酯和糖原的降解以及合成，是一个与asm2中pao模块类似的模型，但不包含作为pao聚磷酸盐代谢途径。为了进一步研究在扩展饥饿情况下pao和gao之间的竞争，本模型亦引入了阶段性维护和凋亡机制。细胞维护和细胞凋亡不再是两个相互独立的过程，在该模型中，细胞维护将同时作为细胞凋亡的开关函数。只有当细胞内储存物质耗尽，导致实际的细胞维护不能达到维护所需时，细胞凋亡才会被开启。

上述方法中，还可以是：在个体为本模型中实现该模型；该个体为本的框架继承自ialgae模型(buccietal,2012；bucci,v.,majed,n.,hellweger,f.l.,&gu,a.z.(2012).heterogeneityofintracellularpolymerstoragestatesinenhancedbiologicalphosphorusremoval(ebpr)–observationandmodeling.environmentalscience&technology,46(6),3244-3252.)，并在此研究中向ialgae增加了包括阶段性维护和凋亡以及按次序的细胞内聚合物利用的新机制以用于延长厌氧环境的模拟。利用个体为本模型可以获得更详细和准确的预测结果，其优点是可以在可行的时间和硬件资源范围内近似一个具有异质性的微生物群落结构，并以此模拟自然界中真实微生物群体的行为模式，包括不同个体间行为的差异性以及基于异质性的种群动力学(ecologicaldynamics)。此异质性是真实世界里微生物种群的一个重要特征，在本模型中是通过同时模拟10,000个非均一性的个体(细胞组)来实现的。这些个体共享相同的环境参数，但具有各自独立的细胞物质存储量和动力学参数。此外，聚β羟基烷酸酯，多磷酸盐和糖原的在整个微生物群体内的分布亦可以被预测并作为结果输出。细胞内聚合物的分布预测一方面可以与实际的观测结果比较并相互验证(如通过单细胞拉曼光谱数据分析得到的分布)以进一步验证模型的正确性和合理性，另一方面，亦展示了更细节的微生物细胞内物质转化与代谢特征，并可进一步用于研究代谢物质流(massflux)和代谢动力学。

聚磷菌(accumulibacter-paos)，聚糖菌(competibacter-gaos)和其他普通异养生物(ordinaryheterotrophicorganisms，ohos)在建模中被视为为三个独立物种，每个物种都有各自的好氧/无氧代谢动力学以及对应的化学计量比(stoichiometry)特征。此后，每个物种又被细分为10000个具有异质性的细胞群作为被模拟的“个体”。模型中不包括硝化和反硝化过程。同时为简化模型，生物大分子的水解和发酵由两步反应合并为单一过程，在厌氧条件下这将直接得到作为终产物的挥发性有机酸。后续参考信息中列出了继承自ialgae或asm2的用于建模的其他假设。

模型包括的pao和oho代谢模块继承自asm2，gao代谢模块和个体为本模型框架(包括对异质性的模拟)则继承自ialgae。下面列出了三种模式微生物的代谢过程，对应于这些过程的详细方程和动力学/化学计量参数则示于后续参考信息中。

针对聚磷菌，进行如下模拟：(1)在厌氧阶段的可挥发性有机酸摄取，活性p释放，糖原降解和聚β羟基烷酸酯形成；维护中按次序的聚合物利用，聚合物消耗后的分解凋亡；以及(2)在有氧阶段基于聚β羟基烷酸酯的生物质成长，基于聚β羟基烷酸酯的糖原合成，基于聚β羟基烷酸酯的多磷酸盐合成，维护中的按次序的聚合物利用，生物质凋亡，细胞内聚合物凋亡；

针对聚糖菌，进行如下模拟：(1)在厌氧阶段的可挥发性有机酸摄取，糖原降解和聚β羟基烷酸酯形成；维护中的按次序的聚合物利用，聚合物消耗后的分解凋亡；以及(2)在有氧阶段的基于聚β羟基烷酸酯的生物质成长，基于聚β羟基烷酸酯的糖原合成，维护中的按次序的聚合物利用，生物质凋亡，细胞内聚合物凋亡；

针对其他异氧菌，进行如下模拟：(1)在厌氧阶段的生物质凋亡，(2)在有氧阶段的基于基质的生物质增长以及生物质凋亡。

表1是被建模的pao，gao和oho的代谢过程的总结。

(表1)

实验观测中，“细胞凋亡”是指测量到的生物量损失或活性降低。为符合这一观测，asm2模型定义“细胞凋亡”为“细胞死亡”，即在细胞结构丧失的同时细胞内其他物质被分解并被释放进入环境溶液。在厌氧条件下，释放的物质即挥发性有机酸、氨态氮、磷酸等终产物(死亡-重利用模型)。本研究所用模型亦继承了这一过程。对原模型细胞维护和细胞凋亡进行修改的初衷则是基于以下观测事实：

o首先，多项研究发现，在厌氧饥饿实验期间，pao和gao的凋亡速率非常低。其论据来自两点：(1)氨等指示物质的释放速率相对于其他异养微生物低得多；(2)饥饿实验中生物除磷活性通常只是暂时性地损失，在经历一个厌氧-好氧循环之后损失的活性便能迅速得到恢复；

o其次，“细胞维护”的状态也在实验中被大量观测到。处于此状态下的pao和gao以相对稳定的速度消耗体内所储存的物质，并且此效应在延长厌氧状态下会成为pao和gao主要的细胞活动。

针对这两个现象的解释通常认为pao和gao在延长厌氧状态下会进入细胞维护的状态，通过消耗所储存的聚合物来获取能量，同时避免经历实质性的、大量的生物量和生物活性损失。这也意味着“细胞维护”可能成为pao和gao厌氧代谢的重要组成部分。在本发明的模型中，维护和凋亡过程分开进行模拟，这些过程的细节如下：

(维护过程中的按次序的聚合物利用)

如糖原，聚β羟基烷酸酯和聚磷酸盐等细胞内聚合物可被pao和gao用作能源物质(其中聚磷酸盐为pao特有)，具体的利用方式取决于细胞所处的氧化还原环境。有氧条件下，聚磷菌(accumulibacter)可使用聚β羟基烷酸酯，然后依次降解糖原和多磷酸盐；而无氧条件下，糖原和聚磷酸盐均可用于细胞维护，但对于二者的优先顺序尚无明确证据。类似地，gao在有氧环境下可以依次利用聚β羟基烷酸酯和糖原，在无氧条件下可以利用糖原。

在上述细胞维护的模拟中，使用一组潜在的可利用的细胞内聚合物{s1，s2，...，sn}时，这些聚合物按照利用率优先顺序进行排序，细胞维护中个物质的实时降解率如下：

ri是第i种物质的实时降解率，单位为mol-atp/c-molmlvss/hr；

m^atp是细胞维护需求，单位为mol-atp/c-molmlvss/hr，其仅取决于被模拟微生物本身以及环境条件，该环境条件包括温度和氧化还原条件，该还原条件环境即需氧、厌氧或缺氧；

wi是第i种物质si的开关函数，取决于各物质的剩余储量，使用如下公式计算得出：

ki是特定的半饱和浓度常数，针对多磷酸盐单位是gp/gmlvsscod，针对糖原和聚β羟基烷酸酯的单位是gcod/gmlvsscod；

fi＝xi/x是第i种物质的归一化浓度，即其储存含量对所在细胞的生物量的比值，针对多磷酸盐单位是gp/gmlvsscod，针对糖原和聚β羟基烷酸酯的单位是gcod/gmlvsscod；其中xi作为聚β羟基烷酸酯或糖原的cod当量或多磷酸盐当量，x表示生物质的cod当量。

在个体为本模型中实现该模型：常规模型为每个被模拟的个体分别显式地使用变量xi与x，但在计算速率时必须经常性地实时计算fi＝xi/x；在个体为本模型中，这部分计算的开会销变得十分明显。为了简化重复计算以适应个体为本模型的计算强度，在本发明模型中每个个体(agent)将直接储存fi与x，并在需要时通过反算得到xi。

来自于所有聚合物的总atp输出量即实时的用于细胞维护的总atp输出量。在一般情况下这个值将与总维护需求m^atp保持一致，除非因聚合物的枯竭而受到限制。在下文中显示在本模型中使用的m^atp的实验测量值。pao和gao各自的的维护atp需求(m^atp)如下：pao，厌氧1.5×10^-3mol-atp/c-molvss/hr，好氧19.0×10^-3mol-atp/c-molvss/hr；gao，厌氧3.3×10^-3mol-atp/c-molvss/hr，好氧13.0×10^-3mol-atp/c-molvss/hr。由于文献中的实测值是以摩尔atp为单位，用于模型计算时需要转换为各种对应底物以及生物量的cod单位。下表(表2)列出了这些转换常数。除聚磷酸盐外，其他这些转换常数也同样适用于gao，因为其代表的代谢途径是pao与gao所共同具有的。

(表2)

(分阶段细胞维护-细胞凋亡)

本发明的模型假设，细胞凋亡是由于实际用于细胞维护的atp不足以完全满足需求导致的，这可能于细胞内聚合物即将枯竭，atp产率降低时发生。实际的凋亡速率，被假设为和细胞维护的短缺部分(需求未满足的部分)呈线性关系，从而每个个体的实时凋亡速率可以如下计算得出：

b'是实时凋亡比速率(d^-1)；

b是最大特定凋亡速率(maximumspecificdecayrate)(d^-1)；

σγri是实时总体可用atp供应量，单位为mol-atp/c-molmlvss/hr。

另外，本发明提供了一种提高污水强化生物除磷过程性能的方法，其特征在于：使污水生物强化除磷过程中对于进水中碳源依赖程度减少并且使聚磷菌得以富集，具有如下步骤：使经过厌氧区、好氧区处理之后的部分活性污泥处于延长厌氧条件下的步骤。上述方法中，还可以是：上述使经过厌氧区、好氧区处理之后的部分活性污泥处于延长厌氧条件下的步骤包括：使经过厌氧区、好氧区处理之后的部分活性污泥回流至位于生物强化除磷系统的旁流的聚磷菌选择装置中并从该聚磷菌选择装置中通过，使该聚磷菌选择装置处于延长厌氧状态，并具有足够的固体停留时间和/或水力停留时间。上述方法中，还可以是：上述方法是在生物除磷过程中通过活性污泥发酵连续产生可挥发性有机酸从而使对于进水中碳源的依赖程度减少，并通过延长厌氧条件下聚磷菌-聚糖菌间竞争使得聚磷菌得以富集，从而提高污水强化生物除磷过程性能的。该方法的设计，是严格基于本发明人阐明的强化生物除磷技术中在延长厌氧环境下的活性污泥发酵引起的挥发性有机酸产生以及聚磷菌-聚糖菌之间的竞争机理的，能够切实提高污水强化生物除磷过程性能。

上述方法中，基于本发明开发的改良污泥模型，对于不同初始聚糖菌、聚磷菌丰度时，达到最大磷摄取率所需要的时间进行了模拟，从而对与废水生物强化除磷过程的设计提出了切实可行的指导和建议。因在显示的水处理工厂中，装置和工艺流程复杂，进水和出水、污泥量巨大，周期长，这使得在各个不同初始聚糖菌、聚磷菌丰度时条件下，逐一进行现实的实验来检测合适的厌氧时间实际上是不可能做到的。因此，本发明人利用本发明开发的改良污泥模型，对于不同初始聚糖菌、聚磷菌丰度时，达到最大磷摄取率所需要的固体停留时间进行了模拟。图6是显示了旁流强化生物除磷过程中不同聚磷菌、聚糖菌丰度下为达到最大磷吸收率所需的厌氧条件下污泥停留时间的示意图。

从图6可以看出，在不同初始聚糖菌、聚磷菌丰度时，为达到最大磷摄取率，上述部分活性污泥处于延长厌氧条件下的固体停留时间应进行如下设定：聚糖菌丰度在≥4.5％时，聚磷菌丰度≤3.5％则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在＞3.5％且≤9.5％则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度＞9.5％且≤13.5％则固体停留时间设定为至少21小时；聚磷菌丰度＞13.5％则固体停留时间设定为至少27小时；

聚糖菌丰度在≥3.5％且＜4.5％时，聚磷菌丰度≤3.5％则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在＞3.5％且≤9.5％则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度＞9.5％且≤14.5％则固体停留时间设定为至少21小时；聚磷菌丰度＞14.5％则固体停留时间设定为至少27小时；

聚糖菌丰度在≥2.5％且＜3.5％时，聚磷菌丰度≤1.5％则固体停留时间设定为至少3小时，聚磷菌丰度在＞1.5％且≤4.5％则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在＞4.5％且≤10.5％则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度＞10.5％且≤14.5％则固体停留时间设定为至少21小时；聚磷菌丰度＞14.5％则固体停留时间设定为至少27小时；

聚糖菌丰度在≥0.5％且＜2.5％时，聚磷菌丰度≤2.5％则固体停留时间设定为至少3小时，聚磷菌丰度在＞2.5％且≤6.5％则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在＞6.5％且≤11.5％则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度＞14.5％则固体停留时间设定为至少21小时；

聚糖菌丰度在＜0.5％时，聚磷菌丰度≤3.5％则固体停留时间设定为至少3小时，聚磷菌丰度在＞3.5％且≤7.5％则固体停留时间设定为至少9小时，聚磷菌丰度在＞7.5％且≤12.5％则固体停留时间设定为至少15小时，聚磷菌丰度＞12.5％则固体停留时间设定为至少21小时。

(本模型的附录信息)

本模型中所有的生物量计算都用经验公式ch1.93o0.53n0.2来考虑。

(其他模型假设：其中1-13是asm2的假设，同时亦被ialgae继承；14是ialgae新加入的假设)

(1)vfa是指并仅指乙酸盐；

(2)聚β羟基烷酸酯是phb和/或phv的别名；

(3)pao的vfa摄取和pha合成合并成一个单一的过程。它只能在同时具备糖原，聚磷酸盐，环境中vfa以及厌氧的条件下才能进行。聚磷酸盐专性提供这个过程中所需的能量，而糖原专性提供所需的还原力；

(4)gao的vfa摄取和pha合成合并成一个单一的过程。它只能在同时具备糖原，环境中vfa以及厌氧的条件下才能进行。糖原同时提供这个过程中所需的能量和还原力；

(5)对于pao和gao，聚磷酸盐和糖原一般只能有氧合成和厌氧降解；其中，聚磷酸盐仅限于pao；此外，“一般”指的是在有氧环境中pha尚未枯竭之时；否则，糖原和聚磷酸盐亦可以被有氧降解以提供有氧状态下的细胞维护；

(6)对于pao和gao，任何方式的厌氧利用糖原(包括细胞维护和参与pha合成)均会产生pha作为终产物；

(7)对于pao和gao，pha只能厌氧积累和有氧降解；

(8)对于pao，有氧状态下合成糖原、聚磷酸盐和细胞生长必须依赖积累的pha；生长所需和磷和合成聚磷酸盐的磷必须来自环境中的磷酸盐；

(9)对于gao，有氧状态下合成糖原和细胞生长必须依赖积累的pha；生长所需和磷必须来自环境中的磷酸；

(10)对于oho，有氧状态下细胞生长必需依赖来自环境中的底物以及磷酸；

(11)模型中的pao，gao以及oho(其他异养型微生物)都是专性需氧菌，这意味着它们均无法在厌氧情况下生长；

(12)oho服从一级反应动力学的生物质凋亡；

(13)pao和gao缺乏发酵能力；

(14)没有显式的水解和发酵过程。这两者的功能合并入凋亡模型(死亡-重利用模型)，发酵终产物即认为是凋亡产物并被释放入环境溶液。

(基于atp单位到基于cod单位转换的产率)

多磷酸盐(通用条件)：

多磷酸盐到atp的产率:因此:

糖酵解(emp)和丙酸-琥珀酸酯途径(厌氧)：

emp途径中的atp产率:

因此:

糖酵解，tca循环和氧化磷酸化(有氧)：

糖酵解：

葡萄糖＝2丙酮酸+2atp+2nadh2

tca循环：

丙酮酸＝4nadh2+fad+gtp

氧化磷酸化作用(使用pao中发现的p/o)：

nadh2＝1.85atp

fadh2＝1.85atp(假定与nadh2相同)

小计：因此:

聚β羟基烷酸酯(如phb)代谢，tca循环和氧化磷酸化(有氧)：

phb代谢：

ch1.5o0.5(phb)＝2.25nadh2+0.5atp(smolders等，1994b)

氧化磷酸化(使用pao的p/o比率)：

nadh2＝1.85atp(smolders等，1994b)

小计：于是:

(建模过程和方程)

表3显示了用于模拟pao过程的gujer矩阵。

所有空白单元格表示0(下同)；m代表monod功能；mi为抑制性monod功能(下同)。

(表3)

表4显示了用于模拟gao过程的gujer矩阵。

(表4)

表5显示了用于oho过程的gujer矩阵。

(表5)

参数集和值

表6显示了pao的参数。

(表6)

表7显示了gao的参数。

(表7)

表8显示了其他异养菌的参数。

(表8)

(实施例1)

使用本发明的改良活性污泥模型以及传统asm2活性污泥模型(henze,m.,harremoes,p.,jansen,j.lac.,arvin,e.,2001.wastewatertreatment:biologicalandchemicalprocesses,3rded.springerscience&businessmedia,berlin)分别对于同一污水生物除磷过程进行了模拟，并对于模拟结果进行了对比。该污水生物除磷过程的实测数据，来源于2007年的文献数据(luetal,2007：lu,h.,keller,j.,yuan,z.,2007.endogenousmetabolismofcandidatusaccumulibacterphosphatisundervariousstarvationconditions.waterres.41,4646–4656.https://doi.org/10.1016/j.watres.2007.06.046)。此文献中进行了一次为期8天的厌氧饥饿(延长厌氧)实验，所用微生物样本是实验室制备的高丰度pao污泥，其中含有至少85％的聚磷菌(accumulibacter)生物质。实验过程每一天进行一次采样，总共进行了8次批量采样，用以分析磷酸根离子，游离氨以及固形物中糖原，聚β羟基烷酸酯，混合液悬浮固体(mlss)和混合液挥发性悬浮物(mlvss)的含量随时间的变化趋势。

图2，3中虚线所示模拟结果来自于传统模型(asm2)。在模拟过程中设定为pao丰度85％，gao15％，初始的生物质以及糖原含量由第0天的数据计算得出，而pao中聚磷酸盐的含量则由全部8天内的磷释放量估计得出。其他模型参数均通过模型校准得到。实测数据中第一天至第二天的过程中糖原的含量出现了大幅下降，降幅超过60％。为了拟合这一数据，pao与gao的糖原凋亡率需要分别被校准至0.76与0.66，亦即pao需要每天消耗76％与66％(相对于当前含量)的聚磷酸盐和糖原。此外，磷的释放在第1天时显著高于观测值，随后逐渐趋于平缓，在第4-5天时低于实测值。这种模拟与实际观测的偏差主要来自于传统模型所使用的一级反应动力学模型(半衰期模型)。在底物含量丰富时，预测的含量会高于观测所得，而底物缺乏时便会相反。事实上，观测数据表明磷酸根离子的释放在第1-2天呈现加速趋势，而这时使用传统一级反应动力学的模型无法模拟的(图3)。最后，传统模型由于使用恒定的细胞质凋亡模型，因此其预言的细胞质凋亡量(以游离氨计)约是实测值的255％。

相对地，图2，3中的实线部分展示了使用细胞维护-凋亡双阶段模型(本发明的模型)进行的模拟结果。在此模拟中没有包括额外的聚磷酸盐和糖原含量凋亡速率参数，全部反应速率均由细胞维护atp需求量以及实时的聚磷酸盐和糖原的剩余储量计算得出，其他参数均保持与上述使用的传统模型相一致。atp需求量直接取自发表该实验的文献，即2.7x10^-3mol-atp/c-mol生物质/hr。此外，校准过程中糖原亦被校准为优先级高于聚磷酸盐。在此次模拟中本模型成功预测了传统模型不能预测到的磷酸根离子的浓度曲线的先加速释放后又放缓的变化趋势，在模拟的第1-3天，磷酸根离子的释放速度有所提高，伴随着糖原含量的逐渐减少，这显示了pao细胞开始从糖原转向于利用聚磷酸盐获取atp；而第5-8天磷的释放变缓则是由于聚磷酸盐含量的降低引起的。来自聚磷酸的atp产量以及其相对变化趋势如图3所示。在生物质凋亡量方面，本阶段模型虽然亦预测到超过观测值约69％的偏差，但相对于传统模型，已有较显著优化。

表1显示了细胞维护-凋亡二阶段模型和传统模型模拟高丰度(85％)pao污泥在8天饥饿实验中代谢的误差比较。实测数据值来自luetal,2007。

(表9)

表1比较了两种模型预测的6组数据分别相对于实测值的误差。从表1中可以看出，磷酸根浓度，游离氨浓度，生物质糖原含量，生物质聚β羟基烷酸酯含量，来自糖原的atp产量，来自聚磷酸盐的atp产量这全部六组数据中，维护-凋亡二阶段模型(本发明的模型)的均方根误差rmse均明显小于传统模型，这说明对于全部六组数据，维护-凋亡二阶段模型(本发明的模型)的预测准确度均显著优于传统模型，这证明了本发明的模型对于延长厌氧条件下的污水生物除磷过程的模拟显著优于传统模型。

(实施例2)

进行了实际水厂淤泥36小时厌氧序批实验。并对于磷酸根、氨态氮以及挥发性有机酸的浓度变化进行了实测。使用本发明的改良活性污泥模型对于同一污水生物除磷过程进行了模拟，并对于模拟结果和实测进行了对比。

图4是利用细胞维护-凋亡双阶段模型(既本发明的模型)的对厌氧培养实验中观测的磷酸根离子浓度、挥发性有机酸浓度和游离氨氮浓度的模拟结果和对观测值的比较。从图4可以看出，磷酸根、氨态氮以及挥发性有机酸的浓度实测数值与本本发明的改良活性污泥模型的模拟结果非常吻合，并且，可以看到厌氧饥饿时间(延长厌氧时间)达到18小时之后，挥发性有机酸浓度快速增加，而相对之磷酸根浓度增速变缓。这表明了18小时之后，充分的挥发性有机酸浓度使得生物除磷过程能过够达到实现和优化到从而使对于进水中碳源的依赖程度减少，从而使生物除磷过程的性能得以优化。

图5显示了本实施例中利用细胞维护-凋亡双阶段模型(既本发明的模型)的对厌氧培养实验中的聚磷菌和聚糖菌细胞内糖原和聚磷酸储存量的模拟，及其在此模型下的细胞凋亡趋势。从图5可以看出，gao(聚糖菌)生物量随着gao糖原存量的减少逐渐减少，而pao(聚磷菌)生物量则在pao糖原存量以及pao聚磷酸存量耗尽前几乎没有减少(pao糖原存量逐渐减少并在18小时耗尽，pao聚磷酸存量逐渐减少并在24小时耗尽)。可见，在延长厌氧条件下,特别是厌氧时间在18小时或24小时以上时，通过延长厌氧条件下聚磷菌-聚糖菌间竞争使得聚磷菌得以富集，从而能够对利用此原理的延长厌氧期污泥自消化旁流强化生物除磷系统性能进行优化。