活性污泥3號模型簡介
摘要：1999年iawq在asm1基礎(chǔ)上推出了asm3，它修正了asm1的缺陷，包括有機(jī)基質(zhì)貯藏的新過程，用內(nèi)源呼吸過程替代了溶胞過程。asm3可預(yù)測溶解氧消耗、污泥產(chǎn)量、活性污泥系統(tǒng)的硝化、反硝化作用。
關(guān)鍵詞：asm3 asm1 貯藏 內(nèi)源呼吸 溶胞
1 asm3的提出
1987年iawq推出了活性污泥1號模型(asm1)，相關(guān)的數(shù)學(xué)模型已被編制成各種計(jì)算機(jī)程序，用于模擬市政污水的活性污泥處理系統(tǒng)，已成為科學(xué)研究和實(shí)際工程強(qiáng)有力的工具。asm1運(yùn)用10多年來，模型中的一些缺陷也是顯而易見的：asm1不包括氮和堿度限制異養(yǎng)生物的動力學(xué)表述，導(dǎo)致某些情況下計(jì)算物質(zhì)的濃度會出現(xiàn)負(fù)值；作為模型組分的氮包括溶解性的、可生物降解的和顆粒性的有機(jī)氮，但不易測得，常被忽略；氨化動力學(xué)無法真正量化，通常假設(shè)全部有機(jī)物組分組成恒定(恒定的n∶cod)；根據(jù)進(jìn)水或生物衰減來區(qū)分惰性有機(jī)顆粒物，但在實(shí)際上區(qū)分這兩部分是不可能的；異養(yǎng)生物的水解過程對預(yù)測氧的消耗和反硝化起主要影響作用，但這個過程的動力學(xué)參數(shù)量化是非常困難的；伴有水解的衰減和生長用來描述影響內(nèi)源呼吸的總體因素，如：生物體的化合物貯藏、死亡、捕食、溶菌作用等，造成動力學(xué)參數(shù)評價(jià)上的困難；對pha的貯藏或在活性污泥處理裝置中的好氧和缺氧條件下有時(shí)觀察到的糖原，可提高易生物降解的有機(jī)基質(zhì)的濃度，而這個過程asm1沒有包括；asm1沒有區(qū)分硝化菌在好氧和缺氧條件下的衰減速率，這在固體物停留時(shí)間長和缺氧反應(yīng)器體積比例較高時(shí)，預(yù)測最大硝化速率會出現(xiàn)問題；asm1不能預(yù)測可直接觀察到的混合液中的懸浮固體。 考慮到上述缺陷，任務(wù)組推出了活性污泥3號模型，以改正asm1的缺陷。asm3與asm1有相同的主要現(xiàn)象：活性污泥處理系統(tǒng)中的氧消耗、污泥產(chǎn)量、硝化和反硝化作用，生物除磷包括在asm2中，asm3不再討論。
2 asm3簡
2.1 模型組分 asm3中可溶性物質(zhì)的濃度用s?表示，而顆粒性物質(zhì)用x?表示。活性污泥系統(tǒng)中的顆粒性物質(zhì)假定與活性污泥相關(guān)聯(lián)(活性污泥上的絮凝物或活性生物體的內(nèi)含物)，它在沉淀池中通過沉積作用而濃縮，而可溶性組分只能通過水來傳輸，并且只有可溶性組分可攜帶離子電荷。與asm1和asm2一個重要的不同在于：asm3中可溶性和顆粒性組分可通過0.45 μm的膜過濾器進(jìn)行很好的區(qū)分，而在asm1和asm2中提到的大部分慢速可生物降解有機(jī)質(zhì)xs可能在濾液中。 ① 可溶性組分的定義 so：溶解氧，［m(o2)l-3］； si：惰性可溶性有機(jī)物。由進(jìn)水帶入或在顆粒性物質(zhì)xs水解的過程中產(chǎn)生，在處理裝置中不會再進(jìn)一步被降解，［m(cod)l-3］； ss：易生物降解有機(jī)質(zhì)(cod)。可溶性的cod可直接被異養(yǎng)生物利用而降解，在asm3中這些基質(zhì)首先被異養(yǎng)生物占有，并以xsto的形式貯藏，［m(cod)l-3］； si ss近似等于由0.45μm的膜過濾器過濾得到總?cè)芙庑詂od； snh：銨鹽加氨氮(nh 4-n nh3-n)，snh假定全部為nh 4，［m(n)l-3］； sn2：分子氮(n2)。僅由反硝化產(chǎn)生，用來預(yù)測由n2過飽和而在二次沉淀池中產(chǎn)生諸如浮泥等問題，忽略進(jìn)水中的n2和氣體交換。sn2還增加了由于反硝化而去除的固定態(tài)氮，［m(n)l-3］； sno：nox-n(no-2-n no-3-n)。no-2-n不是模型組分，對于所有化學(xué)計(jì)量學(xué)計(jì)算(轉(zhuǎn)化為cod)，sno僅被考慮為no-3-n，［m(n)l-3］； salk：廢水的堿度。用重碳酸鹽hco-3表示，［m(hco-3)l-3］； ② 顆粒性組分的定義 xi：惰性顆粒有機(jī)物(cod)，［m(cod)l-3］； xs：可緩慢生物降解物質(zhì)(cod)。進(jìn)水中含有所有的xs，通常假定xs為0.45μm的膜過
能夠反硝化還是所有異養(yǎng)生物都能反硝化是不確定的。考慮到這些，asm3降低缺氧異養(yǎng)貯藏速率(相對的氧呼吸而言)，但并沒有區(qū)分這兩種異養(yǎng)生物。
在所有反硝化過程中sn2的化學(xué)計(jì)量學(xué)系數(shù)取sno系數(shù)的負(fù)值，cod守恒中的組分系數(shù)sn2(-1.71gcod/gn2)、sno(-4.57gcod/gno-3-n)以及so(-lgcod/go2)取與氧化還原相關(guān)的電子供體：nh4、co2、h2o系數(shù)的負(fù)值。表現(xiàn)xts的化學(xué)計(jì)量學(xué)系數(shù)可從組分方程(2)中得到：
眾所周知，缺氧呼吸產(chǎn)生的生化能atp低于好氧呼吸。這就
去除單位基質(zhì)ss而產(chǎn)生的異養(yǎng)生物xh的凈產(chǎn)率可從方程(4)中得到：
asm3中所有溶解性組分消耗的動力學(xué)表述（見表２）基于開發(fā)函數(shù)，選擇這種動力學(xué)表述不是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)證實(shí)如此，而是為了數(shù)學(xué)計(jì)算的方便。asm3與asm1的一個重要的不同是，當(dāng)一個過程的離析物接近０濃度時(shí)，開關(guān)函數(shù)終止所有生物活性。 表3、4列舉了asm3的參數(shù)和它們的單位及在
k(t)=k(
θt=ln[k(t1)/k(t2)]/(t1-t2) (5)
| 表1 asm3的化學(xué)計(jì)量學(xué)矩陣νj,i和組分矩陣lk,i | |||||||||||||||
| j | 過程 表述 | 組分i | |||||||||||||
| 1 so o2 | 2 si cod | 3 ss cod | 4 snh n | 5 sn2 n | 6 sno n | 7 shco mole | 8 xi cod | 9 xs cod | 10 xh cod | 11 xsto cod | 12 xa cod | 13 xts tss | |||
| 1 | 水解 | fsi | x1 | y1 | z1 | -1 | -ixs | ||||||||
| 異養(yǎng)生物，反硝化作用 | |||||||||||||||
| 2 | cod的好氧貯藏 | x2 | -1 | y2 | z2 | | ysto,o2 | t2 | |||||||
| 3 | cod的缺氧貯藏 | -1 | y3 | -x3 | x3 | z3 | ysto,no | t3 | |||||||
| 4 | 好氧生長 | x4 | y4 | z4 | 1 | -1/yh,o2 | t4 | ||||||||
| 5 | 缺氧生長(反硝化) | y5 | -x5 | x5 | z5 | 1 | -1/yh,o2 | t5 | |||||||
| 6 | 好氧內(nèi)源呼吸 | x6 | y6 |
|
|
z6 fi -1 t6 7 缺氧內(nèi)源呼吸 y7 -x7 x7 z7 fi -1 t7 8 xsto的有氧呼吸 x8 t8 9 xsto的缺氧呼吸 -x9 x9 z9 t9 自養(yǎng)生物，硝化作用 10 硝化 x10 y10 1/ya z10 1
守恒量
1 cod(gcod) -1 1 1 -1.71 -4.57 1 1 1 1 1 2 氮(gn) insi inss 1 1 1 inxi inxs inbm inbm 3 離子電荷(mol ) 1/14 -1/14 -1 可觀察到的物質(zhì) 4 總懸浮物(gtss) itsx1 itsxs itsbm 0.60 itsbm
| 表2 asm3中的動力學(xué)速率表述ρj(所有ρj≥0) | |||
| j | 過程 | 過程速率方程ρj(ρj≥0) | |
| 1 | 水解 | kh·[（xs/xh）/(kx xs/xh)]·xh | |
| 異養(yǎng)生物，反硝化作用 | |||
| 2 | cod的好氧貯藏 | ksto·[so/（ko so）]·[ss/（ks ss）]·xh | |
| 3 | cod的缺氧貯藏 | ksto·ηno·[ko/（ko so）]·[sno/（kno sno）]·[ ss/（ks ss）]·xh | |
| 4 | 好氧生長 | μh·[so/（ko so）]·[snh/（knh snh）]·[shco/（khco shco）]·[（xsto/xh）/（ksto xsto/xh）]·xh | |
| 5 | 缺氧生長(反硝化) | μh·ηno·[ko/（ko so）]·[sno/（kno sno）]·[snh/（knh snh）·[shco/（khco shco）]·[（xsto/xh）/（ksto xsto）/xh]·xh | |
| 6 | 好氧內(nèi)源呼吸 | bh,o2·[so | |
/（ko so）]·xh 7 缺氧內(nèi)源呼吸 bh,no·[ko/（ko so）]·[sno/（kno sno）]·xh 8 xsto的有氧呼吸 bsto,o2·[so/（ko so·）]xsto bsto,o2≥bh,o2 9 xsto的缺氧呼吸 bsto,n
| 表3 asm3的典型動力學(xué)參數(shù) | |||||
| 符號 | 性質(zhì) | 溫度 | 單位 | ||
| | | ||||
| kh | 水解速率常數(shù) | 2 | 3 | gxsg-1xhd-1 | |
| kx | 水解飽和常數(shù) | 1 | 1 | gxsg-1xh | |
| 異養(yǎng)生物xh反硝化作用 | |||||
| ksto | 貯藏速率常數(shù) | 2.5 | 5 | gssg-1xhd-1 | |
| ηno | 缺氧還原因子 | 0.6 | 0.6 | ||
| ko | so的飽和常數(shù) | 0.2 | 0.2 | go | |
| kno | sno的飽和常數(shù) | 0.5 | 0.5 | gno-3-nm-3 | |
| ks | 基質(zhì)ss的飽和常數(shù) | 2 | 2 | gcodm-3 | |
| ksto | xsto的飽和常數(shù) | 1 | 1 | gxstog-1xh | |
| μh | 異養(yǎng)生物的最大生長速率 | 1 | 2 | d-1 | |
| knh | 氨氮snh的飽和常數(shù) | 0.01 | 0.01 | gnm-3 | |
| khco | xh的重碳酸鹽飽和常數(shù) | 0.1 | 0.1 | molhco | |
| bh,o2 | xh的好氧內(nèi)源呼吸速率 | 0.1 | 0.2 | d-1 | |
| bh,no | xh的缺氧內(nèi)源呼吸速率 | 0.05 | 0.1 | d-1 | |
| bsto,o2 | xsto的好氧呼吸速率 | 0.1 | 0.2 | d-1 | |
| bsto,no | xsto的缺氧呼吸速率 | 0.05 | 0.1 | d-1 | |
| 自養(yǎng)生物xa的硝化作用 | |||||
| μa | 自養(yǎng)生物xa的最大生長速率 | 0.35 | 1.0 | d-1 | |
| ka，nh | xa的氨氮飽和常數(shù) | 1 | 1 | gnm-3 | |
| ka，o | 硝化生物的氧飽和常數(shù) | 0.5 | 0.5 | go | |
| ka，hco | 硝化生物的重碳酸鹽飽和常數(shù) | 0.5 | 0.5 | molhco | |
| ba,o2 | xa的有氧內(nèi)源呼吸速率 | 0.05 | 0.15 | d-1 | |
| ba,no | xa的缺氧內(nèi)源呼吸速率 | 0.02 | 0.05 | d-1 |
| 表4 asm3中典型的化學(xué)計(jì)量學(xué)和組分參數(shù)值 |
符號性質(zhì) 值 單位 備注 fsi si的水解產(chǎn)物 0 gsig-1xs
若xts以vss計(jì)而不是以tss計(jì)，取如下值
ysto，o2 ss的有氧貯藏產(chǎn)物產(chǎn)率 0.85gxstog-1ss ysto，no ss的缺氧貯藏產(chǎn)物產(chǎn)率 0.80 gxstog-1ss yh，o2 異養(yǎng)生物的好氧產(chǎn)率 0.63 gxhg-1xsto yh，no 異養(yǎng)生物的缺氧產(chǎn)率 0.54 gxhg-1xsto ya no-3-n的自養(yǎng)生物產(chǎn)率 0.24 gxag-1sno insi si中的氮含量 0.01 gng-1si inss ss中的氮含量 0.03 gng-1ss inxi xi中的氮含量 0.02 gng-1xi inxs xs中的氮含量 0.04 gng-1xs inbm xh，xa生物中的氮含量 0.07gng-1xh或a its
3 asm3與asm1比較
asm3的復(fù)雜性類似于asm1，只是側(cè)重點(diǎn)由水解轉(zhuǎn)為有機(jī)物的貯藏，基質(zhì)貯藏現(xiàn)象已被許多研究者觀測到。asm1中的易生物降解cod必須通過呼吸實(shí)驗(yàn)估計(jì)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果依賴于yh的值。在asm3中可溶性的cod僅由si ss組成，ss可占總cod的40%，而asm1中僅占10%。利用asm3修正廢水特性，仍需要與呼吸有關(guān)的生物測定以便確認(rèn)易生物降解基質(zhì)ss。asm1中僅引入溶胞過程來描述所有的衰減過程，這主要是因?yàn)閍sm1首次出版于1985年，當(dāng)時(shí)計(jì)算能力相當(dāng)缺乏，為節(jié)省運(yùn)算時(shí)間采用最簡單的描述。如今，既然計(jì)算已不再成為限制條件，asm3介紹了一個更符合實(shí)際的衰減過程：內(nèi)源呼吸更接近于觀察到的現(xiàn)象，相關(guān)速率常數(shù)可直接獲得而與化學(xué)計(jì)量學(xué)參數(shù)無關(guān)。
圖1中左邊的asm1中異養(yǎng)生物在周期反應(yīng)路線中利用cod水解過程引起溶胞作用，并加速生物生長。異養(yǎng)生物的死亡再生循環(huán)與硝化生物的衰減過程密切相關(guān)，如硝化細(xì)菌的衰減強(qiáng)化了異養(yǎng)生物的生長。自養(yǎng)和異養(yǎng)生物沒有完全分開，只有2個do存在的入點(diǎn)。而右邊的asm3中所有轉(zhuǎn)化過程中兩種生物群體明顯區(qū)分，cod流動并沒有從一個群體流到另一個群體，且有許多do存在的入點(diǎn)。 與asm2相似，asm3包括細(xì)胞內(nèi)部的貯藏化合物。這需要模擬生物體細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。衰減過程必須包括兩部分的生物體，因此有4個衰減過程(xh、xsto分別在有氧和缺氧條
參考文獻(xiàn)： ［1］henze m,grady c p l,jr gujer w,et al.activated sludge modle no 1［a］.iawprc，iawprc scientific and technical report no 1［c］.london. ［2］willi gujer,henze m,grady,et al.activated sludge modle no 3［j］.wat sci tech，39(1)：183-193.
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