活性污泥3號模型簡介
摘要：1999年iawq在asm1基礎上推出了asm3，它修正了asm1的缺陷，包括有機基質貯藏的新過程，用內源呼吸過程替代了溶胞過程。asm3可預測溶解氧消耗、污泥產量、活性污泥系統的硝化、反硝化作用。
關鍵詞：asm3 asm1 貯藏 內源呼吸 溶胞
1 asm3的提出
1987年iawq推出了活性污泥1號模型(asm1)，相關的數學模型已被編制成各種計算機程序，用于模擬市政污水的活性污泥處理系統，已成為科學研究和實際工程強有力的工具。asm1運用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生物的動力學表述，導致某些情況下計算物質的濃度會出現負值；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氮，但不易測得，常被忽略；氨化動力學無法真正量化，通常假設全部有機物組分組成恒定(恒定的n∶cod)；根據進水或生物衰減來區分惰性有機顆粒物，但在實際上區分這兩部分是不可能的；異養生物的水解過程對預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參數量化是非常困難的；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，造成動力學參數評價上的困難；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觀察到的糖原，可提高易生物降解的有機基質的濃度，而這個過程asm1沒有包括；asm1沒有區分硝化菌在好氧和缺氧條件下的衰減速率，這在固體物停留時間長和缺氧反應器體積比例較高時，預測最大硝化速率會出現問題；asm1不能預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有相同的主要現象：活性污泥處理系統中的氧消耗、污泥產量、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中可溶性物質的濃度用s?表示，而顆粒性物質用x?表示。活性污泥系統中的顆粒性物質假定與活性污泥相關聯(活性污泥上的絮凝物或活性生物體的內含物)，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的膜過濾器進行很好的區分，而在asm1和asm2中提到的大部分慢速可生物降解有機質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：惰性可溶性有機物。由進水帶入或在顆粒性物質xs水解的過程中產生，在處理裝置中不會再進一步被降解，［m(cod)l-3］； ss：易生物降解有機質(cod)。可溶性的cod可直接被異養生物利用而降解，在asm3中這些基質首先被異養生物占有，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溶解性cod； 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)。僅由反硝化產生，用來預測由n2過飽和而在二次沉淀池中產生諸如浮泥等問題，忽略進水中的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，對于所有化學計量學計算(轉化為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：惰性顆粒有機物(cod)，［m(cod)l-3］； xs：可緩慢生物降解物質(cod)。進水中含有所有的xs，通常假定xs為0.45μm的膜過
能夠反硝化還是所有異養生物都能反硝化是不確定的。考慮到這些，asm3降低缺氧異養貯藏速率(相對的氧呼吸而言)，但并沒有區分這兩種異養生物。
在所有反硝化過程中sn2的化學計量學系數取sno系數的負值，cod守恒中的組分系數sn2(-1.71gcod/gn2)、sno(-4.57gcod/gno-3-n)以及so(-lgcod/go2)取與氧化還原相關的電子供體：nh4、co2、h2o系數的負值。表現xts的化學計量學系數可從組分方程(2)中得到：
眾所周知，缺氧呼吸產生的生化能atp低于好氧呼吸。這就
去除單位基質ss而產生的異養生物xh的凈產率可從方程(4)中得到：
asm3中所有溶解性組分消耗的動力學表述（見表２）基于開發函數，選擇這種動力學表述不是因為實驗證實如此，而是為了數學計算的方便。asm3與asm1的一個重要的不同是，當一個過程的離析物接近０濃度時，開關函數終止所有生物活性。 表3、4列舉了asm3的參數和它們的單位及在
k(t)=k(
θt=ln[k(t1)/k(t2)]/(t1-t2) (5)
| 表1 asm3的化學計量學矩陣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 | 好氧內源呼吸 | x6 | y6 |
|
|
z6 fi -1 t6 7 缺氧內源呼吸 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 4 總懸浮物(gtss) itsx1 itsxs itsbm 0.60 itsbm
| 表2 asm3中的動力學速率表述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 | 好氧內源呼吸 | bh,o2·[so | |
/（ko so）]·xh 7 缺氧內源呼吸 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的典型動力學參數 | |||||
| 符號 | 性質 | 溫度 | 單位 | ||
| | | ||||
| kh | 水解速率常數 | 2 | 3 | gxsg-1xhd-1 | |
| kx | 水解飽和常數 | 1 | 1 | gxsg-1xh | |
| 異養生物xh反硝化作用 | |||||
| ksto | 貯藏速率常數 | 2.5 | 5 | gssg-1xhd-1 | |
| ηno | 缺氧還原因子 | 0.6 | 0.6 | ||
| ko | so的飽和常數 | 0.2 | 0.2 | go | |
| kno | sno的飽和常數 | 0.5 | 0.5 | gno-3-nm-3 | |
| ks | 基質ss的飽和常數 | 2 | 2 | gcodm-3 | |
| ksto | xsto的飽和常數 | 1 | 1 | gxstog-1xh | |
| μh | 異養生物的最大生長速率 | 1 | 2 | d-1 | |
| knh | 氨氮snh的飽和常數 | 0.01 | 0.01 | gnm-3 | |
| khco | xh的重碳酸鹽飽和常數 | 0.1 | 0.1 | molhco | |
| bh,o2 | xh的好氧內源呼吸速率 | 0.1 | 0.2 | d-1 | |
| bh,no | xh的缺氧內源呼吸速率 | 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 | |
| 自養生物xa的硝化作用 | |||||
| μa | 自養生物xa的最大生長速率 | 0.35 | 1.0 | d-1 | |
| ka，nh | xa的氨氮飽和常數 | 1 | 1 | gnm-3 | |
| ka，o | 硝化生物的氧飽和常數 | 0.5 | 0.5 | go | |
| ka，hco | 硝化生物的重碳酸鹽飽和常數 | 0.5 | 0.5 | molhco | |
| ba,o2 | xa的有氧內源呼吸速率 | 0.05 | 0.15 | d-1 | |
| ba,no | xa的缺氧內源呼吸速率 | 0.02 | 0.05 | d-1 |
| 表4 asm3中典型的化學計量學和組分參數值 |
符號性質 值 單位 備注 fsi si的水解產物 0 gsig-1xs
若xts以vss計而不是以tss計，取如下值
ysto，o2 ss的有氧貯藏產物產率 0.85gxstog-1ss ysto，no ss的缺氧貯藏產物產率 0.80 gxstog-1ss yh，o2 異養生物的好氧產率 0.63 gxhg-1xsto yh，no 異養生物的缺氧產率 0.54 gxhg-1xsto ya no-3-n的自養生物產率 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的復雜性類似于asm1，只是側重點由水解轉為有機物的貯藏，基質貯藏現象已被許多研究者觀測到。asm1中的易生物降解cod必須通過呼吸實驗估計，實驗結果依賴于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，仍需要與呼吸有關的生物測定以便確認易生物降解基質ss。asm1中僅引入溶胞過程來描述所有的衰減過程，這主要是因為asm1首次出版于1985年，當時計算能力相當缺乏，為節省運算時間采用最簡單的描述。如今，既然計算已不再成為限制條件，asm3介紹了一個更符合實際的衰減過程：內源呼吸更接近于觀察到的現象，相關速率常數可直接獲得而與化學計量學參數無關。
圖1中左邊的asm1中異養生物在周期反應路線中利用cod水解過程引起溶胞作用，并加速生物生長。異養生物的死亡再生循環與硝化生物的衰減過程密切相關，如硝化細菌的衰減強化了異養生物的生長。自養和異養生物沒有完全分開，只有2個do存在的入點。而右邊的asm3中所有轉化過程中兩種生物群體明顯區分，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。 與asm2相似，asm3包括細胞內部的貯藏化合物。這需要模擬生物體細胞內部結構。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： ［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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