活性污泥3号模型(ASM3)简介

简介： 1999年IAWQ在ASM1基础上推出了ASM3，它修正了ASM1的缺陷，包括有机基质贮藏的新过程，用内源呼吸过程替代了溶胞过程。ASM3可预测溶解氧消耗、污泥产量、活性污泥系统的硝化、反硝化作用。
关键字：ASM3 ASM1 贮藏内源呼吸溶胞

　1 ASM3的提出

　　1987年IAWQ推出了活性污泥1号模型(ASM1)，相关的数学模型已被编制成各种计算机程序，用于模拟市政污水的活性污泥处理系统，已成为科学研究和实际工程强有力的工具。ASM1运用10多年来，模型中的一些缺陷也是显而易见的：ASM1不包括氮和碱度限制异养生物的动力学表述，导致某些情况下计算物质的浓度会出现负值；作为模型组分的氮包括溶解性的、可生物降解的和颗粒性的有机氮，但不易测得，常被忽略；氨化动力学无法真正量化，通常假设全部有机物组分组成恒定(恒定的N∶COD)；根据进水或生物衰减来区分惰性有机颗粒物，但在实际上区分这两部分是不可能的；异养生物的水解过程对预测氧的消耗和反硝化起主要影响作用，但这个过程的动力学参数量化是非常困难的；伴有水解的衰减和生长用来描述影响内源呼吸的总体因素，如：生物体的化合物贮藏、死亡、捕食、溶菌作用等，造成动力学参数评价上的困难；对PHA的贮藏或在活性污泥处理装置中的好氧和缺氧条件下有时观察到的糖原，可提高易生物降解的有机基质的浓度，而这个过程ASM1没有包括；ASM1没有区分硝化菌在好氧和缺氧条件下的衰减速率，这在固体物停留时间长和缺氧反应器体积比例较高时，预测最大硝化速率会出现问题；ASM1不能预测可直接观察到的混合液中的悬浮固体。
　　考虑到上述缺陷，任务组推出了活性污泥3号模型，以改正ASM1的缺陷。ASM3与ASM1有相同的主要现象：活性污泥处理系统中的氧消耗、污泥产量、硝化和反硝化作用，生物除磷包括在ASM2中，ASM3不再讨论。

　　2 ASM3简介

　　2.1 模型组分
　　ASM3中可溶性物质的浓度用S?表示，而颗粒性物质用X?表示。活性污泥系统中的颗粒性物质假定与活性污泥相关联(活性污泥上的絮凝物或活性生物体的内含物)，它在沉淀池中通过沉积作用而浓缩，而可溶性组分只能通过水来传输，并且只有可溶性组分可携带离子电荷。与ASM1和ASM2一个重要的不同在于：ASM3中可溶性和颗粒性组分可通过0.45 μm的膜过滤器进行很好的区分，而在ASM1和ASM2中提到的大部分慢速可生物降解有机质XS可能在滤液中。
　　① 可溶性组分的定义
　　S_O：溶解氧，［M(O₂)L^-3］；
　　S_I：惰性可溶性有机物。由进水带入或在颗粒性物质X_S水解的过程中产生，在处理装置中不会再进一步被降解，［M(COD)L^-3］；
　　S_S：易生物降解有机质(COD)。可溶性的COD可直接被异养生物利用而降解，在ASM3中这些基质首先被异养生物占有，并以XSTO的形式贮藏，［M(COD)L^-3］；
　　S_I+S_S近似等于由0.45μm的膜过滤器过滤得到总溶解性COD；
　　S_NH：铵盐加氨氮(NH⁺₄-N+NH₃-N)，SNH假定全部为NH⁺₄，［M(N)L^-3］；
　　S_N2：分子氮(N₂)。仅由反硝化产生，用来预测由N2过饱和而在二次沉淀池中产生诸如浮泥等问题，忽略进水中的N₂和气体交换。SN2还增加了由于反硝化而去除的固定态氮，［M(N)L^-3］；
　　S_NO：NO_X-N(NO^-₂-N+NO^-₃-N)。NO^-₂-N不是模型组分，对于所有化学计量学计算(转化为COD)，S_NO仅被考虑为NO^-₃-N，［M(N)L^-3］；
　　S_ALK：废水的碱度。用重碳酸盐HCO-3表示，［M(HCO^-₃)L^-3］；
　　② 颗粒性组分的定义
　　X_I：惰性颗粒有机物(COD)，［M(COD)L^-3］；
　　X_S：可缓慢生物降解物质(COD)。进水中含有所有的X_S，通常假定X_S为0.45μm的膜过滤器所截留的部分，［M(COD)L^-3］；
　　X_H：异养生物(COD)。以PHA或糖原形成有机贮藏产物，除了细胞外水解，ASM3中不包括厌氧活动，［M(COD)L-3］；
　　X_STO：异养生物的细胞内贮藏产物(COD)，包括PHA、糖原等。仅伴随X_H而产生，但并不包含在X_H的质量里，X_STO不能直接通过分析测定PHA或糖原浓度来进行比较。它仅是模型要求的功能性组分，不能直接用化学方法鉴别。X_STO包含在测定的COD值中，必须满足COD守恒。基于化学计量的考虑，X_STO假定为具有聚羟丁酸的化学组成，［M(COD)L^-3］；
　　X_A：硝化生物。硝化生物直接将氨氮SNH氧化为SNO(NO^-₃-N)，ASM3中没有考虑作为硝化中间产物的NO^-₂-N，［M(COD)L^-3］；
　　X_TS：总悬浮物(TSS)。沉淀磷需添加化学药剂，形成的沉淀必须加到进水中测定的TSS中去，［M(TSS)L^-3］；
　　2.2 模型过程的定义
　　ASM3仅包括微生物的转变过程而不包括化学沉淀过程，ASM3考虑如下的转化过程：
　　水解：此过程将进水中的所有可慢速生物降解有机物引入活性污泥系统，其活性与电子供体无关。这个过程不同于ASM1中的水解过程，它不在氧消耗和反硝化中占主宰地位。
　　易生物降解基质的好氧贮藏：描述易生物降解物质S_S的贮藏，以X_STO贮藏在细胞内。这个过程需要的ATP从有氧呼吸中获得，所有的基质首先成为贮藏物质，然后再固化为生物体，显而易见实际中无法观察到此过程，但现存模型中均未预测分别转化为贮藏、同化、异化的基质通量。在此仅提出了最简单的假设。
　　易生物降解物质的缺氧贮藏：这一进程等同于好氧贮藏，由反硝化作用而不是有氧呼吸提供所需的能量，活性污泥中仅有一部分异养生物X_H能够反硝化还是所有异养生物都能反硝化是不确定的。考虑到这些，ASM3降低缺氧异养贮藏速率(相对的氧呼吸而言)，但并没有区分这两种异养生物。
　　异养生物的好氧生长：用于异养生物生长的基质全部由贮藏有机物XSTO组成。
　　异养生物的缺氧生长：这个过程与好氧生长相似，但呼吸是基于反硝化作用，实验中我们观察到下降的反硝化速率(相对有氧呼吸而言)。
　　好氧内源呼吸：描述在好氧条件下考虑与生长无关的相应的呼吸作用而引起的各种形式生物体的减少和能量需求：衰减、内源呼吸、溶胞作用、捕食、死亡等，此过程与ASM1介绍的衰减截然不同。
　　缺氧内源呼吸：此过程与有氧内源呼吸相似但相当慢，尤其在反硝化过程中捕食作用的活性显著低于有氧条件。
　　贮藏产物的有氧呼吸：此过程类似于内源呼吸，贮藏产物与生物体一起衰减。
　　贮藏产物的缺氧呼吸：此过程类似于有氧过程，但在反硝化的条件下。
　　同ASM1相比，ASM3对细胞内过程(贮藏)的描述更详细，水解的重要性下降，而溶解性和颗粒性有机氮的降解并入水解、衰减和生长过程。
　　2.3 化学计量学
　　表1介绍了ASM3的化学计量学矩阵ν_j,i，并介绍了Gujer和Larsen(1995)推荐的组分矩阵l_k,i。自ASM1问世以来，化学计量学矩阵已为人知，而组分矩阵鲜有人知。表1中组分矩阵单元l_2，3是符号i_NSS，这表示以S_S代表的1gCOD含i_NSSg氮。i=2与第2个守恒量N有关，i=3与第三组分S_S有关。ν_j,i或l_k,i中的所有空的单元值为0。所有X_j、Y_j和Z_j的值都可从三个守恒量(COD、氮、离子电荷)组成的守恒方程(1)中得到。

　　
　　在所有反硝化过程中S_N2的化学计量学系数取S_NO系数的负值，COD守恒中的组分系数S_N2(-1.71gCOD/gN₂)、S_NO(-4.57gCOD/gNO^-₃-N)以及SO(-lgCOD/gO₂)取与氧化还原相关的电子供体：NH₄、CO₂、H₂O系数的负值。表现XTS的化学计量学系数可从组分方程(2)中得到：

　　
　　众所周知，缺氧呼吸产生的生化能ATP低于好氧呼吸。这就导致好氧产率系数(Y_STO_，O2和Y_H，O2)大于缺氧产率系数(Y_STO，NO和Y_H，NO)。能量关系如下：
　　η_anoxic=0.70

　　
　　去除单位基质SS而产生的异养生物XH的净产率可从方程(4)中得到：

　　ASM3中所有溶解性组分消耗的动力学表述（见表２）基于开发函数，选择这种动力学表述不是因为实验证实如此，而是为了数学计算的方便。ASM3与ASM1的一个重要的不同是，当一个过程的离析物接近０浓度时，开关函数终止所有生物活性。
　　表3、4列举了ASM3的参数和它们的单位及在10℃和20℃的典型取值。推荐用方程5来插值获取不同温度T(℃) 下的动力学参数K。

　　K(T)=K(20℃)·exp[θ_T·(T-20℃)]

　　θ_T=ln[K(T1)/K(T2)]/(T₁-T₂)　　　　　　　　(5)

**表1 ASM3的化学计量学矩阵ν_j,i和组分矩阵l_k,i**
j	过程表述	组分I
1 S_o O₂	2 S_i COD	3 S_S COD	4 S_NH N	5 S_N2 N	6 S_NO N	7 S_HCO Mole	8 X_I COD	9 X_S COD	10 X_H COD	11 X_STO COD	12 X_A COD	13 X_TS TSS
1	水解		f_SI	X₁	y₁			Z₁		-1				-i_XS
异养生物，反硝化作用
2	COD的好氧贮藏	X₂		-1	y₂			Z₂				Y_STO,O2		t₂
3	COD的缺氧贮藏			-1	y₃	-X₃	X₃	Z₃				Y_STO,NO		t₃
4	好氧生长	X₄			y₄			Z₄			1	-1/Y_H,O2		t₄
5	缺氧生长(反硝化)				y₅	-X₅	X₅	Z₅			1	-1/Y_H,O2		t₅
6	好氧内源呼吸	X₆			y₆			Z₆	f_I		-1			t₆
7	缺氧内源呼吸				y₇	-X₇	X₇	Z₇	_fI		-1			t₇
8	X_STO的有氧呼吸	X₈												t₈
9	X_STO的缺氧呼吸					-X₉	X₉	Z₉						t₉
自养生物，硝化作用
10	硝化	X₁₀			y10	1/Y_A	Z₁₀						1	t₁₀
11	有氧内源呼吸	X₁₁			y11		Z₁₁	f_I					-1	t₁₁
12	缺氧内源呼吸				y12	-X₁₂	Z₁₂	f_I					-1	t₁₂
组分矩阵l_k,i
K	守恒量
1	COD(gCOD)	-1	1	1		-1.71	-4.57		1	1	1	1	1
2	氮(gN)		i_NSI	i_NSS	1	1	1		i_NXI	i_NXS	i_NBM		i_NBM
3	离子电荷(mol+)				1/14		-1/14	-1
	可观察到的物质
4	总悬浮物(gTSS)								i_TSX1	i_TSXS	i_TSBM	0.60	i_TSBM

**表2 ASM3中的动力学速率表述ρj(所有ρj≥0)**
j	过程	过程速率方程ρ_j(ρ_j≥0)
1	水解	K_H·[（X_S/X_H）/(K_X+X_S/X_H)]·X_H
异养生物，反硝化作用
2	COD的好氧贮藏	K_STO·[S_O/（K_O+S_O）]·[S_S/（K_S+S_S）]·X_H
3	COD的缺氧贮藏	K_STO·η_NO·[K_O/（K_O+S_O）]·[S_NO/（K_NO+S_NO）]·[S_S/（K_S+S_S）]·X_H
4	好氧生长	μ_H·[S_O/（K_O+S_O）]·[S_NH/（K_NH+S_NH）]·[S_HCO/（K_HCO+S_HCO）]·[（X_STO/X_H）/（K_STO+X_STO/X_H）]·X_H
5	缺氧生长(反硝化)	μ_H·η_NO·[K_O/（K_O+S_O）]·[S_NO/（K_NO+S_NO）]·[S_NH/（K_NH+S_NH）·[S_HCO/（K_HCO+S_HCO）]·[（X_STO/X_H）/（K_STO+X_STO）/X_H]·X_H
6	好氧内源呼吸	b_H,O2·[S_O/（K_O+S_O）]·X_H
7	缺氧内源呼吸	b_H,NO·[K_O/（K_O+S_O）]·[S_NO/（K_NO+S_NO）]·X_H
8	XSTO的有氧呼吸	b_STO,O2·[SO/（K_O+S_O·）]X_STO b_STO,O2≥b_H,O2
9	XSTO的缺氧呼吸	b_STO,NO·[K_O/（K_O+S_O）]·[S_NO/（K_NO+S_NO）·X_STO b_STO,NO≥b_H,NO
自养生物，硝化作用
10	硝化作用	μ_A·[S_O/（K_A，O+S_O）·[S_NH/（K_A，NH+S_NH）·[S_HCO/（K_A，HCO+S_HCO）·X_A
11	好氧内源呼吸	b_A,O2·[S_O/（K_O+S_O）]·X_A
12	缺氧内源呼吸	b_A,NO/·[K_O/（K_O+S_O）]·[S_NO/（K_NO+S_NO）]·X_A

**表3 ASM3的典型动力学参数**
符号	性质	温度		单位
符号	性质	10 ℃	20 ℃	单位
K_H	水解速率常数	2	3	gX_Sg^-1X_Hd^-1
K_X	水解饱和常数	1	1	gX_Sg^-1X_H
异养生物X_H反硝化作用
K_STO	贮藏速率常数	2.5	5	gS_Sg^-1X_Hd^-1
η_NO	缺氧还原因子	0.6	0.6
K_O	S_O的饱和常数	0.2	0.2	gO₂m^-3
K_NO	S_NO的饱和常数	0.5	0.5	gNO^-₃-Nm^-3
K_S	基质S_S的饱和常数	2	2	gCODm^-3
K_STO	X_STO的饱和常数	1	1	gX_STOg^-1X_H
μ_H	异养生物的最大生长速率	1	2	d^-1
K_NH	氨氮S_NH的饱和常数	0.01	0.01	gNm^-3
K_HCO	X_H的重碳酸盐饱和常数	0.1	0.1	molHCO^-₃m^-3
b_H,O2	X_H的好氧内源呼吸速率	0.1	0.2	d^-1
b_H,NO	X_H的缺氧内源呼吸速率	0.05	0.1	d^-1
b_STO,O2	X_STO的好氧呼吸速率	0.1	0.2	d^-1
b_STO,NO	X_STO的缺氧呼吸速率	0.05	0.1	d^-1
自养生物XA的硝化作用
μ_A	自养生物XA的最大生长速率	0.35	1.0	d^-1
K_A，NH	X_A的氨氮饱和常数	1	1	gNm^-3
K_A，O	硝化生物的氧饱和常数	0.5	0.5	gO₂m^-3
K_A，HCO	硝化生物的重碳酸盐饱和常数	0.5	0.5	molHCO^-₃m^-3
b_A,O2	X_A的有氧内源呼吸速率	0.05	0.15	d^-1
b_A,NO	X_A的缺氧内源呼吸速率	0.02	0.05	d^-1

**表4 ASM3中典型的化学计量学和组分参数值**
符号	性质	值	单位	备注
f_SI	S_I的水解产物	0	gS_Ig^-1XS	若X_TS以VSS计而不是以TSS计，取如下值
Y_STO，O2	S_S的有氧贮藏产物产率	0.85	gX_STOg^-1S_S
Y_STO，NO	S_S的缺氧贮藏产物产率	0.80	gX_STOg-1S_S
Y_H，O2	异养生物的好氧产率	0.63	gX_Hg^-1X_STO
Y_H，NO	异养生物的缺氧产率	0.54	gX_Hg^-1X_STO
Y_A	NO^-₃-N的自养生物产率	0.24	gX_Ag^-1S_NO
i_NSI	S_I中的氮含量	0.01	gNg^-1S_I
i_NSS	S_S中的氮含量	0.03	gNg^-1S_S
i_NXI	X_I中的氮含量	0.02	gNg^-1X_I
i_NXS	X_S中的氮含量	0.04	gNg^-1X_S
i_NBM	X_H，X_A生物中的氮含量	0.07	gNg^-1X_H或A
i_TSXI	X_I中的TSS∶COD	0.75	gTSg^-1X_I	0.75gVSSg^-1X_I
i_TSXS	X_S中的TSS∶COD	0.75	gTSg^-1X_S	0.75gVSSg^-1X_S
i_TSBM	X_H，X_A生物中的TSS∶COD	0.90	gTSg^-1X_H或A	0.75gVSSg^-1X_H或A
i_TSSTO	基于PHB的X_STO中TSS∶COD	0.60	gTSg^-1X_STO	0.60gVSSg^-1X_STO

　　3 ASM3与ASM1比较

　　ASM3的复杂性类似于ASM1，只是侧重点由水解转为有机物的贮藏，基质贮藏现象已被许多研究者观测到。ASM1中的易生物降解COD必须通过呼吸实验估计，实验结果依赖于YH的值。在ASM3中可溶性的COD仅由SI+SS组成，SS可占总COD的40%，而ASM1中仅占10%。利用ASM3修正废水特性，仍需要与呼吸有关的生物测定以便确认易生物降解基质SS。
ASM1中仅引入溶胞过程来描述所有的衰减过程，这主要是因为ASM1首次出版于1985年，当时计算能力相当缺乏，为节省运算时间采用最简单的描述。如今，既然计算已不再成为限制条件，ASM3介绍了一个更符合实际的衰减过程：内源呼吸更接近于观察到的现象，相关速率常数可直接获得而与化学计量学参数无关。

　　图1中左边的ASM1中异养生物在周期反应路线中利用COD水解过程引起溶胞作用，并加速生物生长。异养生物的死亡再生循环与硝化生物的衰减过程密切相关，如硝化细菌的衰减强化了异养生物的生长。自养和异养生物没有完全分开，只有2个DO存在的入点。而右边的ASM3中所有转化过程中两种生物群体明显区分，COD流动并没有从一个群体流到另一个群体，且有许多DO存在的入点。
　　与ASM2相似，ASM3包括细胞内部的贮藏化合物。这需要模拟生物体细胞内部结构。衰减过程必须包括两部分的生物体，因此有4个衰减过程(X_H、X_STO分别在有氧和缺氧条件下的消亡)和生长过程的动力学(好氧和缺氧)必须与X_STO/X_H联系。
　　ASM3还没有被大量的实验数据所证实，模型结构尚需进一步改进，尤其是对贮藏现象的描述。

　　参考文献：
　　［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.