活性污泥3號模型（ASM3）簡

論文類型	技術與工程	發表日期	2000-11-01
來源	《中國給水排水》2000年第11期
作者	楊青,甘樹應,陳季華,劉振鴻
關鍵詞	ASM3 ASM1 貯藏內源呼吸溶胞
摘要	楊青，甘樹應，陳季華，劉振鴻（東華大學環境科學與工程學院，上海 200051）　　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。　　 ...

標題：

活性污泥3號模型(ASM3)簡

可見全文

作者：

楊青;甘樹應;陳季華;劉振鴻;

發布時間：

2000-11-17

出自：

《中國給水排水》2000年第11期

關鍵字：

ASM3;ASM1;貯藏;內源呼吸;溶胞

摘要：

簡介：

楊青，甘樹應，陳季華，劉振鴻
（東華大學環境科學與工程學院，上海 200051）

　　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
　　中圖分類號：X703
　　文獻標識碼：B
　　文章編號：1000-4602(2000)11-0026-05

　　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簡介

　　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
　　S_O：溶解氧，［M(O₂)L^-3］；
　　S_I：惰性可溶性有機物。由進水帶入或在顆粒性物質X_S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］；
　　S_S：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］；
　　S_I+S_S近似等于由0.45μm的膜過濾器過濾得到總溶解性COD；
　　S_NH：銨鹽加氨氮(NH⁺₄-N+NH₃-N)，SNH假定全部為NH⁺₄，［M(N)L^-3］；
　　S_N2：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］；
　　S_NO：NO_X-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)，S_NO僅被考慮為NO^-₃-N，［M(N)L^-3］；
　　S_ALK：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
　　X_I：惰性顆粒有機物(COD)，［M(COD)L^-3］；
　　X_S：可緩慢生物降解物質(COD)。進水中含有所有的X_S，通常假定X_S為0.45μm的膜過濾器所截留的部分，［M(COD)L^-3］；
　　X_H：異養生物(COD)。以PHA或糖原形成有機貯藏產物，除了細胞外水解，ASM3中不包括厭氧活動，［M(COD)L-3］；
　　X_STO：異養生物的細胞內貯藏產物(COD)，包括PHA、糖原等。僅伴隨X_H而產生，但并不包含在X_H的質量里，X_STO不能直接通過分析測定PHA或糖原濃度來進行比較。它僅是模型要求的功能性組分，不能直接用化學方法鑒別。X_STO包含在測定的COD值中，必須滿足COD守恒。基于化學計量的考慮，X_STO假定為具有聚羥丁酸的化學組成，［M(COD)L^-3］；
　　X_A：硝化生物。硝化生物直接將氨氮SNH氧化為SNO(NO^-₃-N)，ASM3中沒有考慮作為硝化中間產物的NO^-₂-N，［M(COD)L^-3］；
　　X_TS：總懸浮物(TSS)。沉淀磷需添加化學藥劑，形成的沉淀必須加到進水中測定的TSS中去，［M(TSS)L^-3］；
　　2.2 模型過程的定義
　　ASM3僅包括微生物的轉變過程而不包括化學沉淀過程，ASM3考慮如下的轉化過程：
　　水解：此過程將進水中的所有可慢速生物降解有機物引入活性污泥系統，其活性與電子供體無關。這個過程不同于ASM1中的水解過程，它不在氧消耗和反硝化中占主宰地位。
　　易生物降解基質的好氧貯藏：描述易生物降解物質S_S的貯藏，以X_STO貯藏在細胞內。這個過程需要的ATP從有氧呼吸中獲得，所有的基質首先成為貯藏物質，然后再固化為生物體，顯而易見實際中無法觀察到此過程，但現存模型中均未預測分別轉化為貯藏、同化、異化的基質通量。在此僅提出了最簡單的假設。
　　易生物降解物質的缺氧貯藏：這一進程等同于好氧貯藏，由反硝化作用而不是有氧呼吸提供所需的能量，活性污泥中僅有一部分異養生物X_H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。
　　異養生物的好氧生長：用于異養生物生長的基質全部由貯藏有機物XSTO組成。
　　異養生物的缺氧生長：這個過程與好氧生長相似，但呼吸是基于反硝化作用，實驗中我們觀察到下降的反硝化速率(相對有氧呼吸而言)。
　　好氧內源呼吸：描述在好氧條件下考慮與生長無關的相應的呼吸作用而引起的各種形式生物體的減少和能量需求：衰減、內源呼吸、溶胞作用、捕食、死亡等，此過程與ASM1介紹的衰減截然不同。
　　缺氧內源呼吸：此過程與有氧內源呼吸相似但相當慢，尤其在反硝化過程中捕食作用的活性顯著低于有氧條件。
　　貯藏產物的有氧呼吸：此過程類似于內源呼吸，貯藏產物與生物體一起衰減。
　　貯藏產物的缺氧呼吸：此過程類似于有氧過程，但在反硝化的條件下。
　　同ASM1相比，ASM3對細胞內過程(貯藏)的描述更詳細，水解的重要性下降，而溶解性和顆粒性有機氮的降解并入水解、衰減和生長過程。
　　2.3 化學計量學
　　表1介紹了ASM3的化學計量學矩陣ν_j,i，并介紹了Gujer和Larsen(1995)推薦的組分矩陣l_k,i。自ASM1問世以來，化學計量學矩陣已為人知，而組分矩陣鮮有人知。表1中組分矩陣單元l_2，3是符號i_NSS，這表示以S_S代表的1gCOD含i_NSSg氮。i=2與第2個守恒量N有關，i=3與第三組分S_S有關。ν_j,i或l_k,i中的所有空的單元值為0。所有X_j、Y_j和Z_j的值都可從三個守恒量(COD、氮、離子電荷)組成的守恒方程(1)中得到。

　　
　　在所有反硝化過程中S_N2的化學計量學系數取S_NO系數的負值，COD守恒中的組分系數S_N2(-1.71gCOD/gN₂)、S_NO(-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。這就導致好氧產率系數(Y_STO_，O2和Y_H，O2)大于缺氧產率系數(Y_STO，NO和Y_H，NO)。能量關系如下：
　　η_anoxic=0.70

　　
　　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10℃和20℃的典型取值。推薦用方程5來插值獲取不同溫度T(℃) 下的動力學參數K。

　　K(T)=K(20℃)·exp[θ_T·(T-20℃)]

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

**表1 ASM3的化學計量學矩陣ν_j,i和組分矩陣l_k,i**
j	過程表述	組分I
j	過程表述	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
異養生物，反硝化作用
2	COD的好氧貯藏	X₂		-1	y₂			Z₂				Y_STO,O2		t₂
3	COD的缺氧貯藏			-1	y₃	-X₃	X₃	Z₃				Y_STO,NO		t₃
4	好氧生長	X₄			y₄			Z₄			1	-1/Y_H,O2		t₄
5	缺氧生長(反硝化)				y₅	-X₅	X₅	Z₅			1	-1/Y_H,O2		t₅
6	好氧內源呼吸	X₆			y₆			Z₆	f_I		-1			t₆
7	缺氧內源呼吸				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
自養生物，硝化作用
10	硝化	X₁₀			y10	1/Y_A	Z₁₀						1	t₁₀
11	有氧內源呼吸	X₁₁			y11		Z₁₁	f_I					-1	t₁₁
12	缺氧內源呼吸				y12	-X₁₂	Z₁₂	f_I					-1	t₁₂
組分矩陣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	離子電荷(mol+)				1/14		-1/14	-1
	可觀察到的物質
4	總懸浮物(gTSS)								i_TSX1	i_TSXS	i_TSBM	0.60	i_TSBM

**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ρ_j(ρ_j≥0)
1	水解	K_H·[（X_S/X_H）/(K_X+X_S/X_H)]·X_H
異養生物，反硝化作用
2	COD的好氧貯藏	K_STO·[S_O/（K_O+S_O）]·[S_S/（K_S+S_S）]·X_H
3	COD的缺氧貯藏	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	好氧生長	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	缺氧生長(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	好氧內源呼吸	b_H,O2·[S_O/（K_O+S_O）]·X_H
7	缺氧內源呼吸	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
自養生物，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	好氧內源呼吸	b_A,O2·[S_O/（K_O+S_O）]·X_A
12	缺氧內源呼吸	b_A,NO/·[K_O/（K_O+S_O）]·[S_NO/（K_NO+S_NO）]·X_A

**表3 ASM3的典型動力學參數**
符號	性質	溫度		單位
符號	性質	10 ℃	20 ℃	單位
K_H	水解速率常數	2	3	gX_Sg^-1X_Hd^-1
K_X	水解飽和常數	1	1	gX_Sg^-1X_H
異養生物X_H反硝化作用
K_STO	貯藏速率常數	2.5	5	gS_Sg^-1X_Hd^-1
η_NO	缺氧還原因子	0.6	0.6
K_O	S_O的飽和常數	0.2	0.2	gO₂m^-3
K_NO	S_NO的飽和常數	0.5	0.5	gNO^-₃-Nm^-3
K_S	基質S_S的飽和常數	2	2	gCODm^-3
K_STO	X_STO的飽和常數	1	1	gX_STOg^-1X_H
μ_H	異養生物的最大生長速率	1	2	d^-1
K_NH	氨氮S_NH的飽和常數	0.01	0.01	gNm^-3
K_HCO	X_H的重碳酸鹽飽和常數	0.1	0.1	molHCO^-₃m^-3
b_H,O2	X_H的好氧內源呼吸速率	0.1	0.2	d^-1
b_H,NO	X_H的缺氧內源呼吸速率	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
自養生物XA的硝化作用
μ_A	自養生物XA的最大生長速率	0.35	1.0	d^-1
K_A，NH	X_A的氨氮飽和常數	1	1	gNm^-3
K_A，O	硝化生物的氧飽和常數	0.5	0.5	gO₂m^-3
K_A，HCO	硝化生物的重碳酸鹽飽和常數	0.5	0.5	molHCO^-₃m^-3
b_A,O2	X_A的有氧內源呼吸速率	0.05	0.15	d^-1
b_A,NO	X_A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
f_SI	S_I的水解產物	0	gS_Ig^-1XS	若X_TS以VSS計而不是以TSS計，取如下值
Y_STO，O2	S_S的有氧貯藏產物產率	0.85	gX_STOg^-1S_S
Y_STO，NO	S_S的缺氧貯藏產物產率	0.80	gX_STOg-1S_S
Y_H，O2	異養生物的好氧產率	0.63	gX_Hg^-1X_STO
Y_H，NO	異養生物的缺氧產率	0.54	gX_Hg^-1X_STO
Y_A	NO^-₃-N的自養生物產率	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(X_H、X_STO分別在有氧和缺氧條件下的消亡)和生長過程的動力學(好氧和缺氧)必須與X_STO/X_H聯系。
　　ASM3還沒有被大量的實驗數據所證實，模型結構尚需進一步改進，尤其是對貯藏現象的描述。

　　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.

電話：(021)62373614×804
E-mail:yangqing01@263.net
收稿日期：2000-07-03

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