活性污泥3號模型(ASM3)簡介

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簡介： 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)鍵字：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(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，這在固體物停留時間長和缺氧反應(yīng)器體積比例較高時，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簡介

　　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?；钚晕勰嘞到y(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。
　?、?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(jī)物。由進(jìn)水帶入或在顆粒性物質(zhì)X_S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］；
　　S_S：易生物降解有機(jī)質(zhì)(COD)?？扇苄缘腃OD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］；
　　S_I+S_S近似等于由0.45μm的膜過濾器過濾得到總?cè)芙庑訡OD；
　　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(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］；
　　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(xué)計量學(xué)計算(轉(zhuǎn)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］；
　?、?顆粒性組分的定義
　　X_I：惰性顆粒有機(jī)物(COD)，［M(COD)L^-3］；
　　X_S：可緩慢生物降解物質(zhì)(COD)。進(jìn)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(yǎng)生物(COD)。以PHA或糖原形成有機(jī)貯藏產(chǎn)物，除了細(xì)胞外水解，ASM3中不包括厭氧活動，［M(COD)L-3］；
　　X_STO：異養(yǎng)生物的細(xì)胞內(nèi)貯藏產(chǎn)物(COD)，包括PHA、糖原等。僅伴隨X_H而產(chǎn)生，但并不包含在X_H的質(zhì)量里，X_STO不能直接通過分析測定PHA或糖原濃度來進(jìn)行比較。它僅是模型要求的功能性組分，不能直接用化學(xué)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(xué)計量的考慮，X_STO假定為具有聚羥丁酸的化學(xué)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(chǎn)物的NO^-₂-N，［M(COD)L^-3］；
　　X_TS：總懸浮物(TSS)。沉淀磷需添加化學(xué)藥劑，形成的沉淀必須加到進(jìn)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(zhuǎn)變過程而不包括化學(xué)沉淀過程，ASM3考慮如下的轉(zhuǎn)化過程：
　　水解：此過程將進(jìn)水中的所有可慢速生物降解有機(jī)物引入活性污泥系統(tǒng)，其活性與電子供體無關(guān)。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(zhì)的好氧貯藏：描述易生物降解物質(zhì)S_S的貯藏，以X_STO貯藏在細(xì)胞內(nèi)。這個過程需要的ATP從有氧呼吸中獲得，所有的基質(zhì)首先成為貯藏物質(zhì)，然后再固化為生物體，顯而易見實(shí)際中無法觀察到此過程，但現(xiàn)存模型中均未預(yù)測分別轉(zhuǎn)化為貯藏、同化、異化的基質(zhì)通量。在此僅提出了最簡單的假設(shè)。
　　易生物降解物質(zhì)的缺氧貯藏：這一進(jìn)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(yǎng)生物X_H能夠反硝化還是所有異養(yǎng)生物都能反硝化是不確定的?？紤]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。
　　異養(yǎng)生物的好氧生長：用于異養(yǎng)生物生長的基質(zhì)全部由貯藏有機(jī)物XSTO組成。
　　異養(yǎng)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(shí)驗(yàn)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(nèi)源呼吸：描述在好氧條件下考慮與生長無關(guān)的相應(yīng)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(nèi)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(nèi)源呼吸：此過程與有氧內(nèi)源呼吸相似但相當(dāng)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(chǎn)物的有氧呼吸：此過程類似于內(nèi)源呼吸，貯藏產(chǎn)物與生物體一起衰減。
　　貯藏產(chǎn)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(xì)胞內(nèi)過程(貯藏)的描述更詳細(xì)，水解的重要性下降，而溶解性和顆粒性有機(jī)氮的降解并入水解、衰減和生長過程。
　　2.3 化學(xué)計量學(xué)
　　表1介紹了ASM3的化學(xué)計量學(xué)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(xué)計量學(xué)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(guān)，i=3與第三組分S_S有關(guān)。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(xué)計量學(xué)系數(shù)取S_NO系數(shù)的負(fù)值，COD守恒中的組分系數(shù)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(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。這就導(dǎo)致好氧產(chǎn)率系數(shù)(Y_STO，O2和Y_H，O2)大于缺氧產(chǎn)率系數(shù)(Y_STO，NO和Y_H，NO)。能量關(guān)系如下：
　　η_anoxic=0.70

　　
　　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，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(xué)參數(shù)K。

　　K(T)=K(20℃)·exp[θ_T·(T-20℃)]

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

j　　　　過程
表述組分I表1 ASM3的化學(xué)計量學(xué)矩陣ν_j,i和組分矩陣l_k,i1
S_o
O₂2
S_i
COD3
S_S
COD4
S_NH
N5
S_N2
N6
S_NO
N7
S_HCO
Mole8
X_I
COD9
X_S
COD10
X_H
COD11
X_STO
COD12
X_A
COD13
X_TS
TSS1水解 f_SIX₁y₁  Z₁ -1   -i_XS異養(yǎng)生物，反硝化作用2COD的好氧貯藏X₂ -1y₂  Z₂   Y_STO,O2 t₂3COD的缺氧貯藏  -1y₃-X₃X₃Z₃   Y_STO,NO t₃4好氧生長X₄  y₄  Z₄  1-1/Y_H,O2 t₄5缺氧生長(反硝化)   y₅-X₅X₅Z₅  1-1/Y_H,O2 t₅6好氧內(nèi)源呼吸X₆  y₆  Z₆f_I -1  t₆7缺氧內(nèi)源呼吸   y₇-X₇X₇Z_7fI -1  t₇8X_STO的有氧呼吸X₈           t₈9X_STO的缺氧呼吸    -X₉X₉Z₉     t₉自養(yǎng)生物，硝化作用10硝化X₁₀  y101/Y_AZ₁₀     1t₁₀11有氧內(nèi)源呼吸X₁₁  y11 Z₁₁f_I    -1t₁₁12缺氧內(nèi)源呼吸   y12-X₁₂Z₁₂f_I    -1t₁₂組分矩陣l_k,iK

守恒量

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ρ_j(ρ_j≥0)
1水解K_H·[（X_S/X_H）/(K_X+X_S/X_H)]·X_H異養(yǎng)生物，反硝化作用2COD的好氧貯藏K_STO·[S_O/（K_O+S_O）]·[S_S/（K_S+S_S）]·X_H3COD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_H5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_H6好氧內(nèi)源呼吸b_H,O2·[S_O/（K_O+S_O）]·X_H7缺氧內(nèi)源呼吸b_H,NO·[K_O/（K_O+S_O）]·[S_NO/（K_NO+S_NO）]·X_H8XSTO的有氧呼吸b_STO,O2·[SO/（K_O+S_O·）]X_STO b_STO,O2≥b_H,O29XSTO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(yǎng)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_A11好氧內(nèi)源呼吸b_A,O2·[S_O/（K_O+S_O）]·X_A12缺氧內(nèi)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(xué)參數(shù)符號性質(zhì)溫度單位10 ℃20 ℃K_H水解速率常數(shù)23gX_Sg^-1X_Hd^-1K_X水解飽和常數(shù)11gX_Sg^-1X_H異養(yǎng)生物X_H反硝化作用K_STO貯藏速率常數(shù)2.55gS_Sg^-1X_Hd^-1η_NO缺氧還原因子0.60.6　K_OS_O的飽和常數(shù)0.20.2gO₂m^-3K_NOS_NO的飽和常數(shù)0.50.5gNO^-₃-Nm^-3K_S基質(zhì)S_S的飽和常數(shù)22gCODm^-3K_STOX_STO的飽和常數(shù)11gX_STOg^-1X_Hμ_H異養(yǎng)生物的最大生長速率12d^-1K_NH氨氮S_NH的飽和常數(shù)0.010.01gNm^-3K_HCOX_H的重碳酸鹽飽和常數(shù)0.10.1molHCO^-₃m^-3b_H,O2X_H的好氧內(nèi)源呼吸速率0.10.2d^-1b_H,NOX_H的缺氧內(nèi)源呼吸速率0.050.1d^-1b_STO,O2X_STO的好氧呼吸速率0.10.2d^-1b_STO,NOX_STO的缺氧呼吸速率0.050.1d^-1自養(yǎng)生物XA的硝化作用μ_A自養(yǎng)生物XA的最大生長速率0.351.0d^-1K_A，NHX_A的氨氮飽和常數(shù)11gNm^-3K_A，O硝化生物的氧飽和常數(shù)0.50.5gO₂m^-3K_A，HCO硝化生物的重碳酸鹽飽和常數(shù)0.50.5molHCO^-₃m^-3b_A,O2X_A的有氧內(nèi)源呼吸速率0.050.15d^-1b_A,NOX_A的缺氧內(nèi)源呼吸速率0.020.05d^-1

表4 ASM3中典型的化學(xué)計量學(xué)和組分參數(shù)值符號性質(zhì)值單位備注f_SIS_I的水解產(chǎn)物0gS_Ig^-1XS

若X_TS以VSS計而不是

以TSS計，取如下值

　　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，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)锳SM1首次出版于1985年，當(dāng)時計算能力相當(dāng)缺乏，為節(jié)省運(yùn)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(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(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(xué)(好氧和缺氧)必須與X_STO/X_H聯(lián)系。
　　ASM3還沒有被大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所證實(shí)，模型結(jié)構(gòu)尚需進(jìn)一步改進(jìn)，尤其是對貯藏現(xiàn)象的描述。

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