摘要：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。

关键词：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)

j 　　　　过程
表述 组分i