活性污泥3號(hào)模型_secret

1、活性污泥3號(hào)模型(ASM3)簡介摘要：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(hào)模型(ASM1)，相關(guān)的數(shù)學(xué)模型已被編制成各種計(jì)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(dòng)力學(xué)表述，導(dǎo)致某些情況下計(jì)算物質(zhì)的

2、濃度會(huì)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(dòng)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NCOD)；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(gè)過程的動(dòng)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(dòng)力學(xué)參數(shù)評價(jià)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(shí)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(gè)過程ASM1沒有包

3、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(shí)間長和缺氧反應(yīng)器體積比例較高時(shí)，預(yù)測最大硝化速率會(huì)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?？紤]到上述缺陷，任務(wù)組推出了活性污泥3號(hào)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。活性污泥系統(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

4、，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(gè)重要的不同在于：ASM3中可溶性和顆粒性組分可通過0.45 m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SO：溶解氧，M(O2)L-3；SI：惰性可溶性有機(jī)物。由進(jìn)水帶入或在顆粒性物質(zhì)XS水解的過程中產(chǎn)生，在處理裝置中不會(huì)再進(jìn)一步被降解，M(COD)L-3；SS：易生物降解有機(jī)質(zhì)(COD)。可溶性的COD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；SI+SS近似等

5、于由0.45m的膜過濾器過濾得到總?cè)芙庑訡OD；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(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；SNO：NOX-N(NO-2-N+NO-3-N)。NO-2-N不是模型組分，對于所有化學(xué)計(jì)量學(xué)計(jì)算(轉(zhuǎn)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； 顆粒性組分的定義XI：惰性顆粒有機(jī)物(COD

6、)，M(COD)L-3；XS：可緩慢生物降解物質(zhì)(COD)。進(jìn)水中含有所有的XS，通常假定XS為0.45m的膜過濾器所截留的部分，M(COD)L-3；XH：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(dòng)，M(COD)L-3；XSTO：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XH而產(chǎn)生，但并不包含在XH的質(zhì)量里，XSTO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。XSTO包含在測定的COD值中，必須滿足COD守恒?；诨瘜W(xué)計(jì)量的考慮，XSTO假定為具有聚羥丁酸的化學(xué)組成，M

7、(COD)L-3；XA：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；XTS：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(gè)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)SS的貯藏，以XSTO貯藏在

8、細(xì)胞內(nèi)。這個(gè)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XH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(gè)過程與好氧生長相似，但呼吸是基于

9、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。

10、2.3 化學(xué)計(jì)量學(xué)表1介紹了ASM3的化學(xué)計(jì)量學(xué)矩陣j,i，并介紹了Gujer和Larsen(1995)推薦的組分矩陣lk,i。自ASM1問世以來，化學(xué)計(jì)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l2，3是符號(hào)iNSS，這表示以SS代表的1gCOD含iNSSg氮。i=2與第2個(gè)守恒量N有關(guān)，i=3與第三組分SS有關(guān)。j,i或lk,i中的所有空的單元值為0。所有Xj、Yj和Zj的值都可從三個(gè)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SN2的化學(xué)計(jì)量學(xué)系數(shù)取SNO系數(shù)的負(fù)值，COD守恒中的組分系數(shù)SN2(-1.71gCOD/gN2)、SNO(-4.5

11、7gCOD/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(jì)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)(YSTO，O2和YH，O2)大于缺氧產(chǎn)率系數(shù)(YSTO，NO和YH，NO)。能量關(guān)系如下：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(dòng)力學(xué)表述（見表2）基于開發(fā)函數(shù)，選擇這種動(dòng)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(jì)算的方便。ASM3與ASM1的一個(gè)重要的不同是，當(dāng)一個(gè)過程

12、的離析物接近0濃度時(shí)，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(dòng)力學(xué)參數(shù)K。K(T)=K(20)expT(T-20)T=lnK(T1)/K(T2)/(T1-T2)(5)表1 ASM3的化學(xué)計(jì)量學(xué)矩陣j,i和組分矩陣lk,ij過程表述組分I1SoO22SiCOD3SSCOD4SNHN5SN2N6SNON7SHCOMole8XICOD9XSCOD10XHCOD11XSTOCOD12XACOD13XTSTSS1水解fSIX1y1Z1-1-iXS異養(yǎng)生物，反硝化作用2COD的好氧貯藏X2-1y2Z2YSTO,

13、O2t23COD的缺氧貯藏-1y3-X3X3Z3YSTO,NOt34好氧生長X4y4Z41-1/YH,O2t45缺氧生長(反硝化)y5-X5X5Z51-1/YH,O2t56好氧內(nèi)源呼吸X6y6Z6fI-1t67缺氧內(nèi)源呼吸y7-X7X7Z7fI-1t78XSTO的有氧呼吸X8t89XSTO的缺氧呼吸-X9X9Z9t9自養(yǎng)生物，硝化作用10硝化X10y101/YAZ101t1011有氧內(nèi)源呼吸X11y11Z11fI-1t1112缺氧內(nèi)源呼吸y12-X12Z12fI-1t12組分矩陣lk,iK守恒量 1COD(gCOD)-111-1.71-4.57111112氮(gN)iNSIiNSS111iNX

14、IiNXSiNBMiNBM3離子電荷(mol+)1/14-1/14-1可觀察到的物質(zhì)4總懸浮物(gTSS)iTSX1iTSXSiTSBM0.60iTSBM表2 ASM3中的動(dòng)力學(xué)速率表述j(所有j0)j過程過程速率方程j(j0)1水解KH（XS/XH）/(KX+XS/XH)XH異養(yǎng)生物，反硝化作用2COD的好氧貯藏KSTOSO/（KO+SO）SS/（KS+SS）XH3COD的缺氧貯藏KSTONOKO/（KO+SO）SNO/（KNO+SNO）SS/（KS+SS）XH4好氧生長HSO/（KO+SO）SNH/（KNH+SNH）SHCO/（KHCO+SHCO）（XSTO/XH）/（KSTO+XSTO/

15、XH）XH5缺氧生長(反硝化)HNOKO/（KO+SO）SNO/（KNO+SNO）SNH/（KNH+SNH）SHCO/（KHCO+SHCO）（XSTO/XH）/（KSTO+XSTO）/XHXH6好氧內(nèi)源呼吸bH,O2SO/（KO+SO）XH7缺氧內(nèi)源呼吸bH,NOKO/（KO+SO）SNO/（KNO+SNO）XH8XSTO的有氧呼吸bSTO,O2SO/（KO+SO）XSTO bSTO,O2bH,O29XSTO的缺氧呼吸bSTO,NOKO/（KO+SO）SNO/（KNO+SNO）XSTO bSTO,NObH,NO自養(yǎng)生物，硝化作用10硝化作用ASO/（KA，O+SO）SNH/（KA，NH+SNH

16、）SHCO/（KA，HCO+SHCO）XA11好氧內(nèi)源呼吸bA,O2SO/（KO+SO）XA12缺氧內(nèi)源呼吸bA,NO/KO/（KO+SO）SNO/（KNO+SNO）XA表3 ASM3的典型動(dòng)力學(xué)參數(shù)符號(hào)性質(zhì)溫度單位10 20 KH水解速率常數(shù)23gXSg-1XHd-1KX水解飽和常數(shù)11gXSg-1XH異養(yǎng)生物XH反硝化作用KSTO貯藏速率常數(shù)2.55gSSg-1XHd-1NO缺氧還原因子0.60.6KOSO的飽和常數(shù)0.20.2gO2m-3KNOSNO的飽和常數(shù)0.50.5gNO-3-Nm-3KS基質(zhì)SS的飽和常數(shù)22gCODm-3KSTOXSTO的飽和常數(shù)11gXSTOg-1XHH異養(yǎng)生

17、物的最大生長速率12d-1KNH氨氮SNH的飽和常數(shù)0.010.01gNm-3KHCOXH的重碳酸鹽飽和常數(shù)0.10.1molHCO-3m-3bH,O2XH的好氧內(nèi)源呼吸速率0.10.2d-1bH,NOXH的缺氧內(nèi)源呼吸速率0.050.1d-1bSTO,O2XSTO的好氧呼吸速率0.10.2d-1bSTO,NOXSTO的缺氧呼吸速率0.050.1d-1自養(yǎng)生物XA的硝化作用A自養(yǎng)生物XA的最大生長速率0.351.0d-1KA，NHXA的氨氮飽和常數(shù)11gNm-3KA，O硝化生物的氧飽和常數(shù)0.50.5gO2m-3KA，HCO硝化生物的重碳酸鹽飽和常數(shù)0.50.5molHCO-3m-3bA,O2

18、XA的有氧內(nèi)源呼吸速率0.050.15d-1bA,NOXA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(jì)量學(xué)和組分參數(shù)值符號(hào)性質(zhì)值單位備注fSISI的水解產(chǎn)物0gSIg-1XS若XTS以VSS計(jì)而不是以TSS計(jì)，取如下值 YSTO，O2SS的有氧貯藏產(chǎn)物產(chǎn)率0.85gXSTOg-1SSYSTO，NOSS的缺氧貯藏產(chǎn)物產(chǎn)率0.80gXSTOg-1SSYH，O2異養(yǎng)生物的好氧產(chǎn)率0.63gXHg-1XSTOYH，NO異養(yǎng)生物的缺氧產(chǎn)率0.54gXHg-1XSTOYANO-3-N的自養(yǎng)生物產(chǎn)率0.24gXAg-1SNOiNSISI中的氮含量0.01gNg-1SIiNSSSS中的

19、氮含量0.03gNg-1SSiNXIXI中的氮含量0.02gNg-1XIiNXSXS中的氮含量0.04gNg-1XSiNBMXH，XA生物中的氮含量0.07gNg-1XH或AiTSXIXI中的TSSCOD0.75gTSg-1XI0.75gVSSg-1XIiTSXSXS中的TSSCOD0.75gTSg-1XS0.75gVSSg-1XSiTSBMXH，XA生物中的TSSCOD0.90gTSg-1XH或A0.75gVSSg-1XH或AiTSSTO基于PHB的XSTO中TSSCOD0.60gTSg-1XSTO0.60gVSSg-1XSTO3 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(jì)，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(shí)計(jì)算