活性污泥法动力学模型的研究与发展_彭永臻

道采用耐腐蚀的玻璃钢管道。

长距离、高水头、高压力、完全重力式输水管路排气十分重要,设计根据地形隆起点全线120km内设置了排气阀88个,排泥阀57个,检修闸门220个,各种不同转角弯头414个,各种连接三通175个。

由于网前压力随用水量大小浮动,为保证压力稳定在高位调节水池出口,进入网前的管道上设置了两组消能调流阀,其主要作用为流量、压力控制、事故控制、均恒供水正常运行控制。

为降低温变应力避免爆管,设计要求错开高温季节施工,否则需增加22个管道伸缩节,并要求钢管探伤射线检查合格后允许回填。

埋地钢管安装前应做好防腐绝缘,焊缝部位未经试压不得防腐,在运输和安装时应防止损坏防腐层,钢管内防腐采用高分子聚合无毒涂料(普通级)二底二面,外防腐采用高分子聚合涂料。

地下水较浅、基础干燥处采用三布一油,地下水位高,基础潮湿及管件过河处全部采用重加强四油两布防腐。

过虾池、盐碱地处增加阴极保护措施,阳极采用锌铝阳极,钢管内外喷砂除锈。

★作者通讯处:110006沈阳南湖南五马路185巷3号
辽宁省城乡建设规划设计院
　电话:(024)23214754
　收稿日期:2000-4-24
活性污泥法动力学模型的研究与发展
彭永臻　高景峰　隋铭皓
提要　通过介绍前国际水质协会(IAWQ)最新推出的第三套活性污泥法动力学模型(ASM3),来探讨活性污泥法动力学模型的发展。

ASM3进一步弥补了其前身ASM1的不足与缺陷,更适合于编制计算机代码。

ASM3可以预测活性污泥系统的耗氧量、污泥产量、硝化和反硝化。

在ASM3中,衰减(溶菌)过程是以内源呼吸理论为基础的。

ASM3强调了转换系数和胞内贮存物的重要性。

关键词　活性污泥法动力学模型3(ASM3)　硝化　反硝化　耗氧量　动力学参数
0　活性污泥法数学模型概述
1942年Monod提出了以米-门公式为基础的M onod方程,在此基础上Eckenfelder、McKinney、Law rence和M cCarty等人建立了活性污泥法数学模型。

这些数学模型都是静态的,仅考虑了污水中含碳有机物的去除,其中1970年推出的Law rence-M cCarty模型,强调了生物固体停留时间SRT的重要性,在污水处理学术界得到了比较广泛的承认。

活性污泥法动态模型主要有3种:机理模型、时间序列模型和语言模型。

语言模型主要指专家系统,其研究尚处在初始阶段。

时间序列模型又称为辨识模型,对监测控制系统的要求较高。

机理模型目前主要有3种:①Andrews模型:特点是引入底物在生物絮体(活性污泥)中的贮存机理,区别溶解和非溶解性底物,解释有机物的快速去除现象,预测实际中观察到的底物浓度增加时微生物增长速度变化的滞后现象和耗氧速率的瞬变响应特性。

②W Rc 模型:强调了非存活细胞的生物代谢活性,认为有机物的降解可以在不伴随微生物量增长的情况下完成,以此解释在应用M onod动力学根据有机物的去除预测微生物量增长时出现的问题。

③IAWQ(原IAWPRC现IWA)模型:1985年IAWQ推出了活性污泥法1号模型(Activated Sludge Model No.1; ASM1),ASM1包含13种组分,8种反应过程,此模型先进之处在于它不仅描述了碳氧化过程,还包括含氮物质的硝化与反硝化,但它的缺陷是未包含磷的去除;1995年,IAWQ专家组又推出了ASM2,它不仅包含污水中含碳有机物和氮的去除,还包含了生物除磷和化学除磷过程,ASM2包含19种物质, 19种反应,22个化学计量系数及42个动力学参数; IAWQ专家组于1998年推出了ASM3。

活性污泥动力学模型为新工艺的开发、辅助设计、污水厂的运行
给水排水　Vol.26　No.8　200015　
管理、教学提供了强有力的工具。

本文就ASM 3的发展作一些简要介绍。

1　ASM 模型的理论基础
ASM 1、ASM 2排除了传统的维持(M ainte -nanc e )理论和内源呼吸(Endogenous Respiration )理论,而采取了Dold 等人1980年所提出的死亡-再生(Death Regeneration )理论对微生物衰减过程进行了模型化处理;而ASM 3采取了内源呼吸理论。

上述3种不同的微生物衰减理论如图1所示。

图1　微生物3种衰减理论
2　ASM3
2.1　ASM3的水质特性
ASM 3[1～2]假定污水中含溶解性组分S 和固形
物组分X 。

其中S 有7种,X 有6种,共13种组分。

IAWQ 活性污泥法模型中用COD 代表传统的BOD 5来表征污水中有机物含量及生物固体含量。

溶解性组分S :
①S O [M (O 2)L -3]:溶解氧;
②S I [M (COD )L -3
]:可溶惰性有机物,假定不可降解,来源于进水或由X S 水解而来;
③S S [M (COD )L -3]:易降解有机底物(COD ),这部分可以直接被异养菌利用,在ASM3中假定它首先被异养菌吸收,然后以X STO 的形式贮存。

S I +S S 基本上等于总的可溶COD (能通过0.45μm 膜过滤器);
④S NH [M (N )L -3]:氨和铵,一般假定都是铵;
⑤S N 2[M (N )L -3]:N 2,假定是反硝化的唯一产物,它可以预测是否由于二沉池中N 2过饱和而引起气泡以及污泥上浮问题,进水和气体交换而带入的N 2不予考虑;
⑥S NO [M (N )L -3]:硝态及亚硝态氮,亚硝态氮不是模型的一个组分,在所有的生化反应中,认为
S NO 只是NO -3;
⑦S ALK [mol (HCO -3)L -3]:污水碱度,可估计
生化反应中贮存电荷的能力,也可预先判断污水的
pH 值是否太低,因为低pH 值会抑制许多生化反应。

固形物组分X :
⑧X I [M (COD )L -3
]:固形惰性有机物,假定不可降解,来自进水或生物的衰减;
⑨X S [M (COD )L -3]:可缓慢生物降解的有机底物,是高分子量的胶体、颗粒状有机物,必须经过胞外水解后才能降解,假定X S 水解成S I 和S S ,这是与ASM 1不同的,所有的X S 来自进水,并假定它被截留在0.45μm 膜过滤器上; 10X H [M (COD )L -3]:异养菌,在好氧条件下都可以生长,大多数X H 在缺氧时可进行反硝化,X H 负责水解X S ;在适宜的环境条件下,都能利用所有可生物降解的有机底物。

它们可形成胞内贮存物PHA 或糖元,在ASM 3中,它们除进行胞外水解外,
不进行任何厌氧行为;
1X STO [M (COD )L -3
]:异养菌的胞内贮藏物,包括PHA 和糖元等物质,它的出现只与X H 有关,但不包括在X H 之内,此项无法分析检测到,只是个功能参数,在COD 的分析中可能检测到,但必须满足COD 守恒,在化学计量中,假设此项的组成是(C 4H 6O 2)n ;
12X A [M (COD )L -3]:硝化菌;
13X TSS [M (TSS )L -3]:总悬浮物,引入此项是为了通过化学计量计算TSS 的浓度,TSS 是污水厂日常检测的项目之一,如果进水中包含无机的TSS ,那么从ASM 3预测所得的TSS 中对此也应该有所体现,如果采用化学法除磷,那么形成的沉淀物也必须算在进水的TSS 中,也可以用X TSS 预测VSS ,这需要选择相应的TSS 组分系数(表5中的i T S ?)。

固形物组分与活性污泥相关联(絮集其上或含于其内),可在沉淀池中沉淀。

而溶解性组分只能随水输送,并且只有溶解性组分可带电荷。

ASM 3与ASM1、ASM 2的重要区别是溶解性和固形物组分可以用0.45μm 膜过滤器很好地区分辨别,而在ASM1和ASM2中,X S 可能会被留在滤出液中。

2.2　矩阵
表1为化学计量系数矩阵,是以矩阵的形式来
16　给水排水　Vol .26　No .8　2000
表1　化学计量系数矩阵v j
,i
组分i
单位
j 过程 12345
678910111213S O S I S S S NH S N 2
S NO S ALK X I X S X H X STO X A X T S O 2
COD COD N N
N
mol COD
COD COD
COD
COD
TS S 备注
1水解f SI
x 1y 1z 1-1
-i XS
水解2好氧贮存S S x 2-1y 2z 2
Y STO ,O
2
t 2异养生物反硝化
3缺氧贮存S S -1
y 3-x 3x 3z 3Y STO ,NO t 3
4好氧生长
x 4y 4z 41-1/Y H ,O 2
t 45缺氧生长(反硝化)y 5
-x 5x 5z 51-1/Y H ,NO
t 56好氧内源呼吸x 6
y 6z 6f I -1t 67缺氧内源呼吸y 7
-x 7
x 7
z 7f I
-1
t 7
8利用X STO 的好氧呼吸x 8
-1t 89利用X STO 的缺氧呼吸-x 9
x 9z 9-1
t 910硝化
x 10y 101/Y
A
z 101t 10自养生物硝化
11好氧内源呼吸x 11
y 11z 11f I -1t 1112缺氧内源呼吸
y 12
-x 12
x 12
z 12
f I -1
t 12
描述活性污泥系统中各种组分的变化规律和相互关系,行号用j 表示,列号用i 表示;矩阵最上面一行i 从左到右列出了模型所包含的各种参与反应的组分,左边第一列j 从上到下列出了各种生物反应过程。

表2为转换系数矩阵。

在表3中列出了各种生物化学反应的速率表达式。

化学计量系数表明组分i 与过程j 的相互关系。

若某一组分不参与过程变化,相应的计量系数为0,矩阵中用空项表示。

计量系数的符号表示该组分在转换过程中的增减,通过矩阵可以非常方便地看出所有可能的反应过程对所
表2　转换系数矩阵l k ,i
守恒物k 物质i 1COD 2氮3电荷4TSS /gCOD /gN
/mol +
/g TS S
1S O /O 2-12S I /COD 1i NSI 3S S /COD 1
i NSS 4S NH /N 1
1/14
5S N 2
/N
-1.7116S NO /N -4.57
1-1/147S ALK /mol -1
8X I /COD 1i NXI i TSXI 9X S /COD 1i NXS i TSXS 10X H /COD 1i NBM i TSBM 11X STO /COD 10.6012X A /COD
1
i NBM
i TSBM
有组分的影响及各种组分的表观反应速率。

序号为
i 的组分的表观反应速率γi 可由式(
1)计算:γi =
∑j
v ij ρ
j (1)
式中v ij ———表1中i 列j 行的化学计量系数;
ρj ———表3中j 行的反应过程速率。

例如S S 的表观反应速率为:γ3=
∑v 3j ρ
j =v 31ρ1+v 32ρ2+v 33ρ3=x 1·k H ·X S /X H
K X +X S /X H ·X H +
　(-1)k ST O ·
S O K O +S O ·S S
K S +S S
·X H +
　(-1)k ST O ·ηNO ·K O K O +S O ·
S NO
K NO +S NO
　·
S S
K S +S S
·X H
表3中的反应速率ρ使用了“开关函数”这一概
念来反映环境因素改变所产生的遏制或促进作用,即反映进行与否及速率如何。

对于需要电子受体的反应过程来说,开关函数的作用尤为重要。

例如:在反硝化过程(过程5)的速率表达式中的开关函数K O /(K O +S O ),当溶解氧趋于0时,开关函数趋于1,反硝化能顺利进行;反之,当溶解氧达到一定浓度后,开关函数趋于0,反硝化过程停止。

ASM 3突出了转换系数矩阵l k ,i 的重要性。

给水排水　Vol .26　No .8　2000
17　
表3　反应速率表达式
j过程速率ρj,ρj≥0备注
1水解k H·
X S/X H
K X+X S/X H
·X H水解
2好氧贮存
S S
k STO·
S O
K O+S O
·
S S
K S+S S
·X H
异养
生物
反硝
化　
3缺氧贮存
S S
k STO·ηNO·
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μH·
S O
K O+S O
·
S NH
K NH+S NH
·
S ALK
K H C O+S ALK
·X STO/X H
K STO+X STO/X H
·X H
5缺氧生长
(反硝化)
μH·ηNO·
K O
K O+S O
·
S NO
K NO+S NO
·
S NH
K NH+S NH
·
S ALK
K H CO+S ALK
·
X STO/X H
K STO+X STO/X H
·X H
6好氧内源
呼吸
b H,O
2
·
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利用
X STO的
好氧呼吸
b STO,O
2
·
S O
K O+S O
·X STO b STO,O
2
≥b H,O
2
9利用
X STO的
缺氧呼吸
b STO,NO·
S O
K O+S O
·
S NO
K NO+S NO
·X STO b STO,NO≥
b H,NO
10硝化μA·
S O
K A,O+S O
·
S NH
K A,NH+S NH
·
S ALK
K A,HCO+S ALK
·X A
自养
生物
硝化
11好氧内源
呼吸
b A,O
2
·
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
l k,i转移系数,指将单位量的组分i转换成当量的物质k(对k应用守恒方程),例如:l1,6对应于i COD,S
NO =-64gO2/14gNO-3-N=-4.57,得:NO-3+H2O +2H-※NH+4+2O2,下标k=1指对COD应用守恒方程,下标i=6指第6种物质S NO,S NO以gN计量,守恒物质COD以gCOD计算,因此通过l1,6可以将以mg/L的NO-3-N转换成当量的COD。

转换系数矩阵所有空白的地方都表示值为0。

化学计量系数矩阵中的x j、y j、z j都可以从守恒方程(2)(指COD、N、电子的守恒)得到:
∑
j
v j,i l k,i=0(i=1～12)(2)守恒方程(2)对所有的过程j都有效。

值得一提的是,S N
2
的化学计量系数与S NO的化学计量系数相反(对应于反硝化过程)。

相对于NH+4、CO2、H2O而言,电子供体S N
2
、S NO、S O的转
换系数i COD,N
2
,i COD,NO,i O<0。

X TS一列的t?可由质量守恒方程(3)得到。

∑
j
v j,i l4,i=0(i=8～12)(3) 在原污水的水质特性分析及化学计量系数、动力学参数、转换系数的确定中,许多参数都是不能直接测定或准确测定的,并且一些分析方法尚未标准化,有待作进一步的开发。

2.3　反应过程
处理系统中共有12种反应,见表3。

ASM3只包括微生物转变过程,不包括化学沉淀过程,但若想加入,可在ASM2的基础上,很容易就加上。

(1)水解　活性污泥系统的进水中的所有X S 都进行水解。

ASM3假定这个过程是独立于电子供体而独立进行。

与ASM1相比,ASM3减弱了水解对耗氧速率和反硝化速率的控制作用。

(2)易降解基质的好氧贮存　这个过程描述将S S以X STO的形式贮存于胞内,它需要有氧呼吸提供的ATP供能,假定所有基质先变成贮存物再同化成生物体组分。

虽然在实际中并没有观测到上述假定的现象,但是由于现在没有可靠的模型可以分别预测基质被贮存、同化、异化,所以专家组建议暂时使用这个最简单的假定。

(3)缺氧贮存易生物降解基质　这个过程与(2)相同,但能量由反硝化而不是有氧呼吸提供。

至今仍不清楚是X H的一部分有反硝化能力,还是全部异养菌都能以一个与好氧呼吸相比较小的速率进行反硝化。

ASM3没有区分这两种异养菌,只是认为与好氧贮存速率相比缺氧贮存速率是较小的。

(4)X H的好氧生长　假定供X H生长的基质全是贮存的X STO,这使ASM3大为简化。

(5)X H的缺氧生长　这个过程与(4)相同,但能量由反硝化而不是有氧呼吸提供的。

由试验观察知,与有氧呼吸速率相比,反硝化速率是很低的。

18　给水排水　Vol.26　No.8　2000
(6)好氧内源呼吸　此过程描述了各种形式的不与生长相联系的微生物的减损和能量需求(不包括好氧生长所需能量),它是指:衰减(维持)、内源呼吸、溶菌、捕食、游动现象、死亡等等。

此过程与ASM 1中的衰减(溶菌)过程明显不同。

(7)缺氧内源呼吸　这个过程与(6)相似,但速率明显缓慢,尤其是原生动物的捕食作用在反硝化的条件下比好氧条件下明显降低。

(8)利用贮存物质的需氧呼吸　这个过程与内源呼吸相似,此过程确保贮存物质与生物体一同衰减。

(9)利用贮存物质的缺氧呼吸　这个过程与(8)相似,不过是在反硝化的条件下进行的。

(10)、(11)、(12)是与自养生物相关的反应,分别是硝化、好氧内源呼吸、缺氧内源呼吸。

表4、表5中给出了动力学参数和化学计量学
表4　ASM3动力学参数的典型值
符号意义
温度
10℃20℃
单位
备注
k H 水解速率常数23g X S g -1X H d -1水解
K X 水解饱和常数11g X S g -1X H k STO 贮存速率常数2.5
5
g S S g -1X H d -1
异养菌反硝化
ηNO 缺氧贮存减速因数0.60.6
K O S O 饱和常数0.20.2g O 2m -3
K NO S NO 饱和常数0.50.5g NO -3-Nm -3
K S S S 饱和常数22g CODm -3K STO X STO 饱和常数11g X ST O g -1X H μH X H 的最大比生长速率1
2
d -1
K NH S NH 饱和常数0.010.01g Nm -3
K H C O X H 碱度饱和常数0.10.1m ol HCO -3m
-3
b H ,O
2
X H 好氧内源呼吸速率0.10.2d -1b H ,NO X H 缺氧内源呼吸速率
0.050.1d -1b STO ,O
2
基于X STO 的好氧呼吸速率
0.10.2d
-1
b STO ,NO 基于X STO 的缺氧呼吸速率0.050.1d -1μA X A 的最大比生长速率0.351.0d -1自养菌硝化　
K A ,NH X A 氨氮饱和系数1
1
g Nm -3
K A ,O
X A 氧饱和系数
0.50.5g O 2m -3
K A ,HCO X A 碱度饱和系数0.50.5m ol HCO -3m
-3b A ,O
2
X A 好氧内源呼吸速率0.050.15d
-1
b A ,NO
X A 缺氧内源呼吸速率
0.020.05d -1
表5　ASM 3化学计量系数及转换系数的典型值
符号意义
取值单位
f SI X S 水解产物中S I 的比例
0　g S I g -1X S Y STO ,O
2
好氧条件下S S 转变成X STO 的比率
0.85g X STO g -1S S Y STO ,NO 缺氧条件下S S 转变成X STO 的比率0.80g X STO g -1S S Y H ,O
2
异养菌的好氧产率0.63g X H g -1X STO Y H ,NO 异养菌的缺氧产率0.54g X H g -1X STO Y A 自养菌产率0.24g X A g -1S NO i NSI S I 中N 含量0.01g Ng -1S I i NSS S S 中N 含量0.03g Ng -1S S i NXI X I 中N 含量0.02g Ng -1X I i NXS X S 中N 含量0.04g Ng -1X S i NBM X H ,X A 中N 含量0.07g Ng -1X HorA i TSXI TSS 与X I 比值0.75g TSg -1X I i TSXS TSS 与X S 比值0.75g TSg -1X S i TSBM TSS 与X H ,X A 比值
0.90g TSg -1X Ho r A i TSSTO
TSS 与X STO (以PHB 计)比值
0.60g TSg -1X STO
参数的推荐值,这些值只是为了说明这些参数的数
值概念,并不是针对某一类污水。

如果在设计和运行管理中使用这些参数,则需要通过试验或直接从
生产性处理厂的测定结果确定这些参数。

3　结语
以上简要介绍了ASM 3的水质特性、反应过程以及化学计量系数、转换系数、动力学参数的意义及典型值。

ASM 3的准确性和应用价值还需要通过大量的试验进行验证。

与ASM 1相比,ASM 3包括了
胞内过程的更详细的描述,并且允许衰减过程更适应环境条件,降低了水解的重要性。

溶解性和固形
物有机氮的降解合到水解、衰减和生长过程中。

参考文献
1　Willi Gujer ,M ogens Henze .Takahashi M ino and M ark Van Loos -drecht .Activated Sludge M odel No .3.Wat Sci Tech ,1999,39(1):183～193
2　M ark C M Van Loosdrecht and M ogens Henze .M aintenance ,Endo -geous Respiration ,Lysis ,Decay and Predation .W at Sci Tech ,1999,39(1):107～117
⊙作者通讯处:150090哈尔滨建筑大学新区607#　电话:(0451)6282443(H )6282102(O )　收稿日期:2000-3-13
给水排水　Vol .26　No .8　2000
19　
WATER&WAS TEWATER ENG INEERING Vol.26No.8August2000
CON T EN TS
……) Halo-Acetic Acids as an Indicator of the Total Carcinogentic Risk of Disinfection By-Pro ducts Z hang X iaojian et al(1 Abstract:This ar ticle set up a method to calcula te the carcinogenic risk of disinfection by-products(DBPs),and analysed some representative data of DBPs in drinking w ater.The analy sing results sho wed that:(1)poor co rrelation (R2≤0.4887)w as found between trihalomethanes(THM s)and halo-acetic acids(HA As),and predictions o f one kind of DBPs based on another kind is no t feasible;(2)the carcinogenic risk of HAAs was always found to be the major por tion of the total carcinogenic risks of DBPs(more than91.9percent);(3)a high correlation(R2≥0.919)was found between HAAs concentratio n and the total carcinogenic risks of DBPs.T herefore,it can be proposed that HAAs concentration in drinking w ater be used as a preferential indica tor of the total carcinogenic risks of DBPs.
………………………) Experiment and Research on Performance and Calculation of Sludge D rying Field Cheng Xi et al(6 Abstract:Based on the results of bench scale drying column and field experiment of pilot sand drying bed,the per-fo rmance of sand drying beds for w aterw orks sludge dewa tering w as researched,and some problems existed in the pre-sent desig n metho ds for sand drying beds were studied.O n the basis of experiment data statistics,a rational method to evaluate drainable w ater under different operation conditions w as presented.M eanwhile a co ncept of specific resistance of
sludge was introduced into the calculation process in design,which makes the effect of the sludge characteristics on dry-ing efficiency be reflected in the desig n process.Besides these,also some opinions on the verification perio d of desig n and evaporation rate of sludge w ere discussed.
…………………………………) Experiences on Design of Full Gravitational Water Supply System Wang Jingzheng et al(12 Abstract:Bay uquan Water Supply Engineering in Ying kou city,Liaoning P rovince,has a desig n capacity of180 thousand cubic meters per day.T he raw water is taken from a reservoir and carried for long distance by g ravitational water co nduit to the urban area.T he ex periences on desig n o f this project related to w ater intake,w ater co nveyance,
water purification and water distribution are reviewed.
…………………………………………) Advances on the Kinetic Model of Activated Sludge Process Peng Y ongzhen et al(15 Abstract:I n this paper,we introduced the development of activated sludge model N o.3(ASM3):it related to the activ ated sludge model No.l(ASM1)and corrected for some defects of ASM1,and it is provided as a reference in a form
which can be implemented in a computer code without further adjustments.ASM3can predict ox ygen consumption,
sludge production,nitrification and denitrification of activated sludg e systems.ASM3is based on Endogenous-Respira-tion and it emphasized o n the storage of organic substrates and co mpositio n matrix.Established on reasonably theo retical basis,ASM3combines tightly with practice and has been simplified to so me extent.T his is also the development direc-tion of the activated sludge model.
…………………………………………………………………………) Wastewater Treatment in Mexico City Ren Hey un(20 Abstract:The process,structures and performances o f some wastewater treatment plants in M exico city were pre-sented.
C alculation of Water Distribution Network Flowrate Distribution by High Power Pipe Segment Length
………………………………………………………………………………………………………)　Wang Guoming et al(23 Abstract:In this paper,several available methods to se ttle initial discharg e distribution of pipe-segment in w ater supply netwo rk are compared each other.A metho d o f least square summation with high power of pipe-segment is intro-duced.
…………………………………………) Optimization on Free Chlorine Determination of D rinking Water Y ang Zhengfu(26 Abstract:Almost factors on determinatio n of free residual chlorine were studied.In addition,the best conditio ns were decided.T he free residual chlorine of three water samples w as determined.T he results were very consistent w ith。