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摘要：活性污泥过程是废水生物处理的重要方法，在城市污水和工业废水的处理中已得到大量应用，国际水质协会（IAWQ）先后发表了ASM1、ASM2、ASM3三种活性污泥过程模型，是活性污泥过程模型化的重要里程碑。ASM系列模型对活性污泥过程内部作用机理的研究在废水处理计量学的出现与发展中起到了重要作用。本文主要从ASM模型的基本原理、模型组分、基本速率方程、典型参数取值以及模型计量学等几个方面对ASM3模型进行了详细的分析，并探讨了ASM3模型的局限。
关键词：ASM3；模型；计量学；活性污泥过程
1理论基础
活性污泥过程模型ASM1、ASM2和ASM3在微生物作用的机理方面有所不同。ASM1、ASM2主要基于微生物的死亡—再生及维持理论，而ASM3主要基于微生物的内院呼吸及维持理论。ASM1、ASM2及ASM3模型的提出是活性污泥过程模型化工作的重要里程碑，反应了对活性污泥过程认识的不断深化。活性污泥过程模型的建立体现了“有分析到综合”的思路，即将整体分割成部分，了解每一部分的工作原理，然后利用质量守恒、反应动力学及经验公式建立各部分的微分方程，并形成微分方程组，再利用数值积分对方程组求解，以获得能满足所有方程的各变量的一组解。
活性污泥过程是废水生物处理的重要方法，在城市污水和工业废水的处理中已得到大量应用，活性污泥过程的模型化工作也有了长足的发展。为建立活性污泥过程的机理模型，1983年国际水污染控制与研究协会（IAWRC）（IAWQ前身）在前人活性污泥模型化的基础上，经过4年的收集、分析、比较、归纳的研究工作，于1986年发表了ASM1活性污泥过程模型。ASM1模型即那个曝气池内的过程分解为8个过程，将曝气池内的物质分解成13个组分，利用质量守恒、反应动力学、经验公式及参数建立了描述整个系统动态性质的微粉的方程。
1993年ASM3问世。该模型针对ASM1中的问题进行了改进，主要模拟除碳、脱氮等过程的动态性质，不包括除磷。ASM3包含13种组分、12个反应过程、15个化学计量系数和21个动力学参数。ASM3的复杂性类似于ASM1，只是侧重点由水解转为有机物的贮存，底物贮存现象已被许多研究者观测到。ASM1中仅引入溶胞过程来描述所有的衰减过程，这主要是因为1985年首次出版ASM1时，当时计算能力相当缺乏，为节省运算时间采用最简单的描述。如今既然计算已不再成为限制条件，ASM3介绍了一个更符合实际的衰减过程，内源呼吸更接近于观察到的现象，相关速率常数可直接获得而与化学计量学参数无关。与ASM2 相似，ASM3 包括胞内贮存物。这需要模拟微生物胞内结构。衰减过程（包括捕食）必须包括这两部分生物体，因此有4个衰减过程（异养菌XH和异养菌的胞内贮存产物XSTO在好氧和缺氧条件下的消亡），而且好氧和缺氧条件下的生长过程动力学也和XSTO与XH的比值有关。
2模型组分
ASM3包含13种组分，其中溶解性组分7种，颗粒性组分6种。溶解性物质质量浓度用S表示，颗粒性物质质量浓度用X表示；其中下标H表示异养菌，下标O表示自养菌，下标S表示有机底物，下标D表示溶解氧。模型将指数i分配给每个组分，i=1～13。活性污泥系统中，假设颗粒性物质与活性污泥相关联（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，而可溶性物质只能通过水来传输，并且只有溶解性物质才可携带离子电荷。
3模型反应过程及其动力学速率表达式
ASM3仅包括微生物转化过程，不包括化学沉淀过程。ASM3涉及的转化过程有12种，模型将指数j分配给每个工艺过程，j=1～12。它们的动力学速率表达式（ρj≥0）如下所示：
⑴ j=1水解：
对活性污泥系统进水中的所有XS都进行水解。ASM3假定这个过程非常活跃，是独立于电子供体而进行。与ASM1相比，ASM3水解对控制耗氧速率和反硝化作用的作用甚微。
⑵ j=2易生物降解底物的好氧贮存：
这个过程描述将SS以XSTO的形式贮存于胞内，它需要有氧呼吸提供的ATP供能，假定所有底物首先转化成贮存物质，然后再同化成生物体组分。虽然在实际观测中绝对不存在这样的过程，但是由于现在没有模型可以分别模拟底物的贮存、同化和异化各反应过程。所以国际水协课题组还是建议暂时使用这个最简单的假定。不过，应用一个低产率系数（YSTO）表示贮存，有一个较高值（YH）表示生长，则可以近似反映直接生长的情况，而不是先贮存后生长。
⑶ j=3易生物降解底物的缺氧贮存：
这个过程与好氧贮存（2）相同，但所需能量由反硝化反应提供。因为异养菌只有一部分能够进行反硝化，所以ASM3采用了比好氧贮存速率低的缺氧贮存速率。
⑷ j=4异养菌的好氧生长：
假定供异养菌生长的底物都是由XSTO组成。这一假设大大简化了ASM3氨氧化为硝酸盐的过程中大量消耗碱度以中和氨氮氧化过程中释放的氢离子。只有一小部分碱度被转化为细胞物质。
⑸j=5异养菌的缺氧生长：
这个过程与好氧生长（4）相同，但能量由反硝化而不是有氧呼吸提供的。同样，考虑到异养菌只有一部分能反硝化，ASM3采用了比好氧速率低的缺氧贮存速率。
⑹j=6异养菌好氧内源呼吸
此过程描述了各种形式的不与生长相联系的生物体损失和能量需求（不包括好氧生长所需能量）：衰减、维持、内源呼吸、分解、捕食、运动、死亡等。此过程与ASM1中的衰减（死亡分解）过程有极大的不同，ASM1采用“死亡—再生”理论，异养菌在一个循环的反应流程中利用COD—衰减产物进入水解过程，并且引发额外的生长，结果是硝化菌的衰减增强了异养菌的生长，也难以将自养菌与异养菌完全分离。而ASM3中则对两菌种的反应过程进行了清晰的划分，COD不会从一组反应进入另一组。
⑺j=7养菌缺氧内源呼吸：
这个过程与好氧内源呼吸（6）相似，但速率明显低得多，尤其是原生动物的捕食作用在反硝化的条件下远没有好氧条件下活跃。
⑻j=8贮存产物的好氧呼吸：
这个过程与内源呼吸相似，它确保贮存物质的衰减与生物体的衰减同步。
⑼j=9贮存产物的缺氧呼吸：
这个过程与好氧呼吸（8）相似，不过是在反硝化的条件下进行的。
⑽j=10自养菌的好氧生长：
这一过程以氨为供氢体，不需要消耗有机贮存产物。
⑾j=11自养菌的好氧内源呼吸：
这一过程与异养菌好氧内源呼吸原理相同。
⑿j=12自养菌的缺氧内源呼吸：
这一过程与异养菌缺氧内源呼吸原理相同，只是缺氧内源呼吸速率比好氧内源呼吸速率低得多。
ASM3的动力学表达式ρj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，当工艺过程参照物质质量浓度趋于零时，开关函数将停止一切生物活动。动力学表达式的选定不是基于实验数据，而是数学计算方便的需要。例如：在过程5的速率表达式中的开关函数KO/（KO+SO），当溶解氧SO趋于0时，开关函数趋于l，反硝化能顺利进行；反之，当溶解氧SO达到一定浓度后，开关函数趋于0，反硝化过程停止。
4 ASM3模型的局限
⑴ASM3的建立是为了模拟在活性污泥系统中好氧、缺氧对生活污水的处理，不适用于工业废水。
⑵ASM3模拟的温度范围应在8～23℃之间。超出这一范围，应用模型可能会导致严重误差。
⑶ASM3模拟的pH值范围应在6.5～7.5之间。碳酸氢盐的碱度（SALK）用于及早警示pH值将可能超出这一范围。
⑷不能处理亚硝酸盐浓度升高的情况。
⑸ASM3没有描述厌氧条件微生物活动过程。
⑹不适用于超高负荷或泥龄小于1d的活性污泥系统。这些情形下，XS的絮凝、吸附和贮存将受到制约。
⑺ASM3只提出了模型的结构，但没有给出模型参数的绝对值。
参考文献：
[1]姚重华．废水处理计量学[M]．北京：化学工业出版社，2002．
[2]IWAQ著，活性污泥数学模型[M]，张亚雷，李咏梅译，上海：同济大学出版社，2002．
[3]高廷耀，顾国维，水污染控制工程[M]，北京：高等教育出版社，1999
[4]胡晓东，运用活性污泥一号模型对缺氧—好氧生物废水处理工艺的模拟
论文作者:樊晓晨1,张连强2
论文发表刊物:《基层建设》2018年第3期
论文发表时间:2018/5/18
标签：过程论文; 污泥论文; 模型论文; 活性论文; 呼吸论文; 速率论文; 组分论文; 《基层建设》2018年第3期论文;