11-0158-110414- 活性污泥数学模型的研究进展

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1、活性污泥数学模型的研究进展李远光蒋建军（上海石油化工股份有限公司腈纶事业部上海200540）摘要：综述了国际水协会（IWA）推出的活性污泥法数学模型（ASM系列）的的组分、特点、使用限制、相互之间的关系和基于ASM系列而开发的程序和软件，以及国内在活性污泥数学模型研究中的成果，提出其研究方向及发展趋势。关键词：活性污泥法数学模型工艺软件发展及应用活性污泥模型是利用数学模型来表述废水中各种污染物质与废水处理系统中微生物之间的复杂生物化学反应过程。它不仅有助于新建废水处理系统的设计和优化运行管理，而且对现有废水处理系统的

2、处理能力或功能扩增起重要作用。一、活性污泥数学模型的发展[1]1983年原国际水污染研究与控制协会IAWPRC（现更名为国际水协会，IWA）成立了活性污泥通用模型国际研究小组，在已有的各种活性污泥数学模型发展的基础上，于1987、1995、1999年推出了活性污泥1号（ASM1）、2号（ASM2）、3号（ASM3）模型。IWA的活性污泥模型在表述方面的最主要特征是采用矩阵的形式来描述活性污泥系统中各组分的变化规律和相互关系，并在矩阵反应速率中使用了“开关函数”的概念，以反映环境因素改变而产生的抑制作用，避免那些具有开

3、关型不连续特性的反应过程表达式在模拟过程中出现数值不稳定现象。1、活性污泥号模型（ASM1）在南非的Marais和Dold等人研究的基础上，IWA于1987年推出的活性污泥1号模型（ASM1），是活性污泥模型发展的里程碑，它包括了碳化、硝化、反硝化过程及其他内容：（1）13种组分易降解有机碳Ss、缓慢降解有机碳Xs、可溶性可降解有机氮Snd、颗粒性可降解有机氮Xnd、溶解氧So、氨态氮Snh、硝态氮Sno、碱度Salk、异养菌Xbh、自养菌Xba、可溶惰性有机碳Si、颗粒惰性有机碳Xi、微生物衰减产物Xp。（2）8个

4、反应过程异养菌的好氧、缺氧生长及衰减过程；好氧菌的好氧生长及衰减过程；溶解性有机氮氨化；絮集有机物和有机氮的水解过程。（3）19个参数异养菌、自养菌生长和衰减过程及污泥所絮集的颗粒性COD水解过程的14个动力学参数和5个化学计量参数。ASM1推出后，在欧美得到了广泛的使用，成为模拟活性污泥系统的强有力的工具。ASM1主要缺陷是未包含污水中磷的去除。ASM1的不足是它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；氨化动力学无法真正量化，通常假设所有有机物组分组成恒定（恒定的N：COD）

5、；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；仅用伴有水解的衰减和生长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；没有区分硝化菌在好氧和缺氧条件下的衰减速率等。2、活性污泥2号模型（ASM2）IWA于1995年推出了活性污泥2号模型（ASM2），它在ASM1的基础上引人了生物除磷的过程，首次将含碳有机物、含氮有机物的去除与生物除磷反应包含在一个整体模型中。生物除磷是一个非常复杂的过程，因此更加庞大复杂。A

6、SM2的建立原理与ASM1基本相同，不同之处为：①引入了聚磷菌（XPAO）作为新的微生物组分；②引入聚羟基脂肪酸脂（XPHA）及聚磷酸盐（Xpp）为胞内聚合物参与聚磷菌的代谢；③引入总悬浮固体（XTSS）作为变量；④水解过程分成好氧、缺氧、厌氧三种类型。这样ASM2包含17个组分及17个子过程（可选组分及过程除外），ASM2可模拟活性污泥过程除碳、脱氮、除磷的动态过程。ASM2简化了ASM1中的一些过程，如去掉了溶解性有机氮的氨化和颗粒性有机氮的水解过程。将这些过程隐含于化学计量系数中。从有机磷到可溶性磷的转化也是依

7、据此思路。ASM2对厌氧过程的描述与ASM1有很大的不同。尽管仍在微生物的死亡和溶胞作用进行，ASM1中假设其在厌氧条件下的生长和水解过程均停止，这符合ASM1过程的描述。ASM2中包括发酵过程，厌氧条件下易发酵基质产生醋酸盐，并被聚磷菌贮藏形成PHB。在缺氧条件下，当硝酸盐作为电子受体时，发酵速率下降，普通的异养生物与聚磷菌竟争醋酸盐。ASM2中普通异养菌的活性范围扩大了。由于假设异养生物不能在厌氧条件下生长，因此ASM2不能模拟一个完整的厌氧系统，仅能模拟作为好氧和缺氧系统中一部分的厌氧区。ASM2中假设聚磷菌只

8、能在好氧条件下生长，只能利用贮藏的PHB作为生长基质，不能利用硝态氮作为电子受体，也不能利用贮藏在细胞中的或介质中的其它电子供体。研究发现它们聚磷菌中的一部分可以进行反硝化，但在硝态氮存在的情况下磷的释放速率会下降。IWA在1999年提出了ASM2d模型，假设聚磷菌既可在好氧（SO₂>0）条件下生长，又可在缺氧条件（SO₂≈0，SNO₃>0）下