ASM1模型中污水特性组分参数的研究

崔力明1，杨海真1，杨光2
(1.同济大学环境科学与工程学院，上海 200092；2.东华大学环境与市政工程学院，上海 200051)

　　摘要：活性污泥1号模型ASM1中的参数确定可指导活性污泥法工艺设计与运行，对国内外ASM1模型污水特性参数的测定及计算方法进行了归纳和比较，提出测定该模型参数的方法。
　　关键词：活性污泥；数学模型；污水处理
　　中图分类号：X703.1　　 文献标识码：A　 　文章编号：1009—2455(2003)05—0001-03

A Research into the Characteristic Composition Parameters of Wastewater in Model ASM1

cui li-ming,yang hai-zhen,yang guang
(1.school of environmental science and engineering , tongji university , shanghai 200092,china;
2.college of environmental science and engineering , donghua university , shanghai 200092,china)

　 Abstract：The parameters in Activated Sludge Model NO.1 (ASM1) may be used to guide the design and operation of activated-sludge proceS_S. the methods used in China and outside China for measuring and calculating the characteristic parameters of wastewater in ASM1 are summarized and compared with each other，with a method proposed for the determination of the parameters of the said model．
　　Key words: activated sludge；mathematic model；wastewater

1 ASM1 模型中污水特性组分参数概述

　　国际水协会(International AS_Sociation on Water Quality,IAWQ)于1987年提出了活性污泥1号模型(ASM1)，在ASMl的基础上分别于1995和1999年提出了ASM2和ASM3。这三个模型推出后，已得到广泛的应用，目前已用于新建污水厂，改建污水厂，也可用于已有污水厂的静态、动态模拟以寻求最佳运行状态。ASM1模型着重于废水生物处理的基本原理、过程及动态模拟，首次把氮的去除纳入模型，其中包括了13个污水特性组分参数。与ASM1中的模型参数相比，ASM2和ASM3模型中增加了许多新的污水特性参数，比如 Spo4,Xpao,X_STO和X_SS。然而，IAWQ三个模型的参数均是基于ASM1号模型中的13个基础特性参数(表1)。因此，ASM1中的污水特性参数是研究整个活性污泥法模型的基础[1]。

表1　 ASM1中各水质参数组分的意义 序号 组分符号 定义 1 S_I 可溶性情性有机物，mg/L 2 S_S 易生物降解有机物，mg/L 3 X_I 颗粒性情性有机物，mg／L 4 X_S 慢速生物降解有机物，mg/L 5 X_BH 异养活性生物量，mg／L 6 X_BA 自养活性生物量，mg／L 7 X_P 由微生物衰解产生的颗粒性有机物，mg／L 8 S_O 溶解氧，mg／L 9 S_NO 硝酸盐与亚硝酸盐氮，mg/L 10 S_NH NH4++NH3氮，mg／L 11 S_ND 溶解性可生物降解有机氮，mg／L 12 X_ND 颗粒性可生物降解有机氮，mg／L 13 S_ALK 碱度

2 模型参数目前研究进展

2.1COD组分参数
　　ASM1模型中COD组分的划分基于溶解性、可生物降解性、降解速率以及是否为活性微生物四个方面。不可生物降解的有机物质呈生物惰性，它们在经过活性污泥处理后没有发生形态上的变化，如S_I，X_I。可生物降解的有机物分为易生物降解物质和慢速生物降解物质。而微生物分为异养活性微生物和自养活性微生物[2-3]。模型中总的COD可以用下面的公式表示：

　　COD_tot=S₁+S_s+X_I+X_S+X_BH+X_BA+X_P　　 (1)

　　STOWA(Foundation for Applied Water Management Research)在1996年对这13种组分进行了研究，对测定人流污水中各组分的物理化学法和生物法进行了比较。研究认为对于COD组分的测定，推荐使用传统的物理化学方法和目前已经成熟的OUR法(Oxygen Uptake Rate)。STOWA认为在低负荷的活性泥法中，惰性溶解性的S_I等于出流水中COD含量的90％；而在高负荷的活性污泥法系统中的S_I的含量等于出流水中COD含量减去BOD后的量的90％。溶解性的总COD减去S_I剩下的部分就是S_S。X_S的值通过20d的BOD实验，用BOD／(1-YH)的值减去S_S来确定。X_I的值用颗粒性的总COD减去X_S得到。显而易见这些方法是基于废水中COD各组分的溶解性的不同来区分的。对于易生物降解和慢速生物降解的物质来说，使用这种方法会使得这两者的区分不够准确。
　　IAWQ也推荐了一些测定方法[4]。对泥龄超过10d的完全混合式废水样品进行长时间间歇曝气实验，定期取样分析其中可溶性的COD，当其浓度恒定时，可溶性的COD的值就是S_I。在单一完全混合反应器中，污泥停留时间为2d，日循环脉冲进水(进水12h，停止进水12h)，投加硝化抑制剂烯丙基硫脲(ATU)。使用溶氧仪测定耗氧速率作图(见图1)。然后根据以下公式求得S_S。

　　　　S_S=⊿OUR·V/[Q(1-Y_H)]　　　　　　　(2)
　　　　Y_H=COD_总-COD_可溶性　　　　　　　　　(3)

式中：⊿OUR—停止进水后OUR的变化，mg/(L·h)；
　　　V—反应器的容积，L；
　　　Q—进水流量，L/h；
　　　COD_总—混合液中总COD，mg/L；
　　　COD_可溶性—混合溶液中溶解性COD，mg/L。

　　但是此方法对温度和负荷十分敏感，实际操作难度大。该测定方法假设X_S的水解速率恒定，实际上在实验中恒定速率很难保证；测定时间长达24h，且前期反应器要达到稳态所用的时间更长。ASMl中X_I用模型进行拟和求得，然后根据COD组分的大平衡求得X_S。
　　Ekama等人认为泥龄大于3d的活性污泥法工艺污水厂出流水的溶解性的COD即是S_I[4]。这样得到S_I是一个近似值，为了得到较为精确的Sl值，可以使用ASMl中测定S_I的方法。在Ekama观点的基础上，Mamais等人假设颗粒状的有机物中不含有易降解物质，采用硫酸锌使废水形成悬浊液，然后吸附过滤原废水中的胶体物质，再用0.45μm的滤膜过滤上清液后，按标准方法分析测定其中的COD浓度。最后用过滤废水中的COD减去S_I值，求得S_S。此方法简便快捷，但pH值的轻微波动都会对S_S的测定结果产生较大影响，测定结果产生偏差的概率高。Kappeler和Guier等使用批量反应器，用溶氧仪测定耗氧速率的变化来得到S_S和X_S，即OUR法。如图2，在OUR曲线图上I区、Ⅱ区分别表示微生物利用S_S，X_S降解造成的溶氧变化，以⊿OURI和⊿OURII表示。Ⅲ区表示微生物的内源呼吸阶段[5-6]。根据以下公式来计算S_S以及X_S的值：

　　S_S=[V_W+V/V_W]·[⊿OUR_I／(1-Y_H)]　　　　　　　(4)
　　XS=[V_W+V/V_W]·[OURⅡ／(1-Y_H)]　　　　　　 　(5)
式中：V_W—污水体积，L；
　　　V—污水体积。L；
　　　⊿OURI，⊿OURII—I，II阶段OUR变化，mg/L。

2.2 含氮组分参数
　　ASM1中的含氮组分的划分与COD的划分方法相一致，但忽略了溶解性的不可生物降解的有机氮，因此在模型中不涉及溶解性的不可生物降解有机氮的输入[3]。总氮的质量浓度使用下式表示：

　　ρ(N_tot)=S_NH+S_ND+S_NO+X_ND+X_NI+i_XB·(X_BH+X_BA)+i_XP·X_{P　　　　　　(6)}

　　STOWA关于氮的测定方法与IAWQ的方法基本相同，均采用常规化学分析法，有机氮部分的测定（S_ND和X_ND）按相应的COD比例确定。

3 ASM1中水质特性参数的测定方法

3.1 ASM1中的COD组分
　　S_I测定的方法推荐使用ASM1中使用的长时间曝气法。但是要注意到S_I的值在不同的水样中变化很大，由于在活性污泥反应中也有可能产生S_I，所以可能出现S_I在出水中比进水还要大的情况。在城市污水中，S_S主要是简单的低分子溶解性有机物，可以直接被微生物利用，生物降解速度快。X_S由较高相对分子质量的化合物组成，包括部分溶解性的物质、部分胶体以及颗粒状的有机物。
　　测定S_S和X_S推荐使用批量OUR法。测定使用2.5L的反应器，实际工作体积为2L。pH值控制在7.5～8.5之间，在反应器中投加硝化抑制剂ATU10mg/L。污泥来自城市污水厂，在实验室用城市污水培养，泥龄10d，测定前取一定量的污泥经6～8h无进水曝气，再用蒸馏水冲洗，减小残余COD的影响。间歇大量曝气使DO上升至6-7mg/L以上，然后停止曝气，密封反应器，用溶氧仪测定、记录DO变化，以DO下降的梯度作为该时段反应器中OUR值。绘出OUR曲线，根据图2和公式（5）、（6）计算S_S和X_S的值。
　　X_I可以借鉴使用测试S_I中的长期BOD方法测试。假设自养菌可以忽略，那么XP的值可以通过异养菌的衰解系数求得。
　　XBH通过以下公式计算[7]：

　　XBH=YH·[θ_X/θ_H]·COD_Degraded/(1+b_H·θ_X) 　　　　　　[7]

　　Dupont等人研究认为X_BA可以通过以下公式计算：

　　X_BA=Y_A·[θ_X/θ_H]·f_Aerobic·N_Nitr/(1+b_A·θ_X) 　　　　　　[8]

式中：f_Aerobic——反应器的缺氧系数；
　　　N_Nitr——硝酸盐量，mg/L；
　　　θ_X——污泥龄，d；
　　　θ_H——水力停留时间，d；
　　　COD_Degraded ——污泥龄内COD的去除总量，mg/L；
　　　b_H——厌氧菌的衰减系数，d^-1；
　　　YH——异养菌产率系数。
　　　b_H和YH的值可以使用OUR法测定。
3.2　 ASMl中的含氮组分
　　S_NO，S_NH分别使用酚二磺分光光度法、蒸馏和滴定法；X_ND的值可以分析颗粒性的总凯氏氮得到；以上这几种组分通过过滤分离水样可以很容易地使用上述方法确定。对可溶惰性COD的样品进行凯氏氮测定来测定SNI；用凯式氮法测定进水中总溶解有机氮的质量浓度，再减去SNH与S_NI的和即为S_ND；假设进水中易降解和慢速降解有机氮之比类似于进水中易降解COD与慢速降解COD之比，通过下面公式求得X_ND^[4]。

　　S_ND/(X_ND+S_ND)=S_S/(X_S+S_S)　　　　　　　　[9]

4 结语

　　与国外相比我国对IAWQ活性污泥模型的研究与应用还有相当的差距。尤其在水质组分、化学计量学参数的测定方面更是如此。而且我国地域跨度大，各地生活习惯与工农业发展水平差距很大，因此各地水质，各行业水质的差异极大。由此，我们首先应该做的就是通过实验来确定适合我国国情和水质特征的模型参数，只有这样才能使ASMl符合中国国情，为提高我国的废水处理水平服务。

参考文献：

[1] 卢培利，张代钧，刘颖，等.。活性污泥动力学模型研究进展和展望[J]。重庆大学学报（自然科学版），2002，25（3）：109-114。
[2] 王磊，杨海真。活性污泥数学模型的发展应用[J]。上海环境科学，2001，20（12）：621—623。
[3] Mogens Henze.Characterization of wastewater for modeling of activated sludge process[J].Water Science Technol,1992,25(6):1—15。
[4] 张亚雷，李咏梅。活性污泥数学模型[M]。上海：同济大学出版社，2002。
[5] 黄勇，李勇，潘扬。几种废水特性鉴定实验方法的比较研究[J]。苏州城建环保学院学报，2000，13（3）：9—17。
[6] Spanjers,H Vanrolleghem P A.Respiromrtry as a tool for rapid characterization of wastewater and activated sludge [J].Water Science Technol,1995,31(2):105—114。
[7] Kappeler J,Gujer W .Estimation of kinetic parameters of heterotrophic biomass under aerobic conditions and characterization of wastewater for activated sludge modeling [J].Water Science Technol,1992,25(6):125-139.

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作者简介： 崔力明（1978—），男，山西晋城人，现攻读硕士，研究方向为水污染控制，电话（021）65901134。