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第六講 第8章 ASM系列活性污泥數(shù)學(xué)模型 8.1 引言 20世紀(jì)80年代南非開普敦大學(xué)的G.v.R.Marais 教授就提出了碳、氮、磷去除的動(dòng)態(tài)活性污泥模型，其研究處于領(lǐng)先的地位。1982年國(guó)際水污染研究與控制協(xié)會(huì)（International Association on Water Pollution Research and Control, IAWPRC,現(xiàn)更名為國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)，International Association on Water Quality, IAWQ）組織了丹麥、美國(guó)、瑞士、南非和日本五國(guó)五位專家成立了活性污泥法設(shè)計(jì)和運(yùn)行數(shù)學(xué)模型課題組，該課題組由丹麥技術(shù)大學(xué)Mogens Henze教授任組長(zhǎng)。該課題組在1987年以國(guó)際水污染研究與控制協(xié)會(huì)系列科技研究報(bào)告（STR）1號(hào)的形式出版了研究成果，即活性污泥1號(hào)模型（Activated Sludge Model1,ASM1）。活性污泥1號(hào)模型（ASM1）包括碳氧化、硝化和反硝化3個(gè)主要作用，以矩陣的形式描述了污水在好氧、缺氧條件下所發(fā)生的水解、微生物生長(zhǎng)、衰減等8種生化反應(yīng)過(guò)程，模型中包括13個(gè)組分、5個(gè)化學(xué)計(jì)量常數(shù)和14個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)?；钚晕勰?號(hào)模型（ASM1）的內(nèi)容不僅僅是模型本身，還提出了污水特性的描述方法。活性污泥1號(hào)模型（ASM1）得到了普遍的認(rèn)同和應(yīng)用，但它的缺點(diǎn)是模型中未包含磷的去除。 1995年課題組（由丹麥、瑞士、日本和南非四國(guó)六位專家組成）以國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)系列科技研究報(bào)告（STR）2號(hào)的形式出版了活性污泥2號(hào)模型（ASM2）一書，它包括了脫氮和生物除磷處理過(guò)程，還增加了厭氧水解、酵解及與聚磷菌有關(guān)的反應(yīng)過(guò)程?；钚晕勰?號(hào)模型（ASM2）中包括了19種生化反應(yīng)過(guò)程、19個(gè)組分、22個(gè)化學(xué)計(jì)量常數(shù)和42個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。在活性污泥2號(hào)模型（ASM2）研究剛完成的時(shí)候，反硝化與生物除磷的關(guān)系尚不清楚，因此，活性污泥2號(hào)模型（ASM2）中未包含這一因素。1999年ASM2被擴(kuò)展成ASM2D, ASM2D中包括了反硝化聚磷菌。ASM2和ASM2D對(duì)脫氮除磷系統(tǒng)有較好的模擬作用。 ASM1和ASM2排除了傳統(tǒng)的維持（Maintenance）理論和內(nèi)源呼吸理論（Endogenous Respiration），而采取了Dold等人1980年提出的死亡-再生理論（Death Regeneration）對(duì)微生物衰減過(guò)程進(jìn)行了模型化處理。 1999年國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)課題組（由丹麥、瑞士、荷蘭和日本四國(guó)四位專家組成）推出活性污泥3號(hào)模型（ASM3）?；钚晕勰?號(hào)模型（ASM3）所涉及的主要反應(yīng)過(guò)程和ASM1相同，但ASM3改變了ASM1中COD流向非常復(fù)雜、異養(yǎng)菌死亡-再生循環(huán)理論和硝化菌衰減過(guò)程的相互干擾，而是將2組菌體的全部轉(zhuǎn)換過(guò)程分開，引進(jìn)了有機(jī)物在微生物體內(nèi)的貯藏及內(nèi)源呼吸，強(qiáng)調(diào)細(xì)胞內(nèi)部的活動(dòng)過(guò)程。微生物的衰減采用了微生物內(nèi)源呼吸理論 ，允許衰減過(guò)程更適應(yīng)環(huán)境條件，重點(diǎn)由水解轉(zhuǎn)到了有機(jī)物的胞內(nèi)貯存。ASM3中包括了12種生化反應(yīng)過(guò)程、13個(gè)組分、6個(gè)化學(xué)計(jì)量常數(shù)和21個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)，可以模擬除碳、脫氮的動(dòng)態(tài)過(guò)程，不包括除磷。 圖8-1所示為ASM1、ASM2和ASM3模型中3種微生物衰減理論。 　　　　　　維　　持　　　　　　　　　　　合成生物體　　　　　　　　　　　合成生物體　 　　底物　　　　　　　　　　　　　廢物　　　　　　　　　　　　　　底物　　　　　 　　　　　　　　合成生物體　　　　　　　　　　　內(nèi)源呼吸　　　　　　　　　　　　　衰減 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 惰性物質(zhì) 維持理論　　　　　　　 內(nèi)源呼吸理論　　　　　　　　　　死亡—再生理論 圖8-1 3種微生物衰減理論 ASM1、ASM2和ASM3的共同特點(diǎn)，是將活性污泥過(guò)程作為一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行研究，將整體分割成局部，建立各個(gè)局部的模型，再建立各局部之間的關(guān)系，試圖從局部和整體的關(guān)系上來(lái)研究活性污泥過(guò)程復(fù)雜系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性質(zhì)。由于ASM系列模型是用微分方程組來(lái)描述活性污泥系統(tǒng)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此模型更注重微生物的反應(yīng)機(jī)理。 8.2 活性污泥1號(hào)模型（ASM1） 活性污泥1號(hào)模型（ASM1）描述了活性污泥系統(tǒng)中好氧、缺氧條件下的水解、有機(jī)物降解、微生物生長(zhǎng)和衰減等8個(gè)反應(yīng)過(guò)程，包含了異氧型和自養(yǎng)型微生物。模型包括了多種底物成分、氨氮、硝態(tài)氮和生物固體等12種物質(zhì)的平衡。模型中有19個(gè)參數(shù)，其中包括5個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)和14個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。 8.2.1 建模的基本假定 活性污泥1號(hào)模型（ASM1）建模時(shí)引入的重要基本假定，即被模擬的活性污泥過(guò)程運(yùn)行正常?；炯俣ǖ木唧w內(nèi)容如下： (1) 曝氣池內(nèi)pH值及溫度處于正常狀態(tài)下并保持恒定； (2) 池內(nèi)微生物的種群和濃度處于正常狀態(tài)； (3) 池內(nèi)污染物濃度可變，但成分及組成不變； (4) 微生物營(yíng)養(yǎng)充分； (5) 二沉池內(nèi)不發(fā)生生化反應(yīng)，僅有物理沉淀作用； （6）微生物對(duì)顆粒有機(jī)物的網(wǎng)捕是瞬間完成的； （7）有機(jī)物和有機(jī)氮的水解同時(shí)進(jìn)行且速率相等。 這些假定使模型本身避免了一些不確定性，相應(yīng)增強(qiáng)了模型的真實(shí)性和可靠性。 8.2.2 模型的矩陣表達(dá)形式 ASM1用表8-1所示的矩陣形式來(lái)表述。該矩陣描述活性污泥系統(tǒng)中各種組分的變化規(guī)律和相互關(guān)系。反應(yīng)過(guò)程用行號(hào)j表示，組分用列號(hào)i表示。矩陣最上面一行(i)從左到右列出了模型所包含的各種參與反應(yīng)的組分,左邊第一列(j)從上到下列出了各種生物反應(yīng)過(guò)程,最右邊的那一列從上到下列出了各種生物反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)表達(dá)式或速率方程式。過(guò)程速率以表示。矩陣元素為計(jì)量系數(shù)，表明組分i與過(guò)程j的相互關(guān)系。若某一組分不參與過(guò)程變化，相應(yīng)的計(jì)量系數(shù)為零，矩陣中用空項(xiàng)表示。矩陣內(nèi)的化學(xué)計(jì)量系數(shù)描述了單個(gè)過(guò)程中各組分之間的數(shù)量關(guān)系。符號(hào)+表示該組分在轉(zhuǎn)換過(guò)程中增加，符號(hào)-表示該組分在轉(zhuǎn)換過(guò)程中減少。這種矩陣格式可以非常方便的看出所有可能轉(zhuǎn)化過(guò)程對(duì)所有組分的影響及各種組分的表觀轉(zhuǎn)換速率。 序號(hào)為i的組分表觀轉(zhuǎn)化速率可以由下式計(jì)算: （8-1） 式中 一表中i列j行的化學(xué)計(jì)量系數(shù)； 一表中j行的反應(yīng)過(guò)程速率，ML-3T-1。 例如計(jì)算可快速生物降解有機(jī)物(j=2)的表觀轉(zhuǎn)化速率為: (8-2) - 36 - 表8-1活性污泥1號(hào)模型（ASM1）的矩陣表達(dá) 組分i 工藝過(guò)程j 1 SI 2 SS 3 XI 4 XS 5 XB,H 6 XB,A 7 XP 8 SO 9 SNO 10 SNH 11 SND 12 XND 13 SALK 反應(yīng)速率 1 異養(yǎng)菌的 好氧生長(zhǎng) 1 -iXB 2 異養(yǎng)菌的 缺氧生長(zhǎng) 1 -iXB 3 自養(yǎng)菌的好氧生長(zhǎng) 1 4 異養(yǎng)菌的衰減 1-fP -1 fP iXB-fPiXP bH,XB,H 5 自養(yǎng)菌的衰減 1-fP -1 fP iXB-fPiXP BA,XB,A 6 可溶性有機(jī)氮的氨化 1 -1 kaSNDXB,H 7 網(wǎng)捕性有機(jī)物的水解 1 -1 8 網(wǎng)捕性有機(jī)氮的水解 1 -1 觀察到的轉(zhuǎn)換速率（M/L3·T） 化學(xué)計(jì)量參數(shù)： YH-異養(yǎng)菌產(chǎn)率； YA-自養(yǎng)菌產(chǎn)率； fP-生物固體的惰性組分值； iXB-生物固體的含氮量； iXP生物固體惰性組分含氮量 溶解性不可生降解有機(jī)物 [M（COD）/L3] 溶解性快速可生物降解有機(jī)物 [M（COD）/L3] 顆粒性不可生物降解有機(jī)物 [M（COD）/L3] 慢速可生物降解有機(jī)物 [M（COD）/L3] 活性異氧菌生物固體 [M（COD）/L3] 活性自氧菌生物固體 [M（COD）/L3] 生物固體衷減產(chǎn)生的惰性物質(zhì) [M（COD）/L3] 溶解氧（-COD） [M（COD）/L3] 硝酸鹽與亞硝酸鹽氮 [M（N）/L3] NH+4+NH3氮 [M（N）/L3] 溶解性可生物降解有機(jī)氮 [M（N）/L3] 顆粒性可生物降解有機(jī)氮 [M（N）/L3] 堿度-摩爾單位 動(dòng)力參數(shù)： ，KS，KO,H，KNO，bH—異養(yǎng)生長(zhǎng)與衰減； ，KNH，KO,A，b A—自養(yǎng)生長(zhǎng)與衰減； —異養(yǎng)菌缺氧生長(zhǎng)的校正因數(shù)； ka—氨化； kh,kX—水解； —缺氧水解的校正因數(shù) 或?qū)⒈碇兴镜幕瘜W(xué)計(jì)量系數(shù)和反應(yīng)過(guò)程速率表達(dá)式代入式（8-2）,得: (8-3) 在矩陣最右項(xiàng)“反應(yīng)速率”中使用了“開關(guān)函數(shù) ”這一概念，以反映環(huán)境因素改變所產(chǎn)生的遏制作用，即反應(yīng)的進(jìn)行與否。采用具有數(shù)學(xué)連續(xù)性的開關(guān)函數(shù)可以避免那些具有開關(guān)型不連續(xù)特性的反應(yīng)過(guò)程表達(dá)式在模擬過(guò)程中出現(xiàn)數(shù)值的不穩(wěn)定。 對(duì)于需要電子受體的反應(yīng)過(guò)程來(lái)說(shuō)，開關(guān)函數(shù)的概念尤為需要。例如，只有在溶解氧存在的條件下，硝化細(xì)菌才能增殖，也就是說(shuō)硝化作用必須有溶解氧的參與，否則的話，不論氨氮的濃度高低，硝化作用都不會(huì)出現(xiàn)。因此，該模型在硝化過(guò)程速率表達(dá)式中設(shè)置了溶解氧開關(guān)函數(shù)s作為硝化反應(yīng)的開關(guān)，開關(guān)函數(shù)s如式（8-4）所示: （8-4） 式中 SO—溶解氧的質(zhì)量濃度。 KO選用一個(gè)很小的數(shù)值。當(dāng)溶解氧(SO)趨于零時(shí),開關(guān)函數(shù)s趨于零,則硝化速率也趨于零 ；當(dāng)達(dá)SO到一定的濃度之后，開關(guān)函數(shù)s趨于1, 即硝化作用可順利進(jìn)行。 與溶解氧開關(guān)函數(shù)s相類似，反硝化過(guò)程的速率表達(dá)式中也設(shè)置了開關(guān)函數(shù)。 （8-5） 當(dāng)溶解氧趨于零時(shí)，開關(guān)函數(shù)趨于1, 反硝化能順利進(jìn)行；反之，溶解氧升高到一定濃度后，開關(guān)函數(shù)趨于零，反硝化作用停止。 8.2.3 廢水水質(zhì)特性及曝氣池中組分的劃分 活性污泥1號(hào)模型（ASM1）將曝氣池中的物質(zhì)（廢水和活性污泥生物固體）區(qū)分為7種溶解性組分S和6種顆粒性組分X，下標(biāo)B,S,O分別表示微生物、底物和氧，共13個(gè)組分，各種組分及其定義歸納于表8-2。 ASM1中用COD代表傳統(tǒng)的BOD5表述廢水中有機(jī)物的含量及生物固體的含量。COD指標(biāo)提供了有機(jī)底物、微生物和所利用氧的電子等價(jià)物之間的關(guān)聯(lián)。COD等價(jià)于供電子能力，而電子不會(huì)創(chuàng)生也不會(huì)毀滅，這就為處理系統(tǒng)的物料平衡(如進(jìn)水、廢棄污泥和碳源需氧量之間)提供了可靠的途徑。 8.2.3.1 廢水水質(zhì)特性 根據(jù)有機(jī)物的生物降解性，ASM1中將廢水中的有機(jī)物劃分為可生物降解和不可生物降解（本章中不可生物降解與惰性同義 ）兩個(gè)部分。不可生物降解的有機(jī)物又劃分為溶解性不可生物降解有機(jī)物(SI)和顆粒性不可生物降解有機(jī)物(XI)兩部分。 表8-2 活性污泥1號(hào)模型（ASM1）組分 組分序號(hào) 組分符號(hào) 定義 1 SI 溶解性不可生物降解有機(jī)物 （M(COD)/L3） 2 SS 溶解性快速可生物降解有機(jī)物 （M(COD)/L3） 3 XI 顆粒性不可生物降解有機(jī)物 （M(COD)/L3） 4 XS 慢速可生物降解有機(jī)物 （M(COD)/L3） 5 XB,H 活性異氧菌生物固體 （M(COD)/L3） 6 XB,A 活性自氧菌生物固體 （M(COD)/L3） 7 XP 生物固體衰減產(chǎn)生的惰性物質(zhì) （M(COD)/L3） 8 SO 溶解氧（負(fù)COD） （M(-COD)/L3） 9 SNO NO3-N和NO2-N (M(N)/L3) 10 SNH NH4-N和NH3-N (M(N)/L3) 11 SND 溶解性可生物降解有機(jī)氮 (M(N)/L3) 12 XND 顆粒性可生物降解有機(jī)氮 (M(N)/L3) 13 SALK 堿度(mol) 注：M：質(zhì)量單位 L：長(zhǎng)度單位 在活性污泥系統(tǒng)中溶解性不可生物降解有機(jī)物SI不發(fā)生任何變化，隨出水排出，進(jìn)水中和出水中SI濃度相等。顆粒性不可生物降解有機(jī)物XI則被活性污泥捕捉，成為活性污泥的組成成份之一，在二沉池中一部分XI作為廢棄污泥的組成部分從系統(tǒng)中排出，一部分XI又隨回流污泥進(jìn)入活性污泥系統(tǒng)。由于廢棄污泥的排放流量小于進(jìn)水流量，它將會(huì)在反應(yīng)器中累積，累計(jì)程度取決于SRT和HRT比值，即與污泥循環(huán)因子有關(guān)（見(jiàn)第7.7.2.2節(jié)）。因此活性污泥系統(tǒng)中XI濃度大于進(jìn)水XI濃度。 可生物降解有機(jī)物被進(jìn)一步劃分為溶解性可快速生物降解有機(jī)物SS和顆粒性可慢速生物降解有機(jī)物XS兩個(gè)部分。一般來(lái)說(shuō)，可生物降解有機(jī)物（SS+XS）與BOD相關(guān)。這兩種組分都被用于新細(xì)胞的合成，但這兩種組分的利用速率有明顯差別，大致相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。該模型中，溶解性可快速生物降解有機(jī)物SS是好氧和缺氧狀態(tài)下異養(yǎng)菌增殖的唯一底物。SS的重要特征是能夠直接被微生物吸收（表8-1中i2j1和i2j2項(xiàng)），在好氧和缺氧狀態(tài)下用于合成新的異養(yǎng)菌細(xì)胞（表8-1中i5j1和i5j2項(xiàng)），反應(yīng)速度非?？?。生物合成需要能量，能量產(chǎn)生過(guò)程出現(xiàn)的電子將轉(zhuǎn)移給外部電子受體，氧（i8j1）或硝態(tài)氮（i9j2）。 ASM1中廢水中有機(jī)物的劃分如圖8-2所示。 溶解性可快速生物降解有機(jī)物 可生物降解有機(jī)物 顆粒性可慢速生物降解有機(jī)物（可水解 有機(jī)物 為溶解性可快速生物降解有機(jī)物） 溶解性不可生物降解有機(jī)物 不可生物降解有機(jī)物 顆粒性不可生物降解有機(jī)物 圖8-2 ASM1中廢水中有機(jī)物的劃分 活性污泥模型設(shè)定，進(jìn)水中的所有顆粒性有機(jī)物，不管是可生物降解的還是不可生物降解的，都被活性污泥絮體快速捕捉，經(jīng)過(guò)二沉池之后就能從出水中全部去除。捕捉的可生物降解有機(jī)物被活性異養(yǎng)菌膠團(tuán)吸收和貯存，隨后是胞外水解和胞內(nèi)吸收利用；顆粒性可慢速生物降解有機(jī)物XS是固態(tài)、膠態(tài)和溶解態(tài)且具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的有機(jī)物顆粒組成的混合體 , 其重要特征是不能直接進(jìn)入細(xì)胞，必須經(jīng)過(guò)胞外水解作用（i4j7）水解為溶解性可快速生物降解有機(jī)物后（i2j7），才能被異養(yǎng)菌所吸收和利用。模型設(shè)定水解過(guò)程不涉及能量的消耗，也就不涉及電子受體的消耗，即（i8j7）或（i9j7）沒(méi)有計(jì)量系數(shù)。顆粒性可慢速生物降解有機(jī)物XS的水解速率常常比微生物對(duì)溶解性可快速生物降解有機(jī)物SS的利用速率小得多。當(dāng)?shù)孜镏淮嬖赬S時(shí)，水解成為生長(zhǎng)速率的控制因素。在缺氧條件下（只有硝酸鹽作為最終電子受體），水解速率低于好氧條件。在厭氧條件下（既無(wú)硝酸鹽也無(wú)氧），水解作用完全停止。 廢水中含氮物質(zhì)包括無(wú)機(jī)氮和有機(jī)物氮兩部分。無(wú)機(jī)氮包括氨氮SNH和硝酸鹽氮、亞硝酸 鹽氮SNO。與碳源物質(zhì)一樣，含氮物質(zhì)也可劃分為可生物降解部分和不可生物降解部分，并可進(jìn)一步劃分。有機(jī)氮與含碳有機(jī)物相關(guān)，不可生物降解有機(jī)氮?jiǎng)澐譃槿芙庑院皖w粒性兩部分，前者在廢水中含量甚微，僅1～2mg/L, 模型表述中不予考慮。顆粒性不可生物降解有機(jī)氮同樣被活性污泥捕捉，通過(guò)排除廢棄活性污泥從系統(tǒng)中排出?？缮锝到夂镔|(zhì)包括氨氮、溶解性可生物降解有機(jī)氮(SND)和顆粒性可生物降解有機(jī)氮(XND)，XND與顆粒性可生物降解有機(jī)物相關(guān)，在顆粒性可生物降解有機(jī)物水解的過(guò)程中XND也水解（i12j8）成溶解性可生物降解有機(jī)氮(SND, i11j8)。溶解性可生物降解有機(jī)氮(SND)在異氧菌的作用下轉(zhuǎn)化成氨氮（i10j6）。氨氮可作為異氧菌合成的氮源及提供自養(yǎng)硝化菌生長(zhǎng)(i6j3)的能源(i10j3)。為了簡(jiǎn)化，自養(yǎng)菌將氨氮轉(zhuǎn)化(i10j3)為硝酸鹽氮(i9j3)的過(guò)程被看作是需氧(i8j3)的單步驟反應(yīng)。所產(chǎn)生的硝酸鹽可以作為缺氧狀態(tài)下異氧菌的最終電子受體(i9j2)，并產(chǎn)生氮?dú)?。自養(yǎng)菌和異氧菌的細(xì)胞衰減會(huì)導(dǎo)致顆粒性有機(jī)氮的釋放(i12j4,i12j5)，并可以重新進(jìn)入循環(huán)。 ASM1中廢水中有機(jī)物的劃分如圖8-2所示。 溶解性可快速生物降解有機(jī)物 可生物降解有機(jī)物 顆粒性可慢速生物降解有機(jī)物（可水解 有機(jī)物 為溶解性可快速生物降解有機(jī)物） 溶解性不可生物降解有機(jī)物 不可生物降解有機(jī)物 顆粒性不可生物降解有機(jī)物 圖8-2 ASM1中廢水中有機(jī)物的劃分 模型中硝酸鹽氮SNO是由自養(yǎng)菌的好氧生長(zhǎng)產(chǎn)生，在異氧菌缺氧生長(zhǎng)中去除。雖然亞硝酸鹽是硝化反應(yīng)的中間產(chǎn)物，為了簡(jiǎn)化，在模型中假定只存在硝酸鹽氮。 模型中NH3-N的氧當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)為4.57,NO3-N的氧當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)為2.86,通過(guò)轉(zhuǎn)換系數(shù)將以mg/L為單位的NH3-N和NO3-N轉(zhuǎn)換成當(dāng)量的COD。模型中的水質(zhì)特性還包括曝氣池中DO濃度（SO）和堿度（SALK）。 需要說(shuō)明的是，模型并不一定要包含堿度，但模型中包含堿度后能提供預(yù)測(cè)pH不規(guī)則變化的信息。曝氣池中有質(zhì)子增減的反應(yīng)都會(huì)引起堿度的變化，例如，氨氮氧化為硝酸鹽氮時(shí)凈釋放2個(gè)質(zhì)子，消耗堿度；反硝化過(guò)程中，當(dāng)硝酸鹽作為電子受體，將有質(zhì)子的凈吸收，增加堿度。曝氣池中總堿度低于50mg/L（以CaCO3計(jì)）時(shí)，pH將變得極不穩(wěn)定，會(huì)降低到6以下，嚴(yán)重降低硝化速率（見(jiàn)第9.4.1，9.4.3.3和9.5.1節(jié)）。 確定曝氣池進(jìn)水的水質(zhì)特性和各重要組分的質(zhì)量濃度是應(yīng)用活性污泥數(shù)學(xué)模型的關(guān)鍵。前述13個(gè)組分中含氮組分可以用標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)分析方法來(lái)測(cè)定，而有機(jī)組分的測(cè)定尚無(wú)規(guī)范的方法。因此，有機(jī)組分的測(cè)定成為活性污泥數(shù)學(xué)模型研究和應(yīng)用中備受關(guān)注的課題。許多有機(jī)組分的測(cè)定需要通過(guò)試驗(yàn)來(lái)確定。 曝氣池進(jìn)水中總的COD由4個(gè)組分組成： （8-6） 式中 SS—溶解性快速可生物降解有機(jī)物； XS—慢速可生物降解有機(jī)物； XI—顆粒性不可生物降解有機(jī)物； SI—溶解性不可生物降解有機(jī)物。 溶解性不可生物降解有機(jī)物SI的確定：從運(yùn)行泥齡大于10d的完全混合反應(yīng)器中取出試樣，將試樣在間歇反應(yīng)器中曝氣，定期取樣分析溶解性COD（在pH=10.5的條件下，試樣中投加硫酸鋅，形成Zn(OH)2絮體，去除試樣中的膠體物，然后用0.45μm濾膜過(guò)濾水樣，濾液中的COD為溶解性COD，其最終穩(wěn)定殘留溶解性COD值就是SI。 在確定溶解性快速可生物降解有機(jī)物SS之前必須知道異氧菌的產(chǎn)率YH。測(cè)定YH的方法是直接測(cè)定微生物利用溶解性底物生長(zhǎng)時(shí)的YH值。將廢水樣沉淀并濾去顆粒性物質(zhì)，使濾液中只含有溶解性底物，放入一個(gè)間歇反應(yīng)器中。因?yàn)閅H定義為微生物沒(méi)有衰減時(shí)的生長(zhǎng)量，直接測(cè)定的唯一途徑是用少量微生物在高底物濃度條件下快速生長(zhǎng)。因此，選取廢水水樣時(shí)，溶解性COD要盡可能高，使微生物量相對(duì)于初始溶解性COD的比例非常低（<1%）。從完全混合反應(yīng)器中取出少量已經(jīng)馴化的微生物接種，定期取樣測(cè)定溶解性COD和總COD。異氧菌的產(chǎn)率YH可由下式計(jì)算： （8-7） （8-8） 多次重復(fù)之后，就可確定大致YH的數(shù)值。 Ekama等人（1986）提出如下的SS測(cè)定方法：采用日循環(huán)脈沖進(jìn)水方式（12h進(jìn)水，12 h不進(jìn)水），泥齡約2d的完全混合反應(yīng)器，測(cè)定耗氧速率（OUR）的變化。停止進(jìn)水后OUR急劇下降（圖8-4），這一變化只與快速可生物降解有機(jī)物有關(guān)。因此，溶解性快速可生物降解有機(jī)物SS可以通過(guò)下式計(jì)算： （8-9） 式中 —停止進(jìn)水后耗氧速率的變化，ML-3T-1； V—反應(yīng)器的容積，L3； Q—停止進(jìn)水前的進(jìn)水流量，L3T-1。 圖8-4 循環(huán)脈沖進(jìn)水完全混合反應(yīng)器停止進(jìn)水后耗氧速率（OUR）的急劇下降 (Ekama等，1986) 同濟(jì)大學(xué)顧國(guó)維等（2004）采用多段間歇OUR呼吸計(jì)量法進(jìn)行了快速可生物降解有機(jī)物SS和慢速可生物降解有機(jī)物XS的測(cè)定研究。 在一個(gè)密封的間歇反應(yīng)器內(nèi)，抑制自氧菌的活動(dòng)，連續(xù)監(jiān)測(cè)OUR的變化，得到圖8-5所示的曲線。 圖8-5 間歇OUR呼吸計(jì)量法所測(cè)OUR曲線 (劉芳等，2004) 圖8-5中的曲線分為3個(gè)階段：tt2時(shí),OUR幾乎不變,維持在一個(gè)較低的水平。由于廢水中的XS耗盡，反應(yīng)器內(nèi)微生物進(jìn)入內(nèi)源代謝階段。于是曲線上依次出現(xiàn)兩個(gè)拐點(diǎn)，3個(gè)OUR平臺(tái)，以此區(qū)分SS和XS所引起的OUR積分面積，并由此計(jì)算出SS和XS的數(shù)值。 （8-10） （8-11） 式中 VT—反應(yīng)器容積，L； VW—廢水體積，L； YH—異氧菌的產(chǎn)率； t1，t2—OUR曲線出現(xiàn)拐點(diǎn)的時(shí)間,h； R1,R2,R3—OUR曲線中相應(yīng)的OUR數(shù)值，mg/L·h。 當(dāng)已知總COD，確定SS、SI和XS后，由式（8-6）則很容易計(jì)算出XI的數(shù)值。 SI—溶解性不可生物降解有機(jī)物。 Marais(1993)提出一種比Ekama等人推薦的生物方法要快得多的測(cè)定溶解性快速可生物降解COD(SS)的物理方法。對(duì)于生活污水，物理方法測(cè)定的結(jié)果與生物方法能夠很好地吻合。測(cè)定方法如下：廢水樣中加入硫酸鋅，劇烈混合1min,加人氫氧化鈉調(diào)節(jié)pH至10.5, 然后靜置沉降，抽取上清液，然后用0.45μm濾膜過(guò)濾水樣。絮凝可以去除原本能夠透過(guò)濾膜而被測(cè)定為“溶解性”物質(zhì)的膠體顆粒態(tài)有機(jī)物。過(guò)濾后清液的COD就是總?cè)芙庑訡OD。然后，再減去溶解性不可生物降解的COD（SI），即得到溶解性快速可生物降解COD(SS)。這種方法的主要優(yōu)點(diǎn)是可以同時(shí)分析多個(gè)樣品，能夠比生物方法更好地測(cè)定廢水中溶解性快速可生物降解COD的長(zhǎng)期平均值。 由表8-2和圖8-3可知，廢水中含氮物質(zhì)組分有顆粒性不可生物降解有機(jī)氮XN 、溶解性不可生物降解有機(jī)氮SN、易生物降解有機(jī)氮（溶解性）SND、慢速生物降解有機(jī)氮（顆粒性）XND和氨氮SNH。如前所述，廢水中的含氮組分可以用標(biāo)準(zhǔn)的化學(xué)分析方法來(lái)測(cè)定，如氨氮SNH濃度可以通過(guò)對(duì)過(guò)濾水樣的分析來(lái)測(cè)定。要測(cè)定進(jìn)水中的溶解性不可生物降解有機(jī)氮SN的濃度可對(duì)測(cè)定溶解性不可生物降解COD的水樣作凱式氮分析。凱式氮分析同樣可以確定進(jìn)水中的總?cè)芙庑杂袡C(jī)氮濃度，總?cè)芙庑杂袡C(jī)氮濃度與溶解性不可生物降解有機(jī)氮SN的濃度之差為易生物降解有機(jī)氮（溶解性）SND的濃度?？梢哉J(rèn)為進(jìn)水中易生物降解有機(jī)氮（溶解性）SND濃度和慢速生物降解有機(jī)氮（顆粒性）XND的比值類似于溶解性快速可生物降解COD濃度SS與慢速可生物降解COD濃度XS之比，即： （8-12） 由式（8-12）可計(jì)算得到慢速生物降解有機(jī)氮（顆粒性）XND的濃度。 8.2.3.2 活性污泥中的有機(jī)固體 模型將活性污泥中的有機(jī)(生物)固體劃分為如下四個(gè)組成部分：活性異養(yǎng)菌（XB,H）、 活性自養(yǎng)菌(XB,A)、微生物內(nèi)源衰減(死亡分解)產(chǎn)生的惰性物質(zhì)（XP）和累積的進(jìn)水中不可生物降解有機(jī)物(XI)。異養(yǎng)菌中包括能夠進(jìn)行反硝化的異養(yǎng)菌，也包括不能進(jìn)行反硝化的異養(yǎng)菌。 異養(yǎng)菌可以利用快速生物降解有機(jī)物在好氧和缺氧狀態(tài)下進(jìn)行增殖，但模型設(shè)定，在溶解氧和硝態(tài)氮都不存在的厭氧狀態(tài)下異養(yǎng)菌不能增殖。自養(yǎng)菌( 亞硝酸菌和硝酸菌)只有在有溶解氧存在的情況下才能增殖。 模型排除了傳統(tǒng)的 Pirt(1965)或 Herbert (1958)內(nèi)源呼吸理論，取而代之的是基于生態(tài)學(xué)理論的細(xì)菌死亡-再生理論（見(jiàn)圖8-1）?；钚晕勰嗳后w被當(dāng)作一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，這個(gè)生態(tài)系統(tǒng)是具有較高程度的群體組織，根據(jù)自動(dòng)平衡調(diào)節(jié)原理，可以由一個(gè)具有類似純培養(yǎng)特性的“替代生物群體”取代微生物群體的協(xié)同作用。 在這個(gè)替代生物群體中，將出現(xiàn)生物固體的衰減，衰減過(guò)程包含各種各樣的原因 , 如微生物的內(nèi)源代謝、死亡、捕食以及其它溶菌作用。模擬好氧狀態(tài)下微生物衰減的最常見(jiàn)方法是，用一個(gè)單一的速率表達(dá)式包容所有的作用機(jī)制。衰減速率與活性生物量的濃度成正比關(guān)系，單位生物量COD的損失導(dǎo)致等量的氧耗。但在電子受體不是氧的情況下這種方法存在問(wèn)題。因此模型采納了Dold 等人的方法，仍保留一級(jí)速率表達(dá)式，但速率系數(shù)在概念和數(shù)量?jī)蓚€(gè)方面都與傳統(tǒng)的衰減速率系數(shù)有明顯的差別。在該模型中，衰減過(guò)程把活性生物固體(i5j4) ( 異養(yǎng)菌和自養(yǎng)菌)轉(zhuǎn)化成慢速生物降解顆粒性底物(i4j4)和不可生物降解(惰性)的顆粒性產(chǎn)物(i7j4) ，后者也稱作內(nèi)源殘留物(XP)。 細(xì)菌的死亡分解與外源電子受體的存在與否無(wú)關(guān)，在厭氧、缺氧和好氧條件下均出現(xiàn)死亡。細(xì)菌的衰減一方面使生物固體量減少，另一方面，在溶解氧或硝態(tài)氮存在的條件下，除了惰性部分外，微生物死亡分解所產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)作為慢速生物降解底物將被其它還存活的微生物用于生物合成，又產(chǎn)生了新的生物固體，即再生作用。由于在合成過(guò)程的能量消耗 , 再生的生物量要低于死亡的生物量，所產(chǎn)生的內(nèi)源殘留物也將滯留在活性污泥絮體中。采用這種死亡-再生模型能夠解釋傳統(tǒng)Herbert 內(nèi)源呼吸過(guò)程中污泥量的減少。 在好氧系統(tǒng)中，傳統(tǒng)內(nèi)源呼吸理論和死亡-再生理論得到的結(jié)果是一樣的，因?yàn)閮烧咧?間存在線性相關(guān)關(guān)系。但在缺氧和厭氧條件下，這兩種理論所得到的結(jié)果是不一樣的。由于異養(yǎng)菌只有在氧或硝態(tài)氮存在的條件下才能出現(xiàn)微生物的細(xì)胞合成。在既無(wú)溶解氧也無(wú)態(tài)氮的慶氧狀態(tài)下，死亡生物固體產(chǎn)物的水解和利用將完全停止，從而導(dǎo)致慢速可生物降解有機(jī)物的積聚，使隨后的缺氧區(qū)(或好氧區(qū))的反硝化能力（或好氧速率）提高。在厭氧和缺氧條件下，硝化菌都就將出現(xiàn)死亡分解，卻不能增殖，因此慶氧區(qū)和缺氧的存在將明顯影響處理系統(tǒng)的硝化能力。 8.2.4 模型的反應(yīng)過(guò)程 該模型將曝氣池內(nèi)微生物的生長(zhǎng)、微生物的衰減、有機(jī)氮的氨化、被生物絮體捕獲的顆粒有機(jī)物的水解4個(gè)反應(yīng)過(guò)程分成8個(gè)子過(guò)程。每個(gè)子過(guò)程有若干個(gè)組分參加，每個(gè)組分參與若干個(gè)子過(guò)程。8個(gè)子過(guò)程是： (1) 異養(yǎng)菌的好氧生長(zhǎng)（j1） 由表8-1j1可以看出，異養(yǎng)菌的好氧生長(zhǎng)是異養(yǎng)菌在有氧條件下利用氧和溶解性底物的結(jié)果。由于模型中底物和微生物的質(zhì)量濃度都是用COD表示，氧可以看作負(fù)COD。需氧量等于凈COD去除量（去除的溶解性底物減去微生物的生成量），氨氮將從溶液中去除并結(jié)合到微生物細(xì)胞中。溶解性可快速生物降解底物和溶解氧是異養(yǎng)菌好氧生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)的速率控制因素。溶解性可快速生物降解底物的去除與微生物的生長(zhǎng)成正比。反應(yīng)速率表達(dá)式中包含開關(guān)函數(shù)，氧呼吸飽和常數(shù)很小，在低溶解氧質(zhì)量濃度時(shí)，異養(yǎng)菌停止好氧生長(zhǎng)。 （2）異養(yǎng)菌的缺氧生長(zhǎng)（j2） 表8-1j2描述了異氧菌以硝態(tài)氮為最終電子受體的缺氧生長(zhǎng)情況。異養(yǎng)菌缺氧生長(zhǎng)也是依賴于溶解性可快速生物降解底物生成異氧菌。硝態(tài)氮用作最終電子受體，它的去除量和溶解性可快速生物降解底物去除量與細(xì)胞生成量之差成比例。與好氧生長(zhǎng)相似，氨氮轉(zhuǎn)化為微生物中的有機(jī)氮。缺氧生長(zhǎng)的速率表達(dá)式和好氧生長(zhǎng)的相似。實(shí)際上，溶解性可快速生物降解底物對(duì)速率的影響相同，包括生長(zhǎng)與底物利用飽和常數(shù)。缺氧條件下底物去除的最大速率比好氧條件下要小。因此在速率表達(dá)式中加入一個(gè)小于1的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，稱為缺氧狀態(tài)生長(zhǎng)修正系數(shù)。缺氧生長(zhǎng)依賴于硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度，這與好氧生長(zhǎng)溶解氧濃度的關(guān)系相似。并且，當(dāng)有氧存在時(shí)，缺氧生長(zhǎng)會(huì)受到抑制，所以反應(yīng)速率要表達(dá)式中包含開關(guān)函數(shù)這一項(xiàng)來(lái)反映其影響。 （3）自養(yǎng)菌的好氧生長(zhǎng)（j3） 表8-1j3描述了自氧菌的好氧生長(zhǎng)。氨氮作為硝化菌生長(zhǎng)的能源,合成自養(yǎng)生物細(xì)胞，并轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。另外，小部分氨結(jié)合到微生物中。氧的利用量與所氧化的氨氮量成正比。模型中分別用氨氮和氧濃度的飽和函數(shù)表示自養(yǎng)菌比生長(zhǎng)速率對(duì)于它們的依賴關(guān)系，后者同時(shí)還是一個(gè)開關(guān)函數(shù)。這兩個(gè)飽和常數(shù)和數(shù)值都很小。 (4) 異養(yǎng)菌的衰減（j4） 如前所述，模型在模擬異養(yǎng)菌的衰減過(guò)程時(shí)，基本采用了Dold 等的死亡-再生理論。其速率表達(dá)式非常簡(jiǎn)單，與異氧菌的濃度呈一級(jí)反應(yīng)關(guān)系。而速率系數(shù)無(wú)論在概念上還是在數(shù)值上都不同于以往的衰減系數(shù)。這種情況下，衰減的作用是將微生物轉(zhuǎn)化為顆粒物和慢速可生物降解底物的結(jié)合物。在這一過(guò)程中，沒(méi)有COD損失,也不利用電子受體。而且，衰減總是以恒定的速率進(jìn)行(即不是電子受體或其質(zhì)量濃度的函數(shù))，與環(huán)境條件無(wú)關(guān) 。生成的慢速可生物降解物質(zhì)隨后水解（j7）,釋放等量的溶解性可快速生物降解COD 。在好氧條件下,這些底物將伴隨著氧的吸收被用作合成新細(xì)胞；在缺氧條件下，將消耗硝態(tài)氮進(jìn)行細(xì)胞的生長(zhǎng)；如果既沒(méi)有氧又沒(méi)有硝態(tài)氮可利用，將不會(huì)發(fā)生任何轉(zhuǎn)化，慢速可生物降解底物將產(chǎn)生積累。只有恢復(fù)好氧或缺氧條件時(shí)，它才能被轉(zhuǎn)化利用。 (5) 自養(yǎng)菌的衰減（j5） 自養(yǎng)菌的衰減與異養(yǎng)菌的衰減完全相似。但自養(yǎng)菌的衰減速率常數(shù)可能比異養(yǎng)菌的衰減速率常數(shù)要小。 (6) 可溶性有機(jī)氮的氨化（j6）可溶性有機(jī)氮的氨化速率的表達(dá)式是一經(jīng)驗(yàn)式。 (7) 網(wǎng)捕性（顆粒性）有機(jī)物的水解（j7） 由表8-1可以看出，與存在的異養(yǎng)菌質(zhì)量濃度呈一級(jí)反應(yīng)關(guān)系。當(dāng)被網(wǎng)捕的含碳有機(jī)底物量相對(duì)于微生物量來(lái)說(shuō)已很大時(shí)，水解速率將接近于飽和。因?yàn)樾枰傅暮铣?，水解速率必然與存在的電子受體的質(zhì)量濃度有關(guān)。所以，模型假定在氧和硝酸鹽都不存在的情況下水解速率趨向零。 (8) 網(wǎng)捕性（顆粒性）有機(jī)氮的水解（j8） 如果假定有機(jī)氮被均勻地分散在慢速可生物降解有機(jī)底物中，那么，被捕捉的有機(jī)氮的水解速率與慢速可生物降解有機(jī)底物的水解速率成正比。 8個(gè)子過(guò)程的反應(yīng)速率示于表8-1最右一列。 8.2.5 模型的參數(shù) 8.2.5.1 化學(xué)計(jì)量系數(shù) 表8-3中匯總了IAWQ活性污泥法設(shè)計(jì)和運(yùn)行數(shù)學(xué)模型課題組給出的ASM1中5個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)的典型數(shù)值。應(yīng)該說(shuō)明這些數(shù)值是在pH中性和城市污水條件下(20℃)的典型數(shù)值，不同的廢水特性和活性污泥組成對(duì)于這些數(shù)值還是有一定的影響的。 自養(yǎng)菌產(chǎn)率系數(shù)YA是亞硝化菌和硝化菌結(jié)合生長(zhǎng)的復(fù)合值，文獻(xiàn)報(bào)道YA的數(shù)值范圍為0.07～0.28 g細(xì)胞COD產(chǎn)生/gN消耗。ASM1中用mgCOD/L表示自養(yǎng)菌及異氧菌的濃度，1mg MLVSS 約等于1.48mgCOD。硝化作用中每去除1mgNH3-N形成1mg 硝態(tài)氮約合成0.02x113/14=0.1614mg細(xì)胞物質(zhì)（見(jiàn)第9.4.1節(jié)式9-15），典型的細(xì)胞分子式為C5H7O2N，其分子量為113），換算成COD濃度為0.1614x1.48=0.24mg,因此，0.24是YA的理論值。系數(shù)fp是表征微生物特性的系數(shù)，即表示微生物衰減后以不可生物降解顆粒產(chǎn)物存在的那部分微生物。其數(shù)值不會(huì)因?yàn)閺U水特性的不同而有較大的不變化。對(duì)于典型的細(xì)胞分子式（C5H7O2N）,微生物細(xì)胞中的含氮量iXB的數(shù)值為0.086gN/g活性生物體細(xì)胞COD。生物固體惰性組分含氮量似乎更少，iXP值為0.06gN/g內(nèi)源殘留物COD。 模型對(duì)fp 、iXB和iXP3個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)的敏感度較小，因此在應(yīng)用中通常使用典型值。YH和YA對(duì)系統(tǒng)的模擬和模型的應(yīng)用結(jié)果影響較大，在設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行中使用這些系數(shù)，應(yīng)該通過(guò)批式、動(dòng)態(tài)連續(xù)試驗(yàn)或直接從生產(chǎn)性處理廠確定這些系數(shù)。國(guó)外學(xué)者就化學(xué)計(jì)量系數(shù)的測(cè)定提出了多種生物、物化和模型辨識(shí)方法。其中，序批反應(yīng)器耗氧速率測(cè)定法（OUR）由于簡(jiǎn)便易行應(yīng)用較多。 表8-3 ASM1中的5個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù) 序號(hào) 化學(xué)計(jì)量系數(shù) 符號(hào) 單位 典型數(shù)值(20℃) 1 異氧菌產(chǎn)率系數(shù) YH g細(xì)胞COD產(chǎn)生/gCOD消耗 0.67 2 自養(yǎng)菌產(chǎn)率系數(shù) YA g細(xì)胞COD產(chǎn)生/gN消耗 0.24 3 生物固體的惰性組分值 fp 0.08 4 生物固體的含氮量 iXB gN/g活性生物體細(xì)胞COD 0.086 5 生物固體惰性組分含氮量 iXP gN/g內(nèi)源殘留物COD 0.06 8.2.5.2 動(dòng)力學(xué)參數(shù) 表8-4中匯總了IAWQ活性污泥法設(shè)計(jì)和運(yùn)行數(shù)學(xué)模型課題組給出的ASM1中14個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的定義和典型數(shù)值。 表8-4 ASM1中的14個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)及定義 序號(hào) 動(dòng)力學(xué)參數(shù) 符號(hào) 單位 推薦值 20℃ 10℃ 異氧菌的生長(zhǎng)和衰減 1 異氧菌最大比生長(zhǎng)速率 d-1 6.0 3.0 2 異氧菌生長(zhǎng)與底物利用飽和常數(shù) KS gCOD/m3 20.0 20.0 3 異氧菌比衰減（死亡）速率 bH d-1 0.62 0.20 4 異氧菌氧呼吸飽和常數(shù) KO,H gO2/m3 0.20 0.20 5 反硝化菌硝態(tài)氮呼吸飽和常數(shù) KNO gNO3-N/m3 0.50 0.50 6 異氧菌缺氧狀態(tài)生長(zhǎng)修正系數(shù) ηg 0.8 0.8 污泥所捕集的顆粒性COD水解 7 捕集COD的水解速率 kh gCOD/(g細(xì)胞COD·d) 3.0 1.0 8 捕集COD水解飽和常數(shù) KX gCOD/g細(xì)胞COD 0.03 0.01 9 缺氧條件下水解修正系數(shù) ηh 0.4 0.4 自養(yǎng)菌的生長(zhǎng)和衰減 10 自養(yǎng)菌最大比生長(zhǎng)速率 d-1 0.8 0.3 11 自養(yǎng)菌生長(zhǎng)與底物利用飽和常數(shù) KNH gNH3-N/m3 1.0 1.0 12 自養(yǎng)菌的氧飽和常數(shù) KO,A gO2/m3 0.4 0.4 13 自養(yǎng)菌比衰減（死亡）速率 bA d-1 0.12 0.12 14 溶解性有機(jī)氮的氨化速率 ka m3/(gCOD·d) 0.08 0.04 下面對(duì)表8-4中的參數(shù)作一簡(jiǎn)單的分析和說(shuō)明。 1）異氧菌氧呼吸飽和常數(shù)KO,H和反硝化菌硝態(tài)氮呼吸飽和常數(shù)KNO是用來(lái)作為開關(guān)函數(shù)。當(dāng)溶解氧濃度下降時(shí)，異養(yǎng)菌的好氧生長(zhǎng)關(guān)閉，缺氧生長(zhǎng)開啟。同樣，自養(yǎng)菌的氧飽和常數(shù)KO,A也是用來(lái)作為開關(guān)函數(shù)，當(dāng)溶解氧水平變低時(shí)停止硝化反應(yīng)。因此，只要數(shù)量級(jí)相同、運(yùn)行濃度相對(duì)較小，這些參數(shù)的實(shí)際取值并不要求十分精確。對(duì)于不同的情況不必逐一取值，采用表8-4所提到的典型值也能得到滿意的結(jié)果。 2）是表征自養(yǎng)菌生長(zhǎng)最關(guān)鍵的參數(shù)，對(duì)于硝化反應(yīng)器的設(shè)計(jì)和控制極為重要。相對(duì)于飽和常數(shù)KNH來(lái)說(shuō)，對(duì)于廢水中的化學(xué)物質(zhì)的濃度更敏感，而且能決定防止出現(xiàn)硝化菌流失的最小SRT 。因此，測(cè)定要盡量準(zhǔn)確。Hall(1974)推薦利用連續(xù)流的方法測(cè)定。即用一個(gè)完全混合反應(yīng)器，使它在高DO濃度下運(yùn)行, 并且反應(yīng)器中只發(fā)生硝化反應(yīng)。在實(shí)驗(yàn)開始階段，降低反應(yīng)器中廢棄污泥排放量，使 SRT時(shí)間大于到高度硝化所需的SRT。由于硝態(tài)氮隨著硝化菌的額外生長(zhǎng)而增加，需要隨時(shí)測(cè)量反應(yīng)器中硝態(tài)氮的質(zhì)量濃度。由于污泥中硝態(tài)氮的濃度與自養(yǎng)菌數(shù)量成比例，可用硝酸鹽的質(zhì)量濃度變化來(lái)估算。如果畫出硝態(tài)氮濃度自然對(duì)數(shù)與時(shí)間的關(guān)系曲線 , 其斜率為。此處 , 是新的SRT,是硝化菌的傳統(tǒng)衰減速率系數(shù)（取用設(shè)定值），于是可得。除了Hall推薦的方法，Nowak等（1994）利用呼吸計(jì)量法通過(guò)測(cè)定自養(yǎng)菌的最大呼吸速率OURmax來(lái)間接計(jì)算出。Lesouef(1992) 提出用測(cè)定硝化速率的方法得到，即在測(cè)定硝化速率的兩個(gè)試驗(yàn)中，加入已知量的底物以提高自養(yǎng)菌濃度，自養(yǎng)菌的生長(zhǎng)速率可由兩個(gè)硝化速率的差值與加入底物的比率得知。 3）預(yù)測(cè)污泥產(chǎn)率和需氧量需要知道bH 的確切數(shù)值，因此，它必須根據(jù)所使用的污泥確定bH 的確切數(shù)值。在傳統(tǒng)的活性污泥模型中，內(nèi)源衰減系數(shù)k d是根據(jù)污泥齡與比底物去除速速率的線性關(guān)系而獲得，但該過(guò)程僅定義了衰減系數(shù)k d約為0.05d-1, 比真正的bH值要低。當(dāng)泥齡升高時(shí)估測(cè)的k d值就不準(zhǔn)確。由于活性污泥1號(hào)模型將活性微生物與顆粒性惰性有機(jī)物區(qū)分開來(lái)，因此，Ekama等（1986）推薦用批量反應(yīng)器呼吸計(jì)量法測(cè)定bH值。即從完全混合反應(yīng)器中取出污泥置于間歇反應(yīng)器中，幾天內(nèi)多次測(cè)量OUR，氧吸收速率的自然對(duì)數(shù)與時(shí)間關(guān)系曲線的斜率就是傳統(tǒng)衰減系數(shù)。試驗(yàn)過(guò)程中，投加20mg/L的硫脲來(lái)抑制硝化反應(yīng) ,pH 維持在中性的恒定值。如果YH和fp己知,則bH可由下式計(jì)算: （8-13） 文獻(xiàn)中也有批量反應(yīng)器呼吸計(jì)量法測(cè)定bH值其他方法的報(bào)道，對(duì)于bH值的測(cè)定目前尚無(wú)規(guī)范的方法。 4）自養(yǎng)菌比衰減（死亡）速率bA與傳統(tǒng)的衰減速率常數(shù)在數(shù)值上相等。這是因?yàn)橛伤p產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)的循環(huán)只和異氧菌的活動(dòng)有關(guān)。 5）自養(yǎng)菌生長(zhǎng)與底物利用飽和常數(shù)KNH可以采用Williamson和McCarty（1975）的無(wú)限稀釋法確定。它是將從完全混合反應(yīng)器中取出的硝化活性污泥樣品置于間歇進(jìn)水的反應(yīng)器中 ，進(jìn)水中加氨氮，使得體積流速非常小，連續(xù)進(jìn)入低于微生物硝化潛力的氨氮負(fù),使得反應(yīng)器能獲得假穩(wěn)態(tài)。 該試驗(yàn)提供了比硝化速率與假穩(wěn)態(tài)氨氮濃度之間的關(guān)系。通過(guò)分析，可以獲得自養(yǎng)菌生長(zhǎng)與底物利用飽和常數(shù)KNH的數(shù)值值。因?yàn)橹T如pH值、溫度和DO濃度等環(huán)境因素會(huì)影響硝化速率，在試驗(yàn)中應(yīng)該注意使他們保持恒定。特別要保持足夠高的DO濃度， 使得接近于1。 6）異氧菌缺氧狀態(tài)生長(zhǎng)修正系數(shù)ηg和缺氧條件下水解修正系數(shù)ηh是預(yù)測(cè)反硝化的兩個(gè)重要參數(shù)。ηg是調(diào)整與缺氧條件有關(guān)的變化，或調(diào)整只有一部分微生物可反硝化的校正因子；ηh是對(duì)慢速生物降解物質(zhì)在缺氧條件下，水解速率小于好氧條件下進(jìn)行校正的因子。這兩個(gè)校正因子在數(shù)值上不同，ηh值較小。進(jìn)水中有反硝化能力的那部分微生物及處理構(gòu)筑物等因素會(huì)影響這兩個(gè)參數(shù)的值。 在兩個(gè)除最終電子受體不同(一個(gè)是好氧條件下的氧，一個(gè)是缺氧條件下的硝酸鹽)之 外其他完全相同的間歇反應(yīng)器中，估算氧和硝酸鹽的消耗速率，可同時(shí)進(jìn)行測(cè)量ηg和ηh的試驗(yàn)。該試驗(yàn)的基本原理如下：將污泥引入間歇反應(yīng)器中，與廢水接觸后不久，反應(yīng)器中的 主導(dǎo)反應(yīng)開始是異養(yǎng)菌依賴易生物降解物質(zhì)的生長(zhǎng)，而后占優(yōu)勢(shì)的是利用由慢速降解物質(zhì)水解產(chǎn)生的底物的反應(yīng)。進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，需要保證底物與微生物濃度的比例(F/M)保持在圖8-5所示的合適范圍。如果F/M太小,則易生物降解物質(zhì)的去除時(shí)間會(huì)太短，無(wú)法準(zhǔn)確測(cè)量OUR和硝酸鹽利用率(NUR)；如果F/M太小，由于這兩個(gè)階段的速率相差太小，以致無(wú)法確切的區(qū)分 ；只有F/M合適，才能準(zhǔn)確區(qū)分這兩個(gè)區(qū)的活性,并有足夠的時(shí)間去準(zhǔn)確測(cè)定好氧反應(yīng)器中的 OUR和缺氧反應(yīng)器中的NUR。如果OURg代表第一階段的OUR,NURg代表第一階段的NUR,則ηg可由下式計(jì)算： （8-14） 同時(shí) ,如果OURh代表第二階段的OUR,而NURg代表第二階段的NUR,則ηh計(jì)算如下： （8-15） 7）異氧菌最大比生長(zhǎng)速率和異氧菌生長(zhǎng)與底物利用飽和常數(shù)KS很難準(zhǔn)確估算,但模 圖8-6 F/M比值對(duì)間歇反應(yīng)器OUR的影響 (Ekama等人，1986) 型對(duì)于它們的值不敏感。的主要功能是預(yù)測(cè)OUR的最大值,因此，的測(cè)定應(yīng)該以氧吸收的測(cè)量為基礎(chǔ)。KS的主要功能是開關(guān)函數(shù)，控制著異養(yǎng)菌生長(zhǎng)和底物去除的一級(jí)或零級(jí)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)。下面介紹Cech等（1985）估算和KS值的呼吸測(cè)定法。 從試驗(yàn)活性污泥反應(yīng)器中取出污泥，曝氣1h得到恒定的背景呼吸速率。將污泥和廢水按不同的稀釋比混合，使微生物的比呼吸速率達(dá)到最大。在試驗(yàn)過(guò)程中，需要保持高水平的DO 濃度, 使得不同試驗(yàn)中的項(xiàng)大致相等，并接近l 。結(jié)合已知的廢水特性，用這些化學(xué)計(jì)量系數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以估算從小試反應(yīng)器取出的活性污泥中異養(yǎng)菌濃度XB,H。然后,將測(cè)定的呼吸速率除以呼吸計(jì)中異氧菌濃度,可得到菌種的比呼吸速率。測(cè)量值與背景值之差為底物氧化的速率rresp.OX。于是，可以計(jì)算異氧菌比生長(zhǎng)速率: （8-16） 因?yàn)樵谠囼?yàn)過(guò)程中保持高的DO濃度，只是易降解底物濃度SS的函數(shù)。用多種方法分析以SS為函數(shù)的數(shù)據(jù),可以得到和KS。 8）無(wú)論是城市污水還是工業(yè)廢水，慢速可生物降解有機(jī)物XS都是廢水中可生物降解COD的主體，因此，慢速可生物降解有機(jī)物XS的水解反應(yīng)是模型中的重要反應(yīng)，需要估算捕集COD（慢速可生物降解COD）的水解速率kh和捕集COD水解飽和常數(shù)KX。為了測(cè)定kh，必須使微生物中慢速生物降解物質(zhì)達(dá)到飽和。這同樣也可以通過(guò)運(yùn)行日循環(huán)脈沖進(jìn)水的完全混合反應(yīng)器來(lái)完成。圖8-4顯示了24h內(nèi)氧吸收的形式 , 在討論快速可生物降解有機(jī)物SS的測(cè)定方法時(shí)，曾提及停止進(jìn)水后OUR的急劇下降與快速可生物降解有機(jī)物有關(guān)。進(jìn)水停止后OUR曲線的平緩是由于慢速可生物降解物質(zhì)水解所釋放底物的降解。曲線持續(xù)平緩表明微生物達(dá)飽和并且水解以最大速率進(jìn)行。由此，可以估算kh。而且，OUR曲線隨時(shí)間下降的模式是由KX決定的。因此，可以用曲線擬合技術(shù)估算kh和KX。 9）基于停止進(jìn)水時(shí)的可溶性有機(jī)氮中氨的釋放，可以用一個(gè)相類似的抑制了硝化反應(yīng)的日循環(huán)脈沖進(jìn)水試驗(yàn)來(lái)確定溶解性有機(jī)氮的氨化速率ka。 10) 自養(yǎng)菌比衰減（死亡）速率bA很難用現(xiàn)有方法進(jìn)行測(cè)定，文獻(xiàn)報(bào)道值在0.05～0.15d-1,但極少知到確切值。 由上面的討論可以看出，一些參數(shù)不需要測(cè)定(表8-5)，因?yàn)榧僭O(shè)值能得到良好的效果。其次,和特定廢水的性質(zhì)一樣,其他參數(shù)的估算必須按一 的順序來(lái)進(jìn)行,因?yàn)榈玫侥承﹨?shù)之前需要其他參數(shù)。表8-6列出了它們的前后關(guān)系。需要說(shuō)明的是，這些參數(shù)的確定方法仍然處于研究發(fā)展中，隨著模型使用經(jīng)驗(yàn)的積累，可能會(huì)有更好的測(cè)定技術(shù)。 表8-5 ASM1中可以假設(shè)的參數(shù) 符號(hào) 名稱 YA bA fp iXB iXP KO,H KNO KO,A 自氧菌產(chǎn)率系數(shù) 自養(yǎng)菌比衰減（死亡）速率 生物固體的惰性組分值 生物固體的含氮量 生物固體惰性組分含氮量 異氧菌氧呼吸飽和常數(shù) 反硝化菌硝態(tài)氮呼吸飽和常數(shù) 自養(yǎng)菌的氧飽和常數(shù) 8.2.6 模型的缺欠與使用限制 ASM1推出后，在歐美得到了廣泛的使用，成為模擬活性污泥系統(tǒng)的強(qiáng)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：它不包括氮和堿度限制異氧菌的動(dòng)力學(xué)表述，導(dǎo)致某些情況下計(jì)算物質(zhì)的濃度會(huì)出現(xiàn)負(fù)值；氨化動(dòng)力學(xué)無(wú)法真正量化，通常假設(shè)所有有機(jī)物組分組成恒定，即恒定的N:COD比值；異氧菌的水解過(guò)程對(duì)預(yù)測(cè)氧的消耗和反硝化起主要影響作用，但這個(gè)過(guò)程的動(dòng)力學(xué)參數(shù)量化是非常困難的；僅用伴有水解的衰減和生長(zhǎng)來(lái)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(píng)價(jià)上的困難；沒(méi)有區(qū)分硝化菌在好氧和缺氧條件下的衰減速率，這在長(zhǎng)SRT和缺氧反應(yīng)器體積比例較高時(shí)，預(yù)測(cè)最大硝化速率會(huì)有問(wèn)題。ASM1不能預(yù)測(cè)可直接觀測(cè)到的混合液中的懸浮固體濃度。 下面所列各項(xiàng)內(nèi)容為ASM1模型使用時(shí)的限制條件： 1）溫度應(yīng)在8～23 ℃之間； 2）pH值應(yīng)在6.5～7.5的范圍內(nèi)； 3）曝氣池中的混合強(qiáng)度不能超過(guò)240/s； 4）反應(yīng)器的曝氣死區(qū)所占比例不大于50%, 否則污泥沉降性能將會(huì)惡化； 5）不適用于超高負(fù)荷或泥齡(SRT)小的活性污泥系統(tǒng),SRT應(yīng)為3～30d； 6）污泥濃度(以COD計(jì))一般應(yīng)在750～7500mg/L之間。 表8-6 必須測(cè)定和估算的參數(shù)、特性及前期所需信息 符號(hào) 名稱 前期所需信息 SNO SNH SI SNI SND YH SS KNH bH XI XS XND ηg ηh KS kh KX ka 溶解性硝酸鹽氮濃度 溶解性氨氮濃度 溶解性不可生物降解COD濃度 溶解性不可生物降解有機(jī)氮濃度 溶解性可生物降解有機(jī)氮濃度 異氧菌產(chǎn)率系數(shù) 溶解性快速可生物降解COD濃度 自養(yǎng)菌最大比生長(zhǎng)速率 自養(yǎng)菌生長(zhǎng)與底物利用飽和常數(shù) 異氧菌比衰減（死亡）速率 顆粒性不可生物降解COD濃度 慢速可生物降解COD濃度 顆粒性可生物降解有機(jī)氮濃度 異氧菌缺氧狀態(tài)生長(zhǎng)修正系數(shù) 缺氧條件下水解修正系數(shù) 異氧菌最大比生長(zhǎng)速率 異氧菌生長(zhǎng)與底物利用飽和常數(shù) 捕集COD的水解速率 捕集COD水解飽和常數(shù) 溶解性有機(jī)氮的氨化速率