崔力明1，楊海真1，楊光2
(1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200092；2.東華大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院，上海 200051)

　　摘要：活性污泥1號(hào)模型ASM1中的參數(shù)確定可指導(dǎo)活性污泥法工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行，對(duì)國(guó)內(nèi)外ASM1模型污水特性參數(shù)的測(cè)定及計(jì)算方法進(jìn)行了歸納和比較，提出測(cè)定該模型參數(shù)的方法。
　　關(guān)鍵詞：活性污泥；數(shù)學(xué)模型；污水處理
　　中圖分類號(hào)：X703.1　　 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A　 　文章編號(hào)：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 模型中污水特性組分參數(shù)概述

　　國(guó)際水協(xié)會(huì)(International AS_Sociation on Water Quality,IAWQ)于1987年提出了活性污泥1號(hào)模型(ASM1)，在ASMl的基礎(chǔ)上分別于1995和1999年提出了ASM2和ASM3。這三個(gè)模型推出后，已得到廣泛的應(yīng)用，目前已用于新建污水廠，改建污水廠，也可用于已有污水廠的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)模擬以尋求最佳運(yùn)行狀態(tài)。ASM1模型著重于廢水生物處理的基本原理、過(guò)程及動(dòng)態(tài)模擬，首次把氮的去除納入模型，其中包括了13個(gè)污水特性組分參數(shù)。與ASM1中的模型參數(shù)相比，ASM2和ASM3模型中增加了許多新的污水特性參數(shù)，比如 Spo4,Xpao,X_STO和X_SS。然而，IAWQ三個(gè)模型的參數(shù)均是基于ASM1號(hào)模型中的13個(gè)基礎(chǔ)特性參數(shù)(表1)。因此，ASM1中的污水特性參數(shù)是研究整個(gè)活性污泥法模型的基礎(chǔ)[1]。

表1　 ASM1中各水質(zhì)參數(shù)組分的意義 序號(hào) 組分符號(hào) 定義 1 S_I 可溶性情性有機(jī)物，mg/L 2 S_S 易生物降解有機(jī)物，mg/L 3 X_I 顆粒性情性有機(jī)物，mg／L 4 X_S 慢速生物降解有機(jī)物，mg/L 5 X_BH 異養(yǎng)活性生物量，mg／L 6 X_BA 自養(yǎng)活性生物量，mg／L 7 X_P 由微生物衰解產(chǎn)生的顆粒性有機(jī)物，mg／L 8 S_O 溶解氧，mg／L 9 S_NO 硝酸鹽與亞硝酸鹽氮，mg/L 10 S_NH NH4++NH3氮，mg／L 11 S_ND 溶解性可生物降解有機(jī)氮，mg／L 12 X_ND 顆粒性可生物降解有機(jī)氮，mg／L 13 S_ALK 堿度

2 模型參數(shù)目前研究進(jìn)展

2.1COD組分參數(shù)
　　ASM1模型中COD組分的劃分基于溶解性、可生物降解性、降解速率以及是否為活性微生物四個(gè)方面。不可生物降解的有機(jī)物質(zhì)呈生物惰性，它們?cè)诮?jīng)過(guò)活性污泥處理后沒(méi)有發(fā)生形態(tài)上的變化，如S_I，X_I?？缮锝到獾挠袡C(jī)物分為易生物降解物質(zhì)和慢速生物降解物質(zhì)。而微生物分為異養(yǎng)活性微生物和自養(yǎng)活性微生物[2-3]。模型中總的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年對(duì)這13種組分進(jìn)行了研究，對(duì)測(cè)定人流污水中各組分的物理化學(xué)法和生物法進(jìn)行了比較。研究認(rèn)為對(duì)于COD組分的測(cè)定，推薦使用傳統(tǒng)的物理化學(xué)方法和目前已經(jīng)成熟的OUR法(Oxygen Uptake Rate)。STOWA認(rèn)為在低負(fù)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％；而在高負(fù)荷的活性污泥法系統(tǒng)中的S_I的含量等于出流水中COD含量減去BOD后的量的90％。溶解性的總COD減去S_I剩下的部分就是S_S。X_S的值通過(guò)20d的BOD實(shí)驗(yàn)，用BOD／(1-YH)的值減去S_S來(lái)確定。X_I的值用顆粒性的總COD減去X_S得到。顯而易見(jiàn)這些方法是基于廢水中COD各組分的溶解性的不同來(lái)區(qū)分的。對(duì)于易生物降解和慢速生物降解的物質(zhì)來(lái)說(shuō)，使用這種方法會(huì)使得這兩者的區(qū)分不夠準(zhǔn)確。
　　IAWQ也推薦了一些測(cè)定方法[4]。對(duì)泥齡超過(guò)10d的完全混合式廢水樣品進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間間歇曝氣實(shí)驗(yàn)，定期取樣分析其中可溶性的COD，當(dāng)其濃度恒定時(shí)，可溶性的COD的值就是S_I。在單一完全混合反應(yīng)器中，污泥停留時(shí)間為2d，日循環(huán)脈沖進(jìn)水(進(jìn)水12h，停止進(jìn)水12h)，投加硝化抑制劑烯丙基硫脲(ATU)。使用溶氧儀測(cè)定耗氧速率作圖(見(jiàn)圖1)。然后根據(jù)以下公式求得S_S。

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

式中：⊿OUR—停止進(jìn)水后OUR的變化，mg/(L·h)；
　　　V—反應(yīng)器的容積，L；
　　　Q—進(jìn)水流量，L/h；
　　　COD_總—混合液中總COD，mg/L；
　　　COD_可溶性—混合溶液中溶解性COD，mg/L。

　　但是此方法對(duì)溫度和負(fù)荷十分敏感，實(shí)際操作難度大。該測(cè)定方法假設(shè)X_S的水解速率恒定，實(shí)際上在實(shí)驗(yàn)中恒定速率很難保證；測(cè)定時(shí)間長(zhǎng)達(dá)24h，且前期反應(yīng)器要達(dá)到穩(wěn)態(tài)所用的時(shí)間更長(zhǎng)。ASMl中X_I用模型進(jìn)行擬和求得，然后根據(jù)COD組分的大平衡求得X_S。
　　Ekama等人認(rèn)為泥齡大于3d的活性污泥法工藝污水廠出流水的溶解性的COD即是S_I[4]。這樣得到S_I是一個(gè)近似值，為了得到較為精確的Sl值，可以使用ASMl中測(cè)定S_I的方法。在Ekama觀點(diǎn)的基礎(chǔ)上，Mamais等人假設(shè)顆粒狀的有機(jī)物中不含有易降解物質(zhì)，采用硫酸鋅使廢水形成懸濁液，然后吸附過(guò)濾原廢水中的膠體物質(zhì)，再用0.45μm的濾膜過(guò)濾上清液后，按標(biāo)準(zhǔn)方法分析測(cè)定其中的COD濃度。最后用過(guò)濾廢水中的COD減去S_I值，求得S_S。此方法簡(jiǎn)便快捷，但pH值的輕微波動(dòng)都會(huì)對(duì)S_S的測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生較大影響，測(cè)定結(jié)果產(chǎn)生偏差的概率高。Kappeler和Guier等使用批量反應(yīng)器，用溶氧儀測(cè)定耗氧速率的變化來(lái)得到S_S和X_S，即OUR法。如圖2，在OUR曲線圖上I區(qū)、Ⅱ區(qū)分別表示微生物利用S_S，X_S降解造成的溶氧變化，以⊿OURI和⊿OURII表示。Ⅲ區(qū)表示微生物的內(nèi)源呼吸階段[5-6]。根據(jù)以下公式來(lái)計(jì)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—污水體積，L；
　　　V—污水體積。L；
　　　⊿OURI，⊿OURII—I，II階段OUR變化，mg/L。

2.2 含氮組分參數(shù)
　　ASM1中的含氮組分的劃分與COD的劃分方法相一致，但忽略了溶解性的不可生物降解的有機(jī)氮，因此在模型中不涉及溶解性的不可生物降解有機(jī)氮的輸入[3]?？偟馁|(zhì)量濃度使用下式表示：

　　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關(guān)于氮的測(cè)定方法與IAWQ的方法基本相同，均采用常規(guī)化學(xué)分析法，有機(jī)氮部分的測(cè)定（S_ND和X_ND）按相應(yīng)的COD比例確定。

3 ASM1中水質(zhì)特性參數(shù)的測(cè)定方法

3.1 ASM1中的COD組分
　　S_I測(cè)定的方法推薦使用ASM1中使用的長(zhǎng)時(shí)間曝氣法。但是要注意到S_I的值在不同的水樣中變化很大，由于在活性污泥反應(yīng)中也有可能產(chǎn)生S_I，所以可能出現(xiàn)S_I在出水中比進(jìn)水還要大的情況。在城市污水中，S_S主要是簡(jiǎn)單的低分子溶解性有機(jī)物，可以直接被微生物利用，生物降解速度快。X_S由較高相對(duì)分子質(zhì)量的化合物組成，包括部分溶解性的物質(zhì)、部分膠體以及顆粒狀的有機(jī)物。
　　測(cè)定S_S和X_S推薦使用批量OUR法。測(cè)定使用2.5L的反應(yīng)器，實(shí)際工作體積為2L。pH值控制在7.5～8.5之間，在反應(yīng)器中投加硝化抑制劑ATU10mg/L。污泥來(lái)自城市污水廠，在實(shí)驗(yàn)室用城市污水培養(yǎng)，泥齡10d，測(cè)定前取一定量的污泥經(jīng)6～8h無(wú)進(jìn)水曝氣，再用蒸餾水沖洗，減小殘余COD的影響。間歇大量曝氣使DO上升至6-7mg/L以上，然后停止曝氣，密封反應(yīng)器，用溶氧儀測(cè)定、記錄DO變化，以DO下降的梯度作為該時(shí)段反應(yīng)器中OUR值。繪出OUR曲線，根據(jù)圖2和公式（5）、（6）計(jì)算S_S和X_S的值。
　　X_I可以借鑒使用測(cè)試S_I中的長(zhǎng)期BOD方法測(cè)試。假設(shè)自養(yǎng)菌可以忽略，那么XP的值可以通過(guò)異養(yǎng)菌的衰解系數(shù)求得。
　　XBH通過(guò)以下公式計(jì)算[7]：

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

　　Dupont等人研究認(rèn)為X_BA可以通過(guò)以下公式計(jì)算：

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

式中：f_Aerobic——反應(yīng)器的缺氧系數(shù)；
　　　N_Nitr——硝酸鹽量，mg/L；
　　　θ_X——污泥齡，d；
　　　θ_H——水力停留時(shí)間，d；
　　　COD_Degraded ——污泥齡內(nèi)COD的去除總量，mg/L；
　　　b_H——厭氧菌的衰減系數(shù)，d^-1；
　　　YH——異養(yǎng)菌產(chǎn)率系數(shù)。
　　　b_H和YH的值可以使用OUR法測(cè)定。
3.2　 ASMl中的含氮組分
　　S_NO，S_NH分別使用酚二磺分光光度法、蒸餾和滴定法；X_ND的值可以分析顆粒性的總凱氏氮得到；以上這幾種組分通過(guò)過(guò)濾分離水樣可以很容易地使用上述方法確定。對(duì)可溶惰性COD的樣品進(jìn)行凱氏氮測(cè)定來(lái)測(cè)定SNI；用凱式氮法測(cè)定進(jìn)水中總?cè)芙庥袡C(jī)氮的質(zhì)量濃度，再減去SNH與S_NI的和即為S_ND；假設(shè)進(jìn)水中易降解和慢速降解有機(jī)氮之比類似于進(jìn)水中易降解COD與慢速降解COD之比，通過(guò)下面公式求得X_ND^[4]。

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

4 結(jié)語(yǔ)

　　與國(guó)外相比我國(guó)對(duì)IAWQ活性污泥模型的研究與應(yīng)用還有相當(dāng)?shù)牟罹?。尤其在水質(zhì)組分、化學(xué)計(jì)量學(xué)參數(shù)的測(cè)定方面更是如此。而且我國(guó)地域跨度大，各地生活習(xí)慣與工農(nóng)業(yè)發(fā)展水平差距很大，因此各地水質(zhì)，各行業(yè)水質(zhì)的差異極大。由此，我們首先應(yīng)該做的就是通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定適合我國(guó)國(guó)情和水質(zhì)特征的模型參數(shù)，只有這樣才能使ASMl符合中國(guó)國(guó)情，為提高我國(guó)的廢水處理水平服務(wù)。

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作者簡(jiǎn)介： 崔力明（1978—），男，山西晉城人，現(xiàn)攻讀碩士，研究方向?yàn)樗廴究刂疲娫挘?21）65901134。