崔力明1，楊海真1，楊光2
(1.同濟大學環境科學與工程學院，上海 200092；2.東華大學環境與市政工程學院，上海 200051)

　　摘要：活性污泥1號模型ASM1中的參數確定可指導活性污泥法工藝設計與運行，對國內外ASM1模型污水特性參數的測定及計算方法進行了歸納和比較，提出測定該模型參數的方法。
　　關鍵詞：活性污泥；數學模型；污水處理
　　中圖分類號：X703.1　　 文獻標識碼：A　 　文章編號：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概述

　　國際水協會(International AS_Sociation on Water Quality,IAWQ)于1987年提出了活性污泥1號模型(ASM1)，在ASMl的基礎上分別于1995和1999年提出了ASM2和ASM3。這三個模型推出后，已得到廣泛的應用，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、動態模擬以尋求最佳運行狀態。ASM1模型著重于廢水生物處理的基本原理、過程及動態模擬，首次把氮的去除納入模型，其中包括了13個污水特性組分參數。與ASM1中的模型參數相比，ASM2和ASM3模型中增加了許多新的污水特性參數，比如 Spo4,Xpao,X_STO和X_SS。然而，IAWQ三個模型的參數均是基于ASM1號模型中的13個基礎特性參數(表1)。因此，ASM1中的污水特性參數是研究整個活性污泥法模型的基礎[1]。

表1　 ASM1中各水質參數組分的意義 序號 組分符號 定義 1 S_I 可溶性情性有機物，mg/L 2 S_S 易生物降解有機物，mg/L 3 X_I 顆粒性情性有機物，mg／L 4 X_S 慢速生物降解有機物，mg/L 5 X_BH 異養活性生物量，mg／L 6 X_BA 自養活性生物量，mg／L 7 X_P 由微生物衰解產生的顆粒性有機物，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氮，mg／L 12 X_ND 顆粒性可生物降解有機氮，mg／L 13 S_ALK 堿度

2 模型參數目前研究進展

2.1COD組分參數
　　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方面。不可生物降解的有機物質呈生物惰性，它們在經過活性污泥處理后沒有發生形態上的變化，如S_I，X_I。可生物降解的有機物分為易生物降解物質和慢速生物降解物質。而微生物分為異養活性微生物和自養活性微生物[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年對這13種組分進行了研究，對測定人流污水中各組分的物理化學法和生物法進行了比較。研究認為對于COD組分的測定，推薦使用傳統的物理化學方法和目前已經成熟的OUR法(Oxygen Uptake Rate)。STOWA認為在低負荷的活性泥法中，惰性溶解性的S_I等于出流水中COD含量的90％；而在高負荷的活性污泥法系統中的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20d的BOD實驗，用BOD／(1-YH)的值減去S_S來確定。X_I的值用顆粒性的總COD減去X_S得到。顯而易見這些方法是基于廢水中COD各組分的溶解性的不同來區分的。對于易生物降解和慢速生物降解的物質來說，使用這種方法會使得這兩者的區分不夠準確。
　　IAWQ也推薦了一些測定方法[4]。對泥齡超過10d的完全混合式廢水樣品進行長時間間歇曝氣實驗，定期取樣分析其中可溶性的COD，當其濃度恒定時，可溶性的COD的值就是S_I。在單一完全混合反應器中，污泥停留時間為2d，日循環脈沖進水(進水12h，停止進水12h)，投加硝化抑制劑烯丙基硫脲(ATU)。使用溶氧儀測定耗氧速率作圖(見圖1)。然后根據以下公式求得S_S。

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

式中：⊿OUR—停止進水后OUR的變化，mg/(L·h)；
　　　V—反應器的容積，L；
　　　Q—進水流量，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。

　　但是此方法對溫度和負荷十分敏感，實際操作難度大。該測定方法假設X_S的水解速率恒定，實際上在實驗中恒定速率很難保證；測定時間長達24h，且前期反應器要達到穩態所用的時間更長。ASMl中X_I用模型進行擬和求得，然后根據COD組分的大平衡求得X_S。
　　Ekama等人認為泥齡大于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是一個近似值，為了得到較為精確的Sl值，可以使用ASMl中測定S_I的方法。在Ekama觀點的基礎上，Mamais等人假設顆粒狀的有機物中不含有易降解物質，采用硫酸鋅使廢水形成懸濁液，然后吸附過濾原廢水中的膠體物質，再用0.45μm的濾膜過濾上清液后，按標準方法分析測定其中的COD濃度。最后用過濾廢水中的COD減去S_I值，求得S_S。此方法簡便快捷，但pH值的輕微波動都會對S_S的測定結果產生較大影響，測定結果產生偏差的概率高。Kappeler和Guier等使用批量反應器，用溶氧儀測定耗氧速率的變化來得到S_S和X_S，即OUR法。如圖2，在OUR曲線圖上I區、Ⅱ區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區表示微生物的內源呼吸階段[5-6]。根據以下公式來計算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
　　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氮，因此在模型中不涉及溶解性的不可生物降解有機氮的輸入[3]。總氮的質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關于氮的測定方法與IAWQ的方法基本相同，均采用常規化學分析法，有機氮部分的測定（S_ND和X_ND）按相應的COD比例確定。

3 ASM1中水質特性參數的測定方法

3.1 ASM1中的COD組分
　　S_I測定的方法推薦使用ASM1中使用的長時間曝氣法。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中也有可能產生S_I，所以可能出現S_I在出水中比進水還要大的情況。在城市污水中，S_S主要是簡單的低分子溶解性有機物，可以直接被微生物利用，生物降解速度快。X_S由較高相對分子質量的化合物組成，包括部分溶解性的物質、部分膠體以及顆粒狀的有機物。
　　測定S_S和X_S推薦使用批量OUR法。測定使用2.5L的反應器，實際工作體積為2L。pH值控制在7.5～8.5之間，在反應器中投加硝化抑制劑ATU10mg/L。污泥來自城市污水廠，在實驗室用城市污水培養，泥齡10d，測定前取一定量的污泥經6～8h無進水曝氣，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，密封反應器，用溶氧儀測定、記錄DO變化，以DO下降的梯度作為該時段反應器中OUR值。繪出OUR曲線，根據圖2和公式（5）、（6）計算S_S和X_S的值。
　　X_I可以借鑒使用測試S_I中的長期BOD方法測試。假設自養菌可以忽略，那么XP的值可以通過異養菌的衰解系數求得。
　　XBH通過以下公式計算[7]：

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

　　Dupont等人研究認為X_BA可以通過以下公式計算：

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

式中：f_Aerobic——反應器的缺氧系數；
　　　N_Nitr——硝酸鹽量，mg/L；
　　　θ_X——污泥齡，d；
　　　θ_H——水力停留時間，d；
　　　COD_Degraded ——污泥齡內COD的去除總量，mg/L；
　　　b_H——厭氧菌的衰減系數，d^-1；
　　　YH——異養菌產率系數。
　　　b_H和YH的值可以使用OUR法測定。
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過濾分離水樣可以很容易地使用上述方法確定。對可溶惰性COD的樣品進行凱氏氮測定來測定SNI；用凱式氮法測定進水中總溶解有機氮的質量濃度，再減去SNH與S_NI的和即為S_ND；假設進水中易降解和慢速降解有機氮之比類似于進水中易降解COD與慢速降解COD之比，通過下面公式求得X_ND^[4]。

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

4 結語

　　與國外相比我國對IAWQ活性污泥模型的研究與應用還有相當的差距。尤其在水質組分、化學計量學參數的測定方面更是如此。而且我國地域跨度大，各地生活習慣與工農業發展水平差距很大，因此各地水質，各行業水質的差異極大。由此，我們首先應該做的就是通過實驗來確定適合我國國情和水質特征的模型參數，只有這樣才能使ASMl符合中國國情，為提高我國的廢水處理水平服務。

參考文獻：

[1] 盧培利，張代鈞，劉穎，等.。活性污泥動力學模型研究進展和展望[J]。重慶大學學報（自然科學版），2002，25（3）：109-114。
[2] 王磊，楊海真。活性污泥數學模型的發展應用[J]。上海環境科學，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] 張亞雷，李詠梅。活性污泥數學模型[M]。上海：同濟大學出版社，2002。
[5] 黃勇，李勇，潘揚。幾種廢水特性鑒定實驗方法的比較研究[J]。蘇州城建環保學院學報，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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作者簡介： 崔力明（1978—），男，山西晉城人，現攻讀碩士，研究方向為水污染控制，電話（021）65901134。