ASM发展及其在SBR工艺中的应用

摘要：概述了ASM（Activated Sludge Model）的发展，对比了ASM各个模型对污水处理反应过程的理论描述，介绍了ASM在SBR工艺中的应用，这些研究表明，应用ASM进行系统的模拟和状态的调整可以辅助SBR工艺的设计，提高污水处理系统的处理效果；但是，由于模型本身和我国实际情况存在的问题，应用这些模型仍然有很多困难。

关键词：ASM 模拟 SBR

Development and application of ASM to SBR technology

Abstract:  The development of Activated Sludge Model (ASM) has been summarized, the different descriptions of every edition of ASM were illustrated, the applications of ASM to SBR were approached, these researches has proved that the usage of ASM can aid the design of SBR and can improve the quality of wastewater treatment system, but because of the problems of ASM and China’s practical situation, there are still lots of difficulties.

Keywords: ASM; modeling; SBR

　　ASM（Activated Sludge Model）即活性污泥模型，是国际水质协会（IAWQ）针对污水活性污泥法处理推出的数学模型。ASM是为了解决废水生物处理设计和操作过程中的问题而推出的，主要目的是为了获得最优化的效果。ASM自从推出以来，得到了广泛的应用；其本身也在不断地发展和完善。现在，这个系列模型已经运用到了各种污水处理工艺如接触氧化、氧化沟、SBR等工艺中。

1．ASM发展概述

　　1987年，IAWQ推出了ASM1[1]，这个模型包括了有机物氧化及硝化和反硝化的生物过程，由于这个模型能够很好地模拟污水处理结果，所以得到了研究者的认同。1995年，IAWQ推出了ASM2[2]，它在ASM1的基础上引入了生物除磷以及化学除磷的过程。1999年，IAWQ同时推出了ASM2d[3]和ASM3[4]。ASM2d 是对ASM2的进一步完善，改正了ASM2中对磷聚集微生物（Polyphosphate Accumulating Organism，简写为PAO）的不恰当描述。而ASM3是在总结和修正ASM1模型缺陷的基础上提出的，采用了与ASM1不同的理论依据，ASM3中同样包括有机物氧化、硝化和反硝化，而没有包括生物除磷。2001年，由负责建立ASM3的学者推出了EAWAG Bio-P[5]模型，这个模型建立在ASM3基础上，采用了ASM2d的一些观点，在ASM3的基础上增加了生物除磷的过程，但不包括化学除磷。

　　ASM共有的特点在于将污水中的组分分为可溶性组分和颗粒性组分，其中可溶性组分包括溶解氧、碱度及大部分污染物，颗粒性组分包括微生物及部分污染物，应用理论建立生物或化学反应过程（基于莫诺特方程式）。在表达方面最主要的特点是采用矩阵形式来描述各组分在反应过程中的变化规律和相互关系，这就简化了反应速率方程式的表达，有利于计算机程序的编码。ASM矩阵反应速率中采用了“开关函数”的概念，用来反映环境因素改变而产生的抑制作用，可以避免那些因为具有不连续特性的　　反应过程在模拟过程中出现的数值不稳定的现象；例如在反硝化反应速率中加入一项，其中为氧饱和速率常数，为溶解氧浓度，当溶解氧趋于0时，此项为1，反硝化过程顺利进行，反之，当溶解氧浓度增大到一定限度时，此项趋近于0，反硝化过程停止。此外，研究者还可以根据理论发展及实际情况的需要对现有的ASM进行反应过程的增加或简化，这无疑扩大了ASM应用的灵活性。

2．ASM对污水处理过程的描述

　　由于ASM建立在对微生物反应过程的描述之上，所以对反应过程描述的不同也就导致了模型表达的不同，而其根本原因是采用了不同的理论。ASM1、ASM2、ASM2d排除了传统的维持（Maintenance）理论和内源呼吸（Endogenous Respiration）理论，采用了死亡-再生（Death Regeneration）理论，而ASM3、EAWAG Bio-P模型采用了内源呼吸理论。

　　图1是ASM1对模型反应过程的描述。可以看到，模型中异养性微生物和自养性微生物（硝化菌）并不是完全分开的，即模型中两种微生物反应的计算会相互影响。ASM1包含了13种组分，8种反应过程。

　　ASM2中，认为PAO不能够进行反硝化反应，而许多研究发现部分PAO能够在内源呼吸时利用硝酸盐（亚硝酸盐）氮，从而发生反硝化反应。ASM2d正是考虑到这一点而在ASM2基础上改进的。

　　图2是ASM2d对模型反应过程的描述。可以看到，由于PAO的引入，模型变的格外复杂。为了方便计算，ASM2d认为模型中的异养性微生物是“万能”微生物，它们能够在好氧或兼性（反硝化）状态下生长，也能够在厌氧状态下保持活性（发酵）。此外，ASM1中的易生物降解基质被可发酵、易生物降解有机基质和发酵产物所代替；而ASM1中的颗粒性及溶解性有机氮由于难于测量，极易转化，所以除ASM1外的模型均省略了这两个组分，认为它们应该作为颗粒性慢速生物降解基质中含量固定的部分，如果含量是变化的，需要增加附加的组分和反应过程。

　　由于现在对生物除磷原理的了解仍然不是很完善，所以ASM2d选择了一个简单的模型对PAO进行描述，这个模型允许对生物除磷进行预测，但是没有包括所有观测到的现象。所以，IAWQ建议将ASM2d作为以后模型发展的基础。ASM2d假设PAO只能够在好氧、兼氧条件下生长，只能利用细胞内部贮存的有机物质聚羟基烷酸（PHA）进行生长，这个假设对于ASM2d来说是一个很不利的限制，可能需要以后进一步的改进。

　　ASM2d包含了19种组分，21种反应过程。

　　图3是ASM3对模型反应过程的描述。可以看到，模型中异养性微生物和自养性微生物（硝化菌）是完全分开的，即它们的衰亡过程采用了两个不同的方程，这就避免了它们的相互干扰。ASM3认为，贮存-内源呼吸能更好地描述微生物的衰亡过程，而不是像ASM1采用的水解模式。

　　ASM3包含了13种组分，12种反应过程。

　　EAWAG Bio-P与同样考虑了生物除磷的ASM2d不同，这个模型忽略了易生物降解基质的发酵过程。这个假设是建立在统计学模型分析和研究结果基础上的，这些成果表明，典型的市政污水中，不存在发酵过程对释磷过程的限制性作用。对PAO的描述方面，EAWAG Bio-P和ASM2d主要的不同在于应用了内源呼吸以及较低的兼氧衰亡速率。由于PAO厌氧衰亡的值很小，所以EAWAG Bio-P忽略了这个过程。

　　图2中ASM2d对PAO的描述也基本适用于EAWAG Bio-P模型，只是水解过程变成了内源呼吸（产物仅为惰性颗粒有机物），无发酵产物这一组分，不包括化学除磷过程（可根据需要增加）。

　　EAWAG Bio-P包含了17种组分，23种反应过程。