摘要：活性污泥法的數(shù)學(xué)模型經(jīng)過近二十年的發(fā)展，已由最初簡單的描述有機(jī)物去除和脫氮的數(shù)學(xué)模型發(fā)展到可以模擬有機(jī)物去除，脫氮和除磷的比較完善的數(shù)學(xué)模型。本文介紹了由國際水協(xié)（IWA）數(shù)學(xué)模型組開發(fā)的ASM1、ASM2、ASM3號模型以及由荷蘭Delft大學(xué)開發(fā)的TUDP模型。闡述了各種的模型的主要反應(yīng)過程、應(yīng)用條件及缺陷，并通過實例證明了模型在污水處理廠升級改造中發(fā)揮的巨大效益。
　　關(guān)鍵詞：污水處理廠，模型，活性污泥法
　　
　　1、引言
　　活性污泥法是目前世界上應(yīng)用最為普遍的城市生活污水處理方法。通過活性污泥的吸附、生物降解等綜合作用，可以將污水中大部分的污染物去除。通過有效的設(shè)計，城市污水廠可以達(dá)到去除有機(jī)物、生物脫氮和生物除磷的功能。在活性污泥法數(shù)學(xué)模型出現(xiàn)之前，污水廠的設(shè)計往往經(jīng)過小試、中試然后設(shè)計的過程或者根據(jù)以前的經(jīng)驗進(jìn)行設(shè)計。這樣的設(shè)計往往會帶有較大的不確定性，達(dá)不到優(yōu)化設(shè)計的目的。比如在污水廠的設(shè)計手冊中，一般的活性污泥法的設(shè)計參數(shù)體積負(fù)荷可以取0.2～0.8kg.COD/m3.d。設(shè)計參數(shù)的高值和底值相差3倍，而采用高值和底值設(shè)計參數(shù)進(jìn)行設(shè)計的曝氣池容積相差三倍。這往往讓設(shè)計人員很難取舍，一般情況采用中間值進(jìn)行設(shè)計。
　　利用活性污泥數(shù)學(xué)模型，設(shè)計人員可以很方便利用數(shù)學(xué)模型在不同條件下對污水廠的出水情況進(jìn)行預(yù)測，從而選擇最為合理的設(shè)計參數(shù)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的。活性污泥數(shù)學(xué)模型最早是由國際水協(xié)（IWA）開發(fā)，1987年ASM1模型正式發(fā)表，通過近二十年的發(fā)展，模型逐漸完善，可以精確描述有機(jī)物氧化、生物脫氮和生物除磷的過程，如于1995年發(fā)表的ASM2模型和于1999年發(fā)表的ASM3模型。為了更為精確描述生物除磷過程，Delft大學(xué)發(fā)表了TUDP除磷模型，進(jìn)一步完善了ASM模型的缺陷。
　　活性污泥數(shù)學(xué)模型出現(xiàn)后，引起了廣大污水生物處理專家以及工程人員的關(guān)注，模型被廣泛應(yīng)用于新工藝的開發(fā)，污水處理廠的升級改造，對污水廠的運行情況進(jìn)行評價以及對工藝進(jìn)行優(yōu)化等。但在我國，對于數(shù)學(xué)模型的研究還處于剛剛起步階段，2002年，同濟(jì)大學(xué)將ASM1～3模型的原著翻譯成中文并發(fā)行。2004年9月，IWA數(shù)學(xué)模型組成員荷蘭Delft大學(xué)的MarkvanLoosdrecht教授在北京開設(shè)了數(shù)學(xué)模型培訓(xùn)班。這些工作的開展無疑對活性污泥法數(shù)學(xué)模型在中國的應(yīng)用，起到良好的推動作用。
　　2、數(shù)學(xué)模擬流程
　　對一個污水處理廠進(jìn)行模擬，一般流程如下：
　　●確定模擬的目的
　　在模擬之前，必須清楚是為什么模擬？是否為了用于設(shè)計新的污水廠？模擬已有污水廠的運行情況、對現(xiàn)有工藝進(jìn)行優(yōu)化還是升級改造現(xiàn)有工藝？模擬目的的不同，模型的選擇，水質(zhì)特性的了解精度都不盡相同。
　　●模型的選擇
　　根據(jù)模擬目的不同，選擇合適的模型。如果只是模擬有機(jī)物氧化和脫氮過程，選擇ASM1或ASM3就夠了。如果還需要模擬除磷過程，則需要采用ASM2或TUDP模型。
　　●確定水力條件
　　如果對一個污水處理廠進(jìn)行模擬，必須清楚相應(yīng)的水力條件。如厭氧、缺氧、好氧區(qū)的容積，進(jìn)水流量，污泥回流量，內(nèi)循環(huán)水量，每天的排泥量等。
　　●確定水質(zhì)特性
　　主要指污水中各種污染物的濃度。如COD、NH3-N、有機(jī)氮、磷酸鹽等。根據(jù)模型選擇的不同，水質(zhì)特性的確定方法也不盡相同。如在ASM1模型中，COD分為溶解性可降解有機(jī)物（SS）、溶解性不可降解有機(jī)物（SI）、顆粒性可降解有機(jī)物（XS）和顆粒性不可降解有機(jī)物（XI）。總COD=SS+SI+XS+XI。但在ASM2模型中，又將溶解性有機(jī)物（SS）分為發(fā)酵產(chǎn)物（SA）和可發(fā)酵的易生物降解有機(jī)物（SF）。
　　●模擬結(jié)果對照
　　根據(jù)以上步驟建立好模型后，可以通過專用的數(shù)學(xué)模型平臺進(jìn)行模擬運算，并將達(dá)到穩(wěn)態(tài)后的模擬結(jié)果與實際結(jié)果進(jìn)行對照。
　　●模型的校正
　　如果模擬結(jié)果與實際數(shù)據(jù)相差較大，則需要對模型進(jìn)行校正，一般情況下可以通過改變模型的動力學(xué)參數(shù)或污水的水質(zhì)特性達(dá)到校正的目的，可以通過實驗室試驗對這些參數(shù)進(jìn)行測試，再應(yīng)用到模型中去，與實際的測量數(shù)據(jù)相一致。
　　●模型精確性的判斷
　　完成以上步驟后，需要對模型的精確性進(jìn)行評價，可以根據(jù)已有的實際數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。如果模擬結(jié)果能與實測結(jié)果相吻合，則認(rèn)為模型可以精確描述污水廠的實際運行情況。如果不能吻合，則按照以上步驟對模型進(jìn)行修改，直到模型能基本上與實測結(jié)果相一致。
　　●模擬結(jié)果的評價
　　根據(jù)模擬目的不同，對不同工藝參數(shù)進(jìn)行模擬，將模擬結(jié)果進(jìn)行對比，獲得最優(yōu)設(shè)計參數(shù)和工藝流程，完成模擬工作。
　　3、模型介紹
　　表1對比了ASM1~3和TUDP模型的主要特性。
　　
　　表1ASM1~3和TUDP模型的主要特性對比表
　

　　注：X代表模型中有此反應(yīng)過程，DR代表死亡再生過程，ER代表內(nèi)源呼吸過程，EA代表與電子受體有關(guān)，NEA代表與電子受體無關(guān)。
　　
　　3.1ASM1模型
　　1987年，IWA數(shù)學(xué)模型小組首次開發(fā)了活性污泥法的1號模型，簡稱ASM1模型。該模型首次引入了數(shù)學(xué)矩陣的概念代表活性污泥法中生物反應(yīng)過程的各種反應(yīng)物和生成物之間的計量學(xué)關(guān)系。ASM1模型的開發(fā)，為以后的新的模型的逐步完善提供了良好的基礎(chǔ)。新模型全部在ASM1模型的基礎(chǔ)上增加或修正了反應(yīng)過程而已。ASM1模型描述的有機(jī)物的氧化、生物硝化反硝化和微生物的死亡過程。其中生物死亡過程引入了死亡再生的概念，即認(rèn)為死亡的微生物分成兩部分，一部分形成可生物降解的顆粒性COD（XS），另一部分形成不可生物降解的顆粒性COD（XI）。可生物降解的部分又可水解成為溶解性可生物降解COD（SS）再次引入到反應(yīng)過程中。此外，ASM1模型還可以預(yù)測反應(yīng)器中的污泥濃度（MLSS），污泥產(chǎn)量等。
　　ASM1模型的生物反應(yīng)過程以及反應(yīng)物和生成物之間的物質(zhì)流向見圖1。從圖1可以看出，ASM1模型整個反應(yīng)過程包括硝化、水解、異養(yǎng)菌的生長、硝化菌和異養(yǎng)菌的死亡等過程。硝化過程以氧和氨氮為底物，在硝化菌的作用下進(jìn)行自養(yǎng)硝化過程，產(chǎn)物為硝酸鹽。顆粒性可降解有機(jī)物水解成溶解性顆粒有機(jī)物后，在異養(yǎng)菌的作用下生成CO2和H2O。
　　
　　圖1ASM1模型反應(yīng)流程圖
　　3.2ASM3模型
　　1999年，ASM3模型的發(fā)表，成為活性污泥法數(shù)學(xué)模型新的標(biāo)準(zhǔn)。和ASM1模型1樣，ASM3模型也是用于描述有機(jī)物氧化、硝化和反硝化過程。它與ASM1模型的主要區(qū)別在于：
　　●ASM3模型引入了有機(jī)物貯存的概念。即溶解性可降解有機(jī)物（SS）首先被貯存為細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)（XSTO），然后細(xì)菌利用細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)為底物進(jìn)行生長。在ASM1模型中，細(xì)菌直接利用SS進(jìn)行生長。
　　●ASM3模型引入了內(nèi)源呼吸的死亡模式。認(rèn)為生物的死亡是一個內(nèi)源呼吸的過程，其產(chǎn)物除了惰性顆粒性有機(jī)物（XI）之外，再沒有其他產(chǎn)物。這樣把硝化和異養(yǎng)菌的生長過程完全分開，避免了相互的干擾。
　　ASM1模型的生物反應(yīng)過程以及反應(yīng)物和生成物之間的物質(zhì)流向見圖2。

　　圖2ASM3模型反應(yīng)流程圖
　　3.3ASM2模型
　　為了描述生物除磷過程，ASM2模型于1995年由IWA數(shù)學(xué)模型組發(fā)表。該模型在ASM1模型的基礎(chǔ)上，增加了生物除磷和化學(xué)除磷過程。圖3為ASM2模型中的生物除磷原理圖。

　　圖3ASM2模型生物除磷原理圖
　　在ASM2模型中，溶解性可降解有機(jī)物（SS）被分成兩部分，一部分是發(fā)酵產(chǎn)物（SA），一般以乙酸表示，另一部分是可發(fā)酵的有機(jī)物（SF）。模型認(rèn)為在厭氧條件下，發(fā)酵產(chǎn)物以胞內(nèi)有機(jī)物（XPHA）的形式貯存在聚磷菌內(nèi)，同時聚磷酸鹽（XPP）釋放成為磷酸鹽（SPO4）。在好氧條件下，磷酸鹽（SPO4）以胞內(nèi)聚磷酸鹽（XPP）的形式貯存，聚磷菌（XPAO）以胞內(nèi)有機(jī)物（XPHA）和磷酸鹽（SPO4）為基質(zhì)進(jìn)行好氧生長。
　　3.3TUDP模型
　　隨著對生物除磷的進(jìn)一步了解，人們發(fā)現(xiàn)聚磷菌并非嚴(yán)格意義的好氧菌，在硝酸鹽存在的情況下，聚磷菌具有反硝化功能。另外，糖原（XGLY）也可以作為聚磷菌的貯存基質(zhì)。荷蘭Delft大學(xué)的研究者通過實驗室SBR試驗，對不同污泥齡（SRT）[7]、厭氧和好氧時間長短[8]以及分別以溶解氧和硝酸鹽作為電子受體[9]進(jìn)行了試驗，發(fā)表了可以充分描述以上發(fā)現(xiàn)的除磷新模型，簡稱TUDP模型，該模型原理見圖4。

　　圖4TUDP模型生物除磷原理圖
　　和ASM2模型相比，TUDP模型增加了聚磷菌的反硝化過程和糖原的貯存過程。
　　4、模型缺陷
　　●以上模型都是在城市污水處理廠的基礎(chǔ)上建立的，如果對于工業(yè)污水為主的污水廠進(jìn)行模擬，以上模型可能要進(jìn)行修正。
　　●模型都是基于常溫（8~35℃）和中性pH值（6～8）條件下建立的。超出此范圍，應(yīng)用模型進(jìn)行模擬可能導(dǎo)致嚴(yán)重的誤差。
　　●對于硝化過程，模型采取的是一步法進(jìn)行模擬，而亞硝酸鹽只是硝化過程的中間產(chǎn)物，對于亞硝酸鹽升高的情況，需要對模型進(jìn)行修正。
　　●數(shù)學(xué)模型只是描述活性污泥法的生物反應(yīng)過程，不能描述污泥的沉降性能等。因此，對于二沉池的模擬，需要用經(jīng)驗法或其他模型進(jìn)行模擬。
　　●數(shù)學(xué)模型不能描述絲狀菌的生長過程，所以對于出現(xiàn)污泥膨脹的污水廠，模擬結(jié)果可能會出現(xiàn)嚴(yán)重誤差。
　　●模型沒有描述厭氧情況下的生物過程，因此不能模擬厭氧區(qū)占很大部分的污水廠。
　　5、應(yīng)用實例
　　應(yīng)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行污水廠升級改造的典型實例是荷蘭Delft大學(xué)開發(fā)的BABE工藝[10]。該工藝流程圖見圖5
　　

　　圖5BABE工藝流程圖
　　在荷蘭一些舊的污水處理廠，由于沒有設(shè)計沒有考慮生物脫氮功能，設(shè)計污泥齡（SRT）較短，不能滿足硝化要求，出水氨氮偏高。隨著環(huán)境管理要求的提高，需要對這些污水廠進(jìn)行升級改造以達(dá)到脫氮的目的。根據(jù)常規(guī)的A/O工藝，可以通過新建缺氧池增加反硝化功能，同時擴(kuò)大曝氣池的容積以提高污泥齡。但是，對于常年水溫較低的地區(qū)，由于硝化菌在低溫條件下的生長速率較慢，因此需要較大的池容以提高污泥齡。對于很多老的污水廠由于條件限制沒有足夠的地方進(jìn)行擴(kuò)建，這樣開發(fā)一種占地較小的脫氮新工藝成為一種需要。BABE工藝正是在這種條件下開發(fā)出來的，主要原理是在通過新建一個池容較小的A/O系統(tǒng)（稱為BABE反應(yīng)器）對污泥消化上清液進(jìn)行單獨處理。一方面，由于污泥消化上清液高濃度氨氮占整個污水廠的氮負(fù)荷的15～20％，BABE系統(tǒng)可以有效減輕主反應(yīng)器的氨氮負(fù)荷。另一方面，由于污泥消化液的水溫較高（一般為35℃），可以在較低的污泥齡的條件獲得較好的硝化效果，使硝化菌在BABE反應(yīng)器中聚積，然后到主反應(yīng)器進(jìn)行硝化反應(yīng)，提高整個系統(tǒng)的脫氮效率。通過數(shù)學(xué)模型的模擬，發(fā)現(xiàn)如果達(dá)到同樣的脫氮效率，采用BABE工藝后需要增加反應(yīng)器的容積只有采用傳統(tǒng)A/O的1/3。這樣有效的減少了污水廠升級改造所需要的占地面積。
　　6、結(jié)論
　　活性污泥法數(shù)學(xué)模型是可以廣泛應(yīng)用教學(xué)研究、工程設(shè)計、污水廠的日常管理以及升級改造的數(shù)學(xué)工具，隨著人們對它的逐漸認(rèn)識，必將發(fā)揮更大的效益。