活性污泥數(shù)學(xué)模型的研究應(yīng)用進(jìn)展與問題討論.

1、活性污泥數(shù)學(xué)模型的研究應(yīng)用進(jìn)展與問題討論11論文作者：李茹瑩 1,季民 1,任智勇 1,胡振苓 2,馬文杰 2摘要：對間歇厭氧反應(yīng)器、UASB 反應(yīng)器、復(fù)合式厭氧反應(yīng)器和厭氧濾池污泥中 的發(fā)酵細(xì)菌、硫酸鹽還原菌、產(chǎn)甲烷菌的數(shù)量和生物相進(jìn)行了分析，并觀察了 顆粒污泥的結(jié)構(gòu)，剖析了影響厭氧顆粒污泥形成的因素。關(guān)鍵詞：硫酸鹽有機(jī)廢水 發(fā)酵細(xì)菌 硫酸鹽還原菌 產(chǎn)甲烷 顆粒污泥Approaches to the Developme nt and Problems of Researchand Applicati on of Activated Sludge ModelAbstract : Analysi

2、s and comparison were made to the activatedsludge model No.1 ， 2 and 3 (ASM No.1 ，2and 3) proposed by Intern atio nal Associati on on Water Quality (IAWQ). Someproblems of the models were found . According to the practice of applications andresearches on activated sludge model, the key issues on mod

3、eli ng are water qualityanalysis ， model simplification and parameter calibrationKey words : activated sludge model(ASM) ；modeling ；parameter calibration近年來，國外有很多關(guān)于數(shù)學(xué)模型在飲用水處理、污泥處置、各種污水處 理等工藝中的應(yīng)用報道。在活性污泥工藝眾多的數(shù)學(xué)模型中，由原國際水質(zhì)協(xié) 會(IAWQ (現(xiàn)已改稱為國際水協(xié)會 IWA 推出的活性污泥數(shù)學(xué)模型(ASM 發(fā) 展最為成熟， 應(yīng)用最為廣泛。但我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，在實(shí)際應(yīng)用方 面還

4、相當(dāng)滯后。目前國內(nèi)僅有相當(dāng)有限的關(guān)于模型應(yīng)用的報道。本文重點(diǎn)討論IAWQ 舌性污泥數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)及目前存在的問題，并結(jié)合筆者在研究中的體 會，分析其在應(yīng)用中的關(guān)鍵問題及其發(fā)展應(yīng)用前景。1 IAWQ 舌性污泥數(shù)學(xué)模型1.1 IAWQ 活性污泥數(shù)學(xué)模型簡介 為了鼓勵環(huán)境科學(xué)家和工程師更廣泛地把數(shù)學(xué)模型應(yīng)用到廢水生物處理系 統(tǒng)的分析設(shè)計和運(yùn)行管理中去， 1 983 年，原國際水污染控制協(xié)會（ IAWPR）C （國際水質(zhì)協(xié)會 IAWQ 的前身）組織了南非、丹麥、美國等五國專家組成活性污 泥工藝模型課題組來完成活性污泥處理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的研究。ASMS題組于1987 年正式發(fā)表了技術(shù)報告，闡明了活性污泥1

5、 號模型（ASM No.1）的主要特性。它以矩陣的形式描述了污水中好氧、缺氧條件下所發(fā)生的水解、有機(jī)物降 解、微生物生長、衰減等 8 種反應(yīng)，模型中包含 13 種組分、 5 個化學(xué)計量系數(shù) 和 14 個動力學(xué)參數(shù)1。ASM N0.1 自推出以來得到廣泛應(yīng)用，但它的缺陷是未包含磷的去除。針對 此問題，IAW家組于 1995 年又推出活性污泥 2 號模型（ASM No.2，它包 含了磷的吸收和釋放，增加了厭氧水解、酵解及與聚磷菌有關(guān)的 4 個反應(yīng)過 程。因?yàn)樯锍讬C(jī)理很復(fù)雜，所以 ASM No.2 非常龐大，它包含 19 種物質(zhì)、 19 種反應(yīng)、 22 個化學(xué)計量系數(shù)以及 42 個動力學(xué)參數(shù)2。

6、該模型提出了包含化 學(xué)需氧量（COD、氮和磷去除過程在內(nèi)的綜合性生物處理工藝過程動態(tài)模擬理 論， 它不是生物除磷模型的最終方案，而是一種折中方案。1999 年 IAWQ家組經(jīng)過對 1 號模型應(yīng)用中問題的修正，推出活性污泥 3 號模型（ASM No.3。ASM No.3 不以水解作用為重點(diǎn)、引入有機(jī)物在微生物體 內(nèi)的貯藏及內(nèi)源呼吸，以強(qiáng)調(diào)細(xì)胞內(nèi)部的活動過程。ASM No.3 與 ASM No.1 中主要現(xiàn)象是相關(guān)的，如以城市污水為主的活性污泥系統(tǒng)中的氧消耗、污泥產(chǎn) 量、硝化和反硝化，但 ASM No.2 中的生物除磷在此不予考慮。ASM No.3 包括 13 個組分，12個生化過程。 ASM N

7、o.3僅考慮微生物轉(zhuǎn)化過程， 不包括化學(xué)沉 淀， 但基于ASM No.2（包含磷的吸收和釋放過程）所提供的信息，很容易加入該過程3。1.2 活性污泥 1、2、3 號模型（ASM No.13）的比較ASM 諸多版本的共同特點(diǎn)是它們均以 Mon oc 方程為基礎(chǔ)，都是多維的并包 含大量的動力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計量系數(shù)，均以矩陣的形式描述生物反應(yīng)過程。ASM No.1 和 ASM No.2 在應(yīng)用過程中都有一些限制，如他們都要求pH 值接近中性并保持恒定；ASM No.1 要求系統(tǒng)在恒定溫度下運(yùn)行，ASM No.2 的實(shí)用溫 度要限制在中等范圍，大概為 1025C,因?yàn)楦邷睾偷蜏貭顟B(tài)下聚磷菌 PAO 的

8、特性尚不完全清楚，模型不一定能給出合理的預(yù)測，尤其是對于磷的去除。從 ASM No.1 到ASM No.2 的最突出變化是生物量按反應(yīng)過程進(jìn)行了更為詳細(xì)的劃 分，使其濃度不能簡單地用分布參數(shù) XB,MO描述。除了生物除磷過程外，ASM No.2 還包含了兩個“化學(xué)過程”，可以用于模擬磷的化學(xué)沉淀。ASM No.3 與 ASM No.1 大致相同，只是在廢水特征化這一重要方面作了改動，將重點(diǎn)從水解過程轉(zhuǎn)移到有機(jī)物質(zhì)的儲存過程。在ASM No.1 中快速可生物降解基質(zhì) COD 必須從呼吸試驗(yàn)中估算， 而對這一試驗(yàn)的解釋又依賴于異養(yǎng)菌產(chǎn) 率 YH的值。在 ASM No.3 中溶解性 COD 僅由快速

9、可生物降解基質(zhì) SS和惰性可溶 性有機(jī)質(zhì)S 組成。從兩個模型所采用的典型廢水組成可以看出：ASM No.3 中 SS占總 COD 勺 40%，而不象 ASM No.1 中僅為 10%與 ASM No.1 和 ASM No.2 相比，ASM No.3 的一個重要區(qū)別是，通過0.45 卩 m 濾膜的過濾作用可以將溶解性成分與顆粒性組分更好地區(qū)分，而前者 廢水游液中仍然含有相當(dāng)比例的慢速可生物降解基質(zhì)XS。2 IAWQ 活性污泥數(shù)學(xué)模型目前存在的問題綜合國外近年來對模型的應(yīng)用研究，已證實(shí)了 ASM No.1 對于描述碳氧化、 硝化和反硝化過程具有較強(qiáng)的模擬預(yù)測能力。但是經(jīng)過多年的實(shí)際應(yīng)用，也發(fā) 現(xiàn)

10、ASMNo.1 中存在著一些明顯缺點(diǎn)：1ASM No.1 中不包含氮和堿度對異養(yǎng)菌的限制因素，這樣在某些情況下會 出現(xiàn)負(fù)濃度（如銨鹽等）。2ASM No.1 中包括了可生物降解的溶解性有機(jī)氮（SNS）和顆粒性有機(jī)氮（XNS）o在實(shí)踐中，二者都不易測定，應(yīng)將其從模型中刪除。3ASM No.1 中氨化反應(yīng)的動力學(xué)難于定量化。在應(yīng)用 ASM No.1 時，假定所有有機(jī)組分均為恒定組成，即恒定的 N 與 COD 質(zhì)量比。4ASM No.1 對顆粒性惰性有機(jī)物質(zhì)按其來源將其區(qū)分為兩類，即進(jìn)水所含 的X 和生物質(zhì)衰減產(chǎn)生的 XD，實(shí)際中， 難于如此清晰地區(qū)分這兩種組分。 因此 ASM No.3中將 XD和

11、原 ASM No.1 中的 X 統(tǒng)一考慮為 X 處理。5在模型中細(xì)菌的死亡分解與水解和增長過程分為有機(jī)物儲存，死亡，捕 食和分解等階段，從而使得相應(yīng)動力學(xué)參數(shù)的確定變得非常困難。6如果污水處理廠中易降解基質(zhì)濃度較高時， 在好氧和缺氧條件下可以觀 測到聚羥基烷酸 PHAS（ poly-hydroxy-alkanoates ）（有時為糖原質(zhì)-glyco- gen）的儲存現(xiàn)象，但 ASM No.1 中不包括這一過程。7ASM No.1 認(rèn)為好氧與缺氧條件下硝化菌的衰減速率是相同的，當(dāng)固體停 留時間（SRT 較長或缺氧池體積比例較高時，對最大硝化反應(yīng)速率的預(yù)測就會 出現(xiàn)問題。除磷過程的加入給 ASM

12、No.2 模型的使用也帶來了諸多限制。例如模型沒有 考慮鉀和鎂對生物除磷的限制作用。但是眾所周知，鉀和鎂是PAO 中構(gòu)成聚磷酸鹽的兩種重要陽離子。這些陽離子的短缺會導(dǎo)致污泥中聚磷菌聚積作用的惡 化，從而導(dǎo)致磷去除的明顯降低。據(jù)報道，亞硝酸鹽和一氧化氮對生物除磷有 抑制作用，但在模型中沒有考慮這種影響。由于ASM No.2 的復(fù)雜性和除磷機(jī)理的不確定性，使得 ASM No.2 相較于 ASM No.1 的應(yīng)用限制較多，經(jīng)驗(yàn)也不如 ASMNo.1 成熟。但它是目前唯一包含磷的去除的較為成功的活性污泥數(shù)學(xué)模 型。由于 ASM No.3 提出較晚，目前還沒有經(jīng)過大量的運(yùn)行數(shù)據(jù)的驗(yàn)證，所以仍 然需要在實(shí)

13、踐中對模型進(jìn)行不斷地修正和改進(jìn)，特別是對儲存現(xiàn)象的描述。3 IAWQ 活性污泥數(shù)學(xué)模型應(yīng)用過程中幾個問題的討論活性污泥數(shù)學(xué)模型的研究和應(yīng)用始終是國際上廢水生物處理領(lǐng)域研究的熱 點(diǎn)之一，目前已有許多大型污水處理廠在設(shè)計、改建和運(yùn)行過程中應(yīng)用了數(shù)學(xué) 模型，積累了許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)。從國內(nèi)外大量的應(yīng)用實(shí)例中不難看出，IAWQ 莫型應(yīng)用中問題的焦點(diǎn)在于模型的簡化、水質(zhì)的分析和測定以及參數(shù)的校正。下 面筆者結(jié)合國內(nèi)外應(yīng)用報道及自身研究過程中的切身體會對這幾方面問題分別 進(jìn)行討論。3.1 水質(zhì)的分析和測定由于模型中涉及的組分較多，而且不能由常規(guī)水質(zhì)分析指標(biāo)直觀表述，需 要設(shè)定常規(guī)檢測數(shù)據(jù)與模型參數(shù)的轉(zhuǎn)換方案。

14、如考慮污水除磷脫氮則要測定進(jìn) 水構(gòu)成中COD 氮、磷的溶解性和非溶解性、惰性和非惰性物質(zhì)各自的含量， 測定的內(nèi)容比目前常規(guī)的水質(zhì)化驗(yàn)多出很多，而且具體的測定方法還未規(guī)范 化，有些還有待于進(jìn)一步研究解決。IAWQ 勺專家組目前正致力于對進(jìn)水水質(zhì)測 定方法簡單化、規(guī)范化方面的研究4-5。3.2 模型的簡化由于 IAWC 數(shù)學(xué)模型的復(fù)雜性，將其完整的模型直接應(yīng)用于污水廠的設(shè)計、 模擬、運(yùn)行控制是不現(xiàn)實(shí)的，這就需要根據(jù)具體條件將其適當(dāng)簡化。但值得環(huán) 境工作者注意的是，模型的簡化雖然是必要的，但也是相當(dāng)危險的。如果簡化 不當(dāng)，將導(dǎo)致應(yīng)用的徹底失敗。因此，在模型應(yīng)用于某一特定污水廠之前，必 須充分了解污水

15、水質(zhì)特性、工藝的水力學(xué)特性以及生物反應(yīng)過程和機(jī)理。在此 基礎(chǔ)上，分析各變量和參數(shù)對系統(tǒng)模擬的敏感性，忽略不敏感因素，僅考慮對 系統(tǒng)影響較大的因素，從而達(dá)到簡化的目的。模型簡化的結(jié)果是矩陣中變量和生物反應(yīng)過程及其相關(guān)參數(shù)的減少，或是 非線性模型的線性化。簡化后的模型必須經(jīng)過校正方可使用，而校正過程的難 點(diǎn)便集中于參數(shù)的調(diào)整。3.3 參數(shù)的校正簡化的模型必須進(jìn)行參數(shù)校正，對于活性污泥系統(tǒng)這樣的復(fù)雜非線性系 統(tǒng)，參數(shù)調(diào)整有兩種方法，一種是手動調(diào)整，一種是自動調(diào)整。手動調(diào)整耗時 長且結(jié)果重現(xiàn)性差，故僅在無法自動調(diào)整時采用。但是自動調(diào)整也不是可以直 接使用，它要求先進(jìn)的在線監(jiān)測儀器和功能很強(qiáng)的數(shù)學(xué)工具。

16、國外曾討論使用 界面響應(yīng)法（RSM 進(jìn)行參數(shù)調(diào)整。該方法是用于建立、改進(jìn)、優(yōu)化過程的統(tǒng) 計學(xué)和數(shù)學(xué)技術(shù)的結(jié)合。在 RSM 中，響應(yīng)值（輸出值）與輸入變量的濃度有 關(guān)。在活性污泥系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的校正中，RSMW 作局部敏感分析工具，其中輸入變量是模型參數(shù)，輸出是余差平方和。在荷蘭的Rotterdam 污水處理廠的卡羅塞型氧化溝脫氮模型（ASM No.1 中，采用該方法進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，獲得了精 確可靠的結(jié)果。可以預(yù)見，隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，更加快速方便的校正 方法必將應(yīng)運(yùn)而生，從而推動活性污泥數(shù)學(xué)模型更加廣泛的應(yīng)用4 結(jié)語IAWQ 舌性污泥數(shù)學(xué)模型在國外的大量應(yīng)用中已取得了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，污水處 理工

17、藝的不斷完善和生物處理機(jī)理的不斷明確，以及計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展必 將使數(shù)學(xué)模型得到更為廣泛的應(yīng)用。我國已建及在建的廢水處理廠中大約有 80以上采用舌性污泥法，應(yīng)用數(shù) 學(xué)模型設(shè)計和管理廢水處理廠是提高我國廢水處理廠設(shè)計、運(yùn)行和管理水平的 必然需要。但數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用需要較高的硬件水平，國外污水處理廠大都采用 在線監(jiān)測實(shí)時控制，而我國污水處理廠水質(zhì)分析大都采用現(xiàn)場取樣、化驗(yàn)室分 析的方法，使得測定結(jié)果引入了大量人為誤差，而且測定值僅是每天某個時刻 的瞬時值，不能全面反映水質(zhì)變化情況，因而模擬值與測量值之間誤差較大。 相信隨著我國水處理工藝不斷改進(jìn)、硬件水平不斷改善，數(shù)學(xué)模型在我國污水 處理中的應(yīng)用必

18、將得到推廣。參考文獻(xiàn) ：1 M Henze ， C P L Grady ， W Gujer ， G V R Marais ， T MatsuoIAWPRCscientific and technical reports No 1：Activated sludge moddelNo1R I AWPR： C IAWPRC Task Group on Mathematical Modeling for design andoperation of biological wastewater treatment ， 19862 W Gujer ， M Henze， Takahashi Mino ， T Matsuo ， et al Activatedsludge model No 2