活性污泥數(shù)學(xué)模型的研究應(yīng)用進(jìn)展與問(wèn)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(wèn)題討論作者：李茹瑩1，季民1，任智勇1，胡振苓2，馬文杰2摘要：對(duì)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 Development and Problems of Researchand Application of Activated Sludge ModelAbstract: Analysis and compari

2、son were made to the activated sludge model No.1，2 and 3 (ASM No.1，2and 3) proposed by International Association on Water Quality (IAWQ)Some problems of the models werefoundAccording to the practice of applications and researches on activated sludge model, the key issues on modeling are water qualit

3、y analysis，model simplification and parameter calibrationKey words：activated sludge model(ASM)；modeling；parameter calibration 近年來(lái)，國(guó)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(bào)道。在活性污泥工藝眾多的數(shù)學(xué)模型中，由原國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)（IAWQ）（現(xiàn)已改稱為國(guó)際水協(xié)會(huì)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(guó)在該領(lǐng)域的研究起步較晚，在實(shí)際應(yīng)用方面還相當(dāng)滯后。目前國(guó)內(nèi)僅有相當(dāng)有限的關(guān)于模型應(yīng)用的報(bào)道。本文重點(diǎn)討論I

4、AWQ活性污泥數(shù)學(xué)模型的特點(diǎn)及目前存在的問(wèn)題，并結(jié)合筆者在研究中的體會(huì)，分析其在應(yīng)用中的關(guān)鍵問(wèn)題及其發(fā)展應(yīng)用前景。 1 IAWQ活性污泥數(shù)學(xué)模型 1.1 IAWQ活性污泥數(shù)學(xué)模型簡(jiǎn)介為了鼓勵(lì)環(huán)境科學(xué)家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(jì)和運(yùn)管理中去，1983年，原國(guó)際水污染控制協(xié)會(huì)（IAWPRC）（國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)IAWQ的前身）組織了南非、丹麥、美國(guó)等五國(guó)專家組成活性污泥工藝模型課題組來(lái)完成活性污泥處理系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的研究。ASM課題組于1987年正式發(fā)表了技報(bào)告，闡明了活性污泥1號(hào)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)

5、物降解、微生物生長(zhǎng)、衰減等8種反應(yīng)，模型中包含13種組分、5個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)和14個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)1。ASM NO.1自推出以來(lái)得到廣泛應(yīng)用，但它的缺陷是未包含磷的去除。針對(duì)此問(wèn)題，IAWQ專家組于1995年又推出活性污泥2號(hào)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(gè)反應(yīng)過(guò)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(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)以及42個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)2。該模型提出了包含化學(xué)需氧量（COD）、氮和磷去除過(guò)程在內(nèi)的綜合性生物處理工藝過(guò)程動(dòng)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I

6、AWQ專家組經(jīng)過(guò)對(duì)1號(hào)模型應(yīng)用中問(wèn)題的修正，推出活性污泥3號(hào)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(dòng)過(guò)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(gè)組分，12個(gè)生化過(guò)程。ASM No.3僅考慮微生物轉(zhuǎn)化過(guò)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(guò)程）所提供的信息，很容易加入該過(guò)程3。1.2 活性污泥1、2、3號(hào)模型（ASM No.13）的比較AS

7、M諸多版本的共同特點(diǎn)是它們均以Monod方程為基礎(chǔ)，都是多維的并包含大量的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計(jì)量系數(shù)，均以矩陣的形式描述生物反應(yīng)過(guò)程。ASM No.1和ASM No.2在應(yīng)用過(guò)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1025，因?yàn)楦邷睾偷蜏貭顟B(tài)下聚磷菌PAOS的特性尚不完全清楚，模型不一定能給出合理的預(yù)測(cè)，尤其是對(duì)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(guò)程進(jìn)行了更為詳細(xì)的劃分，使其濃度不能簡(jiǎn)單地用分布參數(shù)XB,M。描述。除了生物除磷過(guò)程外，ASM No.

8、2還包含了兩個(gè)“化學(xué)過(guò)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(dòng)，將重點(diǎn)從水解過(guò)程轉(zhuǎn)移到有機(jī)物質(zhì)的儲(chǔ)存過(guò)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(duì)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僅由快速可生物降解基質(zhì)SS和惰性可溶性有機(jī)質(zhì)SI組成。從兩個(gè)模型所采用的典型廢水組成可以看出：ASM No.3中SS占總COD的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(gè)重要區(qū)別是，通過(guò)0.45m濾膜的過(guò)濾作用可以將

9、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(wèn)題 綜合國(guó)外近年來(lái)對(duì)模型的應(yīng)用研究，已證實(shí)了ASM No.1對(duì)于描述碳氧化、硝化和反硝化過(guò)程具有較強(qiáng)的模擬預(yù)測(cè)能力。但是經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際應(yīng)用，也發(fā)現(xiàn)ASM No.1中存在著一些明顯缺點(diǎn)3：ASM No.1中不包含氮和堿度對(duì)異養(yǎng)菌的限制因素，這樣在某些情況下會(huì)出現(xiàn)負(fù)濃度（如銨鹽等）。ASM 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）。在實(shí)踐中，二者都不易測(cè)定，應(yīng)將其從模型中刪除。ASM No.1中氨化反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)難于定量化。在應(yīng)用AS

10、M No.1時(shí)，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。ASM No.1對(duì)顆粒性惰性有機(jī)物質(zhì)按其來(lái)源將其區(qū)分為兩類(lèi)，即進(jìn)水所含的XI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和原ASM No.1中的XI統(tǒng)一考慮為XI處理。在模型中細(xì)菌的死亡分解與水解和增長(zhǎng)過(guò)程分為有機(jī)物儲(chǔ)存，死亡，捕食和分解等階段，從而使得相應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)的確定變得非常困難。如果污水處理廠中易降解基質(zhì)濃度較高時(shí)，在好氧和缺氧條件下可以觀測(cè)到聚羥基烷酸PHAS（poly-hydroxy-alkanoates）（有時(shí)為糖原質(zhì)-glyco-gen）的儲(chǔ)存現(xiàn)象，但ASM No.1中不包括這一過(guò)程。ASM 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(shí)間（SRT）較長(zhǎng)或缺氧池體積比例較高時(shí)，對(duì)最大硝化反應(yīng)速率的預(yù)測(cè)就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。除磷過(guò)程的加入給ASM No.2模型的使用也帶來(lái)了諸多限制。例如模型沒(méi)有考慮鉀和鎂對(duì)生物除磷的限制作用。但是眾所周知，鉀和鎂是PAOS中構(gòu)成聚磷酸鹽的兩種重要陽(yáng)離子。這些陽(yáng)離子的短缺會(huì)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(bào)道，亞硝酸鹽和一氧化氮對(duì)生物除磷有抑制作用，但在模型中沒(méi)有考慮這種影