活性污泥ASM系列数学模型进展和展望

　　活性污泥法作为废水生物处理的重要方法，已在城市污水和工业废水处理中得到大量应用。而数学模型是工艺选择、设计、运行的决策支持方式及强有力的优化工具。但是活性污泥系统是一个多因素、多变量相互作用、多种反应过程相互耦合的系统，因此其建立模型较复杂。快速发展的计算机技术使数学模型的建立成为可能，使数学模型在工程应用与试验研究中的作用日益凸显。近年来，活性污泥数学模型的研究一直是国际上污水处理领域研究的热点之一。在众多的数学模型中，由国际水质协会IWA先后推出的ASM1、ASM2、ASM2D及ASM3一系列模型发展最为成熟，受到环境工程界的广泛关注【1】。

　　2、ASM模型的研究与应用进展

　　活性污泥1、2、3号模型将污水中的组分分为可溶性组分和颗粒性组分，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，均以Monod方程为基础，都是多维的并包含大量的动力学参数和化学计量系数，均以矩阵的形式描述生物反应过程，从而简化了反应速率方程式的表达。ASM矩阵反应速率中采用了“开关函数”的概念，来反映环境因素改变而产生的抑制作用，从而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;此外，研究者还可根据理论发展及实际情况需要对现有ASM进行反应过程的增加或简化，扩大了ASM应用的灵活性。其中ASM1与ASM2主要基于微生物的死亡—再生及维持理论，而ASM3主要基于微生物的内源呼吸理论。

　　大量资料已对ASM系列模型的特点及限制因素做了阐述，ASM1模型不仅包含了含碳有机物去除过程，还描述了硝化和反硝化作用对含氮物质的去除，ASM2是ASM1的发展，不仅包含污水中含碳有机物和氮的去除过程，还包含生物除磷过程，增加了厌氧水解、发酵及生物除磷、化学除磷等8个反应过程。ASM2d是对ASM2的发展，在模拟硝酸盐和磷酸盐动力学方面更加准确，是进一步研究和发展活性污泥系统脱氮除磷【2】动力学模型的平台和基础，但并非是描述生物除磷过程的最终模型形式。ASM3经过对ASM1应用中问题的修正引入有机物在微生物体内的贮藏及内源呼吸，以强调细胞内部的活动过程。

　　3、ASM系列模型中存在的问题

　　3.1水质分析及测定

　　由于ASM系列模型中涉及的组分和参数较多，并且参数的取值范围较大，辨识困难。不能由常规水质分析指标直观表述，需要设定常规检测数据与模型参数的转换方案。具体的测定方法还未规范化，有些还有待于进一步研究解决。

　　3.2模型的简化

　　ASM系列模型的复杂性使得无法将完整的模型直接应用于污水厂的设计、模拟和运行控制，故需要根据具体条件将模型适当简化。模型的简化是必要也是危险的，因为它都是基于一系列合理化假设进行的，一旦假设条件不满足，模型的应用效果会受到极大的影响，甚至导致应用的彻底失败。

　　3.3参数的估计及校正

　　目前还没有一个统一的方法用于过程的参数估计，从工程角度讲标准模型及其参数估计过程变得越来越重要。简化后的模型必须经过校正方可使用，因参数中除了产率系数等几个是恒定的，其他都会随环境条件的变化而变化。校正过程的难点便集中于参数的调整【3】。

　　3.4分析各参数对过程的影响程度

　　在进行活性污泥过程模型研究时，应根据实际情况分析各参数对过程的影响程度。对于影响大的参数须获取应用条件下的模型参数的数值，对影响小的参数，在模型中可视为常量，从而去除对过程无显著影响的参数，使模型简化，以便用于过程控制和运行管理。为更深入地了解活性污泥过程，今后的模型研究还需考虑几个参数同时作用的可能，

　　3.5机理的进一步探讨

　　活性污泥系统机理有待进一步探讨，如有机碳氧化、生物硝化/反硝化过程之间的相互作用关系尚不明确，对生物除磷机理还未完全明了，尤其是发酵和厌氧水解过程对PAO超量摄磷的影响还需作进一步研究。对于模型中起作用的异养菌，至今仍不清楚是只有部分异养菌有反硝化能力，还是全部异养菌都有反硝化能力。衰减过程应能充分描述生物量的损失，一步硝化模拟应向两部硝化转变等。

　　3.6具有代谢活性的微生物量的准确度量

　　该度量值对模型预测结果的精确性起到至关重要的作用。长期以来，在活性污泥系统中，微生物的量均以MLSS或MLVSS来计量，事实上，早在20世纪60年代，McKinney就曾指出，对处理生活污水的活性污泥，MLSS只含有30%～50%活的微生物体，Weddle和Jenkins的研究也表明异养微生物只占MLVSS的10%～20%。Jones等人提出的非存活细胞代谢活性的学说认为，细胞破裂溢出的酶也可以降解有机物，使具有代谢作用的物质的计量就不仅仅是活的微生物的计量问题，还牵涉到具有代谢作用的非存活细胞的计量。

　　4、ASM系列模型的研究展望

　　4.1废水组分的进一步细化

　　活性污泥法的主要处理对象城市污水，其成分远比一般工业废水复杂。在条件允许的情况下，对污染物质尽可能的细分，并针对不同物质给出各自的微生物利用速率，必将对模拟预测结果的精确性带来质的提高。

　　4.2污水处理厂运行快速自动模拟预测及控制系统

　　计算机技术的发展和应用使模型复杂的运算过程变得简单，国外已开发出几套商业化的模拟软件。今后的发展方向是高度自动化的监测—分析—模拟、预测—调节这样一套系统的建立，这将对污水处理厂的工作效率、管理水平的提高以及处理设施的稳定、高效运行等具有空前的意义。

　　4.3污水处理厂设计自动化系统

　　活性污泥模型是目前污水处理厂设计的主要方法，基于各类模型而开发出的各种设计软件使设计工作的自动化程度有所提高，但这些软件主要针对于单体构筑物或少数几个处理单元，智能化、系统化程度不高。未来的设计软件可能只要少数几个基础资料的输入，就会自动完成整个污水处理厂的全部设计工作。

　　5、结论

　　活性污泥数学模型整合了当今有关活性污泥法污水处理技术的大部分研究成果。解决模型中存在的问题，关系到模型的实用性。当今已有对ASM系列模型的延伸版本，如将其中的一步硝化模拟为两步硝化，对衰减过程的进一步描述等。数学模型的应用需要较高的硬件水平，国外污水处理厂大都采用在线监测实时控制。我国对活性污泥模型的研究起步较晚，实际应用还相当滞后，应用模型也存在着一定的困难与挑战，随着我国水处理技术不断提高、硬件水平不断改善，活性污泥模型在我国污水处理中也将得到广泛的应用。

　　参考文献：

　　[1]于广平，苑明哲，王宏.活性污泥法污水处理数学模型的发展和应用[J]信息与控制，2006，(05).

　　[2]张杞蓉.ASM2D进水水质组分和模型参数的测定[D]武汉理工大学;2012年.

　　[3]李卫忠，靳晓瑜，牛录波.活性污泥模型基本参数及其校核[J];华北水利水电学院学报;2010年02期.