活性污泥法数学模型研究进展

　　摘要：活性污泥法的数学模型经过近二十年的发展，已由最初简单的描述有机物去除和脱氮的数学模型发展到可以模拟有机物去除，脱氮和除磷的比较完善的数学模型。本文介绍了由国际水协（IWA）数学模型组开发的ASM1、ASM2、ASM3号模型以及由荷兰Delft大学开发的TUDP模型。阐述了各种的模型的主要反应过程、应用条件及缺陷，并通过实例证明了模型在污水处理厂升级改造中发挥的巨大效益。
　　关键词：污水处理厂，模型，活性污泥法
　　
　　1、引言
　　活性污泥法是目前世界上应用最为普遍的城市生活污水处理方法。通过活性污泥的吸附、生物降解等综合作用，可以将污水中大部分的污染物去除。通过有效的设计，城市污水厂可以达到去除有机物、生物脱氮和生物除磷的功能。在活性污泥法数学模型出现之前，污水厂的设计往往经过小试、中试然后设计的过程或者根据以前的经验进行设计。这样的设计往往会带有较大的不确定性，达不到优化设计的目的。比如在污水厂的设计手册中，一般的活性污泥法的设计参数体积负荷可以取0.2～0.8kg.COD/m3.d。设计参数的高值和底值相差3倍，而采用高值和底值设计参数进行设计的曝气池容积相差三倍。这往往让设计人员很难取舍，一般情况采用中间值进行设计。
　　利用活性污泥数学模型，设计人员可以很方便利用数学模型在不同条件下对污水厂的出水情况进行预测，从而选择最为合理的设计参数，达到优化设计的目的。活性污泥数学模型最早是由国际水协（IWA）开发，1987年ASM1模型正式发表，通过近二十年的发展，模型逐渐完善，可以精确描述有机物氧化、生物脱氮和生物除磷的过程，如于1995年发表的ASM2模型和于1999年发表的ASM3模型。为了更为精确描述生物除磷过程，Delft大学发表了TUDP除磷模型，进一步完善了ASM模型的缺陷。
　　活性污泥数学模型出现后，引起了广大污水生物处理专家以及工程人员的关注，模型被广泛应用于新工艺的开发，污水处理厂的升级改造，对污水厂的运行情况进行评价以及对工艺进行优化等。但在我国，对于数学模型的研究还处于刚刚起步阶段，2002年，同济大学将ASM1～3模型的原著翻译成中文并发行。2004年9月，IWA数学模型组成员荷兰Delft大学的MarkvanLoosdrecht教授在北京开设了数学模型培训班。这些工作的开展无疑对活性污泥法数学模型在中国的应用，起到良好的推动作用。
　　2、数学模拟流程
　　对一个污水处理厂进行模拟，一般流程如下：
　　●确定模拟的目的
　　在模拟之前，必须清楚是为什么模拟？是否为了用于设计新的污水厂？模拟已有污水厂的运行情况、对现有工艺进行优化还是升级改造现有工艺？模拟目的的不同，模型的选择，水质特性的了解精度都不尽相同。
　　●模型的选择
　　根据模拟目的不同，选择合适的模型。如果只是模拟有机物氧化和脱氮过程，选择ASM1或ASM3就够了。如果还需要模拟除磷过程，则需要采用ASM2或TUDP模型。
　　●确定水力条件
　　如果对一个污水处理厂进行模拟，必须清楚相应的水力条件。如厌氧、缺氧、好氧区的容积，进水流量，污泥回流量，内循环水量，每天的排泥量等。
　　●确定水质特性
　　主要指污水中各种污染物的浓度。如COD、NH3-N、有机氮、磷酸盐等。根据模型选择的不同，水质特性的确定方法也不尽相同。如在ASM1模型中，COD分为溶解性可降解有机物（SS）、溶解性不可降解有机物（SI）、颗粒性可降解有机物（XS）和颗粒性不可降解有机物（XI）。总COD=SS+SI+XS+XI。但在ASM2模型中，又将溶解性有机物（SS）分为发酵产物（SA）和可发酵的易生物降解有机物（SF）。
　　●模拟结果对照
　　根据以上步骤建立好模型后，可以通过专用的数学模型平台进行模拟运算，并将达到稳态后的模拟结果与实际结果进行对照。
　　●模型的校正
　　如果模拟结果与实际数据相差较大，则需要对模型进行校正，一般情况下可以通过改变模型的动力学参数或污水的水质特性达到校正的目的，可以通过实验室试验对这些参数进行测试，再应用到模型中去，与实际的测量数据相一致。
　　●模型精确性的判断
　　完成以上步骤后，需要对模型的精确性进行评价，可以根据已有的实际数据进行判断。如果模拟结果能与实测结果相吻合，则认为模型可以精确描述污水厂的实际运行情况。如果不能吻合，则按照以上步骤对模型进行修改，直到模型能基本上与实测结果相一致。
　　●模拟结果的评价
　　根据模拟目的不同，对不同工艺参数进行模拟，将模拟结果进行对比，获得最优设计参数和工艺流程，完成模拟工作。
　　3、模型介绍
　　表1对比了ASM1~3和TUDP模型的主要特性。
　　
　　表1ASM1~3和TUDP模型的主要特性对比表
　

　　注：X代表模型中有此反应过程，DR代表死亡再生过程，ER代表内源呼吸过程，EA代表与电子受体有关，NEA代表与电子受体无关。
　　
　　3.1ASM1模型
　　1987年，IWA数学模型小组首次开发了活性污泥法的1号模型，简称ASM1模型。该模型首次引入了数学矩阵的概念代表活性污泥法中生物反应过程的各种反应物和生成物之间的计量学关系。ASM1模型的开发，为以后的新的模型的逐步完善提供了良好的基础。新模型全部在ASM1模型的基础上增加或修正了反应过程而已。ASM1模型描述的有机物的氧化、生物硝化反硝化和微生物的死亡过程。其中生物死亡过程引入了死亡再生的概念，即认为死亡的微生物分成两部分，一部分形成可生物降解的颗粒性COD（XS），另一部分形成不可生物降解的颗粒性COD（XI）。可生物降解的部分又可水解成为溶解性可生物降解COD（SS）再次引入到反应过程中。此外，ASM1模型还可以预测反应器中的污泥浓度（MLSS），污泥产量等。
　　ASM1模型的生物反应过程以及反应物和生成物之间的物质流向见图1。从图1可以看出，ASM1模型整个反应过程包括硝化、水解、异养菌的生长、硝化菌和异养菌的死亡等过程。硝化过程以氧和氨氮为底物，在硝化菌的作用下进行自养硝化过程，产物为硝酸盐。颗粒性可降解有机物水解成溶解性颗粒有机物后，在异养菌的作用下生成CO2和H2O。
　　
　　图1ASM1模型反应流程图
　　3.2ASM3模型
　　1999年，ASM3模型的发表，成为活性污泥法数学模型新的标准。和ASM1模型1样，ASM3模型也是用于描述有机物氧化、硝化和反硝化过程。它与ASM1模型的主要区别在于：
　　●ASM3模型引入了有机物贮存的概念。即溶解性可降解有机物（SS）首先被贮存为细胞内物质（XSTO），然后细菌利用细胞内物质为底物进行生长。在ASM1模型中，细菌直接利用SS进行生长。
　　●ASM3模型引入了内源呼吸的死亡模式。认为生物的死亡是一个内源呼吸的过程，其产物除了惰性颗粒性有机物（XI）之外，再没有其他产物。这样把硝化和异养菌的生长过程完全分开，避免了相互的干扰。
　　ASM1模型的生物反应过程以及反应物和生成物之间的物质流向见图2。

　　图2ASM3模型反应流程图
　　3.3ASM2模型
　　为了描述生物除磷过程，ASM2模型于1995年由IWA数学模型组发表。该模型在ASM1模型的基础上，增加了生物除磷和化学除磷过程。图3为ASM2模型中的生物除磷原理图。

　　图3ASM2模型生物除磷原理图
　　在ASM2模型中，溶解性可降解有机物（SS）被分成两部分，一部分是发酵产物（SA），一般以乙酸表示，另一部分是可发酵的有机物（SF）。模型认为在厌氧条件下，发酵产物以胞内有机物（XPHA）的形式贮存在聚磷菌内，同时聚磷酸盐（XPP）释放成为磷酸盐（SPO4）。在好氧条件下，磷酸盐（SPO4）以胞内聚磷酸盐（XPP）的形式贮存，聚磷菌（XPAO）以胞内有机物（XPHA）和磷酸盐（SPO4）为基质进行好氧生长。
　　3.3TUDP模型
　　随着对生物除磷的进一步了解，人们发现聚磷菌并非严格意义的好氧菌，在硝酸盐存在的情况下，聚磷菌具有反硝化功能。另外，糖原（XGLY）也可以作为聚磷菌的贮存基质。荷兰Delft大学的研究者通过实验室SBR试验，对不同污泥龄（SRT）[7]、厌氧和好氧时间长短[8]以及分别以溶解氧和硝酸盐作为电子受体[9]进行了试验，发表了可以充分描述以上发现的除磷新模型，简称TUDP模型，该模型原理见图4。

　　图4TUDP模型生物除磷原理图
　　和ASM2模型相比，TUDP模型增加了聚磷菌的反硝化过程和糖原的贮存过程。
　　4、模型缺陷
　　●以上模型都是在城市污水处理厂的基础上建立的，如果对于工业污水为主的污水厂进行模拟，以上模型可能要进行修正。
　　●模型都是基于常温（8~35℃）和中性pH值（6～8）条件下建立的。超出此范围，应用模型进行模拟可能导致严重的误差。
　　●对于硝化过程，模型采取的是一步法进行模拟，而亚硝酸盐只是硝化过程的中间产物，对于亚硝酸盐升高的情况，需要对模型进行修正。
　　●数学模型只是描述活性污泥法的生物反应过程，不能描述污泥的沉降性能等。因此，对于二沉池的模拟，需要用经验法或其他模型进行模拟。
　　●数学模型不能描述丝状菌的生长过程，所以对于出现污泥膨胀的污水厂，模拟结果可能会出现严重误差。
　　●模型没有描述厌氧情况下的生物过程，因此不能模拟厌氧区占很大部分的污水厂。
　　5、应用实例
　　应用数学模型进行污水厂升级改造的典型实例是荷兰Delft大学开发的BABE工艺[10]。该工艺流程图见图5
　　

　　图5BABE工艺流程图
　　在荷兰一些旧的污水处理厂，由于没有设计没有考虑生物脱氮功能，设计污泥龄（SRT）较短，不能满足硝化要求，出水氨氮偏高。随着环境管理要求的提高，需要对这些污水厂进行升级改造以达到脱氮的目的。根据常规的A/O工艺，可以通过新建缺氧池增加反硝化功能，同时扩大曝气池的容积以提高污泥龄。但是，对于常年水温较低的地区，由于硝化菌在低温条件下的生长速率较慢，因此需要较大的池容以提高污泥龄。对于很多老的污水厂由于条件限制没有足够的地方进行扩建，这样开发一种占地较小的脱氮新工艺成为一种需要。BABE工艺正是在这种条件下开发出来的，主要原理是在通过新建一个池容较小的A/O系统（称为BABE反应器）对污泥消化上清液进行单独处理。一方面，由于污泥消化上清液高浓度氨氮占整个污水厂的氮负荷的15～20％，BABE系统可以有效减轻主反应器的氨氮负荷。另一方面，由于污泥消化液的水温较高（一般为35℃），可以在较低的污泥龄的条件获得较好的硝化效果，使硝化菌在BABE反应器中聚积，然后到主反应器进行硝化反应，提高整个系统的脱氮效率。通过数学模型的模拟，发现如果达到同样的脱氮效率，采用BABE工艺后需要增加反应器的容积只有采用传统A/O的1/3。这样有效的减少了污水厂升级改造所需要的占地面积。
　　6、结论
　　活性污泥法数学模型是可以广泛应用教学研究、工程设计、污水厂的日常管理以及升级改造的数学工具，随着人们对它的逐渐认识，必将发挥更大的效益。