活性污泥數學模型的研究應用進展與問題討論
摘要：針對國際水質協會（IAWQ）提(ti)出(chu)的活性污泥1號(hao)、2號、3號模型（ASM NO.1-3）的(de)主要(yao)特點進行了分析比較，指出了模(mo)(mo)型本身存(cun)在的(de)若干問(wen)題。根(gen)據(ju)對活性污泥數(shu)學(xue)模(mo)(mo)型應用(yong)研(yan)究的(de)體會，認(ren)為活性污泥數(shu)學(xue)模(mo)(mo)型應用(yong)的(de)難點是水質的(de)分析測定、模(mo)(mo)型簡化和參(can)數(shu)校正。
關(guan)鍵詞(ci)：活性污(wu)泥數學模型 模擬 參數校正
近年來，國外(wai)有很多(duo)關于數(shu)學(xue)模(mo)型在(zai)飲用水(shui)處(chu)(chu)理、污泥處(chu)(chu)置、各種污水(shui)處(chu)(chu)理等工藝中的應用報道。在(zai)活性污泥工藝眾多(duo)的數(shu)學(xue)模(mo)型中，由原國際水(shui)質協(xie)會（IAWQ）（現已改稱為國際(ji)水協會IWA）推出的(de)活(huo)性污(wu)泥數學模(mo)型(xing)（ASM）發(fa)展最為成熟，應(ying)用(yong)最為廣泛。但(dan)我國在該領域的(de)研(yan)究起步(bu)較晚，在實(shi)際應(ying)用(yong)方(fang)面還(huan)相(xiang)當(dang)滯后。目前國內僅(jin)有相(xiang)當(dang)有限的(de)關于模型應(ying)用(yong)的(de)報道(dao)。本文重點討論IAWQ活(huo)性污泥數(shu)學(xue)模(mo)型的(de)特點及(ji)目前存在的(de)問題，并結合筆者在研(yan)究中(zhong)的(de)體會，分析其(qi)在應(ying)用中(zhong)的(de)關鍵(jian)問題及(ji)其(qi)發展應(ying)用前景。
1 IAWQ活性污泥數學模型
1.1 IAWQ活性(xing)污泥數學模型簡介
為了鼓勵環境科(ke)學(xue)家和工程(cheng)師更廣泛地把數學(xue)模型應用到廢(fei)水生物處(chu)理(li)系統的分析設計和運行管理(li)中去，1983年，原(yuan)國際水污染控制(zhi)協會（IAWPRC）（國際水(shui)質協會IAWQ的前身）組織了南(nan)非、丹麥、美國(guo)等五國(guo)專家組成(cheng)活(huo)(huo)性污(wu)泥(ni)工藝模型(xing)課題組來完(wan)成(cheng)活(huo)(huo)性污(wu)泥(ni)處(chu)理(li)系統數學模型(xing)的研究。ASM課題組于1987年正式發表了技術(shu)報告，闡明了活性污泥(ni)1號模型（ASM No.1）的(de)(de)主要特性。它以矩陣(zhen)的(de)(de)形式描述了(le)污水中(zhong)好氧(yang)、缺氧(yang)條件下所發(fa)生(sheng)的(de)(de)水解、有機物(wu)降解、微生(sheng)物(wu)生(sheng)長(chang)、衰減等8種反應，模型中包含13種組分、5個化學計量系數(shu)和14個動力學參(can)數(shu)[1]。
ASM NO.1自推出(chu)以來得到廣泛應用，但它(ta)的(de)缺陷是未包含磷的(de)去除。針對(dui)此問(wen)題，IAWQ專家組于1995年(nian)又推出活性污泥(ni)2號模型（ASM No.2），它包含了(le)磷(lin)的吸收和釋放(fang)，增加了(le)厭氧水(shui)解(jie)、酵(jiao)解(jie)及與聚磷(lin)菌有關的4個反應過程。因為生物除(chu)磷機理很復雜，所以(yi)ASM No.2非常龐大，它包含19種物質(zhi)、19種反應、22個(ge)化學計(ji)量系數(shu)以及42個(ge)動力學參數[2]。該模型提出了包含(han)化學(xue)需氧量(liang)（COD）、氮和磷去除過程(cheng)在內(nei)的(de)綜合性(xing)生物處理(li)工藝過程(cheng)動態模擬理(li)論，它不是生物除磷模型的(de)最(zui)終(zhong)方案(an)，而是一種折(zhe)中方案(an)。
1999年IAWQ專家組經過對1號(hao)模型應用中(zhong)問題的修正，推出活性(xing)污泥3號模型（ASM No.3）。ASM No.3不以水解(jie)作用(yong)為重(zhong)點、引入有機物在微生(sheng)物體內的貯(zhu)藏及(ji)內源呼吸，以強調細胞(bao)內部的活動(dong)過程。ASM No.3與(yu)ASM No.1中主要現(xian)象是相關的，如以城市污水為主的活性污泥系統中的氧消耗、污泥產量、硝化和反硝化，但ASM No.2中的生(sheng)物除磷在此不予考慮。ASM No.3包括13個組分，12個生化(hua)過程(cheng)。ASM No.3僅(jin)考慮微生物轉(zhuan)化(hua)過(guo)程，不包括化(hua)學沉淀，但基于(yu)ASM No.2（包含磷的吸收(shou)和釋放過程）所提供的信息，很容(rong)易加(jia)入該(gai)過程[3]。
1.2 活性(xing)污泥1、2、3號模型（ASM No.1～3）的比較
ASM諸多版本的(de)共同(tong)特點是(shi)它們均以Monod方程(cheng)為基礎，都是多維的(de)并(bing)包(bao)含大量的(de)動力(li)學參(can)數和化學計量系數，均以矩陣的(de)形式(shi)描述生物(wu)反應過(guo)程(cheng)。
ASM No.1和ASM No.2在應用過程中都有一些限制(zhi)，如他們都要求pH值接近(jin)中性并保持恒定；ASM No.1要求系統在恒定(ding)溫度(du)下運(yun)行(xing)，ASM No.2的實(shi)用溫度要限制在中等范圍，大概為10～
ASM No.3與ASM No.1大(da)致相同，只是在廢(fei)水特征(zheng)化這一重要方(fang)面作了改動，將(jiang)重點從水解(jie)過程轉移到有機物質的儲(chu)存過程。在ASM No.1中快速可生(sheng)物降解基(ji)質COD必須(xu)從(cong)呼吸試驗中(zhong)估算，而對(dui)這一試驗的解(jie)釋又依賴于異養菌產率(lv)YH的值。在ASM No.3中(zhong)溶解性COD僅由快速(su)可生物降(jiang)解(jie)基(ji)質SS和惰性可溶性有機質SI組成。從兩個(ge)模型(xing)所采用的典型(xing)廢(fei)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的一個重(zhong)要(yao)區別(bie)是(shi)，通過0.45μm濾膜的過濾作(zuo)用可以將溶(rong)解性成分與顆粒性組分更(geng)好地區分，而前者廢水(shui)游液中仍然含有相當比(bi)例的慢速可生物降(jiang)解基(ji)質XS。
2 IAWQ活性污泥數學(xue)模型目前(qian)存(cun)在(zai)的問題
綜合(he)國外近(jin)年來對模型的應用研究，已證實了ASM No.1對于描述碳氧(yang)化(hua)(hua)、硝(xiao)化(hua)(hua)和(he)反硝(xiao)化(hua)(hua)過(guo)(guo)程具有較強(qiang)的(de)模擬預(yu)測能力。但是經過(guo)(guo)多年的(de)實(shi)際應(ying)用(yong)，也發(fa)現ASM No.1中(zhong)存在著一些(xie)明顯缺點[3]：
①ASM No.1中不包含氮和堿(jian)度(du)對異養(yang)菌(jun)的限(xian)制(zhi)因素(su)，這樣在某些情況下會出現負濃度(du)（如銨鹽等）。
②ASM No.1中包括了(le)可生(sheng)物降(jiang)解的溶(rong)解性(xing)有(you)機氮（SNS）和顆(ke)粒性(xing)有(you)機氮（XNS）。在(zai)實踐(jian)中(zhong)，二者都不易(yi)測定，應(ying)將其(qi)從(cong)模型(xing)中(zhong)刪除(chu)。
③ASM No.1中氨化反應的(de)動力(li)學難(nan)于定(ding)量(liang)化。在(zai)應用ASM No.1時，假定所有有機組(zu)分均為恒定組(zu)成，即(ji)恒定的N與(yu)COD質量(liang)比。
④ASM No.1對顆粒性(xing)惰(duo)性(xing)有機物(wu)質按其(qi)來源將其(qi)區分為兩類，即進水所含的(de)XI和(he)生(sheng)物(wu)質衰減產生(sheng)的XD，實際中，難于如此(ci)清晰地區分這兩種組分。因(yin)此(ci)ASM No.3中將XD和原(yuan)ASM No.1中的XI統一考慮為XI處理。
⑤在(zai)模型中細菌的死亡(wang)(wang)分解與水解和(he)增長(chang)過(guo)程(cheng)分為(wei)有機(ji)物儲(chu)存，死亡(wang)(wang)，捕食和(he)分解等階段(duan)，從而(er)使(shi)得(de)(de)相(xiang)應動力學參數的確(que)定變得(de)(de)非常(chang)困難。
⑥如果污水處理廠中(zhong)易(yi)降解基(ji)質濃度(du)較高時(shi)，在好氧(yang)(yang)和缺氧(yang)(yang)條件下可以觀(guan)測(ce)到聚羥基(ji)烷酸PHAS（poly-hydroxy-alkanoates）（有時為糖原質(zhi)-glyco-gen）的儲存現象(xiang)，但ASM No.1中不包(bao)括這一過程。
⑦ASM No.1認為好氧(yang)與缺氧(yang)條件下硝化菌的衰減速率是相同的，當固體(ti)停留時(shi)間（SRT）較(jiao)長或(huo)缺氧池體(ti)積比(bi)例(li)較(jiao)高(gao)時，對最大硝化反應速(su)率(lv)的預測(ce)就(jiu)會出現問題(ti)。
除磷過程(cheng)的加入給ASM No.2模(mo)型(xing)的使用也帶(dai)來了諸多限(xian)制。例(li)如模(mo)型(xing)沒有考(kao)慮鉀和鎂(mei)對(dui)生物除磷的限(xian)制作用。但是(shi)(shi)眾所周知，鉀和鎂(mei)是(shi)(shi)PAOS中構成聚磷酸鹽的(de)兩種重要陽離子。這些陽離子的(de)短缺(que)會導致污泥(ni)中聚磷菌聚積作用的(de)惡化，從而導致磷去(qu)除(chu)的(de)明顯降低。據報道，亞硝酸鹽和一氧(yang)化氮對生物(wu)除(chu)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(de)復雜性(xing)和除磷機理的(de)不確定(ding)性(xing)，使得ASM No.2相較于ASM No.1的應用限制(zhi)較(jiao)多，經(jing)驗也不如ASM No.1成熟。但它是目前唯一包(bao)含磷的去(qu)除的較為成功(gong)的活(huo)性污泥數學模(mo)型。
由于ASM No.3提出較(jiao)晚，目前還沒有經(jing)過大量的運(yun)行(xing)數據的驗證(zheng)，所以(yi)仍然需(xu)要在(zai)實(shi)踐中(zhong)對(dui)模型進行(xing)不(bu)斷地修正和改進，特別是(shi)對(dui)儲存(cun)現象的描述。
3 IAWQ活性(xing)污泥數學模型(xing)應用過程中幾個問題的(de)討論
活性污泥數學(xue)模(mo)型(xing)的(de)研究和應(ying)用始終是國際上廢水生物處理領(ling)域研究的(de)熱點之(zhi)一，目前已有(you)許多(duo)(duo)大型(xing)污水處理廠(chang)在設計(ji)、改建和運行過程中應(ying)用了數學(xue)模(mo)型(xing)，積累了許多(duo)(duo)寶貴的(de)經驗。從國內外大量的(de)應(ying)用實(shi)例中不難看出，IAWQ模型應(ying)用(yong)(yong)中(zhong)問題的(de)焦點在于模型的(de)簡(jian)化、水質的(de)分(fen)析和測(ce)定(ding)以及參(can)數的(de)校正。下(xia)面筆者結合(he)國內外應(ying)用(yong)(yong)報道及自(zi)身研(yan)究過程中(zhong)的(de)切身體(ti)會對這幾方面問題分(fen)別進行討論。
3.1 水質(zhi)的(de)分析和測定
由(you)于模型(xing)中涉及的組分(fen)較多(duo)，而且(qie)不能由(you)常(chang)規(gui)水質(zhi)分(fen)析指標直(zhi)觀表述，需(xu)要設定(ding)常(chang)規(gui)檢(jian)測數據(ju)與模型(xing)參數的轉換(huan)方案。如考慮污水除磷脫氮則(ze)要測定(ding)進水構成(cheng)中COD、氮、磷的(de)(de)溶解性和非溶解性、惰(duo)性和非惰(duo)性物質(zhi)各自的(de)(de)含量，測定的(de)(de)內(nei)容比目前常規的(de)(de)水質(zhi)化驗多(duo)(duo)出很多(duo)(duo)，而且具(ju)體的(de)(de)測定方(fang)法還未規范化，有(you)些還有(you)待于進一步研究解決。IAWQ的(de)專家組目前正致力于對進水(shui)水(shui)質測定(ding)方(fang)法(fa)簡單(dan)化(hua)(hua)、規范(fan)化(hua)(hua)方(fang)面的(de)研究[4-5]。
3.2 模型的簡化
由于IAWQ數學模(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)復雜性，將(jiang)其(qi)完整(zheng)的(de)(de)(de)模(mo)(mo)型(xing)直接應(ying)用(yong)于污水廠(chang)的(de)(de)(de)設計、模(mo)(mo)擬、運(yun)行控制(zhi)是(shi)(shi)不現(xian)實的(de)(de)(de)，這就需要根(gen)據(ju)具體條件(jian)將(jiang)其(qi)適當簡化。但值得環境工作者(zhe)注意的(de)(de)(de)是(shi)(shi)，模(mo)(mo)型(xing)的(de)(de)(de)簡化雖然(ran)是(shi)(shi)必要的(de)(de)(de)，但也(ye)是(shi)(shi)相當危險的(de)(de)(de)。如果簡化不當，將(jiang)導致應(ying)用(yong)的(de)(de)(de)徹底失敗(bai)。因(yin)此，在(zai)模(mo)(mo)型(xing)應(ying)用(yong)于某(mou)一特定污水廠(chang)之前，必須充分了解(jie)污水水質特性、工藝的(de)(de)(de)水力學特性以(yi)及生物反應(ying)過程(cheng)和機理。在(zai)此基礎上，分析各變量(liang)和參數對系(xi)統模(mo)(mo)擬的(de)(de)(de)敏(min)感(gan)性，忽略不敏(min)感(gan)因(yin)素，僅考慮對 系統影響較大的(de)因素，從(cong)而達(da)到簡(jian)化的(de)目的(de)。
模型(xing)簡(jian)(jian)化(hua)的(de)(de)結果是(shi)矩陣中變量(liang)和生(sheng)物(wu)反應過(guo)程及其相關參數(shu)的(de)(de)減少，或是(shi)非線性(xing)模型(xing)的(de)(de)線性(xing)化(hua)。簡(jian)(jian)化(hua)后的(de)(de)模型(xing)必須經過(guo)校正方(fang)可使用(yong)，而(er)校正過(guo)程的(de)(de)難點(dian)便(bian)集中于參數(shu)的(de)(de)調整。
3.3 參數的校(xiao)正
簡化的(de)模型必須進行參(can)數校正，對于活性污泥系統這(zhe)樣的(de)復雜非線(xian)性系統，參(can)數調整(zheng)(zheng)有(you)兩種(zhong)(zhong)方法，一(yi)種(zhong)(zhong)是(shi)手(shou)動調整(zheng)(zheng)，一(yi)種(zhong)(zhong)是(shi)自動調整(zheng)(zheng)。手(shou)動調整(zheng)(zheng)耗時長且(qie)結果重現性差，故僅在(zai)無法自動調整(zheng)(zheng)時采用(yong)。但是(shi)自動調整(zheng)(zheng)也不是(shi)可以直接使用(yong)，它(ta)要(yao)求先進的(de)在(zai)線(xian)監測儀器和功能(neng)很(hen)強的(de)數學工具。國外曾討論(lun)使用(yong)界(jie)面響應法（RSM）進(jin)行參(can)數(shu)調整(zheng)[6]。該方法是用于(yu)建立、改進、優化過程(cheng)的統計學和數(shu)學技術(shu)的結合(he)。在RSM中，響應(ying)值（輸(shu)出(chu)值）與輸(shu)入(ru)變量的(de)濃度有關。在活性(xing)污泥系統(tong)數(shu)學模(mo)型的(de)校正中，RSM用作(zuo)局部敏感分(fen)析工具，其中輸入變量是(shi)模型參數，輸出是(shi)余差平方和。在荷蘭的Rotterdam污(wu)水(shui)處(chu)理廠的(de)卡羅(luo)塞型氧化溝脫氮模型（ASM No.1）中，采用該方法(fa)進行參(can)數(shu)調整，獲(huo)得了精確可(ke)靠的結(jie)果。可(ke)以預見，隨(sui)著計算機技術(shu)的飛速發(fa)展(zhan)，更加快(kuai)速方便(bian)的校正方法(fa)必將應運而生，從而推(tui)動(dong)活性污泥數(shu)學模型更加廣(guang)泛的應用。
4 結語(yu)
IAWQ活(huo)性污泥(ni)數(shu)學模型在國外(wai)的(de)(de)大量應(ying)用中已(yi)取得(de)了寶貴(gui)的(de)(de)經(jing)驗，污水處理工藝的(de)(de)不(bu)斷(duan)(duan)完善和生物處理機理的(de)(de)不(bu)斷(duan)(duan)明確(que)，以及計算機技(ji)術的(de)(de)飛速發展必將使(shi)數(shu)學模型得(de)到(dao)更為廣泛的(de)(de)應(ying)用。
我國已建及在(zai)建的廢水處理廠中大(da)約有80％以上采(cai)用(yong)(yong)(yong)活性污(wu)泥法，應用(yong)(yong)(yong)數(shu)學(xue)(xue)模型(xing)設(she)計和管理(li)廢(fei)水(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)廠(chang)是提(ti)高我(wo)國(guo)廢(fei)水(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)廠(chang)設(she)計、運行和管理(li)水(shui)平的必然需要。但數(shu)學(xue)(xue)模型(xing)的應用(yong)(yong)(yong)需要較高的硬件(jian)水(shui)平，國(guo)外污(wu)水(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)廠(chang)大(da)都采(cai)用(yong)(yong)(yong)在(zai)線監測(ce)(ce)實時控制，而(er)我(wo)國(guo)污(wu)水(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)廠(chang)水(shui)質(zhi)分析(xi)(xi)大(da)都采(cai)用(yong)(yong)(yong)現場取樣、化(hua)驗室分析(xi)(xi)的方法，使得測(ce)(ce)定結果引入了(le)大(da)量人為誤(wu)差，而(er)且測(ce)(ce)定值(zhi)僅(jin)是每天(tian)某個時刻的瞬時值(zhi)，不(bu)能全面反映水(shui)質(zhi)變化(hua)情況(kuang)，因而(er)模擬值(zhi)與測(ce)(ce)量值(zhi)之間誤(wu)差較大(da)。相(xiang)信隨著我(wo)國(guo)水(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)工藝不(bu)斷改(gai)進、硬件(jian)水(shui)平不(bu)斷改(gai)善(shan)，數(shu)學(xue)(xue)模型(xing)在(zai)我(wo)國(guo)污(wu)水(shui)處(chu)(chu)(chu)(chu)(chu)理(li)中的應用(yong)(yong)(yong)必將得到推(tui)廣。
參考(kao)文獻：
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