摘要：活性污泥法的數學模型經過近二十年的發展，已由最初簡單的描述有機物去除和脫氮的數學模型發展到可以模擬有機物去除，脫氮和除磷的比較完善的數學模型。本文介紹了由國際水協（IWA）數學模型組開發的ASM1、ASM2、ASM3號模型以及由荷蘭Delft大學開發的TUDP模型。闡述了各種的模型的主要反應過程、應用條件及缺陷，并通過實例證明了模型在污水處理廠升級改造中發揮的巨大效益。
　　關鍵詞：污水處理廠，模型，活性污泥法
　　
　　1、引言
　　活性污泥法是目前世界上應用最為普遍的城市生活污水處理方法。通過活性污泥的吸附、生物降解等綜合作用，可以將污水中大部分的污染物去除。通過有效的設計，城市污水廠可以達到去除有機物、生物脫氮和生物除磷的功能。在活性污泥法數學模型出現之前，污水廠的設計往往經過小試、中試然后設計的過程或者根據以前的經驗進行設計。這樣的設計往往會帶有較大的不確定性，達不到優化設計的目的。比如在污水廠的設計手冊中，一般的活性污泥法的設計參數體積負荷可以取0.2～0.8kg.COD/m3.d。設計參數的高值和底值相差3倍，而采用高值和底值設計參數進行設計的曝氣池容積相差三倍。這往往讓設計人員很難取舍，一般情況采用中間值進行設計。
　　利用活性污泥數學模型，設計人員可以很方便利用數學模型在不同條件下對污水廠的出水情況進行預測，從而選擇最為合理的設計參數，達到優化設計的目的。活性污泥數學模型最早是由國際水協（IWA）開發，1987年ASM1模型正式發表，通過近二十年的發展，模型逐漸完善，可以精確描述有機物氧化、生物脫氮和生物除磷的過程，如于1995年發表的ASM2模型和于1999年發表的ASM3模型。為了更為精確描述生物除磷過程，Delft大學發表了TUDP除磷模型，進一步完善了ASM模型的缺陷。
　　活性污泥數學模型出現后，引起了廣大污水生物處理專家以及工程人員的關注，模型被廣泛應用于新工藝的開發，污水處理廠的升級改造，對污水廠的運行情況進行評價以及對工藝進行優化等。但在我國，對于數學模型的研究還處于剛剛起步階段，2002年，同濟大學將ASM1～3模型的原著翻譯成中文并發行。2004年9月，IWA數學模型組成員荷蘭Delft大學的MarkvanLoosdrecht教授在北京開設了數學模型培訓班。這些工作的開展無疑對活性污泥法數學模型在中國的應用，起到良好的推動作用。
　　2、數學模擬流程
　　對一個污水處理廠進行模擬，一般流程如下：
　　●確定模擬的目的
　　在模擬之前，必須清楚是為什么模擬？是否為了用于設計新的污水廠？模擬已有污水廠的運行情況、對現有工藝進行優化還是升級改造現有工藝？模擬目的的不同，模型的選擇，水質特性的了解精度都不盡相同。
　　●模型的選擇
　　根據模擬目的不同，選擇合適的模型。如果只是模擬有機物氧化和脫氮過程，選擇ASM1或ASM3就夠了。如果還需要模擬除磷過程，則需要采用ASM2或TUDP模型。
　　●確定水力條件
　　如果對一個污水處理廠進行模擬，必須清楚相應的水力條件。如厭氧、缺氧、好氧區的容積，進水流量，污泥回流量，內循環水量，每天的排泥量等。
　　●確定水質特性
　　主要指污水中各種污染物的濃度。如COD、NH3-N、有機氮、磷酸鹽等。根據模型選擇的不同，水質特性的確定方法也不盡相同。如在ASM1模型中，COD分為溶解性可降解有機物（SS）、溶解性不可降解有機物（SI）、顆粒性可降解有機物（XS）和顆粒性不可降解有機物（XI）。總COD=SS+SI+XS+XI。但在ASM2模型中，又將溶解性有機物（SS）分為發酵產物（SA）和可發酵的易生物降解有機物（SF）。
　　●模擬結果對照
　　根據以上步驟建立好模型后，可以通過專用的數學模型平臺進行模擬運算，并將達到穩態后的模擬結果與實際結果進行對照。
　　●模型的校正
　　如果模擬結果與實際數據相差較大，則需要對模型進行校正，一般情況下可以通過改變模型的動力學參數或污水的水質特性達到校正的目的，可以通過實驗室試驗對這些參數進行測試，再應用到模型中去，與實際的測量數據相一致。
　　●模型精確性的判斷
　　完成以上步驟后，需要對模型的精確性進行評價，可以根據已有的實際數據進行判斷。如果模擬結果能與實測結果相吻合，則認為模型可以精確描述污水廠的實際運行情況。如果不能吻合，則按照以上步驟對模型進行修改，直到模型能基本上與實測結果相一致。
　　●模擬結果的評價
　　根據模擬目的不同，對不同工藝參數進行模擬，將模擬結果進行對比，獲得最優設計參數和工藝流程，完成模擬工作。
　　3、模型介紹
　　表1對比了ASM1~3和TUDP模型的主要特性。
　　
　　表1ASM1~3和TUDP模型的主要特性對比表
　

　　注：X代表模型中有此反應過程，DR代表死亡再生過程，ER代表內源呼吸過程，EA代表與電子受體有關，NEA代表與電子受體無關。
　　
　　3.1ASM1模型
　　1987年，IWA數學模型小組首次開發了活性污泥法的1號模型，簡稱ASM1模型。該模型首次引入了數學矩陣的概念代表活性污泥法中生物反應過程的各種反應物和生成物之間的計量學關系。ASM1模型的開發，為以后的新的模型的逐步完善提供了良好的基礎。新模型全部在ASM1模型的基礎上增加或修正了反應過程而已。ASM1模型描述的有機物的氧化、生物硝化反硝化和微生物的死亡過程。其中生物死亡過程引入了死亡再生的概念，即認為死亡的微生物分成兩部分，一部分形成可生物降解的顆粒性COD（XS），另一部分形成不可生物降解的顆粒性COD（XI）。可生物降解的部分又可水解成為溶解性可生物降解COD（SS）再次引入到反應過程中。此外，ASM1模型還可以預測反應器中的污泥濃度（MLSS），污泥產量等。
　　ASM1模型的生物反應過程以及反應物和生成物之間的物質流向見圖1。從圖1可以看出，ASM1模型整個反應過程包括硝化、水解、異養菌的生長、硝化菌和異養菌的死亡等過程。硝化過程以氧和氨氮為底物，在硝化菌的作用下進行自養硝化過程，產物為硝酸鹽。顆粒性可降解有機物水解成溶解性顆粒有機物后，在異養菌的作用下生成CO2和H2O。
　　
　　圖1ASM1模型反應流程圖
　　3.2ASM3模型
　　1999年，ASM3模型的發表，成為活性污泥法數學模型新的標準。和ASM1模型1樣，ASM3模型也是用于描述有機物氧化、硝化和反硝化過程。它與ASM1模型的主要區別在于：
　　●ASM3模型引入了有機物貯存的概念。即溶解性可降解有機物（SS）首先被貯存為細胞內物質（XSTO），然后細菌利用細胞內物質為底物進行生長。在ASM1模型中，細菌直接利用SS進行生長。
　　●ASM3模型引入了內源呼吸的死亡模式。認為生物的死亡是一個內源呼吸的過程，其產物除了惰性顆粒性有機物（XI）之外，再沒有其他產物。這樣把硝化和異養菌的生長過程完全分開，避免了相互的干擾。
　　ASM1模型的生物反應過程以及反應物和生成物之間的物質流向見圖2。

　　圖2ASM3模型反應流程圖
　　3.3ASM2模型
　　為了描述生物除磷過程，ASM2模型于1995年由IWA數學模型組發表。該模型在ASM1模型的基礎上，增加了生物除磷和化學除磷過程。圖3為ASM2模型中的生物除磷原理圖。

　　圖3ASM2模型生物除磷原理圖
　　在ASM2模型中，溶解性可降解有機物（SS）被分成兩部分，一部分是發酵產物（SA），一般以乙酸表示，另一部分是可發酵的有機物（SF）。模型認為在厭氧條件下，發酵產物以胞內有機物（XPHA）的形式貯存在聚磷菌內，同時聚磷酸鹽（XPP）釋放成為磷酸鹽（SPO4）。在好氧條件下，磷酸鹽（SPO4）以胞內聚磷酸鹽（XPP）的形式貯存，聚磷菌（XPAO）以胞內有機物（XPHA）和磷酸鹽（SPO4）為基質進行好氧生長。
　　3.3TUDP模型
　　隨著對生物除磷的進一步了解，人們發現聚磷菌并非嚴格意義的好氧菌，在硝酸鹽存在的情況下，聚磷菌具有反硝化功能。另外，糖原（XGLY）也可以作為聚磷菌的貯存基質。荷蘭Delft大學的研究者通過實驗室SBR試驗，對不同污泥齡（SRT）[7]、厭氧和好氧時間長短[8]以及分別以溶解氧和硝酸鹽作為電子受體[9]進行了試驗，發表了可以充分描述以上發現的除磷新模型，簡稱TUDP模型，該模型原理見圖4。

　　圖4TUDP模型生物除磷原理圖
　　和ASM2模型相比，TUDP模型增加了聚磷菌的反硝化過程和糖原的貯存過程。
　　4、模型缺陷
　　●以上模型都是在城市污水處理廠的基礎上建立的，如果對于工業污水為主的污水廠進行模擬，以上模型可能要進行修正。
　　●模型都是基于常溫（8~35℃）和中性pH值（6～8）條件下建立的。超出此范圍，應用模型進行模擬可能導致嚴重的誤差。
　　●對于硝化過程，模型采取的是一步法進行模擬，而亞硝酸鹽只是硝化過程的中間產物，對于亞硝酸鹽升高的情況，需要對模型進行修正。
　　●數學模型只是描述活性污泥法的生物反應過程，不能描述污泥的沉降性能等。因此，對于二沉池的模擬，需要用經驗法或其他模型進行模擬。
　　●數學模型不能描述絲狀菌的生長過程，所以對于出現污泥膨脹的污水廠，模擬結果可能會出現嚴重誤差。
　　●模型沒有描述厭氧情況下的生物過程，因此不能模擬厭氧區占很大部分的污水廠。
　　5、應用實例
　　應用數學模型進行污水廠升級改造的典型實例是荷蘭Delft大學開發的BABE工藝[10]。該工藝流程圖見圖5
　　

　　圖5BABE工藝流程圖
　　在荷蘭一些舊的污水處理廠，由于沒有設計沒有考慮生物脫氮功能，設計污泥齡（SRT）較短，不能滿足硝化要求，出水氨氮偏高。隨著環境管理要求的提高，需要對這些污水廠進行升級改造以達到脫氮的目的。根據常規的A/O工藝，可以通過新建缺氧池增加反硝化功能，同時擴大曝氣池的容積以提高污泥齡。但是，對于常年水溫較低的地區，由于硝化菌在低溫條件下的生長速率較慢，因此需要較大的池容以提高污泥齡。對于很多老的污水廠由于條件限制沒有足夠的地方進行擴建，這樣開發一種占地較小的脫氮新工藝成為一種需要。BABE工藝正是在這種條件下開發出來的，主要原理是在通過新建一個池容較小的A/O系統（稱為BABE反應器）對污泥消化上清液進行單獨處理。一方面，由于污泥消化上清液高濃度氨氮占整個污水廠的氮負荷的15～20％，BABE系統可以有效減輕主反應器的氨氮負荷。另一方面，由于污泥消化液的水溫較高（一般為35℃），可以在較低的污泥齡的條件獲得較好的硝化效果，使硝化菌在BABE反應器中聚積，然后到主反應器進行硝化反應，提高整個系統的脫氮效率。通過數學模型的模擬，發現如果達到同樣的脫氮效率，采用BABE工藝后需要增加反應器的容積只有采用傳統A/O的1/3。這樣有效的減少了污水廠升級改造所需要的占地面積。
　　6、結論
　　活性污泥法數學模型是可以廣泛應用教學研究、工程設計、污水廠的日常管理以及升級改造的數學工具，隨著人們對它的逐漸認識，必將發揮更大的效益。