活性污泥数学模型的发展和使用

汪慧贞 吴俊奇
(北京建筑工程学院城市建设工程系)

　　活性污泥法于1913年在英国试验成功以来已有近百年的历史，它有较好的处理效果且管理方便，因而在城市污水处理中得到广泛应用。据1993年不完全统计，我国已建及在建的二级污水处理厂有118座，其中80%以上采用活性污泥法。随着活性污泥处理工艺的推广，人们对它的认识也不断深入，其设计逐渐从简单采用经验数据发展到使用数学模型。?
　　50年代后，国外一些学者引入化工领域的反应器理论及微生物学的生物化学理论，将基质降解、微生物生长及各参数之间的关系用数学模型来表示，其中最有代表性的是Eckenfelder、Mckinney和Lawrence-McCarty活性污泥法模型。这三种不同的模型都源自1942年Monod提出的以米—门公式为基础的Monod方程。Mckinney模型与Eckenfelder模型公式相比，仅缺少了微生物浓度(X)项。Mckinney认为在一般城市污水处理厂中，微生物浓度已足够大，它不再是影响基质去除率的因素。
　　1970年Lawrence-McCarty模型被推出，此模型不同于以前的各类模型，它突出了泥龄这一参数，认为系统出水水质仅与泥龄有关，而泥龄则可以通过污泥量的排放来控制，因此该模型比起前述的其它模型更具有实践意义。在此要指出的是以上三个模型均只考虑了污水中含碳有机物的去除，而且这些模型都是静态的，无论是参数的求解还是计算过程都相对简单。

1 活性污泥模型的发展　

　　传统活性污泥法能很好地去除污水中含碳有机物，但对来自于人体排泄、农肥、洗涤用品的氮和磷的去除率却只有20%～40%。
　　为了满足出水氮、磷标准的要求，新建污水厂要考虑除磷脱氮工艺，已有的污水厂也要进行改造，这就对用于污水厂设计及运行指导的活性污泥数学模型提出了新的要求。在这方面南非因为水资源奇缺，着重污水回用，对生物除磷脱氮工艺的研究和使用走在了世界的前列。80年代，南非的Marais就提出了碳、氮、磷去除的动态活性污泥模型。1986年，IAWQ(International Association on Water Quality)组织了南非、丹麦、美国等五国专家，经3年研究，推出了去除污水中碳和氮的活性污泥1号模型(ASMⅠ)，它以矩阵的形式描述了污水中好氧、缺氧条件下所发生的水解、微生物生长、衰减等8种反应，模型中包含13种物质、5个化学计量常数和14个动力学参数。ASMⅠ自推出以来得到广泛应用，但它的缺陷是未包含磷的去除。针对此问题，IAWQ专家组于1995年推出ASMⅡ，它比ASMⅠ的先进之处在于包含磷的去除，增加了厌氧水解、酵解及与聚磷菌有关的4个反应过程。因为生物除磷机理很复杂，所以ASMⅡ比ASMⅠ庞大，它含19种物质、19种反应、22个化学计量系数及42个动力学参数。IAWQ的ASM问世后，得到充分肯定，是目前世界上活性污泥模型研究的主流。据报道，IAWQ的专家组将于1999年正式推出?ASMⅢ。ASMⅢ不以水解作用为重点，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。
　　为操作方便模型应尽量简单，因此不得不作一些简化和假设，但过分的简化又会使模型失去准确性，从而也失去使用价值，这是一个问题的两个方面。ASMⅠ、Ⅱ、Ⅲ均为复杂的矩阵，有诸多物质、常数和参数，若要进行动态模拟则难度更大。但如今随着计算机技术的发展，使组成数学模型的各种复杂微分方程的快速求解成为可能。对应于?ASMⅠ，1988年就开发出SSSP程序；1998年对应于ASMⅡ则有Efor软件。这些程序和软件可十分方便地使用于污水厂的设计，也可用于已有污水厂的静态、动态模拟以寻求最佳运行状态。

2 准确使用活性污泥数学模型

　　使用计算机软件简化了活性污泥模型计算过程，人机直接对话操作便利，但ASMⅠ和ASMⅡ的使用还有一定困难，主要有两方面：一是进水水质的分析和测定；二是模型中各参数的校正。
　　如考虑污水除磷脱氮则要测定进水构成中COD、氮、磷等溶解性和非溶解性、惰性和非惰性物质，而且具体测定方法还未规范化，这是使用模型需要克服的一大难点，也是保证模拟结果正确的前提之一。IAWQ的专家组目前正致力于进水水质测定的简单化、规范化工作。
　　ASMⅠ、Ⅱ中均有几十个参数，其中除了产率系数等几个是恒定的，其它都随环境条件的变化而变化，因此要根据实际工作条件对之进行校正。校正时要顺序进行，每次仅可改变一个参数，这也是一个繁琐的过程。根据经验，对某一具体污水厂而言，上述两项使用模型的先期工作至少需要1～2个月的时间。
　　我国新颁布的城市污水厂排放标准GB 8978—1996对1998年1月1日之后建成的污水厂出水中氮、磷指标提出了明确的要求，按接纳水体的等级，污水厂出水中总磷含量分别不得超过1或0.5mg/L，这与发达国家的指标基本一致。在这种形势下，ASMⅠ、Ⅱ的运用是必然趋势。
　　我国在活性污泥模型的研究、使用方面起步较晚，虽然也有一些介绍模型的文章发表在各有关杂志和会议论文集，但在实际使用方面还相当滞后，当务之急是迈出具体使用的步伐，通过实验收集大量数据，得出适合于我国国情的模型参数及各地区城市污水的特征，同时选出几个不同处理工艺的活性污泥法污水厂作为试点，使用ASM进行静态、动态模拟，分析其结果，从而逐渐缩小我国在模型使用方面与国外的差距。

参考文献

　　1 Henze M et al.Activated Sludge Model No.1.In：IAWPRC Scientific and Technical Reports No.1.1987
　　2 Henze M et al.Activated Sludge Model No.2.In:IAWQ Scientific and Technical Reports No.3.1995
　　3 顾夏声.废水生物处理数学模式.1993

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　　(收稿日期 1998-12-07)