活性污泥法脱氮除磷数学模型的发展

徐伟锋　顾国维　张芳
（同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海　200092）

　　摘要：利用聚磷菌在缺氧条件下的吸磷和反硝化作用，实现氮、磷的同时去除，是具有实用前景的城市污水处理方法，而建立活性污泥法脱氮、除磷的数学模型则有利于该项技术的推广应用。文中对ASM2d模型、Barkerand Dold模型、Delft模型作了较为详细的介绍，提出了由聚磷菌引起的缺氧吸磷和反硝化作用中需要解决的 2个问题：反硝化聚磷菌浓度的确定和由反硝化聚磷菌吸磷所引起的磷的减少量。
　　关键词：模型；生物营养物去除；生物过量除磷作用；缺氧吸磷
　　中图分类号：X703.1　 文献标识码：A 　文章编号：1009－2455（2004）02－0001－04

Development of Mathematical Models
of Demtrihcation and Dephosphorization by Activated Sludge Process
XU Wei－feng GU Guo-wei ZHANG Fang
（She Key Lab of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji Universiry Shanthe 200092，China）

　　Abstract：The use of the phosphorus uptake and denltrification of PAOs under anoxic conditions for the　realization of the simultaneous removal of nltrogen and phosphorus is a method with practical prospect for munic－ipal sewage treatment，and the establishment of the mathematical models of denitrlfication and dephosphorization　by activated-sludge process benefits the popularization and application of this technofogy.Models ASM2d，Barker　and Dold and Delft are presented in a detailed way in this paper，with two issues raised which need to be re－solved in the anoxic phosphorus uptake and denitrificatlon caused by PAOs，i.e.the determination of the concen－tration of denitrification PAOs and the decrease of phosphorus caused by the phosphorus uptake of denitrification-PAOs.
　　Key words： model; biological nutrient removal; biological excess phosphrus removal;anoxic phosphrus　uptake

　　自1990 年以来，许多学者相继报道有缺氧吸磷现象^[1]，即所谓的反硝化除磷作用。这种作用在原理上是通过一种兼性反硝化细菌独特的生物摄／放磷作用而实现的，这种新途径将反硝化脱氮与生物除磷有机地合二为一，可节省约50％的COD和30％的耗氧量，并相应减少50％的剩余污泥量。因而被誉为可持续的处理技术^[2]。事实上，实践中已盛行的 UCT艺存在着不少反硝化聚磷菌（DPB）。在工程实践中，荷兰Delft大学研发出一种变型的UCT艺——BCFS，并在10座升级或新建污水处理场中实际应用，但这方面模型的研究工作还比较少。因此，在描述生物营养物去除的数学模型中，需包括由DPB引起的缺氧吸磷和反硝化作用。
1 介绍3个主要模型
　　Barker和Dold^［3］试图通过以下两种方法将DPB包括在聚磷菌好氧吸磷的模型中：①两类聚磷菌属，即反硝化聚磷菌和好氧聚磷菌；②一类聚磷菌属，即在生物除磷系统中只存在一类聚磷菌。大量试验已证实确实存在着两类聚磷菌，然而，以两类聚磷菌为基础的数学模型的缺点是，在含好氧段的系统中好氧聚磷菌会大量增殖并最终成为优势菌种，使DPB所占比例越来越低。正是认识到上述的缺陷，模型中通常只包括一类聚磷菌，采用不同的反应速率，甚至在某些情况下采用不同的化学计量系数。目前主要有3个模型描述缺氧吸磷和反硝化作用：①ASM2d模型；②Barker＆Dold模型[3]；③Delft模型^[4]
1.１　ASM2d模型
　　ASM2d模型通过增加 DPB的两个过程对ASM2 模型进行了进一步延伸，其主要阐述了在缺氧条件下聚磷菌能利用体内贮存的PHA进行：①增殖；②吸磷并转变为聚磷化合物。这两个过程与好氧聚磷菌的增殖和吸磷过程一样，只是在缺氧条件下分别乘一个折减系数η_NO3 即可。这说明并不是所有的聚磷菌都能在缺氧条件下生长和贮磷，或者说反硝化聚磷菌的生长速率、贮磷速率比好氧聚磷菌要低。
　　应当说明的是，异养菌水解慢速可生物降解有机物的折减系数（η_Fe）从ASM2 中的0.l增加到ASM2d中的0.2 这显著地增加了在厌氧条件下慢速可生物降解有机物水解为易生物降解有机物的速率，其结果是易生物降解有机物更快地被发酵为挥发性脂肪酸（VFA），这种VFA被聚磷菌所吸收，最终增强了生物除磷系统的效果。
1.2 Barker＆Dold模型
　　Barker＆Dold模型是以 ASM1 和聚磷菌的数学模型^[5-6]为基础作了相应的修改，其主要修改部分为：①聚磷菌的缺氧吸磷及反硝化作用；②COD的去除。
1.2.1 聚磷菌的缺氧吸磷及反硝化
　　Barker和Dold认为一部分聚磷菌在缺氧条件下能利用NO₃^-作为电子受体，进而氧化体内贮存的PHB并从环境中吸收磷酸盐。认识到以两类聚磷菌为基础的数学模型的缺陷，它们在缺氧、好氧条件下分别采用不同的动力学常数和化学计量系数来引人一类聚磷菌，即乘以一个折减系数η_p。此外，与好氧条件相比，缺氧条件下吸磷速率较小。
1.2.2 COD的去除
　　COD的去除机理包括以下3个过程：①慢速可生物降解COD水解为易生物降解COD；②发酵过程：即异养菌将易生物降解COD水解为VFA。在ASM2 中使用Monod方程建立了发酵过程的动力学模型，只不过产率系数Y用的是厌氧条件下的产率系数Y_H，ANA。与AMS2 相比，该模型假定仅有部分发酵产物（Y_ac= 0.4）是短链脂肪酸，其余部分在系统中消失；③聚磷菌吸收VFA：由聚磷菌吸收的VFA中仅有部分（Y_PHB＝0.889）转化为PHB，其余部分在系统中消失。
1.3 Delft模型
　　1996年Kuba等人^[7]以厌氧／好氧聚磷菌的好氧吸磷代谢模型为基础，提出了厌氧／缺氧聚磷菌的缺氧吸磷代谢模型。随后，Mumleituer等人^[4]综合以上两个模型形成一个厌氧／缺氧／好氧聚磷菌的完整代谢模型，称为Delft模型。这个模型中成功地用同一套动力学方程和参数描述了两种除磷机制，只是采用不同的参数值和不同的动力学常数。化学计量系数而已。
1.3.1 厌氧阶段
　　对于厌氧阶段的化学计量系数来说，认为厌氧／缺氧（A₂）系统中聚磷菌的所有内部代谢过程是与厌氧／好氧（A／O）系统是一致的。对于厌氧阶段的动力学常数来说，Kuba^[7]和Smolder^[8]都采用同一公式，但Kuba等人发现在A₂ 系统中聚磷菌的最大比吸收醋酸速率q_max为0.2 mmol／（mmol.h），低于A／O系统中的0.4 mmol（mmol·h）。在该模型中，采用平均值（0.3mmol／（mmol·h））来描述这个系统。
1.3.2 好氧／缺氧阶段
　　描述好氧／缺氧聚磷菌的代谢路径共用了6个代谢过程，其中4个过程（聚磷化合物的形成，增殖，糖原的形成和PHB的降解）与A／O，A₂／O系统中的过程是一致的，原因是在这些过程中不存在电子受体。然而，另2个过程（ATP形成和磷酸盐吸收）则取决于电子受体的类型：①氧作为电子受体时，每克 NADH₂可产生 ATP为 δ₀ = 1.8，氧化每克 NADH₂ 可吸收磷酸盐的数量ε₀= 7；②NO₃ ^-作为电子受体时， δ₀ = 0.9，ε₀= 3.5[7]。这意味着与好氧条件相比，聚磷菌在缺氧条件下可利用的能量要少，聚磷菌吸磷量要少。此外，ε值取决于δ值，两者关系式为ε＝3.88。
2 对3个模型的评述
　　本文旨在选择出合适的模型作为下一步研究工作的基础，进而应用到脱氮除磷的活性污泥系统中。本文最重要的一点是包括了由聚磷菌引起的缺氧吸磷和反硝化作用，这需要解决两个问题：①DPB所占比例的确定；②由DPB吸磷作用所引起磷的减少量。
2.1 ASM2d模型
　　该模型在处理上述第一个问题时，是在好氧聚磷菌的生长速率的基础上乘以缺氧条件下的折减系数刀η_{NO3，G，PAO}，即得DPB生长速率。其中，折减系数η可认为与系统中DPB所占比例相等。从概念上来说，这种方法与 ASM1 模型和 UCT模型中包括反硝化异养菌的方法一样，但这种方法的一个难题是要测定特定系统中DPB所占比例。ASM2 中并没有涉及到对于异养菌或聚磷菌采取不同的好氧产率系数和缺氧产率系数。
　　ASM2d并没有区别好氧聚磷菌和反硝化聚磷菌的代谢机理。因而，当发生缺氧条件下大量吸磷情况时难以准确地预测由DPB吸磷作用所引起的磷的减少量。实际上，如果磷的吸收不是一个限速步骤，则该模型中所有η_NO3可允许在缺氧条件下优先进行吸磷，但吸磷速率降低了。
2.2 Barker＆Dold模型
　　该模型在处理上述第一个问题时与ASM2d-样，都是乘以一个折减系数η_p。由于采用的方法与ASM2d一致，因而面临的问题也一样。此模型不包括降低了的DPB增殖产率，但包括降低了的异养菌增殖产率。
　　关于第二个问题，在该模型中将好氧聚磷菌和DPB的代谢机理加以区别，同时磷酸盐的吸收和聚磷化合物的形成是通过化学计量系数f_p,UPT。（吸磷量／利用 PHB量，g［P］／g［PHB－COD」）与聚磷菌的生长和PHB的利用联系在一起，此系数从好氧条件下的0.95减少至缺氧条件下的0.55。
　　 在应用该模型时，许多工艺过程要求进行详细的研究，特别是好氧和缺氧反应器中所涉及到的下列4个过程：①慢速可生物降解COD水解为易生物降解COD；②COD的去除机理；③DPB所占比例；④缺氧条件下聚磷菌和异养菌的产率。目前人们对这些过程还不是十分清楚，它是今后研究方向的重点。
2.3 Delft模型
　　在该模型中，通过以下两个数值来认识降低了的缺氧吸磷速率：即在好氧条件下 ATP／NADH₂ 比值为δ_好氧=l.8mol／mol，而缺氧条件下为δ_缺氧=0.9 mol／mol。δ是区别好氧吸磷和缺氧吸磷的唯一参数，此值进而影响到DPB的产率比好氧聚磷菌的产率要低。
　　该模型能较好地模拟好氧吸磷和缺氧吸磷。然而，在应用该模型时应注意下列3个问题：①所有的系统都是序批式反应系统；②系统进水中含有醋酸盐；③磷是系统的限制因子。当将该模型应用于多个反应器、连续流、混合培养基和碳是限制因素的系统时，这3个都能影响生物强化除磷的作用。
　　当将该模型应用于处理实际污水的混合培养基系统时，应将该模型和ASM2中COD，N转化方程结合起来，形成一个联合代谢模型。但是，这种联合代谢模型只有在一些生产性规模污水处理厂应用中是正确的。因此，这个模型还需要进一步深人研究，将它真正地完全应用于污水处理厂还需要做很多的研究工作。尽管如此，Delft模型包含了与聚磷菌缺氧生长（缺氧吸磷和反硝化作用）相关的非常有价值的信息。
　　通过以上比较和讨论，可以看出 Barker＆Dold模型和 Delft模型在建立由DPB引起的缺氧吸磷和反硝化作用过程中，都考虑到了上述两个主要问题。因而，这两个模型可作为下一步模型发展的基础。
3 结语
　　本文旨在评价了生物脱氮除磷的活性污泥系统的模型，并选择出最合适的模型作为下一步研究工作的起点。从本文可以看出 Barker＆Dold模型和Delft模型是比较权威性的。在这些模型中包括了聚磷菌的缺氧习性，即聚磷菌在缺氧条件下的生长繁殖、吸磷和反硝化作用。如果涉及到聚磷菌的这些习性就必须认识到在缺氧条件下，聚磷菌的吸磷速率和聚磷化合物的形成速率会减慢，聚磷菌的产率会降低，目前有大量关于这方面的信息。另外，需要考虑的是厌氧条件下慢速可生物降解有机物的水解作用和COD的去除，这两个过程对生物过量除磷的性能将产生重要的影响。
参考文献：
　　[1] Kuba T，Smolders GJF，van Loosdrecht MCM，et al.Biological　phosphorus removal from wastewater by anaerobic－anoxic sequencing batch reactor［J］.Water Sci Technol，1993，27（5/6）：241-252
　　[2] 郝晓地，汪慧贞，Van Loosdrecht.可持续除磷脱氮BCFS工艺[J].给水排水，2002，28（9）：7－10.
　　[3] Barker PS，Dold PL.General model for biological nutrient　removal activated sludge systems：model presentation［J］.Water EnvironRes，1997，69（5）：969-984.
　　[4] Murnleitner E，Kuba T，Van Loosdrecht MCM，et al. An inte　grated metabolic model for the aerobic and denitnfying biological phosphorus removal process［J］.Biotech Bioeng，1997，54（5）：434—450.
　　[5]Wentzel MC, Ekama GA,Loewenthal RE, et al.Enhanced　polyphosphate organism cultures In activated sludge systems Part　Ⅱ：experimental behavior[J].Water SA，1989，15（2）：71－88.
　　[6] Wentzel MC，Dold PL，Ekama GA，et al.Enhyanced Polyphos－phate organism cultures in activated sludge systems Part Ⅲ：ki－netic model[J] . Water SA，1989，15（2）：89－102.
　　[7] Kuba T，Murnleitner E，van Loosdrecht MCM，et al.A metabolic　mdel for the biological phosphorus removal by denitrifying organisms[J].Biotech Bioeng，1996，（52）：685－695.
　　[8]Smolders GJF，van der Meij J，van Loosdrecht MCM，et al. A　structured metabolic model for the anaerobic and aerobic stoichiometry and kinetics of the biological phosphorus removal process[J].Biotech Bioeng，1995，（47）：277－287.

---

作者简介：徐伟锋（1978 －），男，浙江天台人，同济大学博士研究生，电话（021）65985914，sieve78107＠sina.com