鄧超1關(guān)江2

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　　摘要：本文簡(jiǎn)述了國(guó)際水協(xié)推出的ASM系列模型，討論了活性污泥法動(dòng)力學(xué)模型研究存在的幾個(gè)重要問(wèn)題;對(duì)活性污泥數(shù)學(xué)模型的研究進(jìn)行展望，包括廢水組分的進(jìn)一步細(xì)化、污水處理廠運(yùn)行快速自動(dòng)模擬預(yù)測(cè)及控制系統(tǒng)和污水處理廠設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵字：活性污泥數(shù)學(xué)模型研究進(jìn)展存在問(wèn)題研究展望

　　1、前言

　　活性污泥法作為廢水生物處理的重要方法，已在城市污水和工業(yè)廢水處理中得到大量應(yīng)用。而數(shù)學(xué)模型是工藝選擇、設(shè)計(jì)、運(yùn)行的決策支持方式及強(qiáng)有力的優(yōu)化工具。但是活性污泥系統(tǒng)是一個(gè)多因素、多變量相互作用、多種反應(yīng)過(guò)程相互耦合的系統(tǒng)，因此其建立模型較復(fù)雜�？焖侔l(fā)展的計(jì)算機(jī)技術(shù)使數(shù)學(xué)模型的建立成為可能，使數(shù)學(xué)模型在工程應(yīng)用與試驗(yàn)研究中的作用日益凸顯。近年來(lái)，活性污泥數(shù)學(xué)模型的研究一直是國(guó)際上污水處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一。在眾多的數(shù)學(xué)模型中，由國(guó)際水質(zhì)協(xié)會(huì)IWA先后推出的ASM1、ASM2、ASM2D及ASM3一系列模型發(fā)展最為成熟，受到環(huán)境工程界的廣泛關(guān)注【1】。

　　2、ASM模型的研究與應(yīng)用進(jìn)展

　　活性污泥1、2、3號(hào)模型將污水中的組分分為可溶性組分和顆粒性組分，可溶性組分包括溶解氧、堿度及大部分污染物，顆粒性組分包括微生物及部分污染物，應(yīng)用理論建立生物或化學(xué)反應(yīng)過(guò)程，均以Monod方程為基礎(chǔ)，都是多維的并包含大量的動(dòng)力學(xué)參數(shù)和化學(xué)計(jì)量系數(shù)，均以矩陣的形式描述生物反應(yīng)過(guò)程，從而簡(jiǎn)化了反應(yīng)速率方程式的表達(dá)。ASM矩陣反應(yīng)速率中采用了“開(kāi)關(guān)函數(shù)”的概念，來(lái)反映環(huán)境因素改變而產(chǎn)生的抑制作用，從而避免那些因?yàn)榫哂胁贿B續(xù)特性的反應(yīng)過(guò)程在模擬過(guò)程中出現(xiàn)的數(shù)值不穩(wěn)定的現(xiàn)象;此外，研究者還可根據(jù)理論發(fā)展及實(shí)際情況需要對(duì)現(xiàn)有ASM進(jìn)行反應(yīng)過(guò)程的增加或簡(jiǎn)化，擴(kuò)大了ASM應(yīng)用的靈活性。其中ASM1與ASM2主要基于微生物的死亡—再生及維持理論，而ASM3主要基于微生物的內(nèi)源呼吸理論。

　　大量資料已對(duì)ASM系列模型的特點(diǎn)及限制因素做了闡述，ASM1模型不僅包含了含碳有機(jī)物去除過(guò)程，還描述了硝化和反硝化作用對(duì)含氮物質(zhì)的去除，ASM2是ASM1的發(fā)展，不僅包含污水中含碳有機(jī)物和氮的去除過(guò)程，還包含生物除磷過(guò)程，增加了厭氧水解、發(fā)酵及生物除磷、化學(xué)除磷等8個(gè)反應(yīng)過(guò)程。ASM2d是對(duì)ASM2的發(fā)展，在模擬硝酸鹽和磷酸鹽動(dòng)力學(xué)方面更加準(zhǔn)確，是進(jìn)一步研究和發(fā)展活性污泥系統(tǒng)脫氮除磷【2】動(dòng)力學(xué)模型的平臺(tái)和基礎(chǔ)，但并非是描述生物除磷過(guò)程的最終模型形式。ASM3經(jīng)過(guò)對(duì)ASM1應(yīng)用中問(wèn)題的修正引入有機(jī)物在微生物體內(nèi)的貯藏及內(nèi)源呼吸，以強(qiáng)調(diào)細(xì)胞內(nèi)部的活動(dòng)過(guò)程。

　　3、ASM系列模型中存在的問(wèn)題

　　3.1水質(zhì)分析及測(cè)定

　　由于ASM系列模型中涉及的組分和參數(shù)較多，并且參數(shù)的取值范圍較大，辨識(shí)困難。不能由常規(guī)水質(zhì)分析指標(biāo)直觀表述，需要設(shè)定常規(guī)檢測(cè)數(shù)據(jù)與模型參數(shù)的轉(zhuǎn)換方案。具體的測(cè)定方法還未規(guī)范化，有些還有待于進(jìn)一步研究解決。

　　3.2模型的簡(jiǎn)化

　　ASM系列模型的復(fù)雜性使得無(wú)法將完整的模型直接應(yīng)用于污水廠的設(shè)計(jì)、模擬和運(yùn)行控制，故需要根據(jù)具體條件將模型適當(dāng)簡(jiǎn)化。模型的簡(jiǎn)化是必要也是危險(xiǎn)的，因?yàn)樗�都是基于一系列合理化假設(shè)進(jìn)行的，一旦假設(shè)條件不滿足，模型的應(yīng)用效果會(huì)受到極大的影響，甚至導(dǎo)致應(yīng)用的徹底失敗。

　　3.3參數(shù)的估計(jì)及校正

　　目前還沒(méi)有一個(gè)統(tǒng)一的方法用于過(guò)程的參數(shù)估計(jì)，從工程角度講標(biāo)準(zhǔn)模型及其參數(shù)估計(jì)過(guò)程變得越來(lái)越重要。簡(jiǎn)化后的模型必須經(jīng)過(guò)校正方可使用，因參數(shù)中除了產(chǎn)率系數(shù)等幾個(gè)是恒定的，其他都會(huì)隨環(huán)境條件的變化而變化。校正過(guò)程的難點(diǎn)便集中于參數(shù)的調(diào)整【3】。

　　3.4分析各參數(shù)對(duì)過(guò)程的影響程度

　　在進(jìn)行活性污泥過(guò)程模型研究時(shí)，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況分析各參數(shù)對(duì)過(guò)程的影響程度。對(duì)于影響大的參數(shù)須獲取應(yīng)用條件下的模型參數(shù)的數(shù)值，對(duì)影響小的參數(shù)，在模型中可視為常量，從而去除對(duì)過(guò)程無(wú)顯著影響的參數(shù)，使模型簡(jiǎn)化，以便用于過(guò)程控制和運(yùn)行管理。為更深入地了解活性污泥過(guò)程，今后的模型研究還需考慮幾個(gè)參數(shù)同時(shí)作用的可能，

　　3.5機(jī)理的進(jìn)一步探討

　　活性污泥系統(tǒng)機(jī)理有待進(jìn)一步探討，如有機(jī)碳氧化、生物硝化/反硝化過(guò)程之間的相互作用關(guān)系尚不明確，對(duì)生物除磷機(jī)理還未完全明了，尤其是發(fā)酵和厭氧水解過(guò)程對(duì)PAO超量攝磷的影響還需作進(jìn)一步研究。對(duì)于模型中起作用的異養(yǎng)菌，至今仍不清楚是只有部分異養(yǎng)菌有反硝化能力，還是全部異養(yǎng)菌都有反硝化能力。衰減過(guò)程應(yīng)能充分描述生物量的損失，一步硝化模擬應(yīng)向兩部硝化轉(zhuǎn)變等。

　　3.6具有代謝活性的微生物量的準(zhǔn)確度量

　　該度量值對(duì)模型預(yù)測(cè)結(jié)果的精確性起到至關(guān)重要的作用。長(zhǎng)期以來(lái)，在活性污泥系統(tǒng)中，微生物的量均以MLSS或MLVSS來(lái)計(jì)量，事實(shí)上，早在20世紀(jì)60年代，McKinney就曾指出，對(duì)處理生活污水的活性污泥，MLSS只含有30%～50%活的微生物體，Weddle和Jenkins的研究也表明異養(yǎng)微生物只占MLVSS的10%～20%。Jones等人提出的非存活細(xì)胞代謝活性的學(xué)說(shuō)認(rèn)為，細(xì)胞破裂溢出的酶也可以降解有機(jī)物，使具有代謝作用的物質(zhì)的計(jì)量就不僅僅是活的微生物的計(jì)量問(wèn)題，還牽涉到具有代謝作用的非存活細(xì)胞的計(jì)量。

　　4、ASM系列模型的研究展望

　　4.1廢水組分的進(jìn)一步細(xì)化

　　活性污泥法的主要處理對(duì)象城市污水，其成分遠(yuǎn)比一般工業(yè)廢水復(fù)雜。在條件允許的情況下，對(duì)污染物質(zhì)盡可能的細(xì)分，并針對(duì)不同物質(zhì)給出各自的微生物利用速率，必將對(duì)模擬預(yù)測(cè)結(jié)果的精確性帶來(lái)質(zhì)的提高。

　　4.2污水處理廠運(yùn)行快速自動(dòng)模擬預(yù)測(cè)及控制系統(tǒng)

　　計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用使模型復(fù)雜的運(yùn)算過(guò)程變得簡(jiǎn)單，國(guó)外已開(kāi)發(fā)出幾套商業(yè)化的模擬軟件。今后的發(fā)展方向是高度自動(dòng)化的監(jiān)測(cè)—分析—模擬、預(yù)測(cè)—調(diào)節(jié)這樣一套系統(tǒng)的建立，這將對(duì)污水處理廠的工作效率、管理水平的提高以及處理設(shè)施的穩(wěn)定、高效運(yùn)行等具有空前的意義。

　　4.3污水處理廠設(shè)計(jì)自動(dòng)化系統(tǒng)

　　活性污泥模型是目前污水處理廠設(shè)計(jì)的主要方法，基于各類(lèi)模型而開(kāi)發(fā)出的各種設(shè)計(jì)軟件使設(shè)計(jì)工作的自動(dòng)化程度有所提高，但這些軟件主要針對(duì)于單體構(gòu)筑物或少數(shù)幾個(gè)處理單元，智能化、系統(tǒng)化程度不高。未來(lái)的設(shè)計(jì)軟件可能只要少數(shù)幾個(gè)基礎(chǔ)資料的輸入，就會(huì)自動(dòng)完成整個(gè)污水處理廠的全部設(shè)計(jì)工作。

　　5、結(jié)論

　　活性污泥數(shù)學(xué)模型整合了當(dāng)今有關(guān)活性污泥法污水處理技術(shù)的大部分研究成果。解決模型中存在的問(wèn)題，關(guān)系到模型的實(shí)用性。當(dāng)今已有對(duì)ASM系列模型的延伸版本，如將其中的一步硝化模擬為兩步硝化，對(duì)衰減過(guò)程的進(jìn)一步描述等。數(shù)學(xué)模型的應(yīng)用需要較高的硬件水平，國(guó)外污水處理廠大都采用在線監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)控制。我國(guó)對(duì)活性污泥模型的研究起步較晚，實(shí)際應(yīng)用還相當(dāng)滯后，應(yīng)用模型也存在著一定的困難與挑戰(zhàn)，隨著我國(guó)水處理技術(shù)不斷提高、硬件水平不斷改善，活性污泥模型在我國(guó)污水處理中也將得到廣泛的應(yīng)用。

　　參考文獻(xiàn)：

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