11-0158-110414- 活性污泥数学模型的研究进展.doc

活性污泥数学模型的研究进展李远光 蒋建军（上海石油化工股份有限公司腈纶事业部 上海 200540）摘要：综述了国际水协会（IWA）推出的活性污泥法数学模型（ASM系列）的的组分、特点、使用限制、相互之间的关系和基于ASM系列而开发的程序和软件，以及国内在活性污泥数学模型研究中的成果，提出其研究方向及发展趋势。关键词：活性污泥法 数学模型 工艺软件 发展及应用活性污泥模型是利用数学模型来表述废水中各种污染物质与废水处理系统中微生物之间的复杂生物化学反应过程。它不仅有助于新建废水处理系统的设计和优化运行管理，而且对现有废水处理系统的处理能力或功能扩增起重要作用。一、活性污泥数学模型的发展11983年原国际水污染研究与控制协会IAWPRC（现更名为国际水协会，IWA）成立了活性污泥通用模型国际研究小组，在已有的各种活性污泥数学模型发展的基础上，于1987、1995、1999年推出了活性污泥1号（ASM1）、2号（ASM2）、3号（ASM3）模型。IWA的活性污泥模型在表述方面的最主要特征是采用矩阵的形式来描述活性污泥系统中各组分的变化规律和相互关系，并在矩阵反应速率中使用了“开关函数”的概念，以反映环境因素改变而产生的抑制作用，避免那些具有开关型不连续特性的反应过程表达式在模拟过程中出现数值不稳定现象。1、活性污泥号模型（ASM1）在南非的Marais和Dold等人研究的基础上，IWA于1987年推出的活性污泥1号模型（ASM1），是活性污泥模型发展的里程碑，它包括了碳化、硝化、反硝化过程及其他内容：（1）13种组分易降解有机碳Ss、缓慢降解有机碳Xs、可溶性可降解有机氮Snd、颗粒性可降解有机氮Xnd、溶解氧So、氨态氮Snh、硝态氮Sno、碱度Salk、异养菌Xbh、自养菌Xba、可溶惰性有机碳Si、颗粒惰性有机碳Xi、微生物衰减产物Xp。（2）8个反应过程异养菌的好氧、缺氧生长及衰减过程；好氧菌的好氧生长及衰减过程；溶解性有机氮氨化；絮集有机物和有机氮的水解过程。（3）19个参数异养菌、自养菌生长和衰减过程及污泥所絮集的颗粒性COD水解过程的14个动力学参数和5个化学计量参数。ASM1推出后，在欧美得到了广泛的使用，成为模拟活性污泥系统的强有力的工具。ASM1主要缺陷是未包含污水中磷的去除。ASM1的不足是它不包括氮和碱度限制异养生物的动力学表述，导致某些情况下计算物质的浓度会出现负值；氨化动力学无法真正量化，通常假设所有有机物组分组成恒定（恒定的N：COD）；异养生物的水解过程对预测氧的消耗和反硝化起主要影响作用，但这个过程的动力学参数量化是非常困难的；仅用伴有水解的衰减和生长来描述影响内源呼吸的总体因素，如：生物体的化合物贮藏、死亡、捕食、溶菌作用等，造成动力学参数评价上的困难；没有区分硝化菌在好氧和缺氧条件下的衰减速率等。2、活性污泥2号模型（ASM2）IWA于1995年推出了活性污泥2号模型（ASM2），它在ASM1的基础上引人了生物除磷的过程，首次将含碳有机物、含氮有机物的去除与生物除磷反应包含在一个整体模型中。生物除磷是一个非常复杂的过程，因此更加庞大复杂。ASM2的建立原理与ASM1基本相同，不同之处为：引入了聚磷菌（XPAO）作为新的微生物组分；引入聚羟基脂肪酸脂（XPHA）及聚磷酸盐（Xpp）为胞内聚合物参与聚磷菌的代谢；引入总悬浮固体（XTSS）作为变量；水解过程分成好氧、缺氧、厌氧三种类型。这样ASM2包含17个组分及17个子过程（可选组分及过程除外），ASM2可模拟活性污泥过程除碳、脱氮、除磷的动态过程。ASM2简化了ASM1中的一些过程，如去掉了溶解性有机氮的氨化和颗粒性有机氮的水解过程。将这些过程隐含于化学计量系数中。从有机磷到可溶性磷的转化也是依据此思路。ASM2对厌氧过程的描述与ASM1有很大的不同。尽管仍在微生物的死亡和溶胞作用进行，ASM1中假设其在厌氧条件下的生长和水解过程均停止，这符合ASM1过程的描述。ASM2中包括发酵过程，厌氧条件下易发酵基质产生醋酸盐，并被聚磷菌贮藏形成PHB。在缺氧条件下，当硝酸盐作为电子受体时，发酵速率下降，普通的异养生物与聚磷菌竟争醋酸盐。ASM2中普通异养菌的活性范围扩大了。由于假设异养生物不能在厌氧条件下生长，因此ASM2不能模拟一个完整的厌氧系统，仅能模拟作为好氧和缺氧系统中一部分的厌氧区。ASM2中假设聚磷菌只能在好氧条件下生长，只能利用贮藏的PHB作为生长基质，不能利用硝态氮作为电子受体，也不能利用贮藏在细胞中的或介质中的其它电子供体。研究发现它们聚磷菌中的一部分可以进行反硝化，但在硝态氮存在的情况下磷的释放速率会下降。IWA在1999年提出了ASM2d模型，假设聚磷菌既可在好氧（SO0）条件下生长，又可在缺氧条件（SO0，SNO0）下生长。在缺氧条件下聚磷酸盐的最大贮藏速率与好氧条件下NO相关，说明并不是所有的聚磷菌都能进行反硝化，反硝化作用是以下降的速率进行的。在ASM2中未考虑K+和Mg2+，而聚磷酸盐必须包含这些正离子。3、活性污泥3号模型（ASM2）ASM3与ASM1、ASM2的一个重要不同是，可溶性和颗粒性组分可通过0.45m的膜过滤器进行很好地区分。ASM3中定义了13种组分，剔除了溶解性和颗粒性可生物降解有机氮SND和XND，增加了氮气SN、异养生物的细胞内贮藏产物XSTO、总悬浮物XTSS。ASM3仅包括微生物的转变过程而不包括化学沉淀过程，定义了9个过程：水解过程（不同于ASM1中的水解过程，不在氧消耗和反硝化中占主宰地位）；易生物降解基质的好氧、缺氧贮藏过程降低缺氧异养贮藏速率（相对有氧呼吸而言），但并没有区分这2种异养生物；异养生物的好氧、缺氧生长；好氧、缺氧内源呼吸，前者包括衰减、内源呼吸、溶胞作用、捕食、死亡等；贮藏产物的有氧、缺氧呼吸。ASM3介绍了一个更符合实际的衰减过程即内源呼吸，相关速率常数可直接获得而与化学计量学参数无关。ASM3还没有被大量的实验数据所证实，模型结构尚需进一步改进，尤其是对贮藏现象的描述。二、ASM系列的使用限制ASM系列的建立是模拟活性污泥系统对城市污水的处理，而不适用于以工业废水为主的废水处理。ASM系列模型都是在一系列假设条件下，对污水处理过程相对准确的描述，每个模型都有一定的使用限制条件2。1、ASM1的使用限制温度应在823之间；pH值应在6.57.5的范围内；曝气器中的混合强度不能超过240Ps；反应器的曝气死区所占比例50%，否则污泥沉降性能将会恶化；不适用于超高负荷或泥龄（SRT）小的活性污泥系统，SRT应为330d；污泥浓度（以COD计）一般应在7507500mgPL之间。2、ASM2的使用限制温度应在1025之间，因为聚磷菌在高温及低温条件下的性能变异至今尚未弄清；pH值应在6.37.8范围内，因为模型的碱度平衡计算基于pH=6.9的条件；污水中必须有足够的Mg2+和K+以保证生物除磷的正常进行；未考虑亚硝酸盐（）和一氧化氮（NO）对生物除磷过程有抑制作用。3、ASM2d的使用限制温度应在1025之间；pH值应接近于中性；污水中必须有足够的Mg2+和K+；不能模拟有发酵产物溢流至曝气池的过程。4、ASM3的使用限制温度应在823之间；pH值应在6.57.5的范围内；不能模拟厌氧区占很大部分（50%）的反应器；不能处理亚硝酸盐浓度升高的情况；不适用于超高负荷或泥龄（SRT）1d的活性污泥系统。5、ASM系列的使用难题计算机软件的开发使用简化了活性污泥模型的计算过程，使模型变得更易用，但ASM系列的使用难题依然存在3，主要表现在两个方面：一是进水水质的分析和测定，二是模型参数的实际校正。目前，进水中的COD、氮、磷等水质指标的测定方法还未全部规范化（有些不能直接测定），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。另外，ASM系列中均有几十个动力学参数，其中除了产率系数等几个被认为是恒定的，其他的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。校正时要依顺序进行（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，进水水质的测定和模型参数的校正至少需要l2个月的时间。三、ASM系列的软件开发1、国外ASM系列软件及其在国内的应用目前，国外基于ASM系列活性污泥法数学模型所开发的程序和软件很多，其中应用比较广泛的是ASIM、SSSP、EFOR、GPS-X、WEST、BioWin等。这些程序和软件可十分方便地用于污水厂的设计，也可用于已有污水厂的稳态、动态模拟以寻求最佳运行状态。ASIMASIM是EAWAG（Swiss Federal Institute for Environment Science and Technology）基于ASM1编制而成的4，其最初主要用于教学、科研和咨询。目前的版本是在1994年8月推出的ASIM3.0（能对活性污泥系统进行仿真），它可以应用于目前存在的大多数生化动力学模型，也可对目前存在的大多数具有脱氮功能的活性污泥工艺进行模拟。SSSPSSSP程序由美国Clemson大学根据ASM1编制，可对污水处理进行稳态模拟和动态模拟。SSSP软件可对污水处理厂进行稳态和动态模拟，显示氨氮去除率、泥龄、水力停留时间、回流比、溶解氧、耗氧速率、混合液悬浮固体浓度等45个变量之间的关系曲线。对于计算机不很熟悉的人也能方便地使用SSSP软件，因此ASM1模型的使用价值大为提高。汪慧贞5等人利用SSSP程序对北京市高碑店污水厂、北小河污水厂（均采用传统活性污泥法）及上海市曲阳污水厂（生物吸附法）进行了稳态模拟，其结果与实际运行结果吻合。ASM1及SSSP程序对中国的污水处理厂基本适用。EFOREFOR是由DHI Water Environment开发的基于整个ASM系列的模拟仿真软件。EFOR软件是由丹麦DHI水动力研究所于1998年发布的。该软件基于ASM1和ASM2模型，能够模拟活性污泥法中的碳氧化、硝化与反硝化和生物除磷过程，包括传统活性污泥工艺、分段进水、交替硝化反硝化、氧化沟工艺、AB法及生物化学同时除磷工艺等，获得稳态与动态的出水效果。陈立6在利用EFOR程序对某城市污水处理厂的奥贝尔氧化沟工艺设计进行负荷波动的动态模拟时发现，在复杂的环境条件下模型本身能够综合考虑各种复杂因素的影响，并给出最终的综合影响效果，弥补了个人思维的不周之处。该模型作为开展污水处理新技术开发、工艺设计计算方法研究和计算机模拟软件开发的通用平台，适合我国国情且具有实用价值，值得推广。GPS-XGPS-X软件是由加拿大Hydromanics公司开发的面向对象、模型独立的交互式商业化软件，它为用户提供了通过菜单和图形驱动开发污水处理厂模型的界面7。该软件于1991年第一次发布，可以在个人电脑Windows环境下运行，目前在世界范围内广泛使用。GPS-X软件集成了超过500个各类模型，其中包括4个ASM系列模型。该软件所能描述和模拟的污水处理工艺过程非常全面，包括活性污泥法及其各种变形工艺（如CSTR、推流式、多点进水等）、SBR、初沉池、二沉池、生物滤池、膜过滤、厌/好氧消化池、生物转盘以及用户自定义流程。经过多年不断的修正和扩充，GPS-X软件在保持自己特点的同时几乎包含了其它同类软件的大部分功能。WESTWEST是由MostforWater公司开发，结合当今最新科技、用于模拟污水处理厂工艺的高级软件8。MostforWater公司的前身是HEMMIS公司，组建于1990年，位于比利时的Kortrijk。2005年HEMMIS公司与DHI合作开发及销售WEST软件。DHI中国是WEST软件在中国的直销商和技术支持者。WEST的活性污泥模型库中包含ASM1、ASM2、ASM2D、ASM3、ASM3Bio-P以及ASM系列的温度校正模型以及沉淀池模型等，加上各种单元模块可以模拟A/O、A2/O、延时曝气（各种氧化沟工艺）等各种变形工艺。WEST仍在扩充其模型库，现已能描述的其他工艺有：UASB、IDEA和BAF，以及污泥浓缩、脱水及焚烧等处理单元。BioWinBioWin由加拿大Environsim环境咨询公司开发。该软件整合了IWA三套活性污泥数学模型（ASM1-3），并集成了厌氧消化模型（ADM）、pH平衡、气体转移和化学沉淀等模型。最新的BioWin版本可模拟各种BNR工艺和厌氧消化系统，以及固定膜生物反应器和生物移动床反应器。2、国内研究进展污水处理工艺计算机辅助设计方面主要研究成果9有同济大学承担国家“七五”科技攻关项目开发的“水处理工程计算机辅助设计”软件包（基于传统的活性污泥模型，注重整个污水处理厂的设计及各个组成部分之间的协调）、北京建筑工程学院承担国家“八五”科技攻关项目开发的“稳定塘智能化CAD系统”（包括稳定塘设计系统、稳定塘流程优化系统、稳定塘专家系统和稳定塘工程图形系统）等。国家“九五”科技攻关项目“城市污水处理技术集成与决策支持系统建设”，则致力于活性污泥数学模型理论及计算机模拟技术在国内的普及、应用和发展。活性污泥工艺动态模拟方面季民10在IWA模型基础上建立了适合于普通推流式活性污泥法的碳氧化数学模型，应用MATLAB软件开发出了相应模拟系统ASPS-CO。杨青11,12利用ASM1和ASM3分别对采用A/O工艺的上海某城市污水处理厂碳化、硝化和反硝化过程进行了计算机动态模拟，结果表明出水TCOD和TN模拟值与污水处理厂的实测值基本吻合，说明利用ASM1和ASM3对城市污水处理厂进行模拟是可行的。张代钧13,14以ASM1和ASM2为基础，以MATLAB为工具开发了活性污泥工艺动态模拟软件，并用该软件对重庆某污水处理厂A/O工艺的脱氮除磷改造方案进行了优化。此外，施汉昌15在IWA模型基础上开发出城市污水处理厂活性污泥工艺运行模拟及预测专家系统。张文艺16通过引入人工神经元网络理论建立了基于BP人工神经元网络的活性污泥法系统模型，并对具体污水厂的运行状况进行了模拟。四、结束语（1）活性污泥模型及其工艺软件的开发研究，是近年来水污染控制领域的活跃分支。虽然活性污泥模型的发展已极大地促进了活性污泥工艺软件的开发和应用，但过程机理的准确描述还差甚远。进一步开展活性污泥的过程机理研究，开发和完善曝气池和二沉池的动态数学模型，提高模型的计算精度和适用范围，仍是今后的主要研究方向。（2）GPS-X软件的开发思路，体现了活性污泥工艺软件的发展方向。因此亟待解决的一个重要问题是建立与各活性污泥模型配套使用的，包括进水水质、污泥组分、各类基质和工业污染物的基础数据库，可更便捷、更可靠地发挥工艺软件的作用。（3）活性污泥工艺软件的开发，应着力提高其科研功能，尤其在非线性系统理论和模型辨识技术应用方面，使用户能够针对特定的工艺过程，独立进行过程分析和参数确定，完成软件的二次开发。（4）活性污泥工艺软件的开发还应考虑与其他专业软件的集成。例如，现有的活性污泥工艺软件大多把曝气池、二沉池视作一维系统，若拓展为多维，就必须与计算流体动力学（CFD）软件相结合。针对市政污水处理厂开发的活性污泥工艺软件，可以考虑与水质模型或环境模型整合，以综合评价整个城市的下水道系统和市政污水厂的设计运行对城市及周边环境的影响。而面向石油、化学工业废水处理的活性污泥软件，则应与该已有的专业设计包（如ASPEN）集成，以在整个工厂的设计、改造中更好地体现“绿色化学”的思想。参考文献1、国际水协废水生物处理设计与运行数学模型课题组.活性污泥数学模型M.上海：同济大学出版社，2002.2、孙德荣，吴星五.活性污泥法数学模型的发展及应用J.中国给水排水，2003，19（1）：4042.3、汪慧贞，吴俊奇.活性污泥数学模型的发展和使用J.中国给水排水，1999，15（5）：2021.4、Willi Gujer，Tove A Larsen. The implementation of biokinetics and conservation principles in ASIM J.Wat Sci Tech，1995，31（2）：257266.5、汪慧贞，曹秀芹.活性污泥模型NO.1及“SSSP程序”在中国污水厂适用性的初步探讨J.北京建筑工程学院学报，1996，12（3）：6674.6、陈立.EFOR程序的仿真模拟功能的研究运用J.中国给水排水，1998，14（5）：1518.7、Party G G， Ta