近年來(lái)，國外有很多關(guān)于數學(xué)模型在飲用水處理、污泥處置、各種污水處理等工藝中的應用報道。在活性污泥工藝眾多的數學(xué)模型中，由原國際水質(zhì)協(xié)會(huì )（IAWQ）（現已改稱(chēng)為國際水協(xié)會(huì )IWA）推出的活性污泥數學(xué)模型（ASM）發(fā)展最為成熟，應用最為廣泛。但我國在該領(lǐng)域的研究起步較晚，在實(shí)際應用方面還相當滯后。目前國內僅有相當有限的關(guān)于模型應用的報道。本文重點(diǎn)討論IAWQ活性污泥數學(xué)模型的特點(diǎn)及目前存在的問(wèn)題，并結合筆者在研究中的體會(huì )，分析其在應用中的關(guān)鍵問(wèn)題及其發(fā)展應用前景。

　　1IAWQ活性污泥數學(xué)模型

　　1.1IAWQ活性污泥數學(xué)模型簡(jiǎn)介

　　為了鼓勵環(huán)境科學(xué)家和工程師更廣泛地把數學(xué)模型應用到廢水生物處理系統的分析設計和運行管理中去，1983年，原國際水污染控制協(xié)會(huì )（IAWPRC）（國際水質(zhì)協(xié)會(huì )IAWQ的前身）組織了南非、丹麥、美國等五國專(zhuān)家組成活性污泥工藝模型課題組來(lái)完成活性污泥處理系統數學(xué)模型的研究。ASM課題組于1987年正式發(fā)表了技術(shù)報告，闡明了活性污泥1號模型（ASMNo.1）的主要特性。它以矩陣的形式描述了污水中好氧、缺氧條件下所發(fā)生的水解、有機物降解、微生物生長(cháng)、衰減等8種反應，模型中包含13種組分、5個(gè)化學(xué)計量系數和14個(gè)動(dòng)力學(xué)參數[1].ASMNO.1自推出以來(lái)得到廣泛應用，但它的缺陷是未包含磷的去除。針對此問(wèn)題，IAWQ專(zhuān)家組于1995年又推出活性污泥2號模型（ASMNo.2），它包含了磷的吸收和釋放，增加了厭氧水解、酵解及與聚磷菌有關(guān)的4個(gè)反應過(guò)程。因為生物除磷機理很復雜，所以ASMNo.2非常龐大，它包含19種物質(zhì)、19種反應、22個(gè)化學(xué)計量系數以及42個(gè)動(dòng)力學(xué)參數[2].該模型提出了包含化學(xué)需氧量（COD）、氮和磷去除過(guò)程在內的綜合性生物處理工藝過(guò)程動(dòng)態(tài)模擬理論，它不是生物除磷模型的最終方案，而是一種折中方案。

　　1999年IAWQ專(zhuān)家組經(jīng)過(guò)對1號模型應用中問(wèn)題的修正，推出活性污泥3號模型（ASMNo.3）。ASMNo.3不以水解作用為重點(diǎn)、引入有機物在微生物體內的貯藏及內源呼吸，以強調細胞內部的活動(dòng)過(guò)程。ASMNo.3與ASMNo.1中主要現象是相關(guān)的，如以城市污水為主的活性污泥系統中的氧消耗、污泥產(chǎn)量、硝化和反硝化，但ASMNo.2中的生物除磷在此不予考慮。ASMNo.3包括13個(gè)組分，12個(gè)生化過(guò)程。ASMNo.3僅考慮微生物轉化過(guò)程，不包括化學(xué)沉淀，但基于A(yíng)SMNo.2（包含磷的吸收和釋放過(guò)程）所提供的信息，很容易加入該過(guò)程[3].

　　1.2活性污泥1、2、3號模型（ASMNo.1～3）的比較

　　ASM諸多版本的共同特點(diǎn)是它們均以Monod方程為基礎，都是多維的并包含大量的動(dòng)力學(xué)參數和化學(xué)計量系數，均以矩陣的形式描述生物反應過(guò)程。

　　ASMNo.1和ASMNo.2在應用過(guò)程中都有一些限制，如他們都要求pH值接近中性并保持恒定；ASMNo.1要求系統在恒定溫度下運行，ASMNo.2的實(shí)用溫度要限制在中等范圍，大概為10～25℃，因為高溫和低溫狀態(tài)下聚磷菌PAOS的特性尚不完全清楚，模型不一定能給出合理的預測，尤其是對于磷的去除。從ASMNo.1到ASMNo.2的最突出變化是生物量按反應過(guò)程進(jìn)行了更為詳細的劃分，使其濃度不能簡(jiǎn)單地用分布參數XB，M.描述。除了生物除磷過(guò)程外，ASMNo.2還包含了兩個(gè)“化學(xué)過(guò)程”，可以用于模擬磷的化學(xué)沉淀。

　　ASMNo.3與ASMNo.1大致相同，只是在廢水特征化這一重要方面作了改動(dòng)，將重點(diǎn)從水解過(guò)程轉移到有機物質(zhì)的儲存過(guò)程。在A(yíng)SMNo.1中快速可生物降解基質(zhì)COD必須從呼吸試驗中估算，而對這一試驗的解釋又依賴(lài)于異養菌產(chǎn)率YH的值。在A(yíng)SMNo.3中溶解性COD僅由快速可生物降解基質(zhì)SS和惰性可溶性有機質(zhì)SI組成。從兩個(gè)模型所采用的典型廢水組成可以看出：ASMNo.3中SS占總COD的40％，而不象ASMNo.1中僅為10％。

　　與ASMNo.1和ASMNo.2相比，ASMNo.3的一個(gè)重要區別是，通過(guò)0.45μm濾膜的過(guò)濾作用可以將溶解性成分與顆粒性組分更好地區分，而前者廢水游液中仍然含有相當比例的慢速可生物降解基質(zhì)XS.

　　2IAWQ活性污泥數學(xué)模型目前存在的問(wèn)題

　　綜合國外近年來(lái)對模型的應用研究，已證實(shí)了ASMNo.1對于描述碳氧化、硝化和反硝化過(guò)程具有較強的模擬預測能力。但是經(jīng)過(guò)多年的實(shí)際應用，也發(fā)現ASMNo.1中存在著(zhù)一些明顯缺點(diǎn)[3]：

　�、貯SMNo.1中不包含氮和堿度對異養菌的限制因素，這樣在某些情況下會(huì )出現負濃度（如銨鹽等）。

　�、贏(yíng)SMNo.1中包括了可生物降解的溶解性有機氮（SNS）和顆粒性有機氮（XNS）。在實(shí)踐中，二者都不易測定，應將其從模型中刪除。

　�、跘SMNo.1中氨化反應的動(dòng)力學(xué)難于定量化。在應用ASMNo.1時(shí)，假定所有有機組分均為恒定組成，即恒定的N與COD質(zhì)量比。

　�、蹵SMNo.1對顆粒性惰性有機物質(zhì)按其來(lái)源將其區分為兩類(lèi)，即進(jìn)水所含的XI和生物質(zhì)衰減產(chǎn)生的XD，實(shí)際中，難于如此清晰地區分這兩種組分。因此ASMNo.3中將XD和原ASMNo.1中的XI統一考慮為XI處理。

　�、菰谀Ｐ椭屑毦�的死亡分解與水解和增長(cháng)過(guò)程分為有機物儲存，死亡，捕食和分解等階段，從而使得相應動(dòng)力學(xué)參數的確定變得非常困難。

　�、奕绻�污水處理廠(chǎng)中易降解基質(zhì)濃度較高時(shí)，在好氧和缺氧條件下可以觀(guān)測到聚羥基烷酸PHAS（poly-hydroxy-alkanoates）（有時(shí)為糖原質(zhì)-glyco-gen）的儲存現象，但ASMNo.1中不包括這一過(guò)程。

　�、逜SMNo.1認為好氧與缺氧條件下硝化菌的衰減速率是相同的，當固體停留時(shí)間（SRT）較長(cháng)或缺氧池體積比例較高時(shí)，對最大硝化反應速率的預測就會(huì )出現問(wèn)題。

　　除磷過(guò)程的加入給ASMNo.2模型的使用也帶來(lái)了諸多限制。例如模型沒(méi)有考慮鉀和鎂對生物除磷的限制作用。但是眾所周知，鉀和鎂是PAOS中構成聚磷酸鹽的兩種重要陽(yáng)離子。這些陽(yáng)離子的短缺會(huì )導致污泥中聚磷菌聚積作用的惡化，從而導致磷去除的明顯降低。據報道，亞硝酸鹽和一氧化氮對生物除磷有抑制作用，但在模型中沒(méi)有考慮這種影響。由于A(yíng)SMNo.2的復雜性和除磷機理的不確定性，使得ASMNo.2相較于A(yíng)SMNo.1的應用限制較多，經(jīng)驗也不如ASMNo.1成熟。但它是目前唯一包含磷的去除的較為成功的活性污泥數學(xué)模型。

　　由于A(yíng)SMNo.3提出較晚，目前還沒(méi)有經(jīng)過(guò)大量的運行數據的驗證，所以仍然需要在實(shí)踐中對模型進(jìn)行不斷地修正和改進(jìn)，特別是對儲存現象的描述。

　　3IAWQ活性污泥數學(xué)模型應用過(guò)程中幾個(gè)問(wèn)題的討論

　　活性污泥數學(xué)模型的研究和應用始終是國際上廢水生物處理領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)之一，目前已有許多大型污水處理廠(chǎng)在設計、改建和運行過(guò)程中應用了數學(xué)模型，積累了許多寶貴的經(jīng)驗。從國內外大量的應用實(shí)例中不難看出，IAWQ模型應用中問(wèn)題的焦點(diǎn)在于模型的簡(jiǎn)化、水質(zhì)的分析和測定以及參數的校正。下面筆者結合國內外應用報道及自身研究過(guò)程中的切身體會(huì )對這幾方面問(wèn)題分別進(jìn)行討論。

　　3.1水質(zhì)的分析和測定

　　由于模型中涉及的組分較多，而且不能由常規水質(zhì)分析指標直觀(guān)表述，需要設定常規檢測數據與模型參數的轉換方案。如考慮污水除磷脫氮則要測定進(jìn)水構成中COD．氮、磷的溶解性和非溶解性、惰性和非惰性物質(zhì)各自的含量，測定的內容比目前常規的水質(zhì)化驗多出很多，而且具體的測定方法還未規范化，有些還有待于進(jìn)一步研究解決。IAWQ的專(zhuān)家組目前正致力于對進(jìn)水水質(zhì)測定方法簡(jiǎn)單化、規范化方面的研究[4-5].

　　3.2模型的簡(jiǎn)化

　　由于IAWQ數學(xué)模型的復雜性，將其完整的模型直接應用于污水廠(chǎng)的設計、模擬、運行控制是不現實(shí)的，這就需要根據具體條件將其適當簡(jiǎn)化。但值得環(huán)境工作者注意的是，模型的簡(jiǎn)化雖然是必要的，但也是相當危險的。如果簡(jiǎn)化不當，將導致應用的徹底失敗。因此，在模型應用于某一特定污水廠(chǎng)之前，必須充分了解污水水質(zhì)特性、工藝的水力學(xué)特性以及生物反應過(guò)程和機理。在此基礎上，分析各變量和參數對系統模擬的敏感性，忽略不敏感因素，僅考慮對系統影響較大的因素，從而達到簡(jiǎn)化的目的。

　　模型簡(jiǎn)化的結果是矩陣中變量和生物反應過(guò)程及其相關(guān)參數的減少，或是非線(xiàn)性模型的線(xiàn)性化。簡(jiǎn)化后的模型必須經(jīng)過(guò)校正方可使用，而校正過(guò)程的難點(diǎn)便集中于參數的調整。

　　3.3參數的校正

　　簡(jiǎn)化的模型必須進(jìn)行參數校正，對于活性污泥系統這樣的復雜非線(xiàn)性系統，參數調整有兩種方法，一種是手動(dòng)調整，一種是自動(dòng)調整。手動(dòng)調整耗時(shí)長(cháng)且結果重現性差，故僅在無(wú)法自動(dòng)調整時(shí)采用。但是自動(dòng)調整也不是可以直接使用，它要求先進(jìn)的在線(xiàn)監測儀器和功能很強的數學(xué)工具。國外曾討論使用界面響應法（RSM）進(jìn)行參數調整[6].該方法是用于建立、改進(jìn)、優(yōu)化過(guò)程的統計學(xué)和數學(xué)技術(shù)的結合。在RSM中，響應值（輸出值）與輸入變量的濃度有關(guān)。在活性污泥系統數學(xué)模型的校正中，RSM用作局部敏感分析工具，其中輸入變量是模型參數，輸出是余差平方和。在荷蘭的Rotterdam污水處理廠(chǎng)的卡羅塞型氧化溝脫氮模型（ASMNo.1）中，采用該方法進(jìn)行參數調整，獲得了精確可靠的結果�？梢灶A見(jiàn)，隨著(zhù)計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，更加快速方便的校正方法必將應運而生，從而推動(dòng)活性污泥數學(xué)模型更加廣泛的應用。

　　4結語(yǔ)

　　IAWQ活性污泥數學(xué)模型在國外的大量應用中已取得了寶貴的經(jīng)驗，污水處理工藝的不斷完善和生物處理機理的不斷明確，以及計算機技術(shù)的飛速發(fā)展必將使數學(xué)模型得到更為廣泛的應用。

　　我國已建及在建的廢水處理廠(chǎng)中大約有80％以上采用活性污泥法，應用數學(xué)模型設計和管理廢水處理廠(chǎng)是提高我國廢水處理廠(chǎng)設計、運行和管理水平的必然需要。但數學(xué)模型的應用需要較高的硬件水平，國外污水處理廠(chǎng)大都采用在線(xiàn)監測實(shí)時(shí)控制，而我國污水處理廠(chǎng)水質(zhì)分析大都采用現場(chǎng)取樣、化驗室分析的方法，使得測定結果引入了大量人為誤差，而且測定值僅是每天某個(gè)時(shí)刻的瞬時(shí)值，不能全面反映水質(zhì)變化情況，因而模擬值與測量值之間誤差較大。相信隨著(zhù)我國水處理工藝不斷改進(jìn)、硬件水平不斷改善，數學(xué)模型在我國污水處理中的應用必將得到推廣。

　　參考文獻：

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