徐麗婕 施漢昌
(清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系，環(huán)境模擬與污染控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，100084)

前　言：

　　隨著數(shù)學(xué)模型在污水處理中的重要性日益明顯，國際水質(zhì)協(xié)會(huì)(IAWQ)于1983年成立了課題組，提出為污水生物還處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行開發(fā)并研制使用的模型。課題組于1987年提出了活性污泥1號(hào)模型(ASM1)，并在此基礎(chǔ)上開發(fā)了包括脫氮除磷的2號(hào)、3號(hào)模型，這些模型綜合了活性污泥系統(tǒng)中碳氧化、硝化、反硝化以及生物除磷等多個(gè)過程，全面體現(xiàn)了活性污泥系統(tǒng)的主要功能。1999年ASM2擴(kuò)增模型(ASM2D)的提出，又解決了ASM2中有關(guān)聚磷菌反硝化的問題。活性污泥2號(hào)模型(ASM2)比活性污泥1號(hào)模型(ASM1)增加了與生物除磷有關(guān)的生物過程，包含了更多的組分因而更為復(fù)雜。但是ASM2假設(shè)聚磷菌只能在好氧條件下生長，而ASM2D模型包括了能進(jìn)行反硝化的聚磷菌。因而ASM2D比ASM2增加了2個(gè)生物過程，用以描述聚磷菌利用細(xì)胞內(nèi)的存儲(chǔ)物質(zhì)進(jìn)行反硝化的過程。

ASM2D模型介紹

　　· 模型的組分（模型所有組分的符號(hào)按溶解性和顆粒性劃分，共有19個(gè)組分）
　　其中溶解性組分有：發(fā)酵產(chǎn)物S_A、污水的堿度SALK、快速生物降解有機(jī)物S_F、惰性溶解性有機(jī)物S_I、氮?dú)釹_N2、銨態(tài)氮與氨態(tài)氮S_NH4、硝酸鹽氮和亞硝酸鹽氮S_NO3、溶解氧S_O2、溶解性無機(jī)磷S_PO4以及快速生物降解基質(zhì)S_S。
　　顆粒性組分有：硝化菌X_AUT、異養(yǎng)菌X_H、惰性顆粒性有機(jī)物X_I、金屬氫氧化物X_MeOH、聚磷菌X_PAO、聚磷菌的細(xì)胞內(nèi)部?jī)?chǔ)存物X_PHAM、聚磷X_PP、可慢速生物降解基質(zhì)X_S以及總懸浮固體X_TSS。
　　·ASM2D的各種生物過程（ASM2D有21種生物過程，ASM2為19種）
　　水解過程：包括好氧水解、缺氧水解、厭氧水解三個(gè)過程。
　　兼性異養(yǎng)菌的工藝過程：包括X_S的水解，S_F和S_A的好氧降解，S_F和S_A的缺氧降解，S_NO3的還原以及S_F厭氧發(fā)酵成為S_A。此外，還有異養(yǎng)菌自身的衰減和溶菌過程。
　　聚磷菌的工藝過程：某些類型的聚磷菌能以聚合磷酸鹽的形式聚積磷化合物，還有一部分聚磷菌能進(jìn)行反硝化作用(這在ASM2中考慮沒有考慮)。與聚磷菌有關(guān)的工藝過程有：X_PHA的厭氧儲(chǔ)存，X_PP的好氧儲(chǔ)存及缺氧儲(chǔ)存，X_PAO的好氧生長及缺氧生長，X_PAO、X_PP和X_PHA的分解。
　　硝化過程：假定硝化過程由氨氮直接轉(zhuǎn)化成硝酸鹽氮。這包括硝化菌的生長和自我分解。
　　磷的化學(xué)沉淀：包含了沉淀和再溶解這兩個(gè)過程，并假設(shè)二者是可逆的過程。
　　·ASM2D的表達(dá)基礎(chǔ)
　　矩陣符號(hào)法：在ASM1中課題組引入矩陣符號(hào)法來表達(dá)生物動(dòng)力學(xué)模型，在ASM2D中繼續(xù)采用相同的方法。模型中所考慮的各種組分和轉(zhuǎn)換過程分別用i和j作為序號(hào)進(jìn)行描述，計(jì)量學(xué)系數(shù)采用計(jì)量學(xué)矩陣vij來表達(dá)。過程速率方程構(gòu)成一個(gè)向量ρj，在所有平行工藝過程中，組分i的產(chǎn)生速率ri可以采用加合法計(jì)算：r_i=Σv_iiρ_i(包含所有工藝過程j)
　　連續(xù)性方程： ASM2D考慮了COD、電荷、氮和磷的連續(xù)性。對(duì)所有工藝過程j和置于連續(xù)性的所有物質(zhì)c均有效的連續(xù)性方程可以寫作：Σv_iji_ci=0(對(duì)應(yīng)所有組分i)。
　　式中：　v_ij--工藝過程j組分i的計(jì)量學(xué)系數(shù)，
　　　　　　i_ci--單位組分i轉(zhuǎn)化為單位物質(zhì)c的轉(zhuǎn)換因數(shù)，按此應(yīng)用連續(xù)性。

　　每個(gè)連續(xù)性方程都包含先前的信息，用于相應(yīng)的工藝過程。在其他系數(shù)值已知的情況下，每個(gè)連續(xù)性方程均可預(yù)測(cè)一個(gè)計(jì)量學(xué)系數(shù)，不需要進(jìn)行試驗(yàn)。該模型以物料平衡為計(jì)算基礎(chǔ)，用矩陣來描述各有關(guān)物質(zhì)濃度、反應(yīng)速率、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)參數(shù)及化學(xué)計(jì)量系數(shù)之間的關(guān)系。
　　污水相關(guān)組分的濃度、計(jì)量學(xué)系數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)值不是ASM2D的組成部分，但卻是模型具體應(yīng)用時(shí)不可缺少的。課題組按模型的組成，給出了初沉出水各種組分的典型濃度值和一套模型參數(shù)值。

ASM2及ASM2D與其他模型的整合及其應(yīng)用

　　·ASM2與SPM&NN整合模型在SBR工藝的應(yīng)用比較
　　Hongzhao等人用ASM2、SPM（ASM2簡(jiǎn)化模型）和NN（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型）分別模擬了SBR工藝的營養(yǎng)物去除動(dòng)力學(xué)。結(jié)果表明，ASM2模型對(duì)營養(yǎng)物去除過程提供了最詳盡的動(dòng)力學(xué)描述并對(duì)SBR工藝有很好的理解，因此最適合于對(duì)工藝進(jìn)行比較細(xì)致的模擬和分析。簡(jiǎn)化模型SPM包含的模型參數(shù)和過程較少，可以得到與ASM2相近的模擬預(yù)測(cè)結(jié)果，但是在工藝過程改變時(shí)需要對(duì)模型參數(shù)不斷的進(jìn)行校正。而SPM和NN的整合模型綜合了動(dòng)力學(xué)模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的優(yōu)點(diǎn)，可以在不同工藝情況下提供良好的模擬預(yù)測(cè)，是一種有發(fā)展前景的新穎的模擬工具，適用于活性污泥系統(tǒng)的在線預(yù)測(cè)和過程控制。
　　·ASM2D與其他除磷模型的整合
　　S.C.F.MEIJER等人利用生物除磷模型和ASM2D模型的整合模型（即TUDP模型，VAN VELDHUIZEN，1999）模擬實(shí)際污水處理廠的脫氮除磷過程。模型中除磷部分用3個(gè)儲(chǔ)存聚合物（即PHA,GLY和PP）來對(duì)8種細(xì)胞內(nèi)的生物過程進(jìn)行描述：厭氧PHA存儲(chǔ)，厭氧PP分解，好氧/缺氧PP/GLY合成以及好氧/缺氧PHA分解。重點(diǎn)研究了TUDP模型在模擬實(shí)際污水處理時(shí)操作參數(shù)、模型化學(xué)計(jì)量學(xué)參數(shù)以及模型的校正方式。研究表明這種TUDP模型無需改變化學(xué)計(jì)量學(xué)矩陣就可以正確地模擬污水廠穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí)各組分濃度，并能準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)出水水質(zhì)。
　　TUDP模型還在Haarlem Waarderpolder污水廠的側(cè)流除磷工藝（Brdjanovic,2000）和Holten污水廠主流除磷工藝（Van Veldhuizen,1999）中得到校正和應(yīng)用。其中Haarlem Waarderpolder污水廠還利用該模型對(duì)于A/O、UCT和BCFs三種不同的BPR生物除磷工藝進(jìn)行了比較。在該污水廠的應(yīng)用中，調(diào)整了3個(gè)參數(shù)以后的TUDP模型能夠很好的描述污水廠的處理能力，以及三種BPR工藝的除磷能力，其中BCFs工藝的基建投資和操作費(fèi)用相對(duì)較低。
　　MARK.C.M.VAN LOOSDRECHT等人利用ASM2D模型與Delft除磷模型的整合模型研究比較了兩種BNR（生物法去除營養(yǎng)物）工藝：UCT和A2N。該研究基于這種整合模型，在不同的SRT和溫度條件下對(duì)這兩種工藝的出水水質(zhì)、污泥產(chǎn)量、耗氧情況進(jìn)行了評(píng)價(jià)。研究表明整合模型能對(duì)這兩種工藝進(jìn)行正確的評(píng)價(jià)：UCT和A2N都能進(jìn)行脫氮除磷處理，并且在常溫范圍內(nèi)（10－20℃）兩種工藝的出水N、P濃度都滿足出水標(biāo)準(zhǔn)； A2N工藝在N的去除上表現(xiàn)得更為穩(wěn)定，與UCT工藝相比，A2N污泥產(chǎn)量高6%，但能耗、回流量和占地都分別減小35%、85%和30%。

ASM2D模型的限制

　　ASM2D可以作為污水生物除磷脫氮系統(tǒng)的工具，適用于任何類型的城市污水：原污水、初沉出水或者化學(xué)預(yù)沉淀出水。但是作為一個(gè)模擬污水處理系統(tǒng)的模型來說，ASM2D必然有某種程度的簡(jiǎn)化、假設(shè)，也就必然有一定的約束和限制。
　　與模型本身有關(guān)的假設(shè)和限制：如系統(tǒng)應(yīng)在恒溫下運(yùn)行，pH值維持在中性，硝化速率系數(shù)假定恒定等等，而且ASM2D不區(qū)分個(gè)體細(xì)胞的組成(細(xì)胞內(nèi)部結(jié)構(gòu))，僅考慮生物量的平均組成。由模型結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的限制：例如模型沒有考慮鉀和鎂對(duì)生物除磷的限制作用，以及亞硝酸鹽和一氧化氮對(duì)生物除磷的抑制作用。在用于實(shí)際模擬時(shí)也有限制：模型是為生活污水處理而設(shè)計(jì)的，不宜用于工業(yè)廢水含量高的污水；沒有考慮沉淀池的固液分離問題。目前對(duì)高溫和低溫狀態(tài)下PAOs的特性還不完全清楚，模型對(duì)磷的去除不一定能給出合理的預(yù)測(cè)。

結(jié)　論：

　　ASM2D模型是污水生物處理工藝設(shè)計(jì)與運(yùn)行數(shù)學(xué)模擬課題組的重要工作成果，它提出了包含化學(xué)需氧量（COD）、氮和磷去除過程在內(nèi)的綜合性生物處理工藝過程動(dòng)態(tài)模擬理論。雖然ASM2D模型還有很多限制條件，但它作為模擬生物除磷脫氮的基礎(chǔ)，為生物除磷脫氮綜合模型的進(jìn)一步開發(fā)提供了一個(gè)很有用的框架。

參考文獻(xiàn)：

1.S.C.F.MEIJER,M.C.M.VAN.LOOSDRECHT and J.J.HEIJNEN, Metabolic Modeling of Full-scale Biological Nitrogen and Phosphorus Removing WWTP‘s, Wat.Res.Vol.35, No.11,pp.2711-2723,2001