活性污泥數學模型的研究應用進展與問題討論
近年來，國外有很多關于數學模型在飲用水處理、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模型中，由原國際水質協會（IAWQ）（現已改稱為國際水協會IWA）推出的活性污泥數學模型（ASM）發展最為成熟，應用最為廣泛。但我國在該領域的研究起步較晚，在實際應用方面還相當滯后。目前國內僅有相當有限的關于模型應用的報道。本文重點討論IAWQ活性污泥數學模型的特點及目前存在的問題，并結合筆者在研究中的體會，分析其在應用中的關鍵問題及其發展應用前景。
1 IAWQ活性污泥數學模型
1.1 IAWQ活性污泥數學模型簡介
為了鼓勵環境科學家和工程師更廣泛地把數學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會（IAWPRC）（國際水質協會IAWQ的前身）組織了南非、丹麥、美國等五國專家組成活性污泥工藝模型課題組來完成活性污泥處理系統數學模型的研究。ASM課題組于1987年正式發表了技術報告，闡明了活性污泥1號模型（ASM No.1）的主要特性。它以矩陣的形式描述了污水中好氧、缺氧條件下所發生的水解、有機物降解、微生物生長、衰減等8種反應，模型中包含13種組分、5個化學計量系數和14個動力學參數。
ASM NO.1自推出以來得到廣泛應用，但它的缺陷是未包含磷的去除。針對此問題，IAWQ專家組于1995年又推出活性污泥2號模型（ASM No.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的4個反應過程。因為生物除磷機理很復雜，所以ASM No.2非常龐大，它包含19種物質、19種反應、22個化學計量系數以及42個動力學參數。該模型提出了包含化學需氧量（COD）、氮和磷去除過程在內的綜合性生物處理工藝過程動態模擬理論，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專家組經過對1號模型應用中問題的修正，推出活性污泥3號模型（ASM No.3）。ASM No.3不以水解作用為重點、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過程。ASM No.3與ASM No.1中主要現象是相關的，如以城市污水為主的活性污泥系統中的氧消耗、污泥產量、硝化和反硝化，但ASM No.2中的生物除磷在此不予考慮。ASM No.3包括13個組分，12個生化過程。ASM No.3僅考慮微生物轉化過程，不包括化學沉淀，但基于ASM No.2（包含磷的吸收和釋放過程）所提供的信息，很容易加入該過程。
1.2 活性污泥1、2、3號模型（ASM No.1～3）的比較
ASM諸多版本的共同特點是它們均以Monod方程為基礎，都是多維的并包含大量的動力學參數和化學計量系數，均以矩陣的形式描述生物反應過程。
ASM No.1和ASM No.2在應用過程中都有一些限制，如他們都要求pH值接近中性并保持恒定；ASM No.1要求系統在恒定溫度下運行，ASM No.2的實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ASM No.1到ASM No.2的最突出變化是生物量按反應過程進行了更為詳細的劃分，使其濃度不能簡單地用分布參數XB,M。描述。除了生物除磷過程外，ASM No.2還包含了兩個“化學過程”，可以用于模擬磷的化學沉淀。
ASM No.3與ASM No.1大致相同，只是在廢水特征化這一重要方面作了改動，將重點從水解過程轉移到有機物質的儲存過程。在ASM No.1中快速可生物降解基質COD必須從呼吸試驗中估算，而對這一試驗的解釋又依賴于異養菌產率YH的值。在ASM No.3中溶解性COD僅由快速可生物降解基質SS和惰性可溶性有機質SI組成。從兩個模型所采用的典型廢水組成可以看出：ASM No.3中SS占總COD的40%，而不象ASM No.1中僅為10%。
與ASM No.1和ASM No.2相比，ASM No.3的一個重要區別是，通過0.45μm濾膜的過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XS。
2 IAWQ活性污泥數學模型目前存在的問題
綜合國外近年來對模型的應用研究，已證實了ASM No.1對于描述碳氧化、硝化和反硝化過程具有較強的模擬預測能力。但是經過多年的實際應用，也發現ASM No.1中存在著一些明顯缺點：
①ASM No.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出現負濃度（如銨鹽等）。
②ASM No.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）。在實踐中，二者都不易測定，應將其從模型中刪除。
③ASM No.1中氨化反應的動力學難于定量化。在應用ASM No.1時，假定所有有機組分均為恒定組成，即恒定的N與COD質量比。
④ASM No.1對顆粒性惰性有機物質按其來源將其區分為兩類，即進水所含的XI和生物質衰減產生的XD，實際中，難于如此清晰地區分這兩種組分。因此ASM No.3中將XD和原ASM No.1中的XI統一考慮為XI處理。
⑤在模型中細菌的死亡分解與水解和增長過程分為有機物儲存，死亡，捕食和分解等階段，從而使得相應動力學參數的確定變得非常困難。
⑥如果污水處理廠中易降解基質濃度較高時，在好氧和缺氧條件下可以觀測到聚羥基烷酸PHAS（poly-hydroxy-alkanoates）（有時為糖原質-glyco-gen）的儲存現象，但ASM No.1中不包括這一過程。
⑦ASM No.1認為好氧與缺氧條件下硝化菌的衰減速率是相同的，當固體停留時間（SRT）較長或缺氧池體積比例較高時，對最大硝化反應速率的預測就會出現問題。
除磷過程的加入給ASM No.2模型的使用也帶來了諸多限制。例如模型沒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離子。這些陽離子的短缺會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，但在模型中沒有考慮這種影響。由于ASM No.2的復雜性和除磷機理的不確定性，使得ASM No.2相較于ASM No.1的應用限制較多，經驗也不如ASM No.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模型。
由于ASM No.3提出較晚，目前還沒有經過大量的運行數據的驗證，所以仍然需要在實踐中對模型進行不斷地修正和改進，特別是對儲存現象的描述。
3 IAWQ活性污泥數學模型應用過程中幾個問題的討論
活性污泥數學模型的研究和應用始終是國際上廢水生物處理領域研究的熱點之一，目前已有許多大型污水處理廠在設計、改建和運行過程中應用了數學模型，積累了許多寶貴的經驗。從國內外大量的應用實例中不難看出，IAWQ模型應用中問題的焦點在于模型的簡化、水質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程中的切身體會對這幾方面問題分別進行討論。
3.1 水質的分析和測定
由于模型中涉及的組分較多，而且不能由常規水質分析指標直觀表述，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水構成中COD、氮、磷的溶解性和非溶解性、惰性和非惰性物質各自的含量，測定的內容比目前常規的水質化驗多出很多，而且具體的測定方法還未規范化，有些還有待于進一步研究解決。IAWQ的專家組目前正致力于對進水水質測定方法簡單化、規范化方面的研究。
3.2 模型的簡化
由于IAWQ數學模型的復雜性，將其完整的模型直接應用于污水廠的設計、模擬、運行控制是不現實的，這就需要根據具體條件將其適當簡化。但值得環境工作者注意的是，模型的簡化雖然是必要的，但也是相當危險的。如果簡化不當，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之前，必須充分了解污水水質特性、工藝的水力學特性以及生物反應過程和機理。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，從而達到簡化的目的。
模型簡化的結果是矩陣中變量和生物反應過程及其相關參數的減少，或是非線性模型的線性化。簡化后的模型必須經過校正方可使用，而校正過程的難點便集中于參數的調整。
3.3 參數的校正
簡化的模型必須進行參數校正，對于活性污泥系統這樣的復雜非線性系統，參數調整有兩種方法，一種是手動調整，一種是自動調整。手動調整耗時長且結果重現性差，故僅在無法自動調整時采用。但是自動調整也不是可以直接使用，它要求先進的在線監測儀器和功能很強的數學工具。國外曾討論使用界面響應法（RSM）進行參數調整。該方法是用于建立、改進、優化過程的統計學和數學技術的結合。在RSM中，響應值（輸出值）與輸入變量的濃度有關。在活性污泥系統數學模型的校正中，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污水處理廠的卡羅塞型氧化溝脫氮模型（ASM No.1）中，采用該方法進行參數調整，獲得了精確可靠的結果。可以預見，隨著計算機技術的飛速發展，更加快速方便的校正方法必將應運而生，從而推動活性污泥數學模型更加廣泛的應用。
4 結語
IAWQ活性污泥數學模型在國外的大量應用中已取得了寶貴的經驗，污水處理工藝的不斷完善和生物處理機理的不斷明確，以及計算機技術的飛速發展必將使數學模型得到更為廣泛的應用。
我國已建及在建的廢水處理廠中大約有80％以上采用活性污泥法，應用數學模型設計和管理廢水處理廠是提高我國廢水處理廠設計、運行和管理水平的必然需要。但數學模型的應用需要較高的硬件水平，國外污水處理廠大都采用在線監測實時控制，而我國污水處理廠水質分析大都采用現場取樣、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時刻的瞬時值，不能全面反映水質變化情況，因而模擬值與測量值之間誤差較大。相信隨著我國水處理工藝不斷改進、硬件水平不斷改善，數學模型在我國污水處理中的應用必將得到推廣。
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