出　　自： 《中國給水排水》 1992年第6期第29頁
發表時間： ： 1992-6

黃勇　楊銓大　王寶貞

(蘇州城建環保學院　哈爾濱建筑工程學院)

　　數字模型方法正逐漸成為環境工程領域科學研究、工藝設計和過程控制的一種重要手段。目前，描述廢水生物處理過程常用的多為所謂“機理模型”，即根據對過程的物理、化學和生物學現象的理解而建立起來的數學模型，它反映對所研究的系統行為機理的認識水平。
　　完整的廢水生物處理數學模型由幾個部分組成。首先，要闡明所研究系統的“結構”，即依據存在形態及在系統中的功能和作用，劃分系統的組分，定性地描述各組分間的相互關系和所發生的物理、化學、生物反應和轉化過程的性質，這一步驟稱為建立“概念模型”或“結構化模型”，是機理模型的基礎；其次，要給出一系列速率方程，定量地表達相應的反應和轉化過程的方向和速率，常含有一些需要在特定條件下測定的動力學常數；此外，還要給出表明組分之間相互轉化的守恒關系的參數，即計量參數；最后，要在給定系統的物理邊界條件下，對每種組分建立穩態或動態的物料衡算方程。
　　本文采用概念模型的方法，簡要回顧廢水處理過程中有機物好氧生物降解數學模型的發展沿革，通過對迄今為止國內外研究成果的綜合分析，提出一個改進的新模型。

1 傳統模型及其結構化

　　廢水生物處理數學模型的開發，受各種條件的制約，經歷了從簡單地擬合實驗數據到采用經典微生物生長動力學研究方法，直至根據生物處理自身的特性進行過程分析和辯識的發展過程。早期Eckenfelder、Mckinney、Lawrence和Mccarty等人建立的數學模型得到廣泛的應用，迄今仍是工藝設計的重要工具。這些傳統模型的共同特點是將系統區分為兩種組分，以BOD 5 或COD等綜合指標測定可生物降解的有機物和活性微生物體(多以VSS測定)，定量描述二者之間的動力學關系及代謝過程中氧的利用。這類模型可用圖1所示的概念模型結構圖表示。

　　傳統模型將有機物的去除機理表述為兩個過程:生長過程包括底物作為碳源合成為細胞原生質的作用及為合成作用提供能源而被氧化的作用。微生物的衰減在此主要采納了Herbert 的內源呼吸理論，細胞通過自身氧化提供維持能的需求，因而這一過程既消耗氧也導致生物量的減少。
　　生長衰減機理及其動力學表達式，在實踐中遇到的問題主要有:
　　a.不能解釋和描述廢水處理中常見的有機物“快速去除”現象。
　　b.不能很好地預測實際中觀察到的底物濃度增加時微生物增長速度變化的滯后，因而無法精確地模擬氧利用的動態變化。
　　c.所得出的出水底物濃度與進水濃度無關的結論與實際情況不符。
　　d.采用Mcnod方程描述廢水生物處理中的生長過程，會導致細胞濃度預測值偏高。
　　這些問題的提出，以及日益嚴格的過程運行控制及對動態模擬的需求，使得模型化的研究工作有了進一步的深入和富有成果的進展。

2 模型化研究的進展

　　廢水生物處理系統進水底物構成的復雜性和生物絮體中微生物生態系統的多樣性，使系統的動力學特性與微生物學研究中的培養物有明顯的區別，并表現出一些獨特的性質。這些性質在模型化的研究中日益受到重視，由此對廢水處理過程的機理提出了許多新的見解和觀點。
　　2.1 貯存-代謝機理
　　試驗測定發現，并非所有被結合到生物絮體中的底物都轉化成為細胞原生質，其中部分是以“貯存物質”的形式存在于絮體內和細胞之間兩類，可是人們將廢水中的有機物按其存在形態，分為溶解性和非溶解性兩類。懸浮和膠體狀態的底物，由于迅速轉移到生物絮體之上而從廢水中去除。轉移過程可能通過生物絮體的捕集(機械截面)、粘附等嚴格的物理過程實現，然后被活性生物體吸附和吸收而成為貯存物質，逐漸被生長作用所降解利用。一些證據表明某些溶解性有機物，可能成為細胞體內的貯存物質。根據貯存——代謝機理建立的數學模型，如圖2所示。

　　一些研究認為，貯存物質還應包括細胞分泌的膠狀聚合物，這是形成生物絮體的重要組成部分，并可由此解釋絮凝體的沉降性能。
　　2.2 存活——非存活細胞代謝作用機理
　　廢水生物處理是典型的低比增長速率過程，不僅影響污泥中的活性細胞量，還導致細胞存活力即增殖能力的喪失。存活力并非生物活性的先決條件，已經證實后者可能因細胞破裂酶的溢出而得到增強，相當大程度的生物活性是由這些非存活細胞所提供的。因而，有機物的分解可以在不伴隨生長的情況下發生，按照這一理論建立的數學模型，見圖3所示。
　　2.3 細胞體的“死亡——再溶解”

　　上述模型中有關微生物衰減的過程，均是按照傳統的Herbert的內源呼吸進行描述的，未考慮代謝殘余物的產生。衰減過程的出發點，在于描述氧的需求和活性生物的質量損失。
　　事實上，活性微生物量的減少還可能由于如細胞存活力的喪失、自然死亡、細胞自溶和被捕食等，死亡的細胞重新溶解并作為一種附加底物的現象早已被注意。Dold等人(1980)的數學模型，對于微生物的衰減過程提出所謂“死亡——再生”機理的模型化方法，認為由于種種原因喪失存活力和死亡的細胞，相當多的部分成為可以緩慢生物降解的固態物，通過吸附一貯存機理被微生物降解利用。這樣，傳統模型中由于內源呼吸而消耗的氧，在此是通過死亡細胞的重新循環，成為生長作用的底物而耗用。衰減過程造成的微生物質量損失，通過形成惰性代謝產物完成。這種模型化方法，也能方便地描述
　　微生物在缺氧和無氧條件下的衰減過程。微生物的代謝產物不僅以固態存在，也以溶解的形式存在，細胞的衰減伴隨著細胞的自溶和有機物質重新被溶解的過程。國際水污染研究與控制協會(IAWPRC)課題組(1987)，發表了硝化和反硝化活性污泥法綜合動力學模型，其中采納了Dold模型中對微生物衰減過程的模型化方法，但未接受貯存——代謝機理。該模型認為非溶解性底物，首先通過捕集和機械截留等途徑，結合到絮體相中而從廢水中去除，與生物反應速率相比，這一純物理過程是瞬間完成的。被捕集的非溶解性緩慢生物降解有機物部分，則被微生物的胞外酶水解、液化成易于降解的溶解性底物，由生長過程所利用。微生物衰亡后的可生物降解部分與緩慢生物降解底物，經歷同樣的水解、利用途徑。這樣，易于降解溶解性底物微生物生長的唯一形式，而生長過程是利用溶解氧(耗能)的唯一過程，使模型得以大大簡化。以微生物的“死亡——再溶解”機理模擬衰減過程的模型結構，如圖4。
　　2.4 溶解性殘余物的形成
　　通常認為，微生物活動所釋放出來的溶解性代謝物(SMP)有兩個來源，即生長過程中與底物利用有關的產物(UAP)和微生物衰亡過程中與生物體的解體相關的產物(BAP)。IAWPRC 模型，模擬了BAP的形成與利用。
　　文獻中許多證據表明，部分SMP是不能為生物所降解的，在生長和衰亡過程的產物中，前者更可能易于降解，而后者則是溶解性不可生物降解有機殘余物的主要來源。由此在獲得實驗證實的基礎上，Orhon等人(1988)提出了模擬溶解性殘余產物(SRP)形成的概念。

3 有機物去除的綜合模型

　　我們認為模型的建立應滿足以下幾個目標:充分考慮廢水生物處理自身的特點；較為深入地反映處理過程的生物反應實質；滿足對系統的動態變化進行有效模擬的要求；并考慮到模型參數測定和實際應用的可行性。
　　以IAWPRC模型的有機物去除和異養菌生長模型為基礎，充分反映廢水處理過程的低比增長速率導致細胞喪失存活力和代謝殘余物，提出一個改進的新模型。
圖5是采用結構框圖方法，表示廢水生物處理過程(有機物去除)的概念模型。
　　圖中將進水COD劃分為四種組分，其中易降解的溶解有機物，可以直接作為底物提供微生物生長過程所利用；非溶解性和部分溶解性大分子有機物，統一以緩慢降解的非溶性底物表示，它們首先被瞬間捕集截留于生物絮體中。然后經歷水解過程，溶解為易降解底物被利用，活性生物體由于多種機理而衰亡。按生物反應特性分為兩類固體代謝產物，即惰性殘余物在污泥中的積累和失去存活力的細胞有機體。它們一方面可由于溶胞作用和胞外酶作用水解成溶解性底物，另一方面又表現出一定的生物活性，通過酶促反應途徑降解有機物。系統中出水溶解性有機物由三種組分構成，其中剩余易降解有機物的來源有進水中原有的、非溶性有機物水解形成的和微生物代謝產物轉化而來的。污泥相中的有機成分(混合液揮發分)由四組分構成。包括溶解氧，系統中共九種組分。

　　模型中鑒別了五種主要的轉化過程，即截留—捕集、水解、微生物生長、衰亡及酶反應降解過程。截面——捕集過程與其它過程相比瞬間完成，因而不需速率表達式，其余四個過程均應提出適當速率表達式，以定量反映過程進行的快慢。模型中微生物生長和酶反應過程需要外界輸入O 2 作為電子受體，表明了系統中主要的能量供給與利用途徑，包括合成作用和微生物體的維持能需求。從模型結構圖中，可以看出有三個過程出現了物質分流，必須用適當的計量參數描述形成不同物質的比例。這些廢水組分的正確測定和計量參數、動力學參數的確定，是模型成功應用的關鍵之一。
　　概念模型具有十分明顯的優點，它強調了系統的物理結構，反映出復雜系統中各種組分的相互關系和轉化過程，使得對系統的數學描述具有清晰的概念，突出了機理模型與經驗公式和統計模型的區別。結構化模型與一般闡述機理圖示的不同，在于提供了定量化描述的構架。其中組分的劃分和過程的識別，都考慮數學表達的便利和參數測定的可能性，因而是對實際過程和機理的概括、簡化。