汪慧貞 吳俊奇
(北京建筑工程學(xué)院城市建設(shè)工程系)

　　活性污泥法于1913年在英國(guó)試驗(yàn)成功以來(lái)已有近百年的歷史，它有較好的處理效果且管理方便，因而在城市污水處理中得到廣泛應(yīng)用。據(jù)1993年不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)已建及在建的二級(jí)污水處理廠有118座，其中80%以上采用活性污泥法。隨著活性污泥處理工藝的推廣，人們對(duì)它的認(rèn)識(shí)也不斷深入，其設(shè)計(jì)逐漸從簡(jiǎn)單采用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)展到使用數(shù)學(xué)模型。?
　　50年代后，國(guó)外一些學(xué)者引入化工領(lǐng)域的反應(yīng)器理論及微生物學(xué)的生物化學(xué)理論，將基質(zhì)降解、微生物生長(zhǎng)及各參數(shù)之間的關(guān)系用數(shù)學(xué)模型來(lái)表示，其中最有代表性的是Eckenfelder、Mckinney和Lawrence-McCarty活性污泥法模型。這三種不同的模型都源自1942年Monod提出的以米—門公式為基礎(chǔ)的Monod方程。Mckinney模型與Eckenfelder模型公式相比，僅缺少了微生物濃度(X)項(xiàng)。Mckinney認(rèn)為在一般城市污水處理廠中，微生物濃度已足夠大，它不再是影響基質(zhì)去除率的因素。
　　1970年Lawrence-McCarty模型被推出，此模型不同于以前的各類模型，它突出了泥齡這一參數(shù)，認(rèn)為系統(tǒng)出水水質(zhì)僅與泥齡有關(guān)，而泥齡則可以通過(guò)污泥量的排放來(lái)控制，因此該模型比起前述的其它模型更具有實(shí)踐意義。在此要指出的是以上三個(gè)模型均只考慮了污水中含碳有機(jī)物的去除，而且這些模型都是靜態(tài)的，無(wú)論是參數(shù)的求解還是計(jì)算過(guò)程都相對(duì)簡(jiǎn)單。

1 活性污泥模型的發(fā)展　

　　傳統(tǒng)活性污泥法能很好地去除污水中含碳有機(jī)物，但對(duì)來(lái)自于人體排泄、農(nóng)肥、洗滌用品的氮和磷的去除率卻只有20%～40%。
　　為了滿足出水氮、磷標(biāo)準(zhǔn)的要求，新建污水廠要考慮除磷脫氮工藝，已有的污水廠也要進(jìn)行改造，這就對(duì)用于污水廠設(shè)計(jì)及運(yùn)行指導(dǎo)的活性污泥數(shù)學(xué)模型提出了新的要求。在這方面南非因?yàn)樗Y源奇缺，著重污水回用，對(duì)生物除磷脫氮工藝的研究和使用走在了世界的前列。80年代，南非的Marais就提出了碳、氮、磷去除的動(dòng)態(tài)活性污泥模型。1986年，IAWQ(International Association on Water Quality)組織了南非、丹麥、美國(guó)等五國(guó)專家，經(jīng)3年研究，推出了去除污水中碳和氮的活性污泥1號(hào)模型(ASMⅠ)，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、微生物生長(zhǎng)、衰減等8種反應(yīng)，模型中包含13種物質(zhì)、5個(gè)化學(xué)計(jì)量常數(shù)和14個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。ASMⅠ自推出以來(lái)得到廣泛應(yīng)用，但它的缺陷是未包含磷的去除。針對(duì)此問(wèn)題，IAWQ專家組于1995年推出ASMⅡ，它比ASMⅠ的先進(jìn)之處在于包含磷的去除，增加了厭氧水解、酵解及與聚磷菌有關(guān)的4個(gè)反應(yīng)過(guò)程。因?yàn)樯锍讬C(jī)理很復(fù)雜，所以ASMⅡ比ASMⅠ龐大，它含19種物質(zhì)、19種反應(yīng)、22個(gè)化學(xué)計(jì)量系數(shù)及42個(gè)動(dòng)力學(xué)參數(shù)。IAWQ的ASM問(wèn)世后，得到充分肯定，是目前世界上活性污泥模型研究的主流。據(jù)報(bào)道，IAWQ的專家組將于1999年正式推出?ASMⅢ。ASMⅢ不以水解作用為重點(diǎn)，引入有機(jī)物在微生物體內(nèi)的貯藏及內(nèi)源呼吸，以強(qiáng)調(diào)細(xì)胞內(nèi)部的活動(dòng)過(guò)程。
　　為操作方便模型應(yīng)盡量簡(jiǎn)單，因此不得不作一些簡(jiǎn)化和假設(shè)，但過(guò)分的簡(jiǎn)化又會(huì)使模型失去準(zhǔn)確性，從而也失去使用價(jià)值，這是一個(gè)問(wèn)題的兩個(gè)方面。ASMⅠ、Ⅱ、Ⅲ均為復(fù)雜的矩陣，有諸多物質(zhì)、常數(shù)和參數(shù)，若要進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬則難度更大。但如今隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，使組成數(shù)學(xué)模型的各種復(fù)雜微分方程的快速求解成為可能。對(duì)應(yīng)于?ASMⅠ，1988年就開(kāi)發(fā)出SSSP程序；1998年對(duì)應(yīng)于ASMⅡ則有Efor軟件。這些程序和軟件可十分方便地使用于污水廠的設(shè)計(jì)，也可用于已有污水廠的靜態(tài)、動(dòng)態(tài)模擬以尋求最佳運(yùn)行狀態(tài)。

2 準(zhǔn)確使用活性污泥數(shù)學(xué)模型

　　使用計(jì)算機(jī)軟件簡(jiǎn)化了活性污泥模型計(jì)算過(guò)程，人機(jī)直接對(duì)話操作便利，但ASMⅠ和ASMⅡ的使用還有一定困難，主要有兩方面：一是進(jìn)水水質(zhì)的分析和測(cè)定；二是模型中各參數(shù)的校正。
　　如考慮污水除磷脫氮?jiǎng)t要測(cè)定進(jìn)水構(gòu)成中COD、氮、磷等溶解性和非溶解性、惰性和非惰性物質(zhì)，而且具體測(cè)定方法還未規(guī)范化，這是使用模型需要克服的一大難點(diǎn)，也是保證模擬結(jié)果正確的前提之一。IAWQ的專家組目前正致力于進(jìn)水水質(zhì)測(cè)定的簡(jiǎn)單化、規(guī)范化工作。
　　ASMⅠ、Ⅱ中均有幾十個(gè)參數(shù)，其中除了產(chǎn)率系數(shù)等幾個(gè)是恒定的，其它都隨環(huán)境條件的變化而變化，因此要根據(jù)實(shí)際工作條件對(duì)之進(jìn)行校正。校正時(shí)要順序進(jìn)行，每次僅可改變一個(gè)參數(shù)，這也是一個(gè)繁瑣的過(guò)程。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)某一具體污水廠而言，上述兩項(xiàng)使用模型的先期工作至少需要1～2個(gè)月的時(shí)間。
　　我國(guó)新頒布的城市污水廠排放標(biāo)準(zhǔn)GB 8978—1996對(duì)1998年1月1日之后建成的污水廠出水中氮、磷指標(biāo)提出了明確的要求，按接納水體的等級(jí)，污水廠出水中總磷含量分別不得超過(guò)1或0.5mg/L，這與發(fā)達(dá)國(guó)家的指標(biāo)基本一致。在這種形勢(shì)下，ASMⅠ、Ⅱ的運(yùn)用是必然趨勢(shì)。
　　我國(guó)在活性污泥模型的研究、使用方面起步較晚，雖然也有一些介紹模型的文章發(fā)表在各有關(guān)雜志和會(huì)議論文集，但在實(shí)際使用方面還相當(dāng)滯后，當(dāng)務(wù)之急是邁出具體使用的步伐，通過(guò)實(shí)驗(yàn)收集大量數(shù)據(jù)，得出適合于我國(guó)國(guó)情的模型參數(shù)及各地區(qū)城市污水的特征，同時(shí)選出幾個(gè)不同處理工藝的活性污泥法污水廠作為試點(diǎn)，使用ASM進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)模擬，分析其結(jié)果，從而逐漸縮小我國(guó)在模型使用方面與國(guó)外的差距。

參考文獻(xiàn)

　　1 Henze M et al.Activated Sludge Model No.1.In：IAWPRC Scientific and Technical Reports No.1.1987
　　2 Henze M et al.Activated Sludge Model No.2.In:IAWQ Scientific and Technical Reports No.3.1995
　　3 顧夏聲.廢水生物處理數(shù)學(xué)模式.1993

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　　(收稿日期 1998-12-07)