徐偉鋒　顧國維　張芳
（同濟大學污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海　200092）

　　摘要：利用聚磷菌在缺氧條件下的吸磷和反硝化作用，實現(xiàn)氮、磷的同時去除，是具有實用前景的城市污水處理方法，而建立活性污泥法脫氮、除磷的數(shù)學模型則有利于該項技術(shù)的推廣應用。文中對ASM2d模型、Barkerand Dold模型、Delft模型作了較為詳細的介紹，提出了由聚磷菌引起的缺氧吸磷和反硝化作用中需要解決的 2個問題：反硝化聚磷菌濃度的確定和由反硝化聚磷菌吸磷所引起的磷的減少量。
　　關(guān)鍵詞：模型；生物營養(yǎng)物去除；生物過量除磷作用；缺氧吸磷
　　中圖分類號：X703.1　 文獻標識碼：A 　文章編號：1009－2455（2004）02－0001－04

Development of Mathematical Models
of Demtrihcation and Dephosphorization by Activated Sludge Process
XU Wei－feng GU Guo-wei ZHANG Fang
（She Key Lab of Pollution Control and Resource Reuse，Tongji Universiry Shanthe 200092，China）

　　Abstract：The use of the phosphorus uptake and denltrification of PAOs under anoxic conditions for the　realization of the simultaneous removal of nltrogen and phosphorus is a method with practical prospect for munic－ipal sewage treatment，and the establishment of the mathematical models of denitrlfication and dephosphorization　by activated-sludge process benefits the popularization and application of this technofogy.Models ASM2d，Barker　and Dold and Delft are presented in a detailed way in this paper，with two issues raised which need to be re－solved in the anoxic phosphorus uptake and denitrificatlon caused by PAOs，i.e.the determination of the concen－tration of denitrification PAOs and the decrease of phosphorus caused by the phosphorus uptake of denitrification-PAOs.
　　Key words： model; biological nutrient removal; biological excess phosphrus removal;anoxic phosphrus　uptake

　　自1990 年以來，許多學者相繼報道有缺氧吸磷現(xiàn)象^[1]，即所謂的反硝化除磷作用。這種作用在原理上是通過一種兼性反硝化細菌獨特的生物攝／放磷作用而實現(xiàn)的，這種新途徑將反硝化脫氮與生物除磷有機地合二為一，可節(jié)省約50％的COD和30％的耗氧量，并相應減少50％的剩余污泥量。因而被譽為可持續(xù)的處理技術(shù)^[2]。事實上，實踐中已盛行的 UCT藝存在著不少反硝化聚磷菌（DPB）。在工程實踐中，荷蘭Delft大學研發(fā)出一種變型的UCT藝——BCFS，并在10座升級或新建污水處理場中實際應用，但這方面模型的研究工作還比較少。因此，在描述生物營養(yǎng)物去除的數(shù)學模型中，需包括由DPB引起的缺氧吸磷和反硝化作用。
1 介紹3個主要模型
　　Barker和Dold^［3］試圖通過以下兩種方法將DPB包括在聚磷菌好氧吸磷的模型中：①兩類聚磷菌屬，即反硝化聚磷菌和好氧聚磷菌；②一類聚磷菌屬，即在生物除磷系統(tǒng)中只存在一類聚磷菌。大量試驗已證實確實存在著兩類聚磷菌，然而，以兩類聚磷菌為基礎(chǔ)的數(shù)學模型的缺點是，在含好氧段的系統(tǒng)中好氧聚磷菌會大量增殖并最終成為優(yōu)勢菌種，使DPB所占比例越來越低。正是認識到上述的缺陷，模型中通常只包括一類聚磷菌，采用不同的反應速率，甚至在某些情況下采用不同的化學計量系數(shù)。目前主要有3個模型描述缺氧吸磷和反硝化作用：①ASM2d模型；②Barker＆Dold模型[3]；③Delft模型^[4]
1.１　ASM2d模型
　　ASM2d模型通過增加 DPB的兩個過程對ASM2 模型進行了進一步延伸，其主要闡述了在缺氧條件下聚磷菌能利用體內(nèi)貯存的PHA進行：①增殖；②吸磷并轉(zhuǎn)變?yōu)榫哿谆衔铩＿@兩個過程與好氧聚磷菌的增殖和吸磷過程一樣，只是在缺氧條件下分別乘一個折減系數(shù)η_NO3 即可。這說明并不是所有的聚磷菌都能在缺氧條件下生長和貯磷，或者說反硝化聚磷菌的生長速率、貯磷速率比好氧聚磷菌要低。
　　應當說明的是，異養(yǎng)菌水解慢速可生物降解有機物的折減系數(shù)（η_Fe）從ASM2 中的0.l增加到ASM2d中的0.2 這顯著地增加了在厭氧條件下慢速可生物降解有機物水解為易生物降解有機物的速率，其結(jié)果是易生物降解有機物更快地被發(fā)酵為揮發(fā)性脂肪酸（VFA），這種VFA被聚磷菌所吸收，最終增強了生物除磷系統(tǒng)的效果。
1.2 Barker＆Dold模型
　　Barker＆Dold模型是以 ASM1 和聚磷菌的數(shù)學模型^[5-6]為基礎(chǔ)作了相應的修改，其主要修改部分為：①聚磷菌的缺氧吸磷及反硝化作用；②COD的去除。
1.2.1 聚磷菌的缺氧吸磷及反硝化
　　Barker和Dold認為一部分聚磷菌在缺氧條件下能利用NO₃^-作為電子受體，進而氧化體內(nèi)貯存的PHB并從環(huán)境中吸收磷酸鹽。認識到以兩類聚磷菌為基礎(chǔ)的數(shù)學模型的缺陷，它們在缺氧、好氧條件下分別采用不同的動力學常數(shù)和化學計量系數(shù)來引人一類聚磷菌，即乘以一個折減系數(shù)η_p。此外，與好氧條件相比，缺氧條件下吸磷速率較小。
1.2.2 COD的去除
　　COD的去除機理包括以下3個過程：①慢速可生物降解COD水解為易生物降解COD；②發(fā)酵過程：即異養(yǎng)菌將易生物降解COD水解為VFA。在ASM2 中使用Monod方程建立了發(fā)酵過程的動力學模型，只不過產(chǎn)率系數(shù)Y用的是厭氧條件下的產(chǎn)率系數(shù)Y_H，ANA。與AMS2 相比，該模型假定僅有部分發(fā)酵產(chǎn)物（Y_ac= 0.4）是短鏈脂肪酸，其余部分在系統(tǒng)中消失；③聚磷菌吸收VFA：由聚磷菌吸收的VFA中僅有部分（Y_PHB＝0.889）轉(zhuǎn)化為PHB，其余部分在系統(tǒng)中消失。
1.3 Delft模型
　　1996年Kuba等人^[7]以厭氧／好氧聚磷菌的好氧吸磷代謝模型為基礎(chǔ)，提出了厭氧／缺氧聚磷菌的缺氧吸磷代謝模型。隨后，Mumleituer等人^[4]綜合以上兩個模型形成一個厭氧／缺氧／好氧聚磷菌的完整代謝模型，稱為Delft模型。這個模型中成功地用同一套動力學方程和參數(shù)描述了兩種除磷機制，只是采用不同的參數(shù)值和不同的動力學常數(shù)。化學計量系數(shù)而已。
1.3.1 厭氧階段
　　對于厭氧階段的化學計量系數(shù)來說，認為厭氧／缺氧（A₂）系統(tǒng)中聚磷菌的所有內(nèi)部代謝過程是與厭氧／好氧（A／O）系統(tǒng)是一致的。對于厭氧階段的動力學常數(shù)來說，Kuba^[7]和Smolder^[8]都采用同一公式，但Kuba等人發(fā)現(xiàn)在A₂ 系統(tǒng)中聚磷菌的最大比吸收醋酸速率q_max為0.2 mmol／（mmol.h），低于A／O系統(tǒng)中的0.4 mmol（mmol·h）。在該模型中，采用平均值（0.3mmol／（mmol·h））來描述這個系統(tǒng)。
1.3.2 好氧／缺氧階段
　　描述好氧／缺氧聚磷菌的代謝路徑共用了6個代謝過程，其中4個過程（聚磷化合物的形成，增殖，糖原的形成和PHB的降解）與A／O，A₂／O系統(tǒng)中的過程是一致的，原因是在這些過程中不存在電子受體。然而，另2個過程（ATP形成和磷酸鹽吸收）則取決于電子受體的類型：①氧作為電子受體時，每克 NADH₂可產(chǎn)生 ATP為 δ₀ = 1.8，氧化每克 NADH₂ 可吸收磷酸鹽的數(shù)量ε₀= 7；②NO₃ ^-作為電子受體時， δ₀ = 0.9，ε₀= 3.5[7]。這意味著與好氧條件相比，聚磷菌在缺氧條件下可利用的能量要少，聚磷菌吸磷量要少。此外，ε值取決于δ值，兩者關(guān)系式為ε＝3.88。
2 對3個模型的評述
　　本文旨在選擇出合適的模型作為下一步研究工作的基礎(chǔ)，進而應用到脫氮除磷的活性污泥系統(tǒng)中。本文最重要的一點是包括了由聚磷菌引起的缺氧吸磷和反硝化作用，這需要解決兩個問題：①DPB所占比例的確定；②由DPB吸磷作用所引起磷的減少量。
2.1 ASM2d模型
　　該模型在處理上述第一個問題時，是在好氧聚磷菌的生長速率的基礎(chǔ)上乘以缺氧條件下的折減系數(shù)刀η_{NO3，G，PAO}，即得DPB生長速率。其中，折減系數(shù)η可認為與系統(tǒng)中DPB所占比例相等。從概念上來說，這種方法與 ASM1 模型和 UCT模型中包括反硝化異養(yǎng)菌的方法一樣，但這種方法的一個難題是要測定特定系統(tǒng)中DPB所占比例。ASM2 中并沒有涉及到對于異養(yǎng)菌或聚磷菌采取不同的好氧產(chǎn)率系數(shù)和缺氧產(chǎn)率系數(shù)。
　　ASM2d并沒有區(qū)別好氧聚磷菌和反硝化聚磷菌的代謝機理。因而，當發(fā)生缺氧條件下大量吸磷情況時難以準確地預測由DPB吸磷作用所引起的磷的減少量。實際上，如果磷的吸收不是一個限速步驟，則該模型中所有η_NO3可允許在缺氧條件下優(yōu)先進行吸磷，但吸磷速率降低了。
2.2 Barker＆Dold模型
　　該模型在處理上述第一個問題時與ASM2d-樣，都是乘以一個折減系數(shù)η_p。由于采用的方法與ASM2d一致，因而面臨的問題也一樣。此模型不包括降低了的DPB增殖產(chǎn)率，但包括降低了的異養(yǎng)菌增殖產(chǎn)率。
　　關(guān)于第二個問題，在該模型中將好氧聚磷菌和DPB的代謝機理加以區(qū)別，同時磷酸鹽的吸收和聚磷化合物的形成是通過化學計量系數(shù)f_p,UPT。（吸磷量／利用 PHB量，g［P］／g［PHB－COD」）與聚磷菌的生長和PHB的利用聯(lián)系在一起，此系數(shù)從好氧條件下的0.95減少至缺氧條件下的0.55。
　　 在應用該模型時，許多工藝過程要求進行詳細的研究，特別是好氧和缺氧反應器中所涉及到的下列4個過程：①慢速可生物降解COD水解為易生物降解COD；②COD的去除機理；③DPB所占比例；④缺氧條件下聚磷菌和異養(yǎng)菌的產(chǎn)率。目前人們對這些過程還不是十分清楚，它是今后研究方向的重點。
2.3 Delft模型
　　在該模型中，通過以下兩個數(shù)值來認識降低了的缺氧吸磷速率：即在好氧條件下 ATP／NADH₂ 比值為δ_好氧=l.8mol／mol，而缺氧條件下為δ_缺氧=0.9 mol／mol。δ是區(qū)別好氧吸磷和缺氧吸磷的唯一參數(shù)，此值進而影響到DPB的產(chǎn)率比好氧聚磷菌的產(chǎn)率要低。
　　該模型能較好地模擬好氧吸磷和缺氧吸磷。然而，在應用該模型時應注意下列3個問題：①所有的系統(tǒng)都是序批式反應系統(tǒng)；②系統(tǒng)進水中含有醋酸鹽；③磷是系統(tǒng)的限制因子。當將該模型應用于多個反應器、連續(xù)流、混合培養(yǎng)基和碳是限制因素的系統(tǒng)時，這3個都能影響生物強化除磷的作用。
　　當將該模型應用于處理實際污水的混合培養(yǎng)基系統(tǒng)時，應將該模型和ASM2中COD，N轉(zhuǎn)化方程結(jié)合起來，形成一個聯(lián)合代謝模型。但是，這種聯(lián)合代謝模型只有在一些生產(chǎn)性規(guī)模污水處理廠應用中是正確的。因此，這個模型還需要進一步深人研究，將它真正地完全應用于污水處理廠還需要做很多的研究工作。盡管如此，Delft模型包含了與聚磷菌缺氧生長（缺氧吸磷和反硝化作用）相關(guān)的非常有價值的信息。
　　通過以上比較和討論，可以看出 Barker＆Dold模型和 Delft模型在建立由DPB引起的缺氧吸磷和反硝化作用過程中，都考慮到了上述兩個主要問題。因而，這兩個模型可作為下一步模型發(fā)展的基礎(chǔ)。
3 結(jié)語
　　本文旨在評價了生物脫氮除磷的活性污泥系統(tǒng)的模型，并選擇出最合適的模型作為下一步研究工作的起點。從本文可以看出 Barker＆Dold模型和Delft模型是比較權(quán)威性的。在這些模型中包括了聚磷菌的缺氧習性，即聚磷菌在缺氧條件下的生長繁殖、吸磷和反硝化作用。如果涉及到聚磷菌的這些習性就必須認識到在缺氧條件下，聚磷菌的吸磷速率和聚磷化合物的形成速率會減慢，聚磷菌的產(chǎn)率會降低，目前有大量關(guān)于這方面的信息。另外，需要考慮的是厭氧條件下慢速可生物降解有機物的水解作用和COD的去除，這兩個過程對生物過量除磷的性能將產(chǎn)生重要的影響。
參考文獻：
　　[1] Kuba T，Smolders GJF，van Loosdrecht MCM，et al.Biological　phosphorus removal from wastewater by anaerobic－anoxic sequencing batch reactor［J］.Water Sci Technol，1993，27（5/6）：241-252
　　[2] 郝曉地，汪慧貞，Van Loosdrecht.可持續(xù)除磷脫氮BCFS工藝[J].給水排水，2002，28（9）：7－10.
　　[3] Barker PS，Dold PL.General model for biological nutrient　removal activated sludge systems：model presentation［J］.Water EnvironRes，1997，69（5）：969-984.
　　[4] Murnleitner E，Kuba T，Van Loosdrecht MCM，et al. An inte　grated metabolic model for the aerobic and denitnfying biological phosphorus removal process［J］.Biotech Bioeng，1997，54（5）：434—450.
　　[5]Wentzel MC, Ekama GA,Loewenthal RE, et al.Enhanced　polyphosphate organism cultures In activated sludge systems Part　Ⅱ：experimental behavior[J].Water SA，1989，15（2）：71－88.
　　[6] Wentzel MC，Dold PL，Ekama GA，et al.Enhyanced Polyphos－phate organism cultures in activated sludge systems Part Ⅲ：ki－netic model[J] . Water SA，1989，15（2）：89－102.
　　[7] Kuba T，Murnleitner E，van Loosdrecht MCM，et al.A metabolic　mdel for the biological phosphorus removal by denitrifying organisms[J].Biotech Bioeng，1996，（52）：685－695.
　　[8]Smolders GJF，van der Meij J，van Loosdrecht MCM，et al. A　structured metabolic model for the anaerobic and aerobic stoichiometry and kinetics of the biological phosphorus removal process[J].Biotech Bioeng，1995，（47）：277－287.

---

作者簡介：徐偉鋒（1978 －），男，浙江天臺人，同濟大學博士研究生，電話（021）65985914，sieve78107＠sina.com