废水生物处理过程的结构化模型

出　　自： 《中国给水排水》 1992年第6期第29页
发表时间： ： 1992-6

黄勇　杨铨大　王宝贞

(苏州城建环保学院　哈尔滨建筑工程学院)

　　数字模型方法正逐渐成为环境工程领域科学研究、工艺设计和过程控制的一种重要手段。目前，描述废水生物处理过程常用的多为所谓“机理模型”，即根据对过程的物理、化学和生物学现象的理解而建立起来的数学模型，它反映对所研究的系统行为机理的认识水平。
　　完整的废水生物处理数学模型由几个部分组成。首先，要阐明所研究系统的“结构”，即依据存在形态及在系统中的功能和作用，划分系统的组分，定性地描述各组分间的相互关系和所发生的物理、化学、生物反应和转化过程的性质，这一步骤称为建立“概念模型”或“结构化模型”，是机理模型的基础；其次，要给出一系列速率方程，定量地表达相应的反应和转化过程的方向和速率，常含有一些需要在特定条件下测定的动力学常数；此外，还要给出表明组分之间相互转化的守恒关系的参数，即计量参数；最后，要在给定系统的物理边界条件下，对每种组分建立稳态或动态的物料衡算方程。
　　本文采用概念模型的方法，简要回顾废水处理过程中有机物好氧生物降解数学模型的发展沿革，通过对迄今为止国内外研究成果的综合分析，提出一个改进的新模型。

1 传统模型及其结构化

　　废水生物处理数学模型的开发，受各种条件的制约，经历了从简单地拟合实验数据到采用经典微生物生长动力学研究方法，直至根据生物处理自身的特性进行过程分析和辩识的发展过程。早期Eckenfelder、Mckinney、Lawrence和Mccarty等人建立的数学模型得到广泛的应用，迄今仍是工艺设计的重要工具。这些传统模型的共同特点是将系统区分为两种组分，以BOD 5 或COD等综合指标测定可生物降解的有机物和活性微生物体(多以VSS测定)，定量描述二者之间的动力学关系及代谢过程中氧的利用。这类模型可用图1所示的概念模型结构图表示。

　　传统模型将有机物的去除机理表述为两个过程:生长过程包括底物作为碳源合成为细胞原生质的作用及为合成作用提供能源而被氧化的作用。微生物的衰减在此主要采纳了Herbert 的内源呼吸理论，细胞通过自身氧化提供维持能的需求，因而这一过程既消耗氧也导致生物量的减少。
　　生长衰减机理及其动力学表达式，在实践中遇到的问题主要有:
　　a.不能解释和描述废水处理中常见的有机物“快速去除”现象。
　　b.不能很好地预测实际中观察到的底物浓度增加时微生物增长速度变化的滞后，因而无法精确地模拟氧利用的动态变化。
　　c.所得出的出水底物浓度与进水浓度无关的结论与实际情况不符。
　　d.采用Mcnod方程描述废水生物处理中的生长过程，会导致细胞浓度预测值偏高。
　　这些问题的提出，以及日益严格的过程运行控制及对动态模拟的需求，使得模型化的研究工作有了进一步的深入和富有成果的进展。

2 模型化研究的进展

　　废水生物处理系统进水底物构成的复杂性和生物絮体中微生物生态系统的多样性，使系统的动力学特性与微生物学研究中的培养物有明显的区别，并表现出一些独特的性质。这些性质在模型化的研究中日益受到重视，由此对废水处理过程的机理提出了许多新的见解和观点。
　　2.1 贮存-代谢机理
　　试验测定发现，并非所有被结合到生物絮体中的底物都转化成为细胞原生质，其中部分是以“贮存物质”的形式存在于絮体内和细胞之间两类，可是人们将废水中的有机物按其存在形态，分为溶解性和非溶解性两类。悬浮和胶体状态的底物，由于迅速转移到生物絮体之上而从废水中去除。转移过程可能通过生物絮体的捕集(机械截面)、粘附等严格的物理过程实现，然后被活性生物体吸附和吸收而成为贮存物质，逐渐被生长作用所降解利用。一些证据表明某些溶解性有机物，可能成为细胞体内的贮存物质。根据贮存——代谢机理建立的数学模型，如图2所示。

　　一些研究认为，贮存物质还应包括细胞分泌的胶状聚合物，这是形成生物絮体的重要组成部分，并可由此解释絮凝体的沉降性能。
　　2.2 存活——非存活细胞代谢作用机理
　　废水生物处理是典型的低比增长速率过程，不仅影响污泥中的活性细胞量，还导致细胞存活力即增殖能力的丧失。存活力并非生物活性的先决条件，已经证实后者可能因细胞破裂酶的溢出而得到增强，相当大程度的生物活性是由这些非存活细胞所提供的。因而，有机物的分解可以在不伴随生长的情况下发生，按照这一理论建立的数学模型，见图3所示。
　　2.3 细胞体的“死亡——再溶解”

　　上述模型中有关微生物衰减的过程，均是按照传统的Herbert的内源呼吸进行描述的，未考虑代谢残余物的产生。衰减过程的出发点，在于描述氧的需求和活性生物的质量损失。
　　事实上，活性微生物量的减少还可能由于如细胞存活力的丧失、自然死亡、细胞自溶和被捕食等，死亡的细胞重新溶解并作为一种附加底物的现象早已被注意。Dold等人(1980)的数学模型，对于微生物的衰减过程提出所谓“死亡——再生”机理的模型化方法，认为由于种种原因丧失存活力和死亡的细胞，相当多的部分成为可以缓慢生物降解的固态物，通过吸附一贮存机理被微生物降解利用。这样，传统模型中由于内源呼吸而消耗的氧，在此是通过死亡细胞的重新循环，成为生长作用的底物而耗用。衰减过程造成的微生物质量损失，通过形成惰性代谢产物完成。这种模型化方法，也能方便地描述
　　微生物在缺氧和无氧条件下的衰减过程。微生物的代谢产物不仅以固态存在，也以溶解的形式存在，细胞的衰减伴随着细胞的自溶和有机物质重新被溶解的过程。国际水污染研究与控制协会(IAWPRC)课题组(1987)，发表了硝化和反硝化活性污泥法综合动力学模型，其中采纳了Dold模型中对微生物衰减过程的模型化方法，但未接受贮存——代谢机理。该模型认为非溶解性底物，首先通过捕集和机械截留等途径，结合到絮体相中而从废水中去除，与生物反应速率相比，这一纯物理过程是瞬间完成的。被捕集的非溶解性缓慢生物降解有机物部分，则被微生物的胞外酶水解、液化成易于降解的溶解性底物，由生长过程所利用。微生物衰亡后的可生物降解部分与缓慢生物降解底物，经历同样的水解、利用途径。这样，易于降解溶解性底物微生物生长的唯一形式，而生长过程是利用溶解氧(耗能)的唯一过程，使模型得以大大简化。以微生物的“死亡——再溶解”机理模拟衰减过程的模型结构，如图4。
　　2.4 溶解性残余物的形成
　　通常认为，微生物活动所释放出来的溶解性代谢物(SMP)有两个来源，即生长过程中与底物利用有关的产物(UAP)和微生物衰亡过程中与生物体的解体相关的产物(BAP)。IAWPRC 模型，模拟了BAP的形成与利用。
　　文献中许多证据表明，部分SMP是不能为生物所降解的，在生长和衰亡过程的产物中，前者更可能易于降解，而后者则是溶解性不可生物降解有机残余物的主要来源。由此在获得实验证实的基础上，Orhon等人(1988)提出了模拟溶解性残余产物(SRP)形成的概念。

3 有机物去除的综合模型

　　我们认为模型的建立应满足以下几个目标:充分考虑废水生物处理自身的特点；较为深入地反映处理过程的生物反应实质；满足对系统的动态变化进行有效模拟的要求；并考虑到模型参数测定和实际应用的可行性。
　　以IAWPRC模型的有机物去除和异养菌生长模型为基础，充分反映废水处理过程的低比增长速率导致细胞丧失存活力和代谢残余物，提出一个改进的新模型。
图5是采用结构框图方法，表示废水生物处理过程(有机物去除)的概念模型。
　　图中将进水COD划分为四种组分，其中易降解的溶解有机物，可以直接作为底物提供微生物生长过程所利用；非溶解性和部分溶解性大分子有机物，统一以缓慢降解的非溶性底物表示，它们首先被瞬间捕集截留于生物絮体中。然后经历水解过程，溶解为易降解底物被利用，活性生物体由于多种机理而衰亡。按生物反应特性分为两类固体代谢产物，即惰性残余物在污泥中的积累和失去存活力的细胞有机体。它们一方面可由于溶胞作用和胞外酶作用水解成溶解性底物，另一方面又表现出一定的生物活性，通过酶促反应途径降解有机物。系统中出水溶解性有机物由三种组分构成，其中剩余易降解有机物的来源有进水中原有的、非溶性有机物水解形成的和微生物代谢产物转化而来的。污泥相中的有机成分(混合液挥发分)由四组分构成。包括溶解氧，系统中共九种组分。

　　模型中鉴别了五种主要的转化过程，即截留—捕集、水解、微生物生长、衰亡及酶反应降解过程。截面——捕集过程与其它过程相比瞬间完成，因而不需速率表达式，其余四个过程均应提出适当速率表达式，以定量反映过程进行的快慢。模型中微生物生长和酶反应过程需要外界输入O 2 作为电子受体，表明了系统中主要的能量供给与利用途径，包括合成作用和微生物体的维持能需求。从模型结构图中，可以看出有三个过程出现了物质分流，必须用适当的计量参数描述形成不同物质的比例。这些废水组分的正确测定和计量参数、动力学参数的确定，是模型成功应用的关键之一。
　　概念模型具有十分明显的优点，它强调了系统的物理结构，反映出复杂系统中各种组分的相互关系和转化过程，使得对系统的数学描述具有清晰的概念，突出了机理模型与经验公式和统计模型的区别。结构化模型与一般阐述机理图示的不同，在于提供了定量化描述的构架。其中组分的划分和过程的识别，都考虑数学表达的便利和参数测定的可能性，因而是对实际过程和机理的概括、简化。