活性污泥2号模型及其扩增模型的研究进展

徐丽婕 施汉昌
(清华大学环境科学与工程系，环境模拟与污染控制国家重点实验室，北京，100084)

前　言：

　　随着数学模型在污水处理中的重要性日益明显，国际水质协会(IAWQ)于1983年成立了课题组，提出为污水生物还处理系统的设计与运行开发并研制使用的模型。课题组于1987年提出了活性污泥1号模型(ASM1)，并在此基础上开发了包括脱氮除磷的2号、3号模型，这些模型综合了活性污泥系统中碳氧化、硝化、反硝化以及生物除磷等多个过程，全面体现了活性污泥系统的主要功能。1999年ASM2扩增模型(ASM2D)的提出，又解决了ASM2中有关聚磷菌反硝化的问题。活性污泥2号模型(ASM2)比活性污泥1号模型(ASM1)增加了与生物除磷有关的生物过程，包含了更多的组分因而更为复杂。但是ASM2假设聚磷菌只能在好氧条件下生长，而ASM2D模型包括了能进行反硝化的聚磷菌。因而ASM2D比ASM2增加了2个生物过程，用以描述聚磷菌利用细胞内的存储物质进行反硝化的过程。

ASM2D模型介绍

　　· 模型的组分（模型所有组分的符号按溶解性和颗粒性划分，共有19个组分）
　　其中溶解性组分有：发酵产物S_A、污水的碱度SALK、快速生物降解有机物S_F、惰性溶解性有机物S_I、氮气S_N2、铵态氮与氨态氮S_NH4、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮S_NO3、溶解氧S_O2、溶解性无机磷S_PO4以及快速生物降解基质S_S。
　　颗粒性组分有：硝化菌X_AUT、异养菌X_H、惰性颗粒性有机物X_I、金属氢氧化物X_MeOH、聚磷菌X_PAO、聚磷菌的细胞内部储存物X_PHAM、聚磷X_PP、可慢速生物降解基质X_S以及总悬浮固体X_TSS。
　　·ASM2D的各种生物过程（ASM2D有21种生物过程，ASM2为19种）
　　水解过程：包括好氧水解、缺氧水解、厌氧水解三个过程。
　　兼性异养菌的工艺过程：包括X_S的水解，S_F和S_A的好氧降解，S_F和S_A的缺氧降解，S_NO3的还原以及S_F厌氧发酵成为S_A。此外，还有异养菌自身的衰减和溶菌过程。
　　聚磷菌的工艺过程：某些类型的聚磷菌能以聚合磷酸盐的形式聚积磷化合物，还有一部分聚磷菌能进行反硝化作用(这在ASM2中考虑没有考虑)。与聚磷菌有关的工艺过程有：X_PHA的厌氧储存，X_PP的好氧储存及缺氧储存，X_PAO的好氧生长及缺氧生长，X_PAO、X_PP和X_PHA的分解。
　　硝化过程：假定硝化过程由氨氮直接转化成硝酸盐氮。这包括硝化菌的生长和自我分解。
　　磷的化学沉淀：包含了沉淀和再溶解这两个过程，并假设二者是可逆的过程。
　　·ASM2D的表达基础
　　矩阵符号法：在ASM1中课题组引入矩阵符号法来表达生物动力学模型，在ASM2D中继续采用相同的方法。模型中所考虑的各种组分和转换过程分别用i和j作为序号进行描述，计量学系数采用计量学矩阵vij来表达。过程速率方程构成一个向量ρj，在所有平行工艺过程中，组分i的产生速率ri可以采用加合法计算：r_i=Σv_iiρ_i(包含所有工艺过程j)
　　连续性方程： ASM2D考虑了COD、电荷、氮和磷的连续性。对所有工艺过程j和置于连续性的所有物质c均有效的连续性方程可以写作：Σv_iji_ci=0(对应所有组分i)。
　　式中：　v_ij--工艺过程j组分i的计量学系数，
　　　　　　i_ci--单位组分i转化为单位物质c的转换因数，按此应用连续性。

　　每个连续性方程都包含先前的信息，用于相应的工艺过程。在其他系数值已知的情况下，每个连续性方程均可预测一个计量学系数，不需要进行试验。该模型以物料平衡为计算基础，用矩阵来描述各有关物质浓度、反应速率、反应动力学参数及化学计量系数之间的关系。
　　污水相关组分的浓度、计量学系数和动力学参数值不是ASM2D的组成部分，但却是模型具体应用时不可缺少的。课题组按模型的组成，给出了初沉出水各种组分的典型浓度值和一套模型参数值。

ASM2及ASM2D与其他模型的整合及其应用

　　·ASM2与SPM&NN整合模型在SBR工艺的应用比较
　　Hongzhao等人用ASM2、SPM（ASM2简化模型）和NN（神经网络模型）分别模拟了SBR工艺的营养物去除动力学。结果表明，ASM2模型对营养物去除过程提供了最详尽的动力学描述并对SBR工艺有很好的理解，因此最适合于对工艺进行比较细致的模拟和分析。简化模型SPM包含的模型参数和过程较少，可以得到与ASM2相近的模拟预测结果，但是在工艺过程改变时需要对模型参数不断的进行校正。而SPM和NN的整合模型综合了动力学模型和神经网络模型的优点，可以在不同工艺情况下提供良好的模拟预测，是一种有发展前景的新颖的模拟工具，适用于活性污泥系统的在线预测和过程控制。
　　·ASM2D与其他除磷模型的整合
　　S.C.F.MEIJER等人利用生物除磷模型和ASM2D模型的整合模型（即TUDP模型，VAN VELDHUIZEN，1999）模拟实际污水处理厂的脱氮除磷过程。模型中除磷部分用3个储存聚合物（即PHA,GLY和PP）来对8种细胞内的生物过程进行描述：厌氧PHA存储，厌氧PP分解，好氧/缺氧PP/GLY合成以及好氧/缺氧PHA分解。重点研究了TUDP模型在模拟实际污水处理时操作参数、模型化学计量学参数以及模型的校正方式。研究表明这种TUDP模型无需改变化学计量学矩阵就可以正确地模拟污水厂稳态运行时各组分浓度，并能准确的预测出水水质。
　　TUDP模型还在Haarlem Waarderpolder污水厂的侧流除磷工艺（Brdjanovic,2000）和Holten污水厂主流除磷工艺（Van Veldhuizen,1999）中得到校正和应用。其中Haarlem Waarderpolder污水厂还利用该模型对于A/O、UCT和BCFs三种不同的BPR生物除磷工艺进行了比较。在该污水厂的应用中，调整了3个参数以后的TUDP模型能够很好的描述污水厂的处理能力，以及三种BPR工艺的除磷能力，其中BCFs工艺的基建投资和操作费用相对较低。
　　MARK.C.M.VAN LOOSDRECHT等人利用ASM2D模型与Delft除磷模型的整合模型研究比较了两种BNR（生物法去除营养物）工艺：UCT和A2N。该研究基于这种整合模型，在不同的SRT和温度条件下对这两种工艺的出水水质、污泥产量、耗氧情况进行了评价。研究表明整合模型能对这两种工艺进行正确的评价：UCT和A2N都能进行脱氮除磷处理，并且在常温范围内（10－20℃）两种工艺的出水N、P浓度都满足出水标准； A2N工艺在N的去除上表现得更为稳定，与UCT工艺相比，A2N污泥产量高6%，但能耗、回流量和占地都分别减小35%、85%和30%。

ASM2D模型的限制

　　ASM2D可以作为污水生物除磷脱氮系统的工具，适用于任何类型的城市污水：原污水、初沉出水或者化学预沉淀出水。但是作为一个模拟污水处理系统的模型来说，ASM2D必然有某种程度的简化、假设，也就必然有一定的约束和限制。
　　与模型本身有关的假设和限制：如系统应在恒温下运行，pH值维持在中性，硝化速率系数假定恒定等等，而且ASM2D不区分个体细胞的组成(细胞内部结构)，仅考虑生物量的平均组成。由模型结构产生的限制：例如模型没有考虑钾和镁对生物除磷的限制作用，以及亚硝酸盐和一氧化氮对生物除磷的抑制作用。在用于实际模拟时也有限制：模型是为生活污水处理而设计的，不宜用于工业废水含量高的污水；没有考虑沉淀池的固液分离问题。目前对高温和低温状态下PAOs的特性还不完全清楚，模型对磷的去除不一定能给出合理的预测。

结　论：

　　ASM2D模型是污水生物处理工艺设计与运行数学模拟课题组的重要工作成果，它提出了包含化学需氧量（COD）、氮和磷去除过程在内的综合性生物处理工艺过程动态模拟理论。虽然ASM2D模型还有很多限制条件，但它作为模拟生物除磷脱氮的基础，为生物除磷脱氮综合模型的进一步开发提供了一个很有用的框架。

参考文献：

1.S.C.F.MEIJER,M.C.M.VAN.LOOSDRECHT and J.J.HEIJNEN, Metabolic Modeling of Full-scale Biological Nitrogen and Phosphorus Removing WWTP‘s, Wat.Res.Vol.35, No.11,pp.2711-2723,2001