ASM發(fā)展及其在SBR工藝中的應用

ASM（Activated Sludge Model）即活性污泥模型，是國際水質(zhì)協(xié)會(huì )（IAWQ）針對污水活性污泥法處理推出的數學(xué)模型。ASM是為了解決廢水生物處理設計和操作過(guò)程中的問(wèn)題而推出的，主要目的是為了獲得最優(yōu)化的效果。ASM自從推出以來(lái)，得到了廣泛的應用；其本身也在不斷地發(fā)展和完善�，F在，這個(gè)系列模型已經(jīng)運用到了各種污水處理工藝如接觸氧化、氧化溝、SBR等工藝中。

1．ASM發(fā)展概述

1987年，IAWQ推出了ASM1[1]，這個(gè)模型包括了有機物氧化及硝化和反硝化的生物過(guò)程，由于這個(gè)模型能夠很好地模擬污水處理結果，所以得到了研究者的認同。1995年，IAWQ推出了ASM2[2]，它在A(yíng)SM1的基礎上引入了生物除磷以及化學(xué)除磷的過(guò)程。1999年，IAWQ同時(shí)推出了ASM2d[3]和ASM3[4]。ASM2d 是對ASM2的進(jìn)一步完善，改正了ASM2中對磷聚集微生物（Polyphosphate Accumulating Organism，簡(jiǎn)寫(xiě)為PAO）的不恰當描述。而ASM3是在總結和修正ASM1模型缺陷的基礎上提出的，采用了與ASM1不同的理論依據，ASM3中同樣包括有機物氧化、硝化和反硝化，而沒(méi)有包括生物除磷。2001年，由負責建立ASM3的學(xué)者推出了EAWAG Bio-P[5]模型，這個(gè)模型建立在A(yíng)SM3基礎上，采用了ASM2d的一些觀(guān)點(diǎn)，在A(yíng)SM3的基礎上增加了生物除磷的過(guò)程，但不包括化學(xué)除磷。

ASM共有的特點(diǎn)在于將污水中的組分分為可溶性組分和顆粒性組分，其中可溶性組分包括溶解氧、堿度及大部分污染物，顆粒性組分包括微生物及部分污染物，應用理論建立生物或化學(xué)反應過(guò)程（基于莫諾特方程式）。在表達方面最主要的特點(diǎn)是采用矩陣形式來(lái)描述各組分在反應過(guò)程中的變化規律和相互關(guān)系，這就簡(jiǎn)化了反應速率方程式的表達，有利于計算機程序的編碼。ASM矩陣反應速率中采用了“開(kāi)關(guān)函數”的概念，用來(lái)反映環(huán)境因素改變而產(chǎn)生的抑制作用，可以避免那些因為具有不連續特性的反應過(guò)程在模擬過(guò)程中出現的數值不穩定的現象；例如在反硝化反應速率中加入一項，其中為氧飽和速率常數，為溶解氧濃度，當溶解氧趨于0時(shí)，此項為1，反硝化過(guò)程順利進(jìn)行，反之，當溶解氧濃度增大到一定限度時(shí)，此項趨近于0，反硝化過(guò)程停止。此外，研究者還可以根據理論發(fā)展及實(shí)際情況的需要對現有的ASM進(jìn)行反應過(guò)程的增加或簡(jiǎn)化，這無(wú)疑擴大了ASM應用的靈活性。

2．ASM對污水處理過(guò)程的描述

由于A(yíng)SM建立在對微生物反應過(guò)程的描述之上，所以對反應過(guò)程描述的不同也就導致了模型表達的不同，而其根本原因是采用了不同的理論。ASM1、ASM2、ASM2d排除了傳統的維持（Maintenance）理論和內源呼吸（Endogenous Respiration）理論，采用了死亡-再生（Death Regeneration）理論，而ASM3、EAWAG Bio-P模型采用了內源呼吸理論。

圖1是ASM1對模型反應過(guò)程的描述�？梢钥吹�，模型中異養性微生物和自養性微生物（硝化菌）并不是完全分開(kāi)的，即模型中兩種微生物反應的計算會(huì )相互影響。ASM1包含了13種組分，8種反應過(guò)程。

ASM2中，認為PAO不能夠進(jìn)行反硝化反應，而許多研究發(fā)現部分PAO能夠在內源呼吸時(shí)利用硝酸鹽（亞硝酸鹽）氮，從而發(fā)生反硝化反應。ASM2d正是考慮到這一點(diǎn)而在A(yíng)SM2基礎上改進(jìn)的。

圖2是ASM2d對模型反應過(guò)程的描述�？梢钥吹�，由于PAO的引入，模型變的格外復雜。為了方便計算，ASM2d認為模型中的異養性微生物是“萬(wàn)能”微生物，它們能夠在好氧或兼性（反硝化）狀態(tài)下生長(cháng)，也能夠在厭氧狀態(tài)下保持活性（發(fā)酵）。此外，ASM1中的易生物降解基質(zhì)被可發(fā)酵、易生物降解有機基質(zhì)和發(fā)酵產(chǎn)物所代替；而ASM1中的顆粒性及溶解性有機氮由于難于測量，極易轉化，所以除ASM1外的模型均省略了這兩個(gè)組分，認為它們應該作為顆粒性慢速生物降解基質(zhì)中含量固定的部分，如果含量是變化的，需要增加附加的組分和反應過(guò)程。

由于現在對生物除磷原理的了解仍然不是很完善，所以ASM2d選擇了一個(gè)簡(jiǎn)單的模型對PAO進(jìn)行描述，這個(gè)模型允許對生物除磷進(jìn)行預測，但是沒(méi)有包括所有觀(guān)測到的現象。所以，IAWQ建議將ASM2d作為以后模型發(fā)展的基礎。ASM2d假設PAO只能夠在好氧、兼氧條件下生長(cháng)，只能利用細胞內部貯存的有機物質(zhì)聚羥基烷酸（PHA）進(jìn)行生長(cháng)，這個(gè)假設對于A(yíng)SM2d來(lái)說(shuō)是一個(gè)很不利的限制，可能需要以后進(jìn)一步的改進(jìn)。

ASM2d包含了19種組分，21種反應過(guò)程。

圖3是ASM3對模型反應過(guò)程的描述�？梢钥吹�，模型中異養性微生物和自養性微生物（硝化菌）是完全分開(kāi)的，即它們的衰亡過(guò)程采用了兩個(gè)不同的方程，這就避免了它們的相互干擾。ASM3認為，貯存-內源呼吸能更好地描述微生物的衰亡過(guò)程，而不是像ASM1采用的水解模式。

ASM3包含了13種組分，12種反應過(guò)程。

EAWAG Bio-P與同樣考慮了生物除磷的ASM2d不同，這個(gè)模型忽略了易生物降解基質(zhì)的發(fā)酵過(guò)程。這個(gè)假設是建立在統計學(xué)模型分析和研究結果基礎上的，這些成果表明，典型的市政污水中，不存在發(fā)酵過(guò)程對釋磷過(guò)程的限制性作用。對PAO的描述方面，EAWAG Bio-P和ASM2d主要的不同在于應用了內源呼吸以及較低的兼氧衰亡速率。由于PAO厭氧衰亡的值很小，所以EAWAG Bio-P忽略了這個(gè)過(guò)程。

圖2中ASM2d對PAO的描述也基本適用于EAWAG Bio-P模型，只是水解過(guò)程變成了內源呼吸（產(chǎn)物僅為惰性顆粒有機物），無(wú)發(fā)酵產(chǎn)物這一組分，不包括化學(xué)除磷過(guò)程（可根據需要增加）。

EAWAG Bio-P包含了17種組分，23種反應過(guò)程。

3．ASM在SBR工藝中的應用

自從IAWQ推出ASM后，就不斷有研究者將其應用到SBR工藝中。因為對于SBR這樣運行狀況多變的污水處理工藝，利用數學(xué)模擬的方法來(lái)進(jìn)行輔助設計和優(yōu)化控制是很有必要的，否則很難達到預期的設計目標[6]。SBR工藝與傳統的活性污泥工藝相比，應用ASM模型最大的不同之處在于必須對SBR中的時(shí)間控制以及容積的變化進(jìn)行描述。

J Oles[7]等人應用ASM1對SBR工藝進(jìn)行了模擬，他們的研究表明，經(jīng)過(guò)對模型中參數的修正，使之適用于SBR后，模型能夠很好地預測SBR操作過(guò)程中COD、氨氮、硝酸鹽氮的變化。

G Andreottola[8]等人采用了修正的ASM1對SBR工藝進(jìn)行了動(dòng)態(tài)模型的研究和參數靈敏度分析，他們將ASM1中認為一步完成的硝化反應修正為亞硝酸鹽化和硝酸鹽化兩個(gè)階段，引入了硝酸鹽化的開(kāi)關(guān)函數，并采用最小二乘法對模型進(jìn)行優(yōu)化控制，以使排水中的氮濃度最小，他們的研究結果表明，修正后的模型能更好地模擬廢水處理的結果。

A Brenner[9]采用了修正的ASM2模型來(lái)模擬SBR工藝在處理市政污水時(shí)其中N、P的轉換情況，他同樣將硝化反應分為兩步，考慮到了游離態(tài)氨氮的積累，不過(guò)他認為自養性的反硝化細菌可以同樣利用亞硝酸鹽和硝酸鹽進(jìn)行反硝化反應，這個(gè)現象發(fā)生在進(jìn)水混合期。對異養性微生物也沒(méi)有再分為反硝化菌和非反硝化菌兩類(lèi)，而是通過(guò)一個(gè)兼氧的轉換系數來(lái)控制這兩種生物的反應的起始。污水中的惰性顆粒物質(zhì)的產(chǎn)生，他認為主要來(lái)源于細菌的衰減，而可溶性組分主要來(lái)源于有機物的水解；污水中PAO的生長(cháng)，主要發(fā)生在缺氧進(jìn)水階段。

Hong Zhao[10]等人對比了ASM2和ASM2簡(jiǎn)化模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型對SBR工藝的模擬結果，他們的研究結果表明：ASM2的模擬結果能夠更好地預測和解釋SBR特定運行狀態(tài)下的運行數據，但是需要經(jīng)常校正其中的系數；而ASM2簡(jiǎn)化模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )的混合模型能夠提高預測的準確度，模型的魯棒性也增強了。所以他們建議，利用ASM2進(jìn)行過(guò)程細節的模擬，而利用混合模型來(lái)進(jìn)行在線(xiàn)預測和控制。

此外，還有很多人用針對SBR工藝特有的現象提出了相應的動(dòng)力學(xué)描述方程式。如A A Kazml[11]等人利用ASM2的基本思路，針對SBR脫磷過(guò)程中系統中存在的氮對脫磷反應的影響建立了動(dòng)力學(xué)方程，可以用來(lái)修正ASM中對這一部分考慮的欠缺。他們還通過(guò)改變進(jìn)水負荷觀(guān)察到了PAO的細胞內貯能產(chǎn)物PHA在反應中起到的重要作用。他們的研究證明，當方程式中的動(dòng)力學(xué)參數選擇合適時(shí)，模型的預測值與實(shí)驗值是吻合的。

S Marsill[12]等人采用了一個(gè)修正的ASM2d模型并結合Matlab軟件進(jìn)行了SBR工藝的仿真，同時(shí)利用模擬污水校準了其中的一些反應常數的值，對SBR工藝中存在的生物增強性除磷現象也進(jìn)行了研究。他們在方程中用了亞硝化—硝化兩個(gè)種群細菌的反應來(lái)解釋硝化反應，而不象ASM中那樣只采用了一個(gè)反應式，對反硝化反應也分為兩步進(jìn)行，同時(shí)考慮到了游離態(tài)氨氮的積累對反硝化反應的阻滯現象。他們對SBR中微生物在好氧—厭氧交替運行下發(fā)生的增強性生物除磷現象也進(jìn)行了數學(xué)描述，并用了完全不同的方程式來(lái)描述污水中PAO的生長(cháng)情況。他們的實(shí)驗數據與理論預測非常接近。

J MIkosz[13]等人應用了SimWorkTM這種為SBR處理廠(chǎng)的運行而開(kāi)發(fā)的軟件（核心采用了ASM）對某污水處理廠(chǎng)的運行進(jìn)行了模擬。他們進(jìn)行模擬的目的是為了獲得最佳的SBR循環(huán)時(shí)間和反應階段的調整策略，讓系統在低溫（<10℃）情況下仍然保持較高的硝化效果，但同時(shí)又不影響系統的反硝化及生物增強性除磷的效果。經(jīng)過(guò)對污水處理廠(chǎng)反應常數的校準和動(dòng)態(tài)模擬之后，他們找到了最佳的反應狀況。污水廠(chǎng)的運行結果顯示：當污水在低溫（6℃）下運行時(shí)，采用最佳的反應條件（時(shí)間序列控制），系統硝化效率可以提高50%~80%，生物增強性除磷的效率可以提高45%~75%，但是卻不影響反硝化的效率，總氮的去除率仍然可以從原來(lái)的70%提高到80%。

由于SBR工藝具有一定的局限性，所以出現了很多基于SBR的新工藝，如CASS、DAT-IAT、MSBR等。對于這些改良SBR工藝的數學(xué)模型，也有學(xué)者進(jìn)行了研究。

L Novák[14]等人采用了ASM1對CASS工藝（尤其對于CASS中的生物選擇器）進(jìn)行了模擬，他們的模型可以描述反應器容積的變化以及生物反應的過(guò)程，模擬廢水中各種污染物的動(dòng)態(tài)變化。他們建議，為了取得更好的模擬結果，需要考慮反應器的水力學(xué)模型。

W Wu[15]等采用了Dold模型（與ASM1類(lèi)似）來(lái)模擬MSBR的運行，在模型中綜合考慮了脫氮與除磷的存在。他的模型中引入了6種缺氧活性污泥的代謝，其中有一些和ASM2d中的描述是一樣的，同時(shí)，他的模型中采用了更為詳盡的生物反應階段的描述。其模擬結果表明，系統模擬的相對誤差<2~3%，說(shuō)明系統模擬的結果較可靠。

4．當前SBR污水處理數學(xué)模型存在的主要問(wèn)題

盡管針對SBR污水處理工藝已經(jīng)有很多人提出的數學(xué)模型，也取得了很好的模擬結果，但是仍然存在一些問(wèn)題：

（1） 研究者建立的各種模型一般均是針對傳統SBR工藝的，應用到改良SBR工藝中時(shí)有時(shí)需要很大的改變；

（2）對于SBR工藝脫氮除磷的機理還沒(méi)有統一的完善認識，影響了模型正確的建立；

（3）由于A(yíng)SM本身的局限性，限制了建立的模型在工業(yè)廢水中的應用；

（4）在應用數學(xué)模型進(jìn)行輔助設計、仿真優(yōu)化污水處理廠(chǎng)的運行時(shí)，需要校正很多參數，消耗大量的時(shí)間和精力；

（5）根據我國目前污水處理廠(chǎng)的設計、運行和水質(zhì)監測水平，直接應用這些數學(xué)模型還是有一定困難[16]，如何根據我國國情來(lái)建立合適的模型，仍然是一個(gè)問(wèn)題。

5．結論

由于可以對污水處理設施進(jìn)行仿真模擬和優(yōu)化控制，ASM得到了廣泛的應用，尤其對于SBR工藝這樣具有明顯操作靈活性的工藝而言，應用ASM進(jìn)行控制可以得到顯著(zhù)的脫氮除磷效果；但是由于A(yíng)SM本身的局限性，在應用過(guò)程中仍然有很多問(wèn)題，需要進(jìn)一步的研究。

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