ASM發(fā)展及其在SBR工藝中的應(yīng)用

ASM（Activated Sludge Model）即活性污泥模型，是國際水質(zhì)協(xié)會（IAWQ）針對污水活性污泥法處理推出的數(shù)學(xué)模型。ASM是為了解決廢水生物處理設(shè)計和操作過程中的問題而推出的，主要目的是為了獲得最優(yōu)化的效果。ASM自從推出以來，得到了廣泛的應(yīng)用；其本身也在不斷地發(fā)展和完善�，F(xiàn)在，這個系列模型已經(jīng)運(yùn)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]，這個模型包括了有機(jī)物氧化及硝化和反硝化的生物過程，由于這個模型能夠很好地模擬污水處理結(jié)果，所以得到了研究者的認(rèn)同。1995年，IAWQ推出了ASM2[2]，它在ASM1的基礎(chǔ)上引入了生物除磷以及化學(xué)除磷的過程。1999年，IAWQ同時推出了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，簡寫為PAO）的不恰當(dāng)描述。而ASM3是在總結(jié)和修正ASM1模型缺陷的基礎(chǔ)上提出的，采用了與ASM1不同的理論依據(jù)，ASM3中同樣包括有機(jī)物氧化、硝化和反硝化，而沒有包括生物除磷。2001年，由負(fù)責(zé)建立ASM3的學(xué)者推出了EAWAG Bio-P[5]模型，這個模型建立在ASM3基礎(chǔ)上，采用了ASM2d的一些觀點，在ASM3的基礎(chǔ)上增加了生物除磷的過程，但不包括化學(xué)除磷。

ASM共有的特點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(yīng)用理論建立生物或化學(xué)反應(yīng)過程（基于莫諾特方程式）。在表達(dá)方面最主要的特點是采用矩陣形式來描述各組分在反應(yīng)過程中的變化規(guī)律和相互關(guān)系，這就簡化了反應(yīng)速率方程式的表達(dá)，有利于計算機(jī)程序的編碼。ASM矩陣反應(yīng)速率中采用了“開關(guān)函數(shù)”的概念，用來反映環(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(xù)特性的反應(yīng)過程在模擬過程中出現(xiàn)的數(shù)值不穩(wěn)定的現(xiàn)象；例如在反硝化反應(yīng)速率中加入一項，其中為氧飽和速率常數(shù)，為溶解氧濃度，當(dāng)溶解氧趨于0時，此項為1，反硝化過程順利進(jìn)行，反之，當(dāng)溶解氧濃度增大到一定限度時，此項趨近于0，反硝化過程停止。此外，研究者還可以根據(jù)理論發(fā)展及實際情況的需要對現(xiàn)有的ASM進(jìn)行反應(yīng)過程的增加或簡化，這無疑擴(kuò)大了ASM應(yīng)用的靈活性。

2．ASM對污水處理過程的描述

由于ASM建立在對微生物反應(yīng)過程的描述之上，所以對反應(yīng)過程描述的不同也就導(dǎo)致了模型表達(dá)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(tǒng)的維持（Maintenance）理論和內(nèi)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(nèi)源呼吸理論。

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

ASM2中，認(rèn)為PAO不能夠進(jìn)行反硝化反應(yīng)，而許多研究發(fā)現(xiàn)部分PAO能夠在內(nèi)源呼吸時利用硝酸鹽（亞硝酸鹽）氮，從而發(fā)生反硝化反應(yīng)。ASM2d正是考慮到這一點而在ASM2基礎(chǔ)上改進(jìn)的。

圖2是ASM2d對模型反應(yīng)過程的描述�？梢钥吹�，由于PAO的引入，模型變的格外復(fù)雜。為了方便計算，ASM2d認(rèn)為模型中的異養(yǎng)性微生物是“萬能”微生物，它們能夠在好氧或兼性（反硝化）狀態(tài)下生長，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(jī)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(jī)氮由于難于測量，極易轉(zhuǎn)化，所以除ASM1外的模型均省略了這兩個組分，認(rèn)為它們應(yīng)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(yīng)過程。

由于現(xiàn)在對生物除磷原理的了解仍然不是很完善，所以ASM2d選擇了一個簡單的模型對PAO進(jìn)行描述，這個模型允許對生物除磷進(jìn)行預(yù)測，但是沒有包括所有觀測到的現(xiàn)象。所以，IAWQ建議將ASM2d作為以后模型發(fā)展的基礎(chǔ)。ASM2d假設(shè)PAO只能夠在好氧、兼氧條件下生長，只能利用細(xì)胞內(nèi)部貯存的有機(jī)物質(zhì)聚羥基烷酸（PHA）進(jìn)行生長，這個假設(shè)對于ASM2d來說是一個很不利的限制，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(yīng)過程。

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

ASM3包含了13種組分，12種反應(yīng)過程。

EAWAG Bio-P與同樣考慮了生物除磷的ASM2d不同，這個模型忽略了易生物降解基質(zhì)的發(fā)酵過程。這個假設(shè)是建立在統(tǒng)計學(xué)模型分析和研究結(jié)果基礎(chǔ)上的，這些成果表明，典型的市政污水中，不存在發(fā)酵過程對釋磷過程的限制性作用。對PAO的描述方面，EAWAG Bio-P和ASM2d主要的不同在于應(yīng)用了內(nèi)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忽略了這個過程。

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

EAWAG Bio-P包含了17種組分，23種反應(yīng)過程。

3．ASM在SBR工藝中的應(yīng)用

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

J Oles[7]等人應(yīng)用ASM1對SBR工藝進(jìn)行了模擬，他們的研究表明，經(jīng)過對模型中參數(shù)的修正，使之適用于SBR后，模型能夠很好地預(yù)測SBR操作過程中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)行了動態(tài)模型的研究和參數(shù)靈敏度分析，他們將ASM1中認(rèn)為一步完成的硝化反應(yīng)修正為亞硝酸鹽化和硝酸鹽化兩個階段，引入了硝酸鹽化的開關(guān)函數(shù)，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(jié)果表明，修正后的模型能更好地模擬廢水處理的結(jié)果。

A Brenner[9]采用了修正的ASM2模型來模擬SBR工藝在處理市政污水時其中N、P的轉(zhuǎn)換情況，他同樣將硝化反應(yīng)分為兩步，考慮到了游離態(tài)氨氮的積累，不過他認(rèn)為自養(yǎng)性的反硝化細(xì)菌可以同樣利用亞硝酸鹽和硝酸鹽進(jìn)行反硝化反應(yīng)，這個現(xiàn)象發(fā)生在進(jìn)水混合期。對異養(yǎng)性微生物也沒有再分為反硝化菌和非反硝化菌兩類，而是通過一個兼氧的轉(zhuǎn)換系數(shù)來控制這兩種生物的反應(yīng)的起始。污水中的惰性顆粒物質(zhì)的產(chǎn)生，他認(rèn)為主要來源于細(xì)菌的衰減，而可溶性組分主要來源于有機(jī)物的水解；污水中PAO的生長，主要發(fā)生在缺氧進(jìn)水階段。

Hong Zhao[10]等人對比了ASM2和ASM2簡化模型及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對SBR工藝的模擬結(jié)果，他們的研究結(jié)果表明：ASM2的模擬結(jié)果能夠更好地預(yù)測和解釋SBR特定運(yùn)行狀態(tài)下的運(yùn)行數(shù)據(jù)，但是需要經(jīng)常校正其中的系數(shù)；而ASM2簡化模型和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的混合模型能夠提高預(yù)測的準(zhǔn)確度，模型的魯棒性也增強(qiáng)了。所以他們建議，利用ASM2進(jìn)行過程細(xì)節(jié)的模擬，而利用混合模型來進(jìn)行在線預(yù)測和控制。

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

S Marsill[12]等人采用了一個修正的ASM2d模型并結(jié)合Matlab軟件進(jìn)行了SBR工藝的仿真，同時利用模擬污水校準(zhǔn)了其中的一些反應(yīng)常數(shù)的值，對SBR工藝中存在的生物增強(qiáng)性除磷現(xiàn)象也進(jìn)行了研究。他們在方程中用了亞硝化—硝化兩個種群細(xì)菌的反應(yīng)來解釋硝化反應(yīng)，而不象ASM中那樣只采用了一個反應(yīng)式，對反硝化反應(yīng)也分為兩步進(jìn)行，同時考慮到了游離態(tài)氨氮的積累對反硝化反應(yīng)的阻滯現(xiàn)象。他們對SBR中微生物在好氧—厭氧交替運(yùn)行下發(fā)生的增強(qiáng)性生物除磷現(xiàn)象也進(jìn)行了數(shù)學(xué)描述，并用了完全不同的方程式來描述污水中PAO的生長情況。他們的實驗數(shù)據(jù)與理論預(yù)測非常接近。

J MIkosz[13]等人應(yīng)用了SimWorkTM這種為SBR處理廠的運(yùn)行而開發(fā)的軟件（核心采用了ASM）對某污水處理廠的運(yùn)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)時間和反應(yīng)階段的調(diào)整策略，讓系統(tǒng)在低溫（<10℃）情況下仍然保持較高的硝化效果，但同時又不影響系統(tǒng)的反硝化及生物增強(qiáng)性除磷的效果。經(jīng)過對污水處理廠反應(yīng)常數(shù)的校準(zhǔn)和動態(tài)模擬之后，他們找到了最佳的反應(yīng)狀況。污水廠的運(yùn)行結(jié)果顯示：當(dāng)污水在低溫（6℃）下運(yùn)行時，采用最佳的反應(yīng)條件（時間序列控制），系統(tǒng)硝化效率可以提高50%~80%，生物增強(qiáng)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的70%提高到80%。

由于SBR工藝具有一定的局限性，所以出現(xiàn)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(shù)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(yīng)器容積的變化以及生物反應(yīng)的過程，模擬廢水中各種污染物的動態(tài)變化。他們建議，為了取得更好的模擬結(jié)果，需要考慮反應(yīng)器的水力學(xué)模型。

W Wu[15]等采用了Dold模型（與ASM1類似）來模擬MSBR的運(yùn)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，他的模型中采用了更為詳盡的生物反應(yīng)階段的描述。其模擬結(jié)果表明，系統(tǒng)模擬的相對誤差<2~3%，說明系統(tǒng)模擬的結(jié)果較可靠。

4．當(dāng)前SBR污水處理數(shù)學(xué)模型存在的主要問題

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

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

（2）對于SBR工藝脫氮除磷的機(jī)理還沒有統(tǒng)一的完善認(rèn)識，影響了模型正確的建立；

（3）由于ASM本身的局限性，限制了建立的模型在工業(yè)廢水中的應(yīng)用；

（4）在應(yīng)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行輔助設(shè)計、仿真優(yōu)化污水處理廠的運(yùn)行時，需要校正很多參數(shù)，消耗大量的時間和精力；

（5）根據(jù)我國目前污水處理廠的設(shè)計、運(yùn)行和水質(zhì)監(jiān)測水平，直接應(yīng)用這些數(shù)學(xué)模型還是有一定困難[16]，如何根據(jù)我國國情來建立合適的模型，仍然是一個問題。

5．結(jié)論

由于可以對污水處理設(shè)施進(jìn)行仿真模擬和優(yōu)化控制，ASM得到了廣泛的應(yīng)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(yīng)用ASM進(jìn)行控制可以得到顯著的脫氮除磷效果；但是由于ASM本身的局限性，在應(yīng)用過程中仍然有很多問題，需要進(jìn)一步的研究。

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