活性污泥法脱氮除磷数学模型的发展
徐伟锋 顾国维 张芳
（同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海 200092）
摘要：利用聚磷菌在缺氧条件下的吸磷和反硝化作用，实现氮、磷的同时去除，是具有实用前景的城市污水处理方法，而建立活性污泥法脱氮、除磷的数学模型则有利于该项技术的推广应用。文中对ASM2d模型、Barkerand Dold模型、Delft模型作了较为详细的介绍，提出了由聚磷菌引起的缺氧吸磷和反硝化作用中需要解决的 2个问题：反硝化聚磷菌浓度的确定和由反硝化聚磷菌吸磷所引起的磷的减少量。
关键词：模型；生物营养物去除；生物过量除磷作用；缺氧吸磷
中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：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
精品
. 污水处理系统数学模型
摘 要
随着水资源的日益紧缩和水环境污染的愈加严重，污水处理的问题越来越受到人们的关注。由于污水处理过程具有时变性、非线性和复杂性等鲜明特征，这使得污水处理系统的运行和控制极为复杂。而采用数学模型，不仅能优化设计、提高设计水平和效率，还可优化已建成污水厂的运行管理，开发新的工艺，这是污水处理设计的本质飞跃，它摆脱了经验设计法，严格遵循理论的推导，使设计的精确性和可靠性显著提高。数学模型是研究污水处理过程中生化反应动力学的有效方法和手段。计算机技术的发展使数学模型的快速求解成为可能，使这些数学模型日益显示出他们在工程应用与试验研究中的巨大作用。
对于污水处理，有活性污泥法、生物膜法以及厌氧生物处理法等污水处理工艺，其中以活性污泥法应用最为广泛。活性污泥法是利用自然界微生物的生命活动来清除污水中有机物和脱氮除磷的一种有效方法。活性污泥法污水处理过程是一个动态的多变量、强耦合过程，具有时变、高度非线性、不确定性和滞后等特点，过程建模相当困难。为保证处理过程运行良好和提高出水质量，开发精确、实用的动态模型已成为国内外专家学者普遍关心的问题。此外，由于污水处理过程是一个复杂的生化反应过程，现场试验不仅时间长且成本很高，因此，研究对污水处理过程的建模和仿真技术具有十分重要的现实意义。本文在充分了解活性污泥法污水处理过程的现状及工艺流程的基础上，深入分析了现有的几种建模的方法，其中重点分析了ASM1。ASM1主要适用于污水生物处理的设计和运行模拟，着重于生物处理的基本过程、原理及其动态模拟，包括了碳氧化、硝化和反硝化作用等8种反应过程；包含了异养型和自养型微生物、硝态氮和氨氮等12种物质及5个化学计量系数和14个动力学参数。ASMI的特点和内容体现在模型的表述方式、污水水质特性参数划分、有机生物固体的组成、化学计量学和动力学参数等四个方面。
关键词： 污水处理系统，活性污泥，数学模型，ASM1
第六讲
第8章 ASM系列活性污泥数学模型
8.1 引言
20世纪80年代南非开普敦大学的G.v.R.Marais 教授就提出了碳、氮、磷去除的动态活性污泥模型，其研究处于领先的地位。1982年国际水污染研究与控制协会（International Association on
Water Pollution Research and Control, IAWPRC,现更名为国际水质协会，International Association on
Water Quality, IAWQ）组织了丹麦、美国、瑞士、南非和日本五国五位专家成立了活性污泥法设计和运行数学模型课题组，该课题组由丹麦技术大学Mogens Henze教授任组长。该课题组在1987年以国际水污染研究与控制协会系列科技研究报告（STR）1号的形式出版了研究成果，即活性污泥1号模型（Activated Sludge Model1,ASM1）。活性污泥1号模型（ASM1）包括碳氧化、硝化和反硝化3个主要作用，以矩阵的形式描述了污水在好氧、缺氧条件下所发生的水解、微生物生长、衰减等8种生化反应过程，模型中包括13个组分、5个化学计量常数和14个动力学参数。活性污泥1号模型（ASM1）的内容不仅仅是模型本身，还提出了污水特性的描述方法。活性污泥1号模型（ASM1）得到了普遍的认同和应用，但它的缺点是模型中未包含磷的去除。
1995年课题组（由丹麦、瑞士、日本和南非四国六位专家组成）以国际水质协会系列科技研究报告（STR）2号的形式出版了活性污泥2号模型（ASM2）一书，它包括了脱氮和生物除磷处理过程，还增加了厌氧水解、酵解及与聚磷菌有关的反应过程。活性污泥2号模型（ASM2）中包括了19种生化反应过程、19个组分、22个化学计量常数和42个动力学参数。在活性污泥2号模型（ASM2）研究刚完成的时候，反硝化与生物除磷的关系尚不清楚，因此，活性污泥2号模型（ASM2）中未包含这一因素。1999年ASM2被扩展成ASM2D, ASM2D中包括了反硝化聚磷菌。ASM2和ASM2D对脱氮除磷系统有较好的模拟作用。
活性污泥数学模型研究进展
污水的活性污泥法生物处理，由于具有处理效果好、运行成本低等特点而成为污水处理的一项基本与主要的方法。目前，我国有80％以上的城市污水厂都用活性污泥法处理。随着计算机技术的不断发展，水处理技术要求对活性污泥处理过程进行仿真与控制。因此，国际水协(IWA)在总结已有废水生物处理数学模型的基础上，相继推出了3套活性污
泥数学模型(ASM系列)，为活性污泥过程仿真与控制提供了重要的理论基础。ASM 自从推出以来，在欧美国家的实际工程和科学研究中得到了广泛应用。在我国，此领域的研究尚处于起步阶段，与国际先进水平存在着很大差距。
1 活性污泥数学模型(ASMs)的发展
IWA在总结已有的各种污水生物处理数基础上，于1987年推出活性污泥1号模型(ASM1)Ⅲ。该模型不仅包括含碳有机物的去除过程，还描述了通过硝化和反硝化作用对含氮物质的去除。模型中包括8个子过程、13种组分、14个动力学参数和5个化学计量学系数。ASM1未包括生物除磷过程。
1995年，IWA专家组提出活性污泥2号模型(ASM2)E2 3。与ASM1相比，它包含了磷的吸收和释放，增加了厌氧水解、发酵及生物除磷和化学沉淀等反应过程。ASM2非常庞大，它包含19种物质、19种反应、22个化学计量系数以及42个动力学参数。
1999年，IWA又推出了ASM2d[3]，对ASM2作了进一步完善和延伸，可同时模拟生物除磷和硝化一反硝化。ASM2d共包括19种组分、21种反应、22个化学计量系数及45个动力学参数。与ASM2相比，在模拟硝酸盐和磷酸盐动力学方面，ASM2d更准确。
1999年，IWA还推出了活性污泥3号模型(ASM3) 。该模型更深入考虑了胞内存贮过程，并考虑环境因素对衰减过程的修正，把溶解性、颗粒性有机氮的降解与微生物的水解、衰减和生长结合在一起，包含氧化、硝化和反硝化过程，没有包括生物除磷过程。
2 活性污泥数学模型(ASMs)在我国的研究现状
