參與討論群友（排名不分先后）：

中國市政工程華北設計研究總院二院 周丹副總工（資料整理）

上海市政工程設計研究院 沈昌明 高工

上海市政工程設計研究院 趙國志 高工

中國市政工程東北設計研院 高旭副總工；

中國市政工程華北設計研究總院二院 崔洪升副總工；

首創(chuàng)股份 劉智曉博士；

北京市政院 高守友博士/高工；

美國杜克大學訪問學者 許世偉博士

諾衛(wèi)環(huán)境 閆懷國總工；

江蘇環(huán)保產(chǎn)業(yè)研究院 陳珺總工；

哈爾濱理工大學 閆險峰教授；

安徽國禎環(huán)保 侯紅勛 博士/總工程師

上海海洋大學 冀世峰 博士

廣州華浩 馮祥軍 高工

廣東省建筑設計院 余濤高工

江南大學 嚴群 博士

關于活性污泥數(shù)學模型模擬討論：

1、仿真模擬軟件主要是基于某種數(shù)學模型開發(fā)的應用軟件，常用的有Biowin，GPS一X，West等。這些軟件各有所長。

2、不同的模擬軟件內(nèi)核類似，參數(shù)的屬地化很重要。水質(zhì)參數(shù)肯定要實測的，關鍵動力學和化學計量學參數(shù)也需要實測。其中一個比較重要的參數(shù)是是溶解性不可生物降解COD。污泥轉(zhuǎn)化率和自養(yǎng)菌最大比增長速率，這兩個參數(shù)也需要重點關注，有條件一定要測一下。

3、本次議題討論到的Biowin軟件有很多優(yōu)點，但在使用過程中要根據(jù)實際不斷修正參數(shù)，所以做為校核模擬還可以。模型中的涉及到的關鍵參數(shù)，如模型中設定的硝化菌的比增長數(shù)率為0.95，這顯然不符合我國的情況，需要實地測定。如高明市的硝化菌的比增長數(shù)率進行屬地化測量，分析結(jié)果是約為0.65左右，這就是屬地化，而BIOWIN中，有多個需要屬地化的參數(shù)，且要準確測定這些參數(shù)難度大，誤差 大，這是最困難的事情。
4、模擬軟件（在我國）應用的困難在于城市污水處理廠進水中通�；煊幸欢ū壤�的工業(yè)廢水，（參數(shù)波動性大。）模型中很多缺省數(shù)值，關鍵的屬地化參數(shù)，測定非常麻煩，甚至誤差很大。就COD組份就變化很大，即使同一污水廠。模擬建立在大量假設的基礎上。每個實際項目輸入差異性很大，例如工業(yè)廢水的排入等。所以應用的關鍵還是參數(shù)選取難，不論是工業(yè)廢水還是生活污水。即便拿到相關數(shù)據(jù)，也需要用一些方法去檢驗這些數(shù)據(jù)的可靠性。

5、活性污泥數(shù)學模擬的應用及展望
目前模擬主要是用在設計參數(shù)復核，和運行管理指導，還沒有到實質(zhì)性的應用階段。
模型不一定能幫你解決問題，但可能會幫你找到產(chǎn)生問題的原因。污水處理廠可控的運行參數(shù)不多，可利用模擬工具提高控制的精度。
設計的模擬是為了將來省去做生產(chǎn)試驗的時間和費用！運行的模擬是為在水質(zhì)波動情況下調(diào)整參數(shù)(做專家做的〉，達到出水穩(wěn)定，更多是故障診斷與修復。
其實模擬的過程就是研究的過程，從大量數(shù)據(jù)中可以總結(jié)經(jīng)驗，所以模型化、大數(shù)據(jù)化肯定是未來污水處理發(fā)展的正確方向。
當今模型的參數(shù)測定相對已經(jīng)比較成熟了，荷蘭STOWA的導則、美國WERF的方法都比較成型。現(xiàn)在是在向?qū)嵱玫姆较虬l(fā)展，尤其是數(shù)據(jù)收集、reconcilation，calibration, validation，各方面的資料在講模型時大篇幅的都是在這些方面。現(xiàn)在IWA的一個專家組在做Good modelling for practice。就是在推動模型向著實用的方向發(fā)展。

背景知識：關于活性污泥數(shù)學模型

活性污泥動力學模型即活性污泥法數(shù)學模型，該研究始于20世紀50年代，其模型研究經(jīng)歷了從簡單擬合實驗數(shù)據(jù)到采用經(jīng)典的微生物生長動力學模型，進而根據(jù)污水生物處理過程的特性進行過程動態(tài)分析、探索辨識建模的發(fā)展過程;實現(xiàn)了從指導活性污泥工藝設計，到研究活性污泥工藝的動態(tài)過程、系統(tǒng)的高效率低能耗運行的轉(zhuǎn)變，并出現(xiàn)了相應的商業(yè)化軟件。

1.模型概述

活性污泥動力學模型即活性污泥法數(shù)學模型，該研究始于20世紀50年代，其模型研究經(jīng)歷了從簡單擬合實驗數(shù)據(jù)到采用經(jīng)典的微生物生長動力學模型，進而根據(jù)污水生物處理過程的特性進行過程動態(tài)分析、探索辨識建模的發(fā)展過程;實現(xiàn)了從指導活性污泥工藝設計，到研究活性污泥工藝的動態(tài)過程、系統(tǒng)的高效率低能耗運行的轉(zhuǎn)變，并出現(xiàn)了相應的商業(yè)化軟件。

2.理論研究發(fā)展

活性污泥數(shù)學模型基本點是從表示細胞生長動力學的Monod方程出發(fā)，結(jié)合化工領域的反應器理論與微生物學理論，對基質(zhì)降解、微生物生長等各參數(shù)之間的數(shù)學關系做定量描述。

2.1靜態(tài)模型

20世紀50年代中期，國外一批學者引入化工領域的反應器理論及微生物理論，通過基質(zhì)降解、微生物生長及各參數(shù)之間的關系建立了各自的活性污泥靜態(tài)數(shù)學模型。其中具有代表性的有Eckenfelder等揮發(fā)性懸浮固體(Volatile Suspended Solid , VSS )積累速率經(jīng)驗公式提出的話性污泥模型，Mckinney等活性污泥全混假設提出的活性污泥模型和Lawrence , McCartv L等基于微生物生長動力學理論提出的話性污泥模型。這3種模型所采用的是生長—衰減機理。這此模型對實際的生化反應系統(tǒng)作了很大簡化，其區(qū)別僅在于有機物降解速率表達式和活性污泥組分劃分的差異。由于模型計算結(jié)果可基本滿足活性污泥工藝設計的要求，且具有模型變量易測、動力學參數(shù)確定及方程求解方便等特點，迄今仍廣泛用于活性污泥的工藝設計。但是，這此靜態(tài)模型只考慮了污水中含碳有機物的去除，并沒有考慮氮磷的去除過程;不能解釋和描述污水生物處理中常見的有機物“快速去除”和出水中有機物濃度隨進水濃度變化的現(xiàn)象;也不能很好地預測實際觀察中存在的有機物濃度增加時，微生物增長速率變化的滯后效應。

2.2動態(tài)模型

20世紀80年代由于水體富營養(yǎng)化等問題越來越嚴重污水處理去除氮、磷等要求為數(shù)學模型提出了新的研究方向。

1975年，Andrews J F提出了“存儲一代謝”機理，該機理認為在活性污泥法污水處理過程中，非溶解性有機物和部分溶解性有機物首先被生物絮體快速吸附，以細胞內(nèi)貯存物的形式被貯存，然后再被微生物利用、Jones等提出了“存活一非存活”機理模型，認為有機物的降解可以在不伴隨微生物增長的情況下完成，強調(diào)非存活細胞的代謝話性、1987年，Mo-gens}%}等在總結(jié)前人尤其是南非的Marais和Dold等人工作的基礎上，提出IWA ( International Water Association , IWA )活性污泥1號模型ASM1(Activated Sludge Model No.l )。 ASM1采用了Dold等人提出的“死亡—再生( death-regeneration )”的模型化方法，但未接受“貯存一代謝”機理，而采用“死亡一再溶解”機理，體現(xiàn)了對代謝殘余物的再利用。

ASM1包括了碳氧化、硝化和反硝化過程，以矩陣形式描述了污水中好氧和缺氧條件卜所發(fā)生的有機碳水解、微生物生長和衰減等8個反應過程。模型包含13種組分、5個化學計量參數(shù)和14個動力學參數(shù)。模型可以很好地描述活性污泥法污水處理系統(tǒng)的構造狀況、進水水質(zhì)特性及系統(tǒng)運行參數(shù)、ASM1是模擬硝化和反硝化的良好工具，促進了關于模型和污水特性描述的進一步研究，自推出以來在歐美得到廣泛應用，但模型并未包含磷的吸收和釋放過程，無法模擬包含除磷過程的污水處理系統(tǒng)，限制了ASM1的進一步應用。

為了彌補ASM1的不足，IWA專家組于1995年推出含有19種組分、19個反應過程,22個化學計量參數(shù)及42個動力學參數(shù)的話性污泥25模型ASM2‑ ASM2是ASM1的延伸，沿用了ASM1的概念，包含了ASM1的所有工藝過程，即碳和氮的去除，還包含生物除磷過程，增加了厭氧水解、發(fā)酵及生物除磷、化學除磷等8個反應過程、該模型可以對化學需氧量(Chemical Oxygen Demanded,COD)、氮磷去除的綜合處理工藝進行動態(tài)模擬。ASM2不是生物除磷模型的最終形式，它介于簡單和復雜之間，是許多關于正確的模型應該是什么樣子的不同觀點的一個折中方案，它更應該被看作是模型進一步發(fā)展的一個概念平臺。

隨著對生物除磷機理的認知，在隨后推出的活性污泥2D號模型ASM2D中又加入了聚磷菌在缺氧條件卜的生長過程，使其含19種組分、21種反應、22個化學計量參數(shù)及45個動力學參數(shù)。ASM2D解決了ASM2中沒有解決的與聚磷菌有關的反硝化問題，增加了兩個過程來說明聚磷菌可利用細胞內(nèi)的有機貯存產(chǎn)物進行反硝化。與ASM2相比，在模擬硝酸鹽和磷酸鹽動力學方面,ASM2D更準確。ASM2D被看作是進一步研究和發(fā)展話}h'I污泥系統(tǒng)除磷脫氮過程動力學模型的平臺和參考。

隨著對有機物貯存試驗認識的深化，針對ASM1在實際應用中出現(xiàn)的問題,1998年IWA推出了活性污泥35模型ASM3,含有13種組分、12個反應過程,6個化學計量參數(shù)和21個動力學參數(shù)}, ASM3所涉及的主要反應過程和ASM1相同，即以處理生話污水為主的話性污泥系統(tǒng)的碳氧化過程和硝化、反硝化過程，但沒有包括生物除磷過程，側(cè)重點也由水解轉(zhuǎn)為有機物的貯存。該模型修正了ASM1的某此缺陷，增加了有機物的存儲過程，將以水解反應為代表的衰減過程改為用內(nèi)源呼吸過程來解釋，從而更逼真地展示了衰減過程。由于ASM3將異養(yǎng)菌的“死亡一再生”循環(huán)過程與硝化菌的衰減過程清晰地分開了，因此ASM3的COD數(shù)據(jù)流圖比ASM1簡中了許多。

3.應用與改進

ASM系列模型的復雜性導致無法將完整的模型直接應用于污水廠的設計、模擬和運行控制，這就需要根據(jù)具體條件將模型適當修正和簡化。

季民等在總結(jié)IA W活性污泥模型的基礎上，建立了適合于普通推流式活性污泥法的碳氧化數(shù)學模型;應用MATLAB數(shù)學軟件，在WINDOWS操作平臺上開發(fā)出模擬系統(tǒng)。該模擬系統(tǒng)考慮了8個組分和3個生化過程。應用該模擬系統(tǒng)模擬了人津紀莊子污水處理廠的實際運行資料，模擬結(jié)果與實測數(shù)據(jù)吻合較好。

劉芳以活性污泥1號模型(ASM1)為開發(fā)平臺，建立了簡化的話性污泥數(shù)學模型(ASM-CN )該模型主要描述了碳氧化和硝化過程，其中模型組分、反應過程和參數(shù)的數(shù)量都少于ASM1，從而提高了該模型在城市污水廠中的實用性。通過測定模型組分、化學計量系數(shù)和動力學參數(shù)，為模型的應用提供了重要的前提和基礎。最后利用ASM-CN模型對實際城市污水廠的運行進行了動態(tài)模擬，模擬結(jié)果良好，驗證了ASM-CN模型的實用性和有效性，并且也驗證了模擬程序的準確性。

Manga J等根據(jù)生物除磷工藝中缺氧條件下出現(xiàn)的聚磷菌生長、聚磷酸鹽積累及肝糖的積累現(xiàn)象，對ASM2D進行了修正。引進了聚糖菌的競爭生化反應過程;增加組分聚糖菌XGAO,聚糖菌細胞內(nèi)積累物XPHA,G，聚磷菌細胞內(nèi)積累物XGLY及聚糖菌細胞內(nèi)積累物XGLY , G ;同時新添了11個反應動力學方程，運用3種不同的污泥齡進行中試實驗，結(jié)果證明能夠更好地說明除磷工藝中出現(xiàn)的現(xiàn)象。