活性污泥法动力学模型的研究进展

活性污泥法动力学模型的研究进展

[摘要]从模型的机理、功能等方面对活性污泥法动力学的微生物模型、传统静态模型和动态模型进行简要的介绍，并分析比较了各自的优缺点。

[关键词]活性污泥法模型ASM

活性污泥法是废水生物处理中应用最广泛的方法之一。起初对于活性污泥过程的设计和运行管理主要依靠经验数据，自20世纪50年代后期，Eckenfelder 等人基于反应器理论和生物化学理论提出活性污泥法静态模型以来，动态模型研究不断发展，已成为国际废水生物处理领域的研究热点。但我国在该领域的研究尚处于起步阶段，与国际先进水平还存在很大差距。

1微生物模型

1942年，Monod发现均衡生长的细菌的生长曲线与活性酶催化的生化反应曲线类似，1949年发表了在静态反应器中经过系统研究得出的Monod模型[1]：Monod模型实质上是一个经验式，是在单一微生物对单一基质、微生物处

于平衡生长状态且无毒性存在的条件下得出的结论。Monod模型的提出使废水生物处理的设计和运行更加理论化和系统化，提高了人们对废水生物处理机理的认识，进一步促进了生物处理设计理论的发展。由于微生物模型描述的是微生物生长和限制微生物生长的基质浓度之间的关系，它是活性污泥法数学模型的理论基础。微生物模型的不断发展和计算机技术的普及同时也推动了活性污泥数学模型研究的日趋深入。

2传统静态模型

传统静态模型主要有20世纪50-70年代推出的Eckenfelder、Mckinney和Lawrence-McCarty模型，这些模型所采用的是生长-衰减机理[2]。

2.1Eckenfelder模型

该模型提出当微生物处于生长率上升阶段时，基质浓度高，微生物生长速度与基质浓度无关，呈零级反应；当微生物处于生长率下降阶段时，微生物生长主要受食料不足的限制，微生物的增长与基质的降解遵循一级反应关系；当微生物处于内源代谢阶段时，微生物进行自身氧化。

2.2McKinney模型

该模型忽略了微生物浓度对基质去除速度的影响，认为在活性污泥反应器内，微生物浓度与底物浓度相比，属低基质浓度，微生物处于生长率下降阶段，代谢过程为基质浓度所控制，遵循一级反应动力学。并首次提出活性物质的概念，

认为在活性污泥中只有部分具有活性的微生物才对基质降解起作用。虽然当时还无法直接测定活性物质，但这一概念的提出，为活性污泥模型的研究开拓了新的思路。

2.3Lawrence-McCarty模型

该模型最先将Monod方程引入废水生物处理领域，并且强调了细胞平均停留时间（泥龄）的重要性，由于细胞平均停留时间可以通过控制污泥的排放量进行调节，因此增强了其在实际应用中的可操作性，对实际的应用有指导价值。

上述的模型都对实际的生化反应系统作了很大简化，其区别主要在有机物降解速率的表达方程式和活性污泥组分划分的差别。但是，由于这些模型只考虑了污水中含碳有机物的去除，而不能很好地预测在实际操作过程中存在的有机物浓度增加时，微生物增长速率变化的滞后效应以及不能预测有机物浓度降低时活性污泥过程的瞬变响应等现象，因此这些静态活性污泥模型虽然参数求解和计算过程相对简单，但无法精确地模拟废水处理中氧利用和微生物代谢的动态变化，不能很好地描述活性污泥系统的动态特性。

3活性污泥法动态模型

污泥法动态模型主要有3种：机理模型、时间序列模型和语言模型。主要的机理模型有以下几种：

3.1Andrews模型

该模型提出了贮存-代谢机理，将系统中的微生物划分为活性生物体、储存物质和惰性代谢产物三个部分。该机理认为在活性污泥过程中，非溶解性有机物和部分溶解性有机物首先被生物絮体快速吸附，以胞内贮存物XSTO的形式被贮存，然后再被微生物利用。这一机理的引入，合理解释了有机物的“快速去除”现象，很好的预测了实际中观察到的底物浓度增加时微生物增长速度变化的滞后现象和耗氧速率的动态变化。

3.2WRc模型

该模型引入了存活-非存活细胞代谢机理，认为存活力并不是生物活性的先决条件，生物活性可因细胞破裂，酶的溢出而得到增强，相当大程度的生物活性是由这些非存活细胞提供的[3]。非存活细胞的代谢作用使有机物的降解可以在不伴随微生物量增加的情况下发生，以此解释在采用Monod方程描述废水生物处理过程导致细胞浓度预测值偏高的原因。

3.3IWA模型

（1）ASM1模型着重于废水生物处理的基本原理、过程及其动态模拟，首次把氮的去除纳入模型，采用“死亡-再溶解”机理，体现了对代谢残余物的再利

用。它不仅描述了碳素的氧化过程，还包括含氮物质的硝化与反硝化，但它的缺陷是未包含磷的去除。（2）ASM2模型引入了聚磷微生物，将生物和化学除磷过程纳入模型中。但由于至今对生物除磷的机理还未完全明了，模型中的应用还存在一些限制，发酵及厌氧水解过程对PAO超量摄磷的影响还需做进一步研究等。（3）ASM3模型包括除磷过程，采纳了有机物的贮存-代谢机理，细胞衰减方面沿用内源呼吸理论。假定XSTO是异养菌生长的唯一基质，使模型大大简化；将水解过程加以简化，从而减弱了水解作用对耗氧速率和反硝化速率的控制作用；综合考虑了环境条件对生物衰减过程的影响，将衰减过程细化，使其更适应环境条件；考虑到生物体自身氧化的同时伴随着其胞内贮存物的氧化，并认为其氧化速率大于微生物自身氧化速率。

4结语

尽管ASM系列还有使用限制及不足，但它们是活性污泥法数学模型发展的一个突破，为活性污泥法数学模型的发展和完善提供了一个科学平台。ASM系列还不能说是很成熟的模型，尤其是ASM3还没有经过大量试验数据的检验，只有对活性污泥工艺的生化过程进行更深入的研究，并且在多个学科的共同努力下才可能产生更加令人满意的数学模型。

参考文献

[1]顾夏声.废水生物处理数学模式（第二版）[M].北京：清华大学出版社，1993.

[2]黄勇，杨铨大，王宝贞等.废水生物处理过程的结构化模型[J].中国给水排水，1992，8（6）：29-32.

[3]彭永臻，高景峰，隋铭皓.活性污泥法动力学模型的研究与发展.给水排水，2000，26（8）：15-19.