基于數(shù)學(xué)模型的污水生物技術(shù)發(fā)展及展望

趙 鑫 方 葉

（1秦皇島市環(huán)境保護(hù)宣傳教育中心河北秦皇島066000 2秦皇島市環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)管理中心河北秦皇島066000）

基于數(shù)學(xué)模型的污水生物技術(shù)發(fā)展及展望

趙 鑫1方 葉2

（1秦皇島市環(huán)境保護(hù)宣傳教育中心河北秦皇島066000 2秦皇島市環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)管理中心河北秦皇島066000）

簡(jiǎn)要介紹了污水生物技術(shù)的發(fā)展背景及分類，著重介紹了污水生物處理技術(shù)的發(fā)展及數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于污水生物處理技術(shù)的過(guò)程，收集整理了國(guó)內(nèi)外污水生物處理技術(shù)的進(jìn)展情況，總結(jié)了基于數(shù)學(xué)模型的污水生物處理技術(shù)的發(fā)展方向及發(fā)展前景。

生物污水處理；數(shù)學(xué)模型；污水處理技術(shù)

近年來(lái)，人類的粗放型生產(chǎn)活動(dòng)和生活方式使大量的工業(yè)、農(nóng)業(yè)和生活廢棄物排入水中，污染著受納水體。由于前期并未重視并預(yù)防水污染問(wèn)題，致使目前全世界每年排入江河湖海的污水總量約有4200多億立方米，污染約5.5萬(wàn)億立方米淡水資源，污染量超過(guò)全球徑流總量的10%。我國(guó)水環(huán)境的前景更是令人擔(dān)憂，多年來(lái)，我國(guó)水環(huán)境持續(xù)惡化，水資源質(zhì)量不斷下降，由于污染所導(dǎo)致的缺水和事故不斷發(fā)生，引發(fā)了生產(chǎn)、生活領(lǐng)域的各種問(wèn)題，因水環(huán)境遭到破壞而經(jīng)濟(jì)損失越來(lái)越大，造成不良的社會(huì)影響影響越來(lái)越深，威脅著人們的生存環(huán)境，威脅著社會(huì)的和諧和可持續(xù)發(fā)展。

水污染防治迫在眉睫，2015年4月，國(guó)務(wù)院印發(fā)的《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》（簡(jiǎn)稱“水十條”）中第一句話就明確了水污染防治的重要性—“水環(huán)境保護(hù)事關(guān)人民群眾切身利益，事關(guān)全面建成小康社會(huì)，事關(guān)實(shí)現(xiàn)中華民族偉大復(fù)興中國(guó)夢(mèng)?！倍嗄暌郧?，我國(guó)大部分地區(qū)就開(kāi)始采取行之有效的措施控制人為水污染，我國(guó)的污水處理行業(yè)由此得到了飛速發(fā)展。幾十年間，我國(guó)的大中型污水處理廠從最初的只有幾十座發(fā)展到現(xiàn)在的近4000座，各地新建、擴(kuò)建大量污水管網(wǎng)，污水統(tǒng)一收集，統(tǒng)一進(jìn)入污水處理廠處理后達(dá)標(biāo)排放，避免了污水亂排亂放，有效地保護(hù)了我國(guó)地表水和地下水環(huán)境。與此同時(shí)，污水處理的標(biāo)準(zhǔn)也從最初以去除COD為主提高到COD、總氮、總磷的綜合控制，污水處理技術(shù)得到了快速的發(fā)展。

現(xiàn)代的污水處理技術(shù)，主要可分為三類：物理處理法、化學(xué)處理法、生物處理法。物理處理法的原理是通過(guò)物理作用分離、回收廢水中不溶解的呈懸浮狀態(tài)的污染物；化學(xué)處理法是通過(guò)化學(xué)反應(yīng)和傳質(zhì)作用來(lái)分離、去除廢水中呈溶解、膠體狀態(tài)的污染物或?qū)⑵滢D(zhuǎn)化為無(wú)害物質(zhì)；生物處理法則是通過(guò)微生物的代謝作用，使廢水中呈溶液、膠體以及微細(xì)懸浮狀態(tài)的有機(jī)污染物，轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定、無(wú)害的物質(zhì)的廢水處理法。這三類處理技術(shù)中，物理處理法和化學(xué)處理法由于原理較單一，實(shí)際應(yīng)用有一定的局限性，而生物污水處理法則可勝任較為復(fù)雜的污水處理過(guò)程，應(yīng)用較為廣泛。生物污水處理法可應(yīng)用于石油、石化、化工、冶金、機(jī)械、皮革、煤氣化、食品、釀造、日化、印染、制藥、造紙及城市污水等絕大多數(shù)類型的污水處理以及大面積水域的污水處理，且其有機(jī)負(fù)荷高、占用土地少、節(jié)約投資，易于維護(hù)。

生物污水處理法也稱污水生物處理技術(shù)，距今已有100多年歷史，它是一種模仿自然界中微生物降解有機(jī)物過(guò)程的工藝，依靠處理系統(tǒng)自身的微生物，發(fā)揮其正常降解有機(jī)物的功能，使污水中呈溶解和膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物最終轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水。這一過(guò)程可清潔、高效、低成本地消除人類活動(dòng)產(chǎn)生的大部分天然和合成有機(jī)物，由于人類的增長(zhǎng)和生活水平的提高，人類排向自然界的污水和廢棄物日益增加，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了自然界自身的凈化能力，因此，人們將目光轉(zhuǎn)向了微生物降解，將這種自然過(guò)程移植到工廠里，提供一定的條件，有針對(duì)性地加以強(qiáng)化和規(guī)?；芾?，從而形成了今天的污水生物處理工藝的雛形。

前期應(yīng)用了污水生物處理技術(shù)的污水處理廠，設(shè)計(jì)和運(yùn)行大多根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行，為了降低能耗，提高生產(chǎn)率，20世紀(jì)50年代起，國(guó)外的一些學(xué)者在污水生物處理的動(dòng)力學(xué)方面做了大量的研究工作，深入地研究了基質(zhì)降解和微生物生長(zhǎng)的規(guī)律，以便更合理地進(jìn)行主要污水處理設(shè)備的設(shè)計(jì)與運(yùn)行，但極為復(fù)雜的反應(yīng)過(guò)程和反應(yīng)方程式使得此項(xiàng)工作陷入了瓶頸。而在此時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的迅速發(fā)展，數(shù)學(xué)的應(yīng)用不僅在經(jīng)濟(jì)、金融、人口等領(lǐng)域發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，而且以多種形式廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、環(huán)境、地質(zhì)、交通等新的領(lǐng)域，指導(dǎo)著這些領(lǐng)域的實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)，數(shù)學(xué)技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)代高新技術(shù)不可或缺的組成部分。而應(yīng)用數(shù)學(xué)方法在科技和生產(chǎn)領(lǐng)域解決各類問(wèn)題首要的和最關(guān)鍵的步驟，是細(xì)化和量化各類實(shí)際問(wèn)題，將其具體到方程式中，建立研究對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，并加以計(jì)算求解。在此背景下，從事污水生物處理技術(shù)研究的學(xué)者們恰逢其會(huì)，根據(jù)活性污泥法推導(dǎo)出了污水生物處理技術(shù)的數(shù)學(xué)模型，為污水生物處理技術(shù)的研究開(kāi)辟了新的道路。污水生物處理的數(shù)學(xué)模型按照時(shí)間順序和復(fù)雜程度來(lái)分，大致可以分為以下三類：

第一類是以Eckenfelder模型為代表的經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。之所以稱經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，是因?yàn)槲鬯锾幚磉^(guò)程的設(shè)計(jì)和運(yùn)行管理主要依靠經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要考慮污水處理廠的負(fù)荷與處理之間的關(guān)系，模型的推導(dǎo)多以基質(zhì)服從一級(jí)反應(yīng)為基礎(chǔ)?；贓ckenfelder模型設(shè)計(jì)的污水處理廠，系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)遵循一級(jí)反應(yīng)關(guān)系，由于每一基質(zhì)的零級(jí)反應(yīng)去除速率是恒定的，不受其他基質(zhì)的影響，因此Eckenfelder模型適用于處理含有多種基質(zhì)的污水。

第二類是以Lawrence-McCarty模型為代表的基本模型。這一模型將Monod方程引入污水生物處理系統(tǒng)，更深入地說(shuō)明了微生物增長(zhǎng)與基質(zhì)降解之間的關(guān)系。由于Monod模型是根據(jù)菌種對(duì)單純化合物作間歇培養(yǎng)的試驗(yàn)結(jié)果而得出的，因此Lawrence-Mc-Carty模型適用于含有單一基質(zhì)的污水。

第三類是以ASM模型為代表的綜合模型。隨著水污染控制的要求不斷提高，人們不僅僅滿足于污水生物處理可以去除污水中的有機(jī)碳，還要求去除污水中的氮磷等營(yíng)養(yǎng)元素，這就要求污水生物處理的數(shù)學(xué)模型增加對(duì)硝化過(guò)程、反硝化過(guò)程和除磷過(guò)程的表達(dá)。由于微生物系統(tǒng)間存在的相互作用，描述這些過(guò)程的數(shù)學(xué)模型極為復(fù)雜，計(jì)算過(guò)程需要大量的計(jì)算，此時(shí)矩陣型綜合模型的出現(xiàn)和計(jì)算機(jī)技術(shù)在模型解算中的應(yīng)用和發(fā)展為綜合模型的實(shí)際應(yīng)用提供了重要的條件。1964年DowningA.L、PainterH.A和KnowlesG聯(lián)合發(fā)表了關(guān)于活性污泥法中硝化反應(yīng)模型的文章，該文章首次嘗試在污水處理過(guò)程中引入質(zhì)量平衡和動(dòng)力學(xué)平衡，對(duì)后期的研究有著深遠(yuǎn)的影響，在此基礎(chǔ)上污水生物處理數(shù)學(xué)模型開(kāi)始了迅速的發(fā)展。

20世紀(jì)70年代，南非開(kāi)普敦大學(xué)的研究人員建立了穩(wěn)態(tài)條件下（即基于“穩(wěn)態(tài)運(yùn)行、溶解性基質(zhì)、二沉池?zé)o生物反應(yīng)、固液分離良好、充分混合”五個(gè)基本假設(shè)）的計(jì)算模型和動(dòng)力學(xué)計(jì)算模型；20世紀(jì)80年代，國(guó)際水污染研究與控制協(xié)會(huì)（IAWPRC）會(huì)議上，Dold PL等人提出了活性污泥法綜合計(jì)算模型，該模型幾乎包含了污水生物處理中所有的相關(guān)過(guò)程，但如此復(fù)雜的模型難以應(yīng)用于實(shí)際。為此IAWPRC成立了相關(guān)的研究小組專門(mén)開(kāi)發(fā)并研究污水生物處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與運(yùn)行模型，對(duì)當(dāng)前已有的模型進(jìn)行全面系統(tǒng)的評(píng)估，進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行整理、簡(jiǎn)化，1986年，課題組提出了包含常見(jiàn)的硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)的活性污泥模型（ASM1），該模型首次在污水生物處理模型中應(yīng)用了精密矩陣結(jié)構(gòu)，將最初的幾十頁(yè)的公式縮減為一張表格，極大地簡(jiǎn)化了中間過(guò)程。1995年，課題組提出了第一個(gè)包含生物和化學(xué)除磷的計(jì)算模型的ASM2模型。此后，課題組又在此基礎(chǔ)上提出了ASM2d模型和ASM3模型，這些模型極大地推動(dòng)了污水生物處理的發(fā)展。精密矩陣由此成為模型中的語(yǔ)言并得到了被廣泛應(yīng)用至今。

除了活性污泥模型外，厭氧生物模型和生物膜模型也在近幾十年的到了長(zhǎng)足發(fā)展，研究人員根據(jù)厭氧消化四階段理論提出了描述厭氧生物處理的ADM模型，根據(jù)微生物固定動(dòng)力學(xué)原理提出了固定生長(zhǎng)好氧生物處理過(guò)程的模型，這些模型豐富并完整了污水生物處理模型，使生物污水處理廠在世界各地如雨后春筍般建立起來(lái)。同時(shí)，對(duì)污水生物處理模型的研究也從未停止，在歐美等國(guó)的工程技術(shù)公司，應(yīng)用數(shù)學(xué)模型研發(fā)污水廠生物處理新工藝已成為常態(tài)化；澳大利亞的研究人員經(jīng)過(guò)反復(fù)測(cè)試，修正了BioWin模型的部分基本參數(shù)，在提高了處理過(guò)程中脫氮速率的同時(shí)，擴(kuò)展了該模型的應(yīng)用范圍；此外，從20世紀(jì)末至今，荷蘭約有近百多座污水處理廠在運(yùn)轉(zhuǎn)的同時(shí)不斷應(yīng)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，以模擬的結(jié)果指導(dǎo)污水處理廠的工作，積累了大量經(jīng)驗(yàn)，取得了多項(xiàng)有價(jià)值的成果。

我國(guó)的污水生物處理數(shù)學(xué)模型技術(shù)起步較晚，但也取得了不少成績(jī)，研究人員系統(tǒng)地對(duì)其工藝設(shè)計(jì)、運(yùn)行優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)定向等方面進(jìn)行驗(yàn)證和研究，研究結(jié)論廣泛應(yīng)用于實(shí)際，帶來(lái)了良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。我國(guó)的污水生物處理正在由粗放型向精確控制的方向發(fā)展。

1996年我國(guó)研究人員利用收集到的國(guó)內(nèi)若干污水廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗(yàn)證了ASM1模型和相應(yīng)的計(jì)算機(jī)程序在我國(guó)城市污水廠的可行性，并得到了肯定的結(jié)果；天津大學(xué)總結(jié)了IAWQ活性污泥模型的基礎(chǔ)上，建立了適合于普通推流式活性污泥法的碳氧化數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用MATLAB軟件，在WINDOWS平臺(tái)上開(kāi)發(fā)出模擬系統(tǒng)，成功地模擬了天津市一座污水處理廠的運(yùn)行；清華大學(xué)在IAWQ模型基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出城市污水處理廠運(yùn)行、模擬預(yù)測(cè)專家系統(tǒng)軟件，并對(duì)實(shí)際污水處理廠進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果表明，該軟件能夠比較準(zhǔn)確地反映污水處理廠實(shí)際運(yùn)行狀況；同濟(jì)大學(xué)利用ASM1、ASM3對(duì)上海市一座污水處理廠的處理工藝進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，結(jié)果表明出水的主要參數(shù)—COD、BOD、氨氮的模擬值與污水處理廠的實(shí)測(cè)值基本吻合，并能夠應(yīng)用模型進(jìn)行具體指導(dǎo)，以達(dá)到污水生物處理的最佳效果，實(shí)際結(jié)果證實(shí)了ASM1、ASM3數(shù)學(xué)模型對(duì)城市污水處理廠進(jìn)行模擬可行；重慶大學(xué)以ASM2模型為基礎(chǔ)，根據(jù)實(shí)際需要自行開(kāi)發(fā)了數(shù)學(xué)模型，對(duì)重慶市一座污水處理廠三種脫氮除磷方案進(jìn)行了模擬，并成功調(diào)試出每種方案的最佳控制參數(shù)。

今天的污水生物處理過(guò)程，雖然數(shù)學(xué)模型被作為切實(shí)有效的系統(tǒng)核心部分指導(dǎo)著污水處理的每個(gè)流程，節(jié)約大量的人力、物力、財(cái)力，然而模型的應(yīng)用也有其局限性，要利用數(shù)學(xué)模型盡可能地提高污水處理的水平，就要盡可能高精確、高精準(zhǔn)、高精度地模擬污水處理的運(yùn)行控制部分，但這會(huì)直接導(dǎo)致工藝的復(fù)雜與污水處理周期的增加，因此，在條件允許的情況下盡可能調(diào)整成本與成果的平衡，在使投入和產(chǎn)出切合最大收益的基礎(chǔ)上盡量提高單成本污水處理能力，是數(shù)學(xué)模型應(yīng)用于污水處理過(guò)程的主要目的。

應(yīng)用數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)、優(yōu)化運(yùn)行和管理污水處理廠是污水生物處理技術(shù)的必然發(fā)展趨勢(shì)。但在世界范圍內(nèi)這一領(lǐng)域的研究也尚未完全成熟，很多細(xì)節(jié)還存在不足。比如，污水處理廠運(yùn)行快速自動(dòng)模擬預(yù)測(cè)及控制系統(tǒng)至今并不完善，數(shù)學(xué)模型目前還不能自動(dòng)化構(gòu)建，極端情況下數(shù)學(xué)模型不能做出合理的反應(yīng)等。

應(yīng)用數(shù)學(xué)模型的污水生物處理技術(shù)任重道遠(yuǎn)，前途光明。

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趙鑫（1986—），男，黑龍江省賓縣人，北京交通大學(xué)碩士研究生，現(xiàn)供職河北省秦皇島市環(huán)境保護(hù)局，負(fù)責(zé)水污染防治工作。