污水處理廠工藝改造及運行優化數學模型
供稿人：宋鴻
數學模型是進行工藝選擇、設計、運行的決策支持方式，也是一種強有力的優化工具。活性污泥系統是一個多因素、多變量相互作用、多種反應過程相互耦合的復雜系統，對其建立模型較為復雜。計算機技術的發展使數學模型的快速求解成為可能，使這些數學模型日益顯示出他們在工程應用與試驗研究中的巨大作用。
在眾多的活性污泥數學模型中，水協會（IWA）推出的活性污泥數學模型（ASM1～3）應用廣泛。早在1982年，水協會的前身水污染控制協會（IAWPRC）就成立了活性污泥法設計和操作數學模型攻關研究課題組，并于1987年推出活性污泥1號模型（ASM1），引起了強烈的反響。隨著對活性污泥法機理研究的深入、分析測試水平及計算能力的提高，該模型不斷地發展。水協相繼于1995年推出了活性污泥2號模型（ASM2），1998年推出了3號模型（ASM3），1999年又把2號模型ASM2拓展為ASM2d，這些都*地推動了活性污泥法數學模型的研究。這些模型可方便地用于新建、改建污水廠的方案設計，也可用于已有污水廠的靜態、動態模擬、運行狀況預測和工藝改進。
ASM2包含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、發酵及生物除磷、化學除磷的8個反應過程。它含19種組分、19種反應、22個化學計量系數及42個動力學參數，但還是不能*準確地反映活性污泥系統中的生物除磷過程。水協數學模型課題組對ASM2進行了補充，成為ASM2d。它加入了聚磷菌的缺氧條件下的生長過程，使其含19種組分、21種反應、22個化學計量系數及45個動力學參數。
Keller, J.將一維水力學模型和改性ASM2d結合預測SBR工藝污泥沉降速度、污泥濃度、溶液組成、SBR非混合階段的生物工藝過程。在大規模SBR系統中進行校正，結果發現該模型可以準確地預測整個SBR工藝的性能。R. Carrette利用ASM2d模型對含有大比例紡織廢水(約占41％左右)的城市污水進行研究，采用3個自動采樣器，在30天內24小時不間斷地每隔2h采樣一次，樣品冷卻到4℃，被送至實驗室進行分析，共分析（10+10+12）X12X30=11520個水質數據，同時對厭氧池的出水進行在線監測磷酸鹽。結果顯示，當大量的紡織廢水排入污水處理廠時，采用間歇測定法對ASM系列中的廢水水質成分進行測定，同時對ASM2d中的4個參數(厭氧水解減速因子ηfe、反硝化減速因子ηNO3、自養衰減系數bAUT以及聚磷茵有關的衰減系數b)進行校正，就能較好地預測氮磷的去除效果。Larrea L等用ASM2d模型對交替運行和分步進水污水處理工藝進行試驗研究，通過對幾個關鍵參數進行校正，所有預測效果與實際基本吻合。
水協的ASM系列模型在我國的應用還不是很廣泛，除了ASM1與ASM2研究較多外，對ASM2d與ASM3的研究較少。目前我國在污水處理廠工藝設計與運行管理中仍普遍采用傳統的經驗法，不可避免地存在滯后性和機械性的弱點，并已成為困擾我國污水處理行業發展的一大問題。正確應用數學模型可使運行管理及設計工作更具科學性、前瞻性和靈活性。
ASM模型的參數眾多，需要對水質詳細測量。對于不同地區的污水處理系統，需要對化學計量系數和動力學參數進行校正，此外ASM系列模型也需要不斷完善。因此要用于預測或評價活性污泥處理工藝連續運行的效果，還需要做進一步的工作。國外的研究人員把ASM模型與其他模型相結合取得了較好的效果，我國也應該在這方面爭取突破，實現污水處理廠全廠模型化。
