基于数学模型的污水生物技术发展及展望

赵 鑫 方 叶

（1秦皇岛市环境保护宣传教育中心河北秦皇岛066000 2秦皇岛市环境保护产业管理中心河北秦皇岛066000）

基于数学模型的污水生物技术发展及展望

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简要介绍了污水生物技术的发展背景及分类，着重介绍了污水生物处理技术的发展及数学模型应用于污水生物处理技术的过程，收集整理了国内外污水生物处理技术的进展情况，总结了基于数学模型的污水生物处理技术的发展方向及发展前景。

生物污水处理；数学模型；污水处理技术

近年来，人类的粗放型生产活动和生活方式使大量的工业、农业和生活废弃物排入水中，污染着受纳水体。由于前期并未重视并预防水污染问题，致使目前全世界每年排入江河湖海的污水总量约有4200多亿立方米，污染约5.5万亿立方米淡水资源，污染量超过全球径流总量的10%。我国水环境的前景更是令人担忧，多年来，我国水环境持续恶化，水资源质量不断下降，由于污染所导致的缺水和事故不断发生，引发了生产、生活领域的各种问题，因水环境遭到破坏而经济损失越来越大，造成不良的社会影响影响越来越深，威胁着人们的生存环境，威胁着社会的和谐和可持续发展。

水污染防治迫在眉睫，2015年4月，国务院印发的《水污染防治行动计划》（简称“水十条”）中第一句话就明确了水污染防治的重要性—“水环境保护事关人民群众切身利益，事关全面建成小康社会，事关实现中华民族伟大复兴中国梦。”多年以前，我国大部分地区就开始采取行之有效的措施控制人为水污染，我国的污水处理行业由此得到了飞速发展。几十年间，我国的大中型污水处理厂从最初的只有几十座发展到现在的近4000座，各地新建、扩建大量污水管网，污水统一收集，统一进入污水处理厂处理后达标排放，避免了污水乱排乱放，有效地保护了我国地表水和地下水环境。与此同时，污水处理的标准也从最初以去除COD为主提高到COD、总氮、总磷的综合控制，污水处理技术得到了快速的发展。

现代的污水处理技术，主要可分为三类：物理处理法、化学处理法、生物处理法。物理处理法的原理是通过物理作用分离、回收废水中不溶解的呈悬浮状态的污染物；化学处理法是通过化学反应和传质作用来分离、去除废水中呈溶解、胶体状态的污染物或将其转化为无害物质；生物处理法则是通过微生物的代谢作用，使废水中呈溶液、胶体以及微细悬浮状态的有机污染物，转化为稳定、无害的物质的废水处理法。这三类处理技术中，物理处理法和化学处理法由于原理较单一，实际应用有一定的局限性，而生物污水处理法则可胜任较为复杂的污水处理过程，应用较为广泛。生物污水处理法可应用于石油、石化、化工、冶金、机械、皮革、煤气化、食品、酿造、日化、印染、制药、造纸及城市污水等绝大多数类型的污水处理以及大面积水域的污水处理，且其有机负荷高、占用土地少、节约投资，易于维护。

生物污水处理法也称污水生物处理技术，距今已有100多年历史，它是一种模仿自然界中微生物降解有机物过程的工艺，依靠处理系统自身的微生物，发挥其正常降解有机物的功能，使污水中呈溶解和胶体状态的有机污染物最终转化为二氧化碳和水。这一过程可清洁、高效、低成本地消除人类活动产生的大部分天然和合成有机物，由于人类的增长和生活水平的提高，人类排向自然界的污水和废弃物日益增加，远远超出了自然界自身的净化能力，因此，人们将目光转向了微生物降解，将这种自然过程移植到工厂里，提供一定的条件，有针对性地加以强化和规模化管理，从而形成了今天的污水生物处理工艺的雏形。

前期应用了污水生物处理技术的污水处理厂，设计和运行大多根据经验数据进行，为了降低能耗，提高生产率，20世纪50年代起，国外的一些学者在污水生物处理的动力学方面做了大量的研究工作，深入地研究了基质降解和微生物生长的规律，以便更合理地进行主要污水处理设备的设计与运行，但极为复杂的反应过程和反应方程式使得此项工作陷入了瓶颈。而在此时，随着计算机技术的迅速发展，数学的应用不仅在经济、金融、人口等领域发挥着越来越重要的作用，而且以多种形式广泛应用于医学、环境、地质、交通等新的领域，指导着这些领域的实际运转，数学技术已经成为当代高新技术不可或缺的组成部分。而应用数学方法在科技和生产领域解决各类问题首要的和最关键的步骤，是细化和量化各类实际问题，将其具体到方程式中，建立研究对象的数学模型，并加以计算求解。在此背景下，从事污水生物处理技术研究的学者们恰逢其会，根据活性污泥法推导出了污水生物处理技术的数学模型，为污水生物处理技术的研究开辟了新的道路。污水生物处理的数学模型按照时间顺序和复杂程度来分，大致可以分为以下三类：

第一类是以Eckenfelder模型为代表的经验模型。之所以称经验模型，是因为污水生物处理过程的设计和运行管理主要依靠经验数据，主要考虑污水处理厂的负荷与处理之间的关系，模型的推导多以基质服从一级反应为基础。基于Eckenfelder模型设计的污水处理厂，系统动力学遵循一级反应关系，由于每一基质的零级反应去除速率是恒定的，不受其他基质的影响，因此Eckenfelder模型适用于处理含有多种基质的污水。

第二类是以Lawrence-McCarty模型为代表的基本模型。这一模型将Monod方程引入污水生物处理系统，更深入地说明了微生物增长与基质降解之间的关系。由于Monod模型是根据菌种对单纯化合物作间歇培养的试验结果而得出的，因此Lawrence-Mc-Carty模型适用于含有单一基质的污水。

第三类是以ASM模型为代表的综合模型。随着水污染控制的要求不断提高，人们不仅仅满足于污水生物处理可以去除污水中的有机碳，还要求去除污水中的氮磷等营养元素，这就要求污水生物处理的数学模型增加对硝化过程、反硝化过程和除磷过程的表达。由于微生物系统间存在的相互作用，描述这些过程的数学模型极为复杂，计算过程需要大量的计算，此时矩阵型综合模型的出现和计算机技术在模型解算中的应用和发展为综合模型的实际应用提供了重要的条件。1964年DowningA.L、PainterH.A和KnowlesG联合发表了关于活性污泥法中硝化反应模型的文章，该文章首次尝试在污水处理过程中引入质量平衡和动力学平衡，对后期的研究有着深远的影响，在此基础上污水生物处理数学模型开始了迅速的发展。

20世纪70年代，南非开普敦大学的研究人员建立了稳态条件下（即基于“稳态运行、溶解性基质、二沉池无生物反应、固液分离良好、充分混合”五个基本假设）的计算模型和动力学计算模型；20世纪80年代，国际水污染研究与控制协会（IAWPRC）会议上，Dold PL等人提出了活性污泥法综合计算模型，该模型几乎包含了污水生物处理中所有的相关过程，但如此复杂的模型难以应用于实际。为此IAWPRC成立了相关的研究小组专门开发并研究污水生物处理系统的设计与运行模型，对当前已有的模型进行全面系统的评估，进而对其进行整理、简化，1986年，课题组提出了包含常见的硝化反应和反硝化反应的活性污泥模型（ASM1），该模型首次在污水生物处理模型中应用了精密矩阵结构，将最初的几十页的公式缩减为一张表格，极大地简化了中间过程。1995年，课题组提出了第一个包含生物和化学除磷的计算模型的ASM2模型。此后，课题组又在此基础上提出了ASM2d模型和ASM3模型，这些模型极大地推动了污水生物处理的发展。精密矩阵由此成为模型中的语言并得到了被广泛应用至今。

除了活性污泥模型外，厌氧生物模型和生物膜模型也在近几十年的到了长足发展，研究人员根据厌氧消化四阶段理论提出了描述厌氧生物处理的ADM模型，根据微生物固定动力学原理提出了固定生长好氧生物处理过程的模型，这些模型丰富并完整了污水生物处理模型，使生物污水处理厂在世界各地如雨后春笋般建立起来。同时，对污水生物处理模型的研究也从未停止，在欧美等国的工程技术公司，应用数学模型研发污水厂生物处理新工艺已成为常态化；澳大利亚的研究人员经过反复测试，修正了BioWin模型的部分基本参数，在提高了处理过程中脱氮速率的同时，扩展了该模型的应用范围；此外，从20世纪末至今，荷兰约有近百多座污水处理厂在运转的同时不断应用数学模型进行动态模拟，以模拟的结果指导污水处理厂的工作，积累了大量经验，取得了多项有价值的成果。

我国的污水生物处理数学模型技术起步较晚，但也取得了不少成绩，研究人员系统地对其工艺设计、运行优化、实验定向等方面进行验证和研究，研究结论广泛应用于实际，带来了良好的经济和环境效益。我国的污水生物处理正在由粗放型向精确控制的方向发展。

1996年我国研究人员利用收集到的国内若干污水厂的运行数据，验证了ASM1模型和相应的计算机程序在我国城市污水厂的可行性，并得到了肯定的结果；天津大学总结了IAWQ活性污泥模型的基础上，建立了适合于普通推流式活性污泥法的碳氧化数学模型，并应用MATLAB软件，在WINDOWS平台上开发出模拟系统，成功地模拟了天津市一座污水处理厂的运行；清华大学在IAWQ模型基础上开发出城市污水处理厂运行、模拟预测专家系统软件，并对实际污水处理厂进行了测试，结果表明，该软件能够比较准确地反映污水处理厂实际运行状况；同济大学利用ASM1、ASM3对上海市一座污水处理厂的处理工艺进行动态模拟，结果表明出水的主要参数—COD、BOD、氨氮的模拟值与污水处理厂的实测值基本吻合，并能够应用模型进行具体指导，以达到污水生物处理的最佳效果，实际结果证实了ASM1、ASM3数学模型对城市污水处理厂进行模拟可行；重庆大学以ASM2模型为基础，根据实际需要自行开发了数学模型，对重庆市一座污水处理厂三种脱氮除磷方案进行了模拟，并成功调试出每种方案的最佳控制参数。

今天的污水生物处理过程，虽然数学模型被作为切实有效的系统核心部分指导着污水处理的每个流程，节约大量的人力、物力、财力，然而模型的应用也有其局限性，要利用数学模型尽可能地提高污水处理的水平，就要尽可能高精确、高精准、高精度地模拟污水处理的运行控制部分，但这会直接导致工艺的复杂与污水处理周期的增加，因此，在条件允许的情况下尽可能调整成本与成果的平衡，在使投入和产出切合最大收益的基础上尽量提高单成本污水处理能力，是数学模型应用于污水处理过程的主要目的。

应用数学模型设计、优化运行和管理污水处理厂是污水生物处理技术的必然发展趋势。但在世界范围内这一领域的研究也尚未完全成熟，很多细节还存在不足。比如，污水处理厂运行快速自动模拟预测及控制系统至今并不完善，数学模型目前还不能自动化构建，极端情况下数学模型不能做出合理的反应等。

应用数学模型的污水生物处理技术任重道远，前途光明。

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赵鑫（1986—），男，黑龙江省宾县人，北京交通大学硕士研究生，现供职河北省秦皇岛市环境保护局，负责水污染防治工作。