基于数学模型的污水生物处理技术研究综述

摘要：随着人口的大量增长以及社会工业化水平的不断提升，水资源的污染情况日益恶化，因此如何提高污水处理的效率和质量成为污水处理领域的重要课题[1]提高我国污水处理厂处理效率和运行水平，并在保证出水水质的前提下减少能耗和成本，研究应用数学模型反应污水处理厂实际运行情况，并形成一套科学系统的解决方法至关重要。本文简要介绍了污水生物技术的发展背景，阐述了基于数学模型的污水生物处理技术的发展方向和发展前景。

关键词：生物污水处理;数学模型;污水处理技术

一、研究背景及意义

近年来，我国的污水处理事业发展迅速，但水污染建模与控制研究相对落后。目前，我国的污水处理厂工程从设计到运行管理主要以经验、半经验的办法生产工作，使得污水处理厂的设计有时并不能很好地适应实际需要，建成后需长时间调试和试验。另外，污水处理过程存在信息不完全和测量参数滞后的问题，且污水处理系统复杂多变，使得对污水处理结果难以精确控制[2]。

为了解决上述制约着污水研究发展的瓶颈，相关学者和研究人员提出了各种理论模型来改进工艺和调整参数。随着研究的深入，污水处理的相关数学模型受到了越来越多的重视，逐步从理论研究走向实际应用之[3]。

二、研究现状

应用数学方法最关键的步骤，是通过建立研究对象的数学模型，并计算求解，从而将各类实际问题细化和量化[4]。在此背景下，从事污水处理技术研究的学者们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。

目前所提出的数学模型，主要是根据活性污泥法推导出来的，而这些模型的建模思路和模型结构，也为后面其他好氧生物处理法和厌氧生物处理法等模型的建立提供了借鉴依据。污水生物处理的数学模型[5]按照时间顺序和复杂程度主要包括以Eckenfelder模型为代表的经验模型、以Lawrence-McCarty模型为代表的基本模型和以ASM模型为代表的综合模型。

（一）国外研究现状

20世纪70年代，当世界各地依然在用经验法则设计和运行污水处理厂时，南非开普敦大学的Gerrit Marais就已经开始了深入的试验与模型理论研究。1990年，法国Capdeville等人对生物膜生长过程进行了详细划分，并在此研究基础上建立了生物膜生长动力学和基质降解动力学数学模型 [6]。2004年在摩洛哥举行的第四届IWA世界水大会上，来自世界各地的污水处理模拟工作研究团队提出建立一套国际化的通用框架，以规范ASM类模型在实际中的应用。

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。目前，ASMs模型被广泛认为是描述污水处理复杂现象的有效工具。

（二）国内研究现状

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。

1995年钱易教授首次将ASM系列模型引入国内，为国内同行学习和研究ASM系列模型，开展污水处理的数值模拟奠定了基础，并开始了我国污水处理综合模型理论的研究进程[7];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;2001年，季民等人在总结ASM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，用该模型模拟了天津纪庄子污水处理厂的实际运行，得出的模拟结果与实测数据相吻合[8]。

另外，许多国内的大学也在这方面做了大量研究。天津大学在总结了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，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运行、模拟预测专家系统软件，并了模拟实际的污水处理厂情况。

（三）局限性

随着国内相关研究的迅速发展，我国的研究热点聚焦在将理论模型与污水处理厂实践应用上加以结合。并在模拟实际工藝处理工程过程中，成为指导工艺处理和辅助设计城市污水处理厂的有效仿真工具。

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，在很多细节上仍有不足。比如：污水处理厂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。

三、总结

基于数学模型的污水生物处理技术是一个从片面到全面的过程，其在工艺的优化设计和污水处理厂的运行管理中起着重要作用。

污水生物处理的数学模型研究和发展在未来可能集中于以下方面：①着眼于污水处理系统的不确定性分析。随着数学模型在污水处理系统中的大量应用，模型结果的可靠性要求越来越高，尤其是模拟结果的可靠性分析和风险水平评估显得尤为必要。②基于数学模型的污水生物处理技术如果能与在线监测设备相结合就能形成反馈调节机制，实现污水厂的智能化管理。③生物场和水力学场、温度场耦合。实际污水处理工艺受到温度及反应池内混合液流态的影响，因此加入温度场和水力学场与传统的生物场结合将增强模型的实用性。

参考文献：

[1] 杨志勇.工业废水处理方法及研究进展[J].科技经济市场，2011（02）：14-16.

[2] 李佟， 李军， 刘伟岩，等. 数学模型在污水处理厂优化控制过程中的应用[J]. 给水排水， 2009， 35（11）：222-225.

[3] 丁婉晴，薄涛，丁彬彬，张晓文.活性污泥模型模拟污水处理厂运行的工程应用研究进展[J].环境与发展，2018，30（09）：19+21.

[4] 曹婷婷. 污水生物处理活性污泥法仿真建模研究[A]. 《环境工程》编委会、工业建筑杂志社有限公司.《环境工程》2018年全国学术年会论文集（上册）[C].《环境工程》编委会、工业建筑杂志社有限公司：《环境工程》编辑部，2018：5.

[5] Yagci N，Insel G，Artan N，Orhon D. Modelling and calibration of phosphate and glycogen accumulating organism competition for acetate uptake in a sequencing batch reactor.[J]. Water Science and Technology，2004，50（6）.

[6] Capdeville B ， Nguyen K M . Kinetics and Modelling of Aerobic and Anaerobic Film Growth[J]. Water Science & Technology， 1990， 22：149-170.

[7] 孙培德[1]， 宋英琦[1]. 基于微生物相互作用机理的完全耦合活性污泥模型研究[J]. 环境科学学报， 2006（9）.

[8] 季民， 霍金胜， 胡振苓，等. 活性污泥法数学模型的研究与应用[J]. 中国给水排水， 2001， 17（8）：18-22.

作者简介：

龙彦宇（1996.8），重庆人，扬州大学研究生，研究方向为水处理理论与技术。