ASM（Activated Sludge Model）即活性污泥模型，是國際水質(zhì)協(xié)會（IAWQ）針對污水活性污泥法處理推出的數(shù)學模型。ASM是為了解決廢水生物處理設計和操作過程中的問題而推出的，主要目的是為了獲得最優(yōu)化的效果。ASM自從推出以來，得到了廣泛的應用；其本身也在不斷地發(fā)展和完善?，F(xiàn)在，這個系列模型已經(jīng)運用到了各種污水處理工藝如接觸氧化、氧化溝、SBR等工藝中。

1．ASM發(fā)展概述

1987年，IAWQ推出了ASM1[1]，這個模型包括了有機物氧化及硝化和反硝化的生物過程，由于這個模型能夠很好地模擬污水處理結(jié)果，所以得到了研究者的認同。1995年，IAWQ推出了ASM2[2]，它在ASM1的基礎上引入了生物除磷以及化學除磷的過程。1999年，IAWQ同時推出了ASM2d[3]和ASM3[4]。ASM2d 是對ASM2的進一步完善，改正了ASM2中對磷聚集微生物（Polyphosphate Accumulating Organism，簡寫為PAO）的不恰當描述。而ASM3是在總結(jié)和修正ASM1模型缺陷的基礎上提出的，采用了與ASM1不同的理論依據(jù)，ASM3中同樣包括有機物氧化、硝化和反硝化，而沒有包括生物除磷。2001年，由負責建立ASM3的學者推出了EAWAG Bio-P[5]模型，這個模型建立在ASM3基礎上，采用了ASM2d的一些觀點，在ASM3的基礎上增加了生物除磷的過程，但不包括化學除磷。

ASM共有的特點在于將污水中的組分分為可溶性組分和顆粒性組分，其中可溶性組分包括溶解氧、堿度及大部分污染物，顆粒性組分包括微生物及部分污染物，應用理論建立生物或化學反應過程（基于莫諾特方程式）。在表達方面最主要的特點是采用矩陣形式來描述各組分在反應過程中的變化規(guī)律和相互關系，這就簡化了反應速率方程式的表達，有利于計算機程序的編碼。ASM矩陣反應速率中采用了“開關函數(shù)”的概念，用來反映環(huán)境因素改變而產(chǎn)生的抑制作用，可以避免那些因為具有不連續(xù)特性的反應過程在模擬過程中出現(xiàn)的數(shù)值不穩(wěn)定的現(xiàn)象；例如在反硝化反應速率中加入一項，其中為氧飽和速率常數(shù)，為溶解氧濃度，當溶解氧趨于0時，此項為1，反硝化過程順利進行，反之，當溶解氧濃度增大到一定限度時，此項趨近于0，反硝化過程停止。此外，研究者還可以根據(jù)理論發(fā)展及實際情況的需要對現(xiàn)有的ASM進行反應過程的增加或簡化，這無疑擴大了ASM應用的靈活性。

2．ASM對污水處理過程的描述

由于ASM建立在對微生物反應過程的描述之上，所以對反應過程描述的不同也就導致了模型表達的不同，而其根本原因是采用了不同的理論。ASM1、ASM2、ASM2d排除了傳統(tǒng)的維持（Maintenance）理論和內(nèi)源呼吸（Endogenous Respiration）理論，采用了死亡-再生（Death Regeneration）理論，而ASM3、EAWAG Bio-P模型采用了內(nèi)源呼吸理論。

圖1是ASM1對模型反應過程的描述?？梢钥吹剑Ｐ椭挟愷B(yǎng)性微生物和自養(yǎng)性微生物（硝化菌）并不是完全分開的，即模型中兩種微生物反應的計算會相互影響。ASM1包含了13種組分，8種反應過程。

ASM2中，認為PAO不能夠進行反硝化反應，而許多研究發(fā)現(xiàn)部分PAO能夠在內(nèi)源呼吸時利用硝酸鹽（亞硝酸鹽）氮，從而發(fā)生反硝化反應。ASM2d正是考慮到這一點而在ASM2基礎上改進的。

圖2是ASM2d對模型反應過程的描述。可以看到，由于PAO的引入，模型變的格外復雜。為了方便計算，ASM2d認為模型中的異養(yǎng)性微生物是“萬能”微生物，它們能夠在好氧或兼性（反硝化）狀態(tài)下生長，也能夠在厭氧狀態(tài)下保持活性（發(fā)酵）。此外，ASM1中的易生物降解基質(zhì)被可發(fā)酵、易生物降解有機基質(zhì)和發(fā)酵產(chǎn)物所代替；而ASM1中的顆粒性及溶解性有機氮由于難于測量，極易轉(zhuǎn)化，所以除ASM1外的模型均省略了這兩個組分，認為它們應該作為顆粒性慢速生物降解基質(zhì)中含量固定的部分，如果含量是變化的，需要增加附加的組分和反應過程。

由于現(xiàn)在對生物除磷原理的了解仍然不是很完善，所以ASM2d選擇了一個簡單的模型對PAO進行描述，這個模型允許對生物除磷進行預測，但是沒有包括所有觀測到的現(xiàn)象。所以，IAWQ建議將ASM2d作為以后模型發(fā)展的基礎。ASM2d假設PAO只能夠在好氧、兼氧條件下生長，只能利用細胞內(nèi)部貯存的有機物質(zhì)聚羥基烷酸（PHA）進行生長，這個假設對于ASM2d來說是一個很不利的限制，可能需要以后進一步的改進。

ASM2d包含了19種組分，21種反應過程。

圖3是ASM3對模型反應過程的描述。可以看到，模型中異養(yǎng)性微生物和自養(yǎng)性微生物（硝化菌）是完全分開的，即它們的衰亡過程采用了兩個不同的方程，這就避免了它們的相互干擾。ASM3認為，貯存-內(nèi)源呼吸能更好地描述微生物的衰亡過程，而不是像ASM1采用的水解模式。

ASM3包含了13種組分，12種反應過程。

EAWAG Bio-P與同樣考慮了生物除磷的ASM2d不同，這個模型忽略了易生物降解基質(zhì)的發(fā)酵過程。這個假設是建立在統(tǒng)計學模型分析和研究結(jié)果基礎上的，這些成果表明，典型的市政污水中，不存在發(fā)酵過程對釋磷過程的限制性作用。對PAO的描述方面，EAWAG Bio-P和ASM2d主要的不同在于應用了內(nèi)源呼吸以及較低的兼氧衰亡速率。由于PAO厭氧衰亡的值很小，所以EAWAG Bio-P忽略了這個過程。

圖2中ASM2d對PAO的描述也基本適用于EAWAG Bio-P模型，只是水解過程變成了內(nèi)源呼吸（產(chǎn)物僅為惰性顆粒有機物），無發(fā)酵產(chǎn)物這一組分，不包括化學除磷過程（可根據(jù)需要增加）。

EAWAG Bio-P包含了17種組分，23種反應過程。

3．ASM在SBR工藝中的應用

自從IAWQ推出ASM后，就不斷有研究者將其應用到SBR工藝中。因為對于SBR這樣運行狀況多變的污水處理工藝，利用數(shù)學模擬的方法來進行輔助設計和優(yōu)化控制是很有必要的，否則很難達到預期的設計目標[6]。SBR工藝與傳統(tǒng)的活性污泥工藝相比，應用ASM模型最大的不同之處在于必須對SBR中的時間控制以及容積的變化進行描述。

J Oles[7]等人應用ASM1對SBR工藝進行了模擬，他們的研究表明，經(jīng)過對模型中參數(shù)的修正，使之適用于SBR后，模型能夠很好地預測SBR操作過程中COD、氨氮、硝酸鹽氮的變化。

G Andreottola[8]等人采用了修正的ASM1對SBR工藝進行了動態(tài)模型的研究和參數(shù)靈敏度分析，他們將ASM1中認為一步完成的硝化反應修正為亞硝酸鹽化和硝酸鹽化兩個階段，引入了硝酸鹽化的開關函數(shù)，并采用最小二乘法對模型進行優(yōu)化控制，以使排水中的氮濃度最小，他們的研究結(jié)果表明，修正后的模型能更好地模擬廢水處理的結(jié)果。

A Brenner[9]采用了修正的ASM2模型來模擬SBR工藝在處理市政污水時其中N、P的轉(zhuǎn)換情況，他同樣將硝化反應分為兩步，考慮到了游離態(tài)氨氮的積累，不過他認為自養(yǎng)性的反硝化細菌可以同樣利用亞硝酸鹽和硝酸鹽進行反硝化反應，這個現(xiàn)象發(fā)生在進水混合期。對異養(yǎng)性微生物也沒有再分為反硝化菌和非反硝化菌兩類，而是通過一個兼氧的轉(zhuǎn)換系數(shù)來控制這兩種生物的反應的起始。污水中的惰性顆粒物質(zhì)的產(chǎn)生，他認為主要來源于細菌的衰減，而可溶性組分主要來源于有機物的水解；污水中PAO的生長，主要發(fā)生在缺氧進水階段。

Hong Zhao[10]等人對比了ASM2和ASM2簡化模型及神經(jīng)網(wǎng)絡模型對SBR工藝的模擬結(jié)果，他們的研究結(jié)果表明：ASM2的模擬結(jié)果能夠更好地預測和解釋SBR特定運行狀態(tài)下的運行數(shù)據(jù)，但是需要經(jīng)常校正其中的系數(shù)；而ASM2簡化模型和神經(jīng)網(wǎng)絡的混合模型能夠提高預測的準確度，模型的魯棒性也增強了。所以他們建議，利用ASM2進行過程細節(jié)的模擬，而利用混合模型來進行在線預測和控制。

此外，還有很多人用針對SBR工藝特有的現(xiàn)象提出了相應的動力學描述方程式。如A A Kazml[11]等人利用ASM2的基本思路，針對SBR脫磷過程中系統(tǒng)中存在的氮對脫磷反應的影響建立了動力學方程，可以用來修正ASM中對這一部分考慮的欠缺。他們還通過改變進水負荷觀察到了PAO的細胞內(nèi)貯能產(chǎn)物PHA在反應中起到的重要作用。他們的研究證明，當方程式中的動力學參數(shù)選擇合適時，模型的預測值與實驗值是吻合的。

S Marsill[12]等人采用了一個修正的ASM2d模型并結(jié)合Matlab軟件進行了SBR工藝的仿真，同時利用模擬污水校準了其中的一些反應常數(shù)的值，對SBR工藝中存在的生物增強性除磷現(xiàn)象也進行了研究。他們在方程中用了亞硝化—硝化兩個種群細菌的反應來解釋硝化反應，而不象ASM中那樣只采用了一個反應式，對反硝化反應也分為兩步進行，同時考慮到了游離態(tài)氨氮的積累對反硝化反應的阻滯現(xiàn)象。他們對SBR中微生物在好氧—厭氧交替運行下發(fā)生的增強性生物除磷現(xiàn)象也進行了數(shù)學描述，并用了完全不同的方程式來描述污水中PAO的生長情況。他們的實驗數(shù)據(jù)與理論預測非常接近。

J MIkosz[13]等人應用了SimWorkTM這種為SBR處理廠的運行而開發(fā)的軟件（核心采用了ASM）對某污水處理廠的運行進行了模擬。他們進行模擬的目的是為了獲得最佳的SBR循環(huán)時間和反應階段的調(diào)整策略，讓系統(tǒng)在低溫（<10℃）情況下仍然保持較高的硝化效果，但同時又不影響系統(tǒng)的反硝化及生物增強性除磷的效果。經(jīng)過對污水處理廠反應常數(shù)的校準和動態(tài)模擬之后，他們找到了最佳的反應狀況。污水廠的運行結(jié)果顯示：當污水在低溫（6℃）下運行時，采用最佳的反應條件（時間序列控制），系統(tǒng)硝化效率可以提高50%~80%，生物增強性除磷的效率可以提高45%~75%，但是卻不影響反硝化的效率，總氮的去除率仍然可以從原來的70%提高到80%。

由于SBR工藝具有一定的局限性，所以出現(xiàn)了很多基于SBR的新工藝，如CASS、DAT-IAT、MSBR等。對于這些改良SBR工藝的數(shù)學模型，也有學者進行了研究。

L Novák[14]等人采用了ASM1對CASS工藝（尤其對于CASS中的生物選擇器）進行了模擬，他們的模型可以描述反應器容積的變化以及生物反應的過程，模擬廢水中各種污染物的動態(tài)變化。他們建議，為了取得更好的模擬結(jié)果，需要考慮反應器的水力學模型。

W Wu[15]等采用了Dold模型（與ASM1類似）來模擬MSBR的運行，在模型中綜合考慮了脫氮與除磷的存在。他的模型中引入了6種缺氧活性污泥的代謝，其中有一些和ASM2d中的描述是一樣的，同時，他的模型中采用了更為詳盡的生物反應階段的描述。其模擬結(jié)果表明，系統(tǒng)模擬的相對誤差<2~3%，說明系統(tǒng)模擬的結(jié)果較可靠。

4．當前SBR污水處理數(shù)學模型存在的主要問題

盡管針對SBR污水處理工藝已經(jīng)有很多人提出的數(shù)學模型，也取得了很好的模擬結(jié)果，但是仍然存在一些問題：

（1） 研究者建立的各種模型一般均是針對傳統(tǒng)SBR工藝的，應用到改良SBR工藝中時有時需要很大的改變；

（2）對于SBR工藝脫氮除磷的機理還沒有統(tǒng)一的完善認識，影響了模型正確的建立；

（3）由于ASM本身的局限性，限制了建立的模型在工業(yè)廢水中的應用；

（4）在應用數(shù)學模型進行輔助設計、仿真優(yōu)化污水處理廠的運行時，需要校正很多參數(shù)，消耗大量的時間和精力；

（5）根據(jù)我國目前污水處理廠的設計、運行和水質(zhì)監(jiān)測水平，直接應用這些數(shù)學模型還是有一定困難[16]，如何根據(jù)我國國情來建立合適的模型，仍然是一個問題。

5．結(jié)論

由于可以對污水處理設施進行仿真模擬和優(yōu)化控制，ASM得到了廣泛的應用，尤其對于SBR工藝這樣具有明顯操作靈活性的工藝而言，應用ASM進行控制可以得到顯著的脫氮除磷效果；但是由于ASM本身的局限性，在應用過程中仍然有很多問題，需要進一步的研究。

參考文獻

[1] Henze M, Grady W, Marasis G v R et al. Activated sludge model No.1. IAWPRC Scientific and Technical Report No.1[M]. London, England: IAWPRC, 1987
[2] Gujer W, Henze M, Mino T, Wentzel M C et al. The activated sludge model no.2: biological phosphorus removal[J]. Wat Sic Tech, 1995, 31(2):183-193
[3] Henze M, Gujer W, Mino T et al. Activited sludge model no.2D, ASM2D[J]. Wat Sic Tech, 1999, 39(1):165-182
[4] Gujer W, Henze M, Mino T et al. Activited sludge model no.3[J], Wat Sic Tech, 1999, 39(1): 183-193
[5] Rieger L, Koch G, Gujer W et al. The EAWAG Bio-P module for activated sludge model no.3 [J], Wat Res, 2001, 35(16): 3887-3903
[6] N Artan, P Wilderer, D Orhon et al. The mechanism and design of sequencing batch reactor—the state of the art[J]. Wat Sic Tech, 2001,43(3):53-60
[7] J Oles , P A Wilderer. Computer aid design of sequencing batch reactors based on the IAWPRC Activated Sludge Model[J]. Wat Sic Tech, 1991,23(4/6):1087-1095
[8] G Andreottola, G Bortone et al. Experimental validation of a simulation and design model for nitrogen removal in sequencing batch reactors. Wat Sic Tech, 1997,35(1):113-120
[9] A Brenner, Modeling of N and P transformation in an SBR treating municipal wastewater[J].  Wat Sic Tech, 2000,42(1/2):55-63
[10] Hong Zhao et al. Approaches to modeling nutrient dynamics: ASM2, simplified model and neural nets[J]. Wat Sic Tech, 1999,39(1):227-234
[11] A A Kazam et al. Modeling effect of remaining nitrate on phosphorus removal in SBR[J]. Wat Sic Tech, 2001,43(3):175-182
[12] S Marsili Libelli et al. Implementation, study and calibration of a modified ASM2d for the simulation of SBR processes[J]. Wat Sic Tech, 2001,43(3):69-76
[13] J Mikose et al. Use of computer simulation for cycle length adjustment in sequencing batch reactor[J]. Wat Sic Tech, 2001,43(3):61-68
[14] L L Novák et al. Dynamic mathematical modeling of sequencing batch reactors with aerated and mixed filling period[J]. Wat Sic Tech, 1997,35(1):105-112
[15] W wu et al. Simulation and application of a novel modified SBR system for biological nutrient removal[J]. Wat Sic Tech, 2001,43(3):215-222
[16] 朱明權，利用COD指標進行活性污泥法系統(tǒng)的設計[J]. 中國給水排水，1999，15（2）:18-24

  使用微信“掃一掃”功能添加“谷騰環(huán)保網(wǎng)”