论文作者：李茹莹1，季民1，任智勇1，胡振苓2，马文杰2
摘要：对间歇厌氧反应器、UASB反应器、复合式厌氧反应器和厌氧滤池污泥中的发酵细菌、硫酸盐还原菌、产甲烷菌的数量和生物相进行了分析，并观察了颗粒污泥的结构，剖析了影响厌氧颗粒污泥形成的因素。
关键词：硫酸盐有机废水 发酵细菌 硫酸盐还原菌 产甲烷 颗粒污泥
Aoaches to the Development and Problems of Research
and Application of Activated Sludge Model
Abstract: Analysis and comparison were made to the activated sludge model No.1，2 and 3 (ASM No.1，2
and 3) proposed by International Association on Water Quality (IAWQ)．Some problems of the models were
found．According to the practice of applications and researches on activated sludge model, the key issues on modeling are water quality analysis，model simplification and parameter calibration．
Key words：activated sludge model(ASM)；modeling；parameter calibration
近年来，国外有很多关于数学模型在饮用水处理、污泥处置、各种污水处理等工艺中的应用报道。在活性污泥工艺众多的数学模型中，由原国际水质协会（IAWQ）（现已改称为国际水协会IWA）推出的活性污泥数学模型（ASM）发展最为成熟，应用最为广泛。但我国在该领域的研究起步较晚，在实际应用方面还相当滞后。目前国内仅有相当有限的关于模型应用的报道。本文重点讨论IAWQ活性污泥数学模型的特点及目前存在的问题，并结合笔者在研究中的体会，分析其在应用中的关键问题及其发展应用前景。
1 IAWQ活性污泥数学模型
1.1 IAWQ活性污泥数学模型简介
为了鼓励环境科学家和工程师更广泛地把数学模型应用到废水生物处理系统的分析设计和运行管理中去，1983年，原国际水污染控制协会（IAWPRC）（国际水质协会IAWQ的前身）组织了南非、丹麦、美国等五国专家组成活性污泥工艺模型课题组来完成活性污泥处理系统数学模型的研究。ASM课题组于1987年正式发表了技术报告，阐明了活性污泥1号模型（ASM No.1）的主要特性。它以矩阵的形式描述了污水中好氧、缺氧条件下所发生的水解、有机物降解、微生物生长、衰减等8种反应，模型中包含13种组分、5个化学计量系数和14个动力学参数[1]。
ASM NO.1自推出以来得到广泛应用，但它的缺陷是未包含磷的去除。针对此问题，IAWQ专家组于1995年又推出活性污泥2号模型（ASM No.2），它包含了磷的吸收和释放，增加了水解、酵解及与聚磷菌有关的4个反应过程。因为生物除磷机理很复杂，所以ASM No.2非常庞大，它包含19种物质、19种反应、22个化学计量系数以及42个动力学参数[2]。该模型提出了包含化学需氧量（）、氮和磷去除过程在内的综合性生物处理工艺过程动态模拟理论，它不是生物除磷模型的最终方案，而是一种折中方案。
1999年IAWQ专家组经过对1号模型应用中问题的修正，推出活性污泥3号模型（ASM No.3）。ASM No.3不以水解作用为重点、引入有机物在微生物体内的贮藏及内源呼吸，以强调细胞内部的活动过程。ASM No.3与ASM No.1中主要现象是相关的，如以城市污水为主的活性污泥系统中的氧消耗、污泥产量、硝化和反硝化，但ASM No.2中的生物除磷在此不予考虑。ASM No.3包括13个组分，12个生化过程。ASM No.3仅考虑微生物转化过程，不包括化学沉淀，但基于ASM No.2（包含磷的吸收和释放过程）所提供的信息，很容易加入该过程[3]。
1.2 活性污泥1、2、3号模型（ASM No.1～3）的比较
ASM诸多版本的共同特点是它们均以Monod方程为基础，都是的并包含大量的动力学参数和化学计量系数，均以矩阵的形式描述生物反应过程。
ASM No.1和ASM No.2在应用过程中都有一些限制，如他们都要求pH值接近中性并保持恒定；ASM No.1要求系统在恒定温度下运行，ASM No.2的实用温度要限制在中等范围，大概为10～25℃，因为高温和低温状态下聚磷菌PAOS的特性尚不完全清楚，模型不一定能给出合理的预测，尤其是对于磷的去除。从ASM No.1到ASM No.2的最突出变化是生物量按反应过程进行了更为详细的划分，使其浓度不能简单地用分布参数XB,M。描述。除了生物除磷过程外，ASM No.2还包含了两个“化学过程”，可以用于模拟磷的化学沉淀。
ASM No.3与ASM No.1大致相同，只是在废水特征化这一重要方面作了改动，将重点从水解过程转移到有机物质的储存过程。在ASM No.1中快速可生物降解基质必须从呼吸试验中估算，而对这一试验的解释又依赖于异养菌产率YH的值。在ASM No.3中溶解性仅由快速可生物降解基质SS和惰性可溶性有机质SI组成。从两个模型所采用的典型废水组成可以看出：ASM No.3中SS占总的40％，而不象ASM No.1中仅为10％。
与ASM No.1和ASM No.2相比，ASM No.3的一个重要区别是，通过0.45μm滤膜的过滤作用可以将溶解性成分与颗粒性组分更好地区分，而前者废水游液中仍然含有相当比例的慢速可生物降解基质XS。
2 IAWQ活性污泥数学模型目前存在的问题
综合国外近年来对模型的应用研究，已证实了ASM No.1对于描述碳氧化、硝化和反硝化过程具有较强的模拟预测能力。但是经过多年的实际应用，也发现ASM No.1中存在着一些明显缺点[3]：
①ASM No.1中不包含氮和碱度对异养菌的限制因素，这样在某些情况下会出现负浓度（如铵盐等）。
②ASM No.1中包括了可生物降解的溶解性有机氮（SNS）和颗粒性有机氮（XNS）。在实践中，二者都不易测定，应将其从模型中删除。
③ASM No.1中氨化反应的动力学难于定量化。在应用ASM No.1时，假定所有有机组分均为恒定组成，即恒定的N与质量比。
④ASM No.1对颗粒性惰性有机物质按其来源将其区分为两类，即进水所含的XI和生物质衰减产生的XD，实际中，难于如此清晰地区分这两种组分。因此ASM No.3中将XD和原ASM No.1中的XI统一考虑为XI处理。
⑤在模型中细菌的死亡分解与水解和增长过程分为有机物储存，死亡，捕食和分解等阶段，从而使得相应动力学参数的确定变得非常困难。
⑥如果污水处理厂中易降解基质浓度较高时，在好氧和缺氧条件下可以观测到聚羟基烷酸PHAS（poly-hydroxy-alkanoates）（有时为糖原质-glyco-gen）的储存现象，但ASM No.1中不包括这一过程。
⑦ASM No.1认为好氧与缺氧条件下硝化菌的衰减速率是相同的，当固体停留时间（SRT）较长或缺氧池体积比例较高时，对最大硝化反应速率的预测就会出现问题。
除磷过程的加入给ASM No.2模型的使用也带来了诸多限制。例如模型没有考虑钾和镁对生物除磷的限制作用。但是众所周知，钾和镁是PAOS中构成聚磷酸盐的两种重要阳离子。这些阳离子的短缺会导致污泥中聚磷菌聚积作用的恶化，从而导致磷去除的明显降低。据报道，亚硝酸盐和一氧化氮对生物除磷有抑制作用，但在模型中没有考虑这种影响。由于ASM No.2的复杂性和除磷机理的不确定性，使得ASM No.2相较于ASM No.1的应用限制较多，经验也不如ASM No.1成熟。但它是目前唯一包含磷的去除的较为成功的活性污泥数学模型。
由于ASM No.3提出较晚，目前还没有经过大量的运行数据的验证，所以仍然需要在实践中对模型进行不断地修正和改进，特别是对储存现象的描述。
