基于數學模型的污水生物處理技術研究綜述

摘要：隨著人口的大量增長以及社會工業化水平的不斷提升，水資源的污染情況日益惡化，因此如何提高污水處理的效率和質量成為污水處理領域的重要課題[1]提高我國污水處理廠處理效率和運行水平，并在保證出水水質的前提下減少能耗和成本，研究應用數學模型反應污水處理廠實際運行情況，并形成一套科學系統的解決方法至關重要。本文簡要介紹了污水生物技術的發展背景，闡述了基于數學模型的污水生物處理技術的發展方向和發展前景。

關鍵詞：生物污水處理;數學模型;污水處理技術

一、研究背景及意義

近年來，我國的污水處理事業發展迅速，但水污染建模與控制研究相對落后。目前，我國的污水處理廠工程從設計到運行管理主要以經驗、半經驗的辦法生產工作，使得污水處理廠的設計有時并不能很好地適應實際需要，建成后需長時間調試和試驗。另外，污水處理過程存在信息不完全和測量參數滯后的問題，且污水處理系統復雜多變，使得對污水處理結果難以精確控制[2]。

為了解決上述制約著污水研究發展的瓶頸，相關學者和研究人員提出了各種理論模型來改進工藝和調整參數。隨著研究的深入，污水處理的相關數學模型受到了越來越多的重視，逐步從理論研究走向實際應用之[3]。

二、研究現狀

應用數學方法最關鍵的步驟，是通過建立研究對象的數學模型，并計算求解，從而將各類實際問題細化和量化[4]。在此背景下，從事污水處理技術研究的學者們根據活性污泥法推導出了污水生物處理技術的數學模型，為污水生物處理技術的研究開辟了新的道路。

目前所提出的數學模型，主要是根據活性污泥法推導出來的，而這些模型的建模思路和模型結構，也為后面其他好氧生物處理法和厭氧生物處理法等模型的建立提供了借鑒依據。污水生物處理的數學模型[5]按照時間順序和復雜程度主要包括以Eckenfelder模型為代表的經驗模型、以Lawrence-McCarty模型為代表的基本模型和以ASM模型為代表的綜合模型。

（一）國外研究現狀

20世紀70年代，當世界各地依然在用經驗法則設計和運行污水處理廠時，南非開普敦大學的Gerrit Marais就已經開始了深入的試驗與模型理論研究。1990年，法國Capdeville等人對生物膜生長過程進行了詳細劃分，并在此研究基礎上建立了生物膜生長動力學和基質降解動力學數學模型 [6]。2004年在摩洛哥舉行的第四屆IWA世界水大會上，來自世界各地的污水處理模擬工作研究團隊提出建立一套國際化的通用框架，以規范ASM類模型在實際中的應用。

從20世紀末至今，荷蘭約有近百多座污水處理廠在運轉的同時不斷應用數學模型進行動態模擬，以模擬的結果指導污水處理廠的工作，積累了大量經驗，取得了多項有價值的成果。目前，ASMs模型被廣泛認為是描述污水處理復雜現象的有效工具。

（二）國內研究現狀

我國的污水生物處理數學模型技術起步較晚，但也取得了不少成績。研究人員系統地對其工藝設計、運行優化、實驗定向等方面進行驗證和研究，研究結論廣泛應用于實際，帶來了良好的經濟和環境效益。我國的污水生物處理正在由粗放型向精確控制的方向發展。

1995年錢易教授首次將ASM系列模型引入國內，為國內同行學習和研究ASM系列模型，開展污水處理的數值模擬奠定了基礎，并開始了我國污水處理綜合模型理論的研究進程[7];1996年，我國研究人員利用收集到的國內若干污水廠的運行數據，驗證了ASM1模型和相應的計算機程序在我國城市污水廠的可行性，并得到了肯定的結果;2001年，季民等人在總結ASM模型的基礎上建立了適合于普通推流式活性污泥法的碳氧化數學模型，用該模型模擬了天津紀莊子污水處理廠的實際運行，得出的模擬結果與實測數據相吻合[8]。

另外，許多國內的大學也在這方面做了大量研究。天津大學在總結了IAWQ活性污泥模型的基礎上，建立了適合于普通推流式活性污泥法的碳氧化數學模型，并應用MATLAB軟件，成功地模擬了天津市一座污水處理廠的運行;清華大學在IAWQ模型基礎上開發出城市污水處理運行、模擬預測專家系統軟件，并了模擬實際的污水處理廠情況。

（三）局限性

隨著國內相關研究的迅速發展，我國的研究熱點聚焦在將理論模型與污水處理廠實踐應用上加以結合。并在模擬實際工藝處理工程過程中，成為指導工藝處理和輔助設計城市污水處理廠的有效仿真工具。

應用數學模型設計、優化運行和管理污水處理廠是污水生物處理技術的必然發展趨勢。但在世界范圍內這一領域的研究也尚未完全成熟，在很多細節上仍有不足。比如：污水處理廠快速自動模擬預測及控制系統至今并不完善，數學模型目前還不能自動化構建，極端情況下數學模型不能做出合理的反應等。

三、總結

基于數學模型的污水生物處理技術是一個從片面到全面的過程，其在工藝的優化設計和污水處理廠的運行管理中起著重要作用。

污水生物處理的數學模型研究和發展在未來可能集中于以下方面：①著眼于污水處理系統的不確定性分析。隨著數學模型在污水處理系統中的大量應用，模型結果的可靠性要求越來越高，尤其是模擬結果的可靠性分析和風險水平評估顯得尤為必要。②基于數學模型的污水生物處理技術如果能與在線監測設備相結合就能形成反饋調節機制，實現污水廠的智能化管理。③生物場和水力學場、溫度場耦合。實際污水處理工藝受到溫度及反應池內混合液流態的影響，因此加入溫度場和水力學場與傳統的生物場結合將增強模型的實用性。

參考文獻：

[1] 楊志勇.工業廢水處理方法及研究進展[J].科技經濟市場，2011（02）：14-16.

[2] 李佟， 李軍， 劉偉巖，等. 數學模型在污水處理廠優化控制過程中的應用[J]. 給水排水， 2009， 35（11）：222-225.

[3] 丁婉晴，薄濤，丁彬彬，張曉文.活性污泥模型模擬污水處理廠運行的工程應用研究進展[J].環境與發展，2018，30（09）：19+21.

[4] 曹婷婷. 污水生物處理活性污泥法仿真建模研究[A]. 《環境工程》編委會、工業建筑雜志社有限公司.《環境工程》2018年全國學術年會論文集（上冊）[C].《環境工程》編委會、工業建筑雜志社有限公司：《環境工程》編輯部，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] 孫培德[1]， 宋英琦[1]. 基于微生物相互作用機理的完全耦合活性污泥模型研究[J]. 環境科學學報， 2006（9）.

[8] 季民， 霍金勝， 胡振苓，等. 活性污泥法數學模型的研究與應用[J]. 中國給水排水， 2001， 17（8）：18-22.

作者簡介：

龍彥宇（1996.8），重慶人，揚州大學研究生，研究方向為水處理理論與技術。