出　　自： 《中國(guó)給水排水》 1992年第6期第29頁(yè)
發(fā)表時(shí)間： ： 1992-6

黃勇　楊銓大　王寶貞

(蘇州城建環(huán)保學(xué)院　哈爾濱建筑工程學(xué)院)

　　數(shù)字模型方法正逐漸成為環(huán)境工程領(lǐng)域科學(xué)研究、工藝設(shè)計(jì)和過程控制的一種重要手段。目前，描述廢水生物處理過程常用的多為所謂“機(jī)理模型”，即根據(jù)對(duì)過程的物理、化學(xué)和生物學(xué)現(xiàn)象的理解而建立起來的數(shù)學(xué)模型，它反映對(duì)所研究的系統(tǒng)行為機(jī)理的認(rèn)識(shí)水平。
　　完整的廢水生物處理數(shù)學(xué)模型由幾個(gè)部分組成。首先，要闡明所研究系統(tǒng)的“結(jié)構(gòu)”，即依據(jù)存在形態(tài)及在系統(tǒng)中的功能和作用，劃分系統(tǒng)的組分，定性地描述各組分間的相互關(guān)系和所發(fā)生的物理、化學(xué)、生物反應(yīng)和轉(zhuǎn)化過程的性質(zhì)，這一步驟稱為建立“概念模型”或“結(jié)構(gòu)化模型”，是機(jī)理模型的基礎(chǔ)；其次，要給出一系列速率方程，定量地表達(dá)相應(yīng)的反應(yīng)和轉(zhuǎn)化過程的方向和速率，常含有一些需要在特定條件下測(cè)定的動(dòng)力學(xué)常數(shù)；此外，還要給出表明組分之間相互轉(zhuǎn)化的守恒關(guān)系的參數(shù)，即計(jì)量參數(shù)；最后，要在給定系統(tǒng)的物理邊界條件下，對(duì)每種組分建立穩(wěn)態(tài)或動(dòng)態(tài)的物料衡算方程。
　　本文采用概念模型的方法，簡(jiǎn)要回顧廢水處理過程中有機(jī)物好氧生物降解數(shù)學(xué)模型的發(fā)展沿革，通過對(duì)迄今為止國(guó)內(nèi)外研究成果的綜合分析，提出一個(gè)改進(jìn)的新模型。

1 傳統(tǒng)模型及其結(jié)構(gòu)化

　　廢水生物處理數(shù)學(xué)模型的開發(fā)，受各種條件的制約，經(jīng)歷了從簡(jiǎn)單地?cái)M合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)到采用經(jīng)典微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究方法，直至根據(jù)生物處理自身的特性進(jìn)行過程分析和辯識(shí)的發(fā)展過程。早期Eckenfelder、Mckinney、Lawrence和Mccarty等人建立的數(shù)學(xué)模型得到廣泛的應(yīng)用，迄今仍是工藝設(shè)計(jì)的重要工具。這些傳統(tǒng)模型的共同特點(diǎn)是將系統(tǒng)區(qū)分為兩種組分，以BOD 5 或COD等綜合指標(biāo)測(cè)定可生物降解的有機(jī)物和活性微生物體(多以VSS測(cè)定)，定量描述二者之間的動(dòng)力學(xué)關(guān)系及代謝過程中氧的利用。這類模型可用圖1所示的概念模型結(jié)構(gòu)圖表示。

　　傳統(tǒng)模型將有機(jī)物的去除機(jī)理表述為兩個(gè)過程:生長(zhǎng)過程包括底物作為碳源合成為細(xì)胞原生質(zhì)的作用及為合成作用提供能源而被氧化的作用。微生物的衰減在此主要采納了Herbert 的內(nèi)源呼吸理論，細(xì)胞通過自身氧化提供維持能的需求，因而這一過程既消耗氧也導(dǎo)致生物量的減少。
　　生長(zhǎng)衰減機(jī)理及其動(dòng)力學(xué)表達(dá)式，在實(shí)踐中遇到的問題主要有:
　　a.不能解釋和描述廢水處理中常見的有機(jī)物“快速去除”現(xiàn)象。
　　b.不能很好地預(yù)測(cè)實(shí)際中觀察到的底物濃度增加時(shí)微生物增長(zhǎng)速度變化的滯后，因而無法精確地模擬氧利用的動(dòng)態(tài)變化。
　　c.所得出的出水底物濃度與進(jìn)水濃度無關(guān)的結(jié)論與實(shí)際情況不符。
　　d.采用Mcnod方程描述廢水生物處理中的生長(zhǎng)過程，會(huì)導(dǎo)致細(xì)胞濃度預(yù)測(cè)值偏高。
　　這些問題的提出，以及日益嚴(yán)格的過程運(yùn)行控制及對(duì)動(dòng)態(tài)模擬的需求，使得模型化的研究工作有了進(jìn)一步的深入和富有成果的進(jìn)展。

2 模型化研究的進(jìn)展

　　廢水生物處理系統(tǒng)進(jìn)水底物構(gòu)成的復(fù)雜性和生物絮體中微生物生態(tài)系統(tǒng)的多樣性，使系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性與微生物學(xué)研究中的培養(yǎng)物有明顯的區(qū)別，并表現(xiàn)出一些獨(dú)特的性質(zhì)。這些性質(zhì)在模型化的研究中日益受到重視，由此對(duì)廢水處理過程的機(jī)理提出了許多新的見解和觀點(diǎn)。
　　2.1 貯存-代謝機(jī)理
　　試驗(yàn)測(cè)定發(fā)現(xiàn)，并非所有被結(jié)合到生物絮體中的底物都轉(zhuǎn)化成為細(xì)胞原生質(zhì)，其中部分是以“貯存物質(zhì)”的形式存在于絮體內(nèi)和細(xì)胞之間兩類，可是人們將廢水中的有機(jī)物按其存在形態(tài)，分為溶解性和非溶解性兩類。懸浮和膠體狀態(tài)的底物，由于迅速轉(zhuǎn)移到生物絮體之上而從廢水中去除。轉(zhuǎn)移過程可能通過生物絮體的捕集(機(jī)械截面)、粘附等嚴(yán)格的物理過程實(shí)現(xiàn)，然后被活性生物體吸附和吸收而成為貯存物質(zhì)，逐漸被生長(zhǎng)作用所降解利用。一些證據(jù)表明某些溶解性有機(jī)物，可能成為細(xì)胞體內(nèi)的貯存物質(zhì)。根據(jù)貯存——代謝機(jī)理建立的數(shù)學(xué)模型，如圖2所示。

　　一些研究認(rèn)為，貯存物質(zhì)還應(yīng)包括細(xì)胞分泌的膠狀聚合物，這是形成生物絮體的重要組成部分，并可由此解釋絮凝體的沉降性能。
　　2.2 存活——非存活細(xì)胞代謝作用機(jī)理
　　廢水生物處理是典型的低比增長(zhǎng)速率過程，不僅影響污泥中的活性細(xì)胞量，還導(dǎo)致細(xì)胞存活力即增殖能力的喪失。存活力并非生物活性的先決條件，已經(jīng)證實(shí)后者可能因細(xì)胞破裂酶的溢出而得到增強(qiáng)，相當(dāng)大程度的生物活性是由這些非存活細(xì)胞所提供的。因而，有機(jī)物的分解可以在不伴隨生長(zhǎng)的情況下發(fā)生，按照這一理論建立的數(shù)學(xué)模型，見圖3所示。
　　2.3 細(xì)胞體的“死亡——再溶解”

　　上述模型中有關(guān)微生物衰減的過程，均是按照傳統(tǒng)的Herbert的內(nèi)源呼吸進(jìn)行描述的，未考慮代謝殘余物的產(chǎn)生。衰減過程的出發(fā)點(diǎn)，在于描述氧的需求和活性生物的質(zhì)量損失。
　　事實(shí)上，活性微生物量的減少還可能由于如細(xì)胞存活力的喪失、自然死亡、細(xì)胞自溶和被捕食等，死亡的細(xì)胞重新溶解并作為一種附加底物的現(xiàn)象早已被注意。Dold等人(1980)的數(shù)學(xué)模型，對(duì)于微生物的衰減過程提出所謂“死亡——再生”機(jī)理的模型化方法，認(rèn)為由于種種原因喪失存活力和死亡的細(xì)胞，相當(dāng)多的部分成為可以緩慢生物降解的固態(tài)物，通過吸附一貯存機(jī)理被微生物降解利用。這樣，傳統(tǒng)模型中由于內(nèi)源呼吸而消耗的氧，在此是通過死亡細(xì)胞的重新循環(huán)，成為生長(zhǎng)作用的底物而耗用。衰減過程造成的微生物質(zhì)量損失，通過形成惰性代謝產(chǎn)物完成。這種模型化方法，也能方便地描述
　　微生物在缺氧和無氧條件下的衰減過程。微生物的代謝產(chǎn)物不僅以固態(tài)存在，也以溶解的形式存在，細(xì)胞的衰減伴隨著細(xì)胞的自溶和有機(jī)物質(zhì)重新被溶解的過程。國(guó)際水污染研究與控制協(xié)會(huì)(IAWPRC)課題組(1987)，發(fā)表了硝化和反硝化活性污泥法綜合動(dòng)力學(xué)模型，其中采納了Dold模型中對(duì)微生物衰減過程的模型化方法，但未接受貯存——代謝機(jī)理。該模型認(rèn)為非溶解性底物，首先通過捕集和機(jī)械截留等途徑，結(jié)合到絮體相中而從廢水中去除，與生物反應(yīng)速率相比，這一純物理過程是瞬間完成的。被捕集的非溶解性緩慢生物降解有機(jī)物部分，則被微生物的胞外酶水解、液化成易于降解的溶解性底物，由生長(zhǎng)過程所利用。微生物衰亡后的可生物降解部分與緩慢生物降解底物，經(jīng)歷同樣的水解、利用途徑。這樣，易于降解溶解性底物微生物生長(zhǎng)的唯一形式，而生長(zhǎng)過程是利用溶解氧(耗能)的唯一過程，使模型得以大大簡(jiǎn)化。以微生物的“死亡——再溶解”機(jī)理模擬衰減過程的模型結(jié)構(gòu)，如圖4。
　　2.4 溶解性殘余物的形成
　　通常認(rèn)為，微生物活動(dòng)所釋放出來的溶解性代謝物(SMP)有兩個(gè)來源，即生長(zhǎng)過程中與底物利用有關(guān)的產(chǎn)物(UAP)和微生物衰亡過程中與生物體的解體相關(guān)的產(chǎn)物(BAP)。IAWPRC 模型，模擬了BAP的形成與利用。
　　文獻(xiàn)中許多證據(jù)表明，部分SMP是不能為生物所降解的，在生長(zhǎng)和衰亡過程的產(chǎn)物中，前者更可能易于降解，而后者則是溶解性不可生物降解有機(jī)殘余物的主要來源。由此在獲得實(shí)驗(yàn)證實(shí)的基礎(chǔ)上，Orhon等人(1988)提出了模擬溶解性殘余產(chǎn)物(SRP)形成的概念。

3 有機(jī)物去除的綜合模型

　　我們認(rèn)為模型的建立應(yīng)滿足以下幾個(gè)目標(biāo):充分考慮廢水生物處理自身的特點(diǎn)；較為深入地反映處理過程的生物反應(yīng)實(shí)質(zhì)；滿足對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行有效模擬的要求；并考慮到模型參數(shù)測(cè)定和實(shí)際應(yīng)用的可行性。
　　以IAWPRC模型的有機(jī)物去除和異養(yǎng)菌生長(zhǎng)模型為基礎(chǔ)，充分反映廢水處理過程的低比增長(zhǎng)速率導(dǎo)致細(xì)胞喪失存活力和代謝殘余物，提出一個(gè)改進(jìn)的新模型。
圖5是采用結(jié)構(gòu)框圖方法，表示廢水生物處理過程(有機(jī)物去除)的概念模型。
　　圖中將進(jìn)水COD劃分為四種組分，其中易降解的溶解有機(jī)物，可以直接作為底物提供微生物生長(zhǎng)過程所利用；非溶解性和部分溶解性大分子有機(jī)物，統(tǒng)一以緩慢降解的非溶性底物表示，它們首先被瞬間捕集截留于生物絮體中。然后經(jīng)歷水解過程，溶解為易降解底物被利用，活性生物體由于多種機(jī)理而衰亡。按生物反應(yīng)特性分為兩類固體代謝產(chǎn)物，即惰性殘余物在污泥中的積累和失去存活力的細(xì)胞有機(jī)體。它們一方面可由于溶胞作用和胞外酶作用水解成溶解性底物，另一方面又表現(xiàn)出一定的生物活性，通過酶促反應(yīng)途徑降解有機(jī)物。系統(tǒng)中出水溶解性有機(jī)物由三種組分構(gòu)成，其中剩余易降解有機(jī)物的來源有進(jìn)水中原有的、非溶性有機(jī)物水解形成的和微生物代謝產(chǎn)物轉(zhuǎn)化而來的。污泥相中的有機(jī)成分(混合液揮發(fā)分)由四組分構(gòu)成。包括溶解氧，系統(tǒng)中共九種組分。

　　模型中鑒別了五種主要的轉(zhuǎn)化過程，即截留—捕集、水解、微生物生長(zhǎng)、衰亡及酶反應(yīng)降解過程。截面——捕集過程與其它過程相比瞬間完成，因而不需速率表達(dá)式，其余四個(gè)過程均應(yīng)提出適當(dāng)速率表達(dá)式，以定量反映過程進(jìn)行的快慢。模型中微生物生長(zhǎng)和酶反應(yīng)過程需要外界輸入O 2 作為電子受體，表明了系統(tǒng)中主要的能量供給與利用途徑，包括合成作用和微生物體的維持能需求。從模型結(jié)構(gòu)圖中，可以看出有三個(gè)過程出現(xiàn)了物質(zhì)分流，必須用適當(dāng)?shù)挠?jì)量參數(shù)描述形成不同物質(zhì)的比例。這些廢水組分的正確測(cè)定和計(jì)量參數(shù)、動(dòng)力學(xué)參數(shù)的確定，是模型成功應(yīng)用的關(guān)鍵之一。
　　概念模型具有十分明顯的優(yōu)點(diǎn)，它強(qiáng)調(diào)了系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，反映出復(fù)雜系統(tǒng)中各種組分的相互關(guān)系和轉(zhuǎn)化過程，使得對(duì)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)描述具有清晰的概念，突出了機(jī)理模型與經(jīng)驗(yàn)公式和統(tǒng)計(jì)模型的區(qū)別。結(jié)構(gòu)化模型與一般闡述機(jī)理圖示的不同，在于提供了定量化描述的構(gòu)架。其中組分的劃分和過程的識(shí)別，都考慮數(shù)學(xué)表達(dá)的便利和參數(shù)測(cè)定的可能性，因而是對(duì)實(shí)際過程和機(jī)理的概括、簡(jiǎn)化。