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国内外ASM模型研究进展摘要：ASM(活性污泥模型)是表述废水中各种污染物质与废水处理系统中微生物之间的复杂生物化学反应过程的数学模型。本文主要介绍了国内外活性污泥数学模型的研究现状及进展，包括活性污泥1号模型（ASM1）、BSM1模型、ASM-S模型、ASM-AS模型、活性污泥2号模型（ASM2）、活性污泥2d模型（ASM2d）、活性污泥3号模型（ASM）、FCASM3模型等。对这些模型做了评价和比较，并对今后的研究方向提出了建议。关键词：污水处理，好氧活性污泥，生物数学模型，活性污泥模型ProgressinActivatedSludgeModelStudyathomeandabroadShuangchunYang,XiaozhenWang,YiPan,DanDeng,GuobinLiu,GuianZhangCollegeofPetroChemicalandenvironmental,LiaoningShihuaUniversity,Fushun,113001AbstractActivatedSludgeModelingisthemathematicmodelway,whichdescribescomplexbiochemicalreactionofmicrongermsandpollutants.InthispaperresearchinstitutionofBiologicalMathematicalModelofactivatedsludgeinourcountryandabroadarereviewed,suchasactivatedsludgemodel1(ASM1),benchmarksimulationmodelNo.1(BSM1),activatedsludgemodel-secondarysedimentationtank(ASM-S),activatedsludgemodel-aerationsimplify(ASM-AS),activatedsludgemodel2(ASM2),activatedsludgemodel2d(ASM2d),activatedsludge3(ASM3)andfullycoupledactivatedsludgemodel3(FCASM3).Andactivatedsludgemathematicalmodelsarecommendedthentheadvicesareproposedinthispaper.KeywordWastewatertreatment,Aerobicactivatedsludge,BiologicalMathematicalModel,Activatedsludgemodel0引言据统计，十二五期间，全国87%的城市有建设污水处理厂的计划，这意味着将有约1500座规模在2万立方米/天以下的污水处理厂建成。目前国内已建成的污水处理设施中超过90%核心工艺采用活性污泥法。目前我们进行工程设计都是根据工程设计人员的经验，这种方法有较大的弊端。数学模型法是现代科学研究的重要手段，利用数学模型描述活性污泥系统的反应过程，有助于给工程设计提供理论上的指导；模拟活性污泥系统的动态变化和对各项水质指标的影响，可以知道实际的生产运行情况；将模型和控制理论及方法结合起来，就可以按处理水质的要求，达到优化运行的目的。从1987年第一个活性污泥模型的提出，目前ASM(活性污泥模型)已经从静态发展到动态，国内外学者建立了ASM系列十余种模型，并开发了相应的计算机应用程序和软件[1-2]（如SSSP，DSP，GPS-X等），但我国在活性污泥数学模型的研究方面起步晚、研究的少。为此，笔者对活性污泥模型进行了综述，并对这些模型做了评价和比较，就国内活性污泥的研究方向给出了建议。1模型的研究现状及进展于上世纪80年代至今，国内外学者建立了十余种活性污泥模型，如活性污泥1号模型（ASM1）、BSM1模型、ASM-S模型、ASM-AS模型、活性污泥2号模型（ASM2）、活性污泥2d模型（ASM2d）、活性污泥3号模型（ASM3）,复合模型以及相应的多种应用程序和软件。1.1ASM1模型活性污泥1号模型（ASM1）是1987年国际水污染研究与控制协会（IAW）提出来的，它是活性污泥模型发展的里程碑。该模型包含复杂的组分，化学计量系数以及动力学参数，其中动力学参数14个，化学计量系数5个，组分13种[3]，活性污泥1号模型以矩阵的形式描述反应过程，这些反应过程包括有机物降解、衰减、水解、微生物生长等。该模型采用“死亡-再溶解”机理（如图1），体现了对代谢残余物的再利用，模型未包含磷的去除。模型中主要包含4个基本过程：微生物的生长、微生物的衰减、有机氮的氨化、被生物絮体捕获的颗粒有机物的水解。底物Ss活性微生物体惰性代谢产物水解缓慢降解不溶底物水解死亡衰减生长氧气二氧化碳水氧气二氧化碳+水图1“死亡-再溶解”机理ASM1建模时，针对速率方程不能完全描述系统内部发生的活动、有机物浓度表示方法混乱和系统组分测定的问题，国外学者[4]引入了开关函数，确定COD为计量单位，并对溶解性惰性有机物、易生物降解有机物、颗粒惰性有机物的测定方法进行了研究，如Marais[5]等人提出用沉淀物理化学法来测定易生物降解有机物以及溶解性惰性有机物，该方法具有简便快捷，对设备要求低等优点，但它并不是从生物降解速度的不同来区分有机物降解的难易性，所以对易生物降解有机物只是一个粗略的估计值。Nowak[6]等人提出用物料平衡物理化学法,通过活性污泥系统内部COD平衡和氮平衡得出含碳组分和含氮组分的值，该方法也具有简便快捷，对设备要求低的特点，但在测定过程中会产生误差，只是作为模型组分估算的一种方法而诞生的。ASM1模型中生物学参数、反应过程和模型组分过多，国内外许多学者基于ASM1进行了很多研究，如JungJinLim[7]等人基于ASM1建立了一个多元参数误差最小化的系统模型。国内学者丁永伟[8]等人将活性污泥的Lawrence-McCarty模式、ASM1、数学模型和底物在生物膜内的Fickian扩散理论相结合，提出了三种复合工艺的数学模型，对底物的去除和微生物的增长做了更详细的描述。国外ASM1模型研究已经进入商业化开发阶段，美国Clemson大学将ASM1模型编成计算机应用程序SSSP(simulationofsinglesludgeprocess)[9-10]，SSSP软件可以显示模型中所包含的变化速率之间的关系曲线，包括泥龄、回流比、耗氧速率等，可以对污水处理厂进行稳态模拟和动态模拟。SSSP软件源于序贯模块法的编程思想,目前已被大多数废水处理厂所采用，这是公认的第一个活性污泥工艺软件。1.2BSM1模型国际水协会(IWA)和欧盟科学技术合作组织（COST）合作开发了活性污泥污水处理基准仿真模型BSM1[11]，为活性污泥处理过程自动控制方案的开发建立了一个平台，但在建立此模型的时候仿真时间太短，扰动数据不完善，所以，Rosen等提出了一个“长期型1号基准仿真模型”(Long-TermBenchmarkSimulationModelNo.1,BSM1_LT)[12]，其主要目的是促进长期性的控制方案和过程监控的评估，同时此模型在建立的时候只考虑了局部处理单元，对于一个仿真模拟真实污水处理厂的系统来说，这是完全不够用的，所以在BSM_LT的基础上,Jeppsson等提出了“2号基准仿真模型”(BenchmarkSimulationModelNo.2,BSM2)[13],其主要目的是实现在全厂范围内对控制性能进行长期评估。随后，AbdelhayBenhalla[14]等研究者基于ASM1建立了BSM1线性模型，这个线性模型最主要的特征是其线性时间恒定不变，而且它保留了生物学参数和ASM1模型的原始尺寸，因此，研究者认为这个反应分析方法可以在实际中应用，将来还可能取代ASM1模型。1.3ASP-CR模型（活性污泥推流式模型）目前看来，ASM1模型是众多模型发展的基础，但其生物学参数、反应过程和模型组分众多，直接用于污水处理厂的仿真试验会有难度，国内外已经有很多学者从事实用软件方面的研究。在国外，ScienceTrav2ellerInternational公司目前已经开发了针对好氧系统推出的活性污泥稳态模拟软件SASSPro，还有用于市政污水处理厂优化的软件STOAT以及BiowinProcessAdvisor软件，都为活性污泥模型的简化奠定了科学基础。我国大多的仿真软件都是以应用MATLAB为开发工具的，但它的编写较为复杂，并且软件的可视性和易用性较差，不利于推广，计算机应用的迅速发展使得图形开发软件日新月异，其中最有代表的就是LabVIEW，有学者[15]结合推流式活性污泥的具体工艺，利用LabVIEW和其自带的基本函数库，开发出推流式活性污泥法仿真系统，并探讨了其在水处理仿真中的实际应用。在此研究的基础上，2007年，于广平等人针对ASM1应用进行合理的简化，得到了适合描述活性污泥碳去除过程推流式工艺的模型ASP-CR[16]，并对溶解氧组分进行了特殊处理－用现场的测量值代替预测值，而且对反应组分、反应过程和参数进行了适当的削减，ASM-CR模型只包含7种组分、3个反应过程和8个参数，并在该模型的基础上建立了污水处理仿真系统，解决了数据转换和参数校正的问题。1.4ASM-S（二沉池简化模型）活性污泥数学模型包括反应池模型和二沉池模型，对于二沉池，基于固体通量理论的一维通量模型使用较多，但将两种模型耦合并应用于整个活性污泥过程仿真和预测的研究不多。国外学者Cote[17]将神经网络建模技术与数学模型结合研究了污水处理过程的建模,实时估计出水悬浮固体(SS)浓度、出水化学耗氧量(COD)浓度、出水氨氮浓度以及混合液溶解氧浓度(DO),虽然此研究方法计算量大，而且实时控制效果不是很好，但它为后来学者建立二沉池简化模型奠定了基础。还有学者[18]将质量守恒的二沉池一维通量模型与反应池活性污泥二号模型耦合，对活性污泥过程进行模拟与优化研究。乔俊飞等人在ASM1的基础上，借助外国学者的研究成果，引入智能方法，借助增长型模糊神经网络算法所具有的模糊和学习功能，建立了能够反映二沉池出水水质关键参数的简化模型[19]，该模型解决了控制系统不易于控制器设计的问题，而且解决了计算量较大,实时控制效果不是很好的问题，在建模的同时，研究人员基于LabVIEW平台开发了基于活性污泥法污水处理一、二级处理过程的动态仿真软件系统。1.5ASM-AS（曝气系统简化数学模型）在污水处理系统中,主要节能措施有对曝气量、内外回流量等的优化控制，国外学者Samuelsson[20]等人研究了活性污泥处理污水系统中操作费用最小化的控制策略，而且进行了仿真研究，说明了其可行性。Fikar[21]等人以某一小型废水处理厂为研究对象，考虑了出口处约束条件，以能量消耗最小为前提，确定了最优的曝气/非曝气时间，对污水处理的动力学进行了优化。虽然他们没有建立出适合的模型，但他们的研究成果为后来学者建立曝气系统数学简化模型提供了一定的理论依据。目前国外已经有用于生化除氮(BNR)废水处理预曝气装置分析设计和操作优化的商业化预曝气工艺软件DSP(dynamicsimulatorforprefer2menters)。在国外学者研究的基础上，舒海涛[22]等人用AMPL建模语言进行建模，建立了基于ASM1模型的曝气系统简化数学模型，该模型采用IPOPT解法器进行求解，解决了以曝气能量消耗最小为目标函数的曝气系统优化控制问题，优化控制节约了40％的能耗，而且此曝气的过程经验证是有效的。1.6ASM2模型活性污泥2号模型是国际水质协会（IAW）于1995年推出的，包含COD、N、P去除过程在内的综合性生物处理工艺过程动态模拟理论。ASM2模型仍然具有复杂的反应过程以及参数，其中物质和反应各有19种，除此之外还包含42个动力学参数和22个化学计量系数，该模型增加