摘要：隨著人口的大量增長以及社會工業(yè)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(zhì)量成為污水處理領(lǐng)域的重要課題[1]提高我國污水處理廠處理效率和運(yùn)行水平，并在保證出水水質(zhì)的前提下減少能耗和成本，研究應(yīng)用數(shù)學(xué)模型反應(yīng)污水處理廠實(shí)際運(yùn)行情況，并形成一套科學(xué)系統(tǒng)的解決方法至關(guān)重要。本文簡要介紹了污水生物技術(shù)的發(fā)展背景，闡述了基于數(shù)學(xué)模型的污水生物處理技術(shù)的發(fā)展方向和發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：生物污水處理;數(shù)學(xué)模型;污水處理技術(shù)

一、研究背景及意義

近年來，我國的污水處理事業(yè)發(fā)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(shè)計到運(yùn)行管理主要以經(jīng)驗、半經(jīng)驗的辦法生產(chǎn)工作，使得污水處理廠的設(shè)計有時并不能很好地適應(yīng)實(shí)際需要，建成后需長時間調(diào)試和試驗。另外，污水處理過程存在信息不完全和測量參數(shù)滯后的問題，且污水處理系統(tǒng)復(fù)雜多變，使得對污水處理結(jié)果難以精確控制[2]。

為了解決上述制約著污水研究發(fā)展的瓶頸，相關(guān)學(xué)者和研究人員提出了各種理論模型來改進(jìn)工藝和調(diào)整參數(shù)。隨著研究的深入，污水處理的相關(guān)數(shù)學(xué)模型受到了越來越多的重視，逐步從理論研究走向?qū)嶋H應(yīng)用之[3]。

二、研究現(xiàn)狀

應(yīng)用數(shù)學(xué)方法最關(guān)鍵的步驟，是通過建立研究對象的數(shù)學(xué)模型，并計算求解，從而將各類實(shí)際問題細(xì)化和量化[4]。在此背景下，從事污水處理技術(shù)研究的學(xué)者們根據(jù)活性污泥法推導(dǎo)出了污水生物處理技術(shù)的數(shù)學(xué)模型，為污水生物處理技術(shù)的研究開辟了新的道路。

目前所提出的數(shù)學(xué)模型，主要是根據(jù)活性污泥法推導(dǎo)出來的，而這些模型的建模思路和模型結(jié)構(gòu)，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(jù)。污水生物處理的數(shù)學(xué)模型[5]按照時間順序和復(fù)雜程度主要包括以Eckenfelder模型為代表的經(jīng)驗?zāi)Ｐ?、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(xiàn)狀

20世紀(jì)70年代，當(dāng)世界各地依然在用經(jīng)驗法則設(shè)計和運(yùn)行污水處理廠時，南非開普敦大學(xué)的Gerrit Marais就已經(jīng)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(jìn)行了詳細(xì)劃分，并在此研究基礎(chǔ)上建立了生物膜生長動力學(xué)和基質(zhì)降解動力學(xué)數(shù)學(xué)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(tuán)隊提出建立一套國際化的通用框架，以規(guī)范ASM類模型在實(shí)際中的應(yīng)用。

從20世紀(jì)末至今，荷蘭約有近百多座污水處理廠在運(yùn)轉(zhuǎn)的同時不斷應(yīng)用數(shù)學(xué)模型進(jìn)行動態(tài)模擬，以模擬的結(jié)果指導(dǎo)污水處理廠的工作，積累了大量經(jīng)驗，取得了多項有價值的成果。目前，ASMs模型被廣泛認(rèn)為是描述污水處理復(fù)雜現(xiàn)象的有效工具。

（二）國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國的污水生物處理數(shù)學(xué)模型技術(shù)起步較晚，但也取得了不少成績。研究人員系統(tǒng)地對其工藝設(shè)計、運(yùn)行優(yōu)化、實(shí)驗定向等方面進(jìn)行驗證和研究，研究結(jié)論廣泛應(yīng)用于實(shí)際，帶來了良好的經(jīng)濟(jì)和環(huán)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(fā)展。

1995年錢易教授首次將ASM系列模型引入國內(nèi)，為國內(nèi)同行學(xué)習(xí)和研究ASM系列模型，開展污水處理的數(shù)值模擬奠定了基礎(chǔ)，并開始了我國污水處理綜合模型理論的研究進(jìn)程[7];1996年，我國研究人員利用收集到的國內(nèi)若干污水廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)，驗證了ASM1模型和相應(yīng)的計算機(jī)程序在我國城市污水廠的可行性，并得到了肯定的結(jié)果;2001年，季民等人在總結(jié)ASM模型的基礎(chǔ)上建立了適合于普通推流式活性污泥法的碳氧化數(shù)學(xué)模型，用該模型模擬了天津紀(jì)莊子污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行，得出的模擬結(jié)果與實(shí)測數(shù)據(jù)相吻合[8]。

另外，許多國內(nèi)的大學(xué)也在這方面做了大量研究。天津大學(xué)在總結(jié)了IAWQ活性污泥模型的基礎(chǔ)上，建立了適合于普通推流式活性污泥法的碳氧化數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用MATLAB軟件，成功地模擬了天津市一座污水處理廠的運(yùn)行;清華大學(xué)在IAWQ模型基礎(chǔ)上開發(fā)出城市污水處理運(yùn)行、模擬預(yù)測專家系統(tǒng)軟件，并了模擬實(shí)際的污水處理廠情況。

（三）局限性

隨著國內(nèi)相關(guān)研究的迅速發(fā)展，我國的研究熱點(diǎn)聚焦在將理論模型與污水處理廠實(shí)踐應(yīng)用上加以結(jié)合。并在模擬實(shí)際工藝處理工程過程中，成為指導(dǎo)工藝處理和輔助設(shè)計城市污水處理廠的有效仿真工具。

應(yīng)用數(shù)學(xué)模型設(shè)計、優(yōu)化運(yùn)行和管理污水處理廠是污水生物處理技術(shù)的必然發(fā)展趨勢。但在世界范圍內(nèi)這一領(lǐng)域的研究也尚未完全成熟，在很多細(xì)節(jié)上仍有不足。比如：污水處理廠快速自動模擬預(yù)測及控制系統(tǒng)至今并不完善，數(shù)學(xué)模型目前還不能自動化構(gòu)建，極端情況下數(shù)學(xué)模型不能做出合理的反應(yīng)等。

三、總結(jié)

基于數(shù)學(xué)模型的污水生物處理技術(shù)是一個從片面到全面的過程，其在工藝的優(yōu)化設(shè)計和污水處理廠的運(yùn)行管理中起著重要作用。

污水生物處理的數(shù)學(xué)模型研究和發(fā)展在未來可能集中于以下方面：①著眼于污水處理系統(tǒng)的不確定性分析。隨著數(shù)學(xué)模型在污水處理系統(tǒng)中的大量應(yīng)用，模型結(jié)果的可靠性要求越來越高，尤其是模擬結(jié)果的可靠性分析和風(fēng)險水平評估顯得尤為必要。②基于數(shù)學(xué)模型的污水生物處理技術(shù)如果能與在線監(jiān)測設(shè)備相結(jié)合就能形成反饋調(diào)節(jié)機(jī)制，實(shí)現(xiàn)污水廠的智能化管理。③生物場和水力學(xué)場、溫度場耦合。實(shí)際污水處理工藝受到溫度及反應(yīng)池內(nèi)混合液流態(tài)的影響，因此加入溫度場和水力學(xué)場與傳統(tǒng)的生物場結(jié)合將增強(qiáng)模型的實(shí)用性。

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作者簡介：

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