農村生活污水生物處理數學模型研究現狀與展望

吳星杰，李 麗

(西南林業大學土木工程學院,云南昆明 650224)

水是生產生活的重要載體，水體的人為污染和管理開發不當導致了黑臭水體的產生，嚴重影響生態環境，目前我國的主要污染已經從城市向農村蔓延，并嚴重制約著綠色生態美麗鄉村的建設和發展[1-3]。

從2017年中共十九大報告首次提出鄉村振興戰略，到2020年中央1號文件提到要“扎實搞好農村人居環境整治，分類推進農村廁所革命，各地要選擇適宜的技術和改廁模式，梯次推進農村生活污水治理，開展農村黑臭水體整治。” 再到2021年中央1號文件《中共中央國務院關于全面推進鄉村振興加快農業農村現代化的意見》提出實施農村人居環境整治提升五年行動，都把農村生活污水治理提高到了一個重要的戰略層級。

農村生活污水主要來源于日常生活的廚衛排水[4-5]。主要污染物包括有機質、洗滌劑、懸浮物、氮磷營養成分、細菌病毒和寄生蟲等。村莊生活污水的主要特點是：①流量較小，日變化系數大；②濃度較低，波動性大，可生化性強； ③分布分散，排水管網不完善，集中收集處理難度大[6]。基于農村污水本身水質和水量的特點以及薄弱的經濟實力和缺乏專業技術人員配備等現實問題，城市集中污水處理工藝并不適合村鎮，因地制宜地分散式生物處理模式是目前傾向采用的方式，利用人工強化的生物處理技術，在處理成本、管養維護、處理效果方面有著較大的優勢，在高效處理污水的同時，還可以提高生物多樣性，美化生態景觀，具備經濟和環境的雙重效益。鑒于農村生活污水生物處理反應器理論研究對治理農村黑臭水體有著重要的指導意義，近年來這方面的研究備受關注。但如何提高處理的效率及效果，節能降耗、節約成本，管理簡化一直都是熱點問題。主要原因一是微生物的反應過程具有時變性、參數不確定性、高非線性、過程參數測量的滯后性等特性；二是經典控制易受環境干擾或其他不確定性因素的擾動，這都使得污水凈化的過程變得復雜、處理效果變得難以控制。因此，研究適合農村生活污水生物處理過程的數學模型及其控制策略具有十分重要的意義。

1 農村生活污水處理工藝及主要特性

基于農村生活污水的特點，其處理工藝應力求高效、低耗、可再生、廉價、操作簡便的原則[6]。根據技術原理、特點以及耗能模式，常用處理工藝劃分為氧化塘處理、濕地處理、土壤處理、生物處理、生物+生態組合處理等類別。表1總結了目前常用的幾種處理工藝的優缺點、適用情況和成本分析。

單純采用某一種處理技術現已很難達到預想的效果，近年來生物+生態組合工藝在農村生活污水處理中日益受到關注。該組合工藝前段負責去除有機物，后段負責脫氮除磷，生物段和生態段的優勢顯著，成本較低運維方便，出水水質和運行情況穩定[10]。

2 基于機理的模型研究

基于機理的模型研究是利用數學表達式定量地或半定量地描述復雜的污水處理生化反應過程，并研究各設計參數、各運行參數與環境因素之間的關系，揭示反應器處理規律。該研究主要針對目前采用幾類模型研究進展進行探討。

2.1 活性污泥數學模型早期的污染物降解動力學是從20世紀50年代發展起來的。Eckenfelder、McKinney、Andrews、Lawrence等在污水生物處理中引入了微生物增值的理論，污水的生物處理動力學模型可以分為理論模型和試驗模型[11]。這些模型的優點是極大簡化了復雜的生物處理系統，系統的設計和運行更科學更合理，這幾個模型之間的區別是有機物降解速率表達式的不同，劃分活性污泥組分不同。不足之處在于，當基質濃度變化時，它們都不能準確預測微生物增長速度的變化情況，有一定的滯后性，無法實時跟蹤氧利用的變化情況。

為了解決靜態模型的不足，動態的數學模型應運而生，典型的模型有Andrews模型、WRC模型、ASMs模型等。這些模型均基于活性污泥動力學理論，側重對生物處理過程的基本機理進行分析，綜合考慮影響生物處理的各種因素，系統具有較好的時變特性。目前這些動態模型在工程設計、在線監測、管理控制方面已經有了廣泛的應用，不足之處是由于反應過程復雜，致使參數繁多，辨識困難，模型階次較高，仍然存在直接應用困難的問題，各種活性污泥數學模型對比見表2。

表1 常用農村生活污水處理技術的對比[3][7-9]Table 1 Comparison of common rural domestic sewage treatment technologies [3][7-9]

表2 各種活性污泥數學模型的對比Table 2 Comparison of various activated sludge mathematical models

我國對生物處理數學模型的研究起步較晚，1993年，顧夏聲[11]首次系統地闡述了廢水處理的生物數學模型。2006年，林紅軍等[21]運用了基質降解動力學，在MBR工藝中進行了參數的選用，并給出確定的概念。近些年來生物處理模型的不斷開發研究，極大地促進了模型在工程實踐中的運用，比如丁杰等[22]利用Lawrence-McCarty 模型建立在MBBR反應器中處理城鎮生活污水的降解動力學模型，探究系統內生物量與進水底物去除效率的相互關系，并預測系統的處理效果和載體的填充率取得了擬合值較高的參數。張事等[23]研究有機物隨曝氣時間的變化規律，并對其降解規律進行動力學分析，模型擬合較好。楊文煥等[24]基于Monod方程對SMBBR工藝進行動力學研究，得到相關性較好的有機物、總氮、總磷的降解動力學方程。

2.3 生物膜法數學模型生物膜法數學模型主要是研究微生物在載體表面聚集生長的過程，研究污染物從生物膜表面轉移至內部的傳質過程[25]。表3所列的研究模型是生物膜法數學模型的研究進程，這些模型的優點是對生物膜的形成和傳質均進行了詮釋，建立污染物降解動力學模型和生物膜生長動力學模型，這些模型之間的區別是前期的研究主要集中在生物膜的形成、構成、結構和功能，后期的研究集中在多維物種的各項動力學機理分析。不足之處在于，模型大多復雜，所需數據龐大，參數難測定，而簡化模型的假設與實際偏差較大，未能在應用市場上得到充分肯定，還有待進一步的研究。

表3 各種生物膜法數學模型的對比Table 3 Comparison of mathematical models of various biofilm methods

2.4 厭氧生物處理的數學模型厭氧微生物學中具有代表性的是Monod方程，其模型簡單，便于數據處理，廣泛應用于厭氧生物反應過程。在此基礎上Contois、McCAety、Andrews等對模型進行改進和修正，國際水質協會(IWA)于2002年提出ADM1模型，全面系統地分析了整個厭氧消化過程的機理，在給定條件下能較好地模擬和預測反應器運行狀況。這些模型及其衍生模型在城市的污水處理技術和運行優化中已經得到了很好地應用，但在農村生活污水處理中的應用還很少。各種厭氧生物處理法數學模型對比見表4。

表4 各種厭氧生物處理法數學模型的對比Table 4 Comparison of mathematical models of various anaerobic biological treatment methods

2.5 人工濕地處理的數學模型人工濕地模型有衰減模型、一級動力學模型和Monod模型[34]。衰減模型是將處理全過程看作“黑箱”，在大量檢測數據基礎上，搭建“輸入”與“輸出”的關系方程，并進行擬合，模型簡單，操作容易，計算便捷，但準確度和適應性較差。一級動力學模型是目前人工濕地設計中常用的數學模型，但需要作理想推流流態的假設，受環境因素的影響較大，模型的擬合度還有待進一步提高。人工濕地Monod模型適用于模擬人工濕地去除污水中污染物的降解過程，適用范圍廣泛[35]。這些模型存在的問題是，它們都建立在某一個具體案例地的基礎之上，對環境影響和人類活動的影響的適應性較差，導致模型的準確性受限。各種人工濕地處理法數學模型見表5。

3 問題和展望

從實際應用出發，農村生活污水污染物降解模型的應用確實能夠有針對性地解決問題，并能保質增效，節能降耗，但是由于農村分散的生活污水存在多因素的干擾，需要綜合考慮這些因素，提升模型的精度，以期達到水質的合理預測與控制，更好地運用于農村分散生活污水治理與運行管理。

3.1 模型的靈活性和適應性有待提高現在已有的模型缺乏真正意義上的靈活性與適應性，它們基本都是一對一的，一旦給定一個結構及參數后模型就被固定，若想通過該模型來計算其他不同結構和參數的算例時，則不能滿足計算，需要改進建立新的模型并驗證后才能計算新情況下的算例，這一局限性嚴重制約了模型的實際應用。因此對模型進行不確定性的分析就變得十分必要，通過此分析可以理清并盡量減少不確定性因素對模型的影響，預測污水處理對這些因素的抗沖擊負荷，從而加強模型穩定性和適應性，保證水質穩定達標。目前在污水處理領域中多采用的檢驗模型可靠的方法有MC法、SA法[42]。

表5 各種人工濕地處理法數學模型的對比Table 5 Comparison of mathematical models of various constructed wetland treatment methods

3.2 模型動態化以提高運行的自適應能力針對農村生活污水處理模型研究多基于靜態模型，但污水處理本身就是一個復雜多變的過程，脫氮和除磷的過程交替進行著，同時外界環境對模型的影響較大，進水水質參數一旦發生變化，模型的精度將受到較大的影響。因此應根據進出水負荷和工況等變化，實現污水處理全過程的模型與參數的自適應動態調整。目前多采用的模型有神經網絡、模糊邏輯、專家推理等，用智能建模的方法，并配合自組織學習算法，比如貢獻度分析、敏感度分析、相關性分析實現模型的動態自適應，不過這些方法存在預設參數多、計算復雜等問題。如何既能降低模型的復雜性，又實現動態跟蹤自適應是當前模型設計的研究方向。

3.3 針對農村生活污水的模型應用有待加強生物處理系統模型的研究應用在城市污水處理中已經取得了顯著的成果，但是在農村分散式污水生物處理方面的應用還較少，且不同地區的環境差別很大，實驗室的中試研究與實際應用還有一定的差別，今后有必要加強數學模型在農村分散式生活污水處理方面的研究。

4 結語

隨著美麗鄉村建設的不斷推進，農村污水排放標準要求的不斷提高，如何保證農村分散式污水處理設備的長期穩定運行，節能降耗，降低運行管理費用成為目前面臨的嚴峻挑戰，對污水處理系統的優化設計、工藝運行和管理提出了更新和更高的要求，相比傳統的工藝設計，應用模型對于農村生活污水處理具有更廣的發展潛力和優勢。但是目前數學模型應用于農村污水的研究還較少，在提升模型的精度、適用性、動態化方面仍需要進一步的深入研究。