农村生活污水生物处理数学模型研究现状与展望

吴星杰，李 丽

(西南林业大学土木工程学院,云南昆明 650224)

水是生产生活的重要载体，水体的人为污染和管理开发不当导致了黑臭水体的产生，严重影响生态环境，目前我国的主要污染已经从城市向农村蔓延，并严重制约着绿色生态美丽乡村的建设和发展[1-3]。

从2017年中共十九大报告首次提出乡村振兴战略，到2020年中央1号文件提到要“扎实搞好农村人居环境整治，分类推进农村厕所革命，各地要选择适宜的技术和改厕模式，梯次推进农村生活污水治理，开展农村黑臭水体整治。” 再到2021年中央1号文件《中共中央国务院关于全面推进乡村振兴加快农业农村现代化的意见》提出实施农村人居环境整治提升五年行动，都把农村生活污水治理提高到了一个重要的战略层级。

农村生活污水主要来源于日常生活的厨卫排水[4-5]。主要污染物包括有机质、洗涤剂、悬浮物、氮磷营养成分、细菌病毒和寄生虫等。村庄生活污水的主要特点是：①流量较小，日变化系数大；②浓度较低，波动性大，可生化性强； ③分布分散，排水管网不完善，集中收集处理难度大[6]。基于农村污水本身水质和水量的特点以及薄弱的经济实力和缺乏专业技术人员配备等现实问题，城市集中污水处理工艺并不适合村镇，因地制宜地分散式生物处理模式是目前倾向采用的方式，利用人工强化的生物处理技术，在处理成本、管养维护、处理效果方面有着较大的优势，在高效处理污水的同时，还可以提高生物多样性，美化生态景观，具备经济和环境的双重效益。鉴于农村生活污水生物处理反应器理论研究对治理农村黑臭水体有着重要的指导意义，近年来这方面的研究备受关注。但如何提高处理的效率及效果，节能降耗、节约成本，管理简化一直都是热点问题。主要原因一是微生物的反应过程具有时变性、参数不确定性、高非线性、过程参数测量的滞后性等特性；二是经典控制易受环境干扰或其他不确定性因素的扰动，这都使得污水净化的过程变得复杂、处理效果变得难以控制。因此，研究适合农村生活污水生物处理过程的数学模型及其控制策略具有十分重要的意义。

1 农村生活污水处理工艺及主要特性

基于农村生活污水的特点，其处理工艺应力求高效、低耗、可再生、廉价、操作简便的原则[6]。根据技术原理、特点以及耗能模式，常用处理工艺划分为氧化塘处理、湿地处理、土壤处理、生物处理、生物+生态组合处理等类别。表1总结了目前常用的几种处理工艺的优缺点、适用情况和成本分析。

单纯采用某一种处理技术现已很难达到预想的效果，近年来生物+生态组合工艺在农村生活污水处理中日益受到关注。该组合工艺前段负责去除有机物，后段负责脱氮除磷，生物段和生态段的优势显著，成本较低运维方便，出水水质和运行情况稳定[10]。

2 基于机理的模型研究

基于机理的模型研究是利用数学表达式定量地或半定量地描述复杂的污水处理生化反应过程，并研究各设计参数、各运行参数与环境因素之间的关系，揭示反应器处理规律。该研究主要针对目前采用几类模型研究进展进行探讨。

2.1 活性污泥数学模型早期的污染物降解动力学是从20世纪50年代发展起来的。Eckenfelder、McKinney、Andrews、Lawrence等在污水生物处理中引入了微生物增值的理论，污水的生物处理动力学模型可以分为理论模型和试验模型[11]。这些模型的优点是极大简化了复杂的生物处理系统，系统的设计和运行更科学更合理，这几个模型之间的区别是有机物降解速率表达式的不同，划分活性污泥组分不同。不足之处在于，当基质浓度变化时，它们都不能准确预测微生物增长速度的变化情况，有一定的滞后性，无法实时跟踪氧利用的变化情况。

为了解决静态模型的不足，动态的数学模型应运而生，典型的模型有Andrews模型、WRC模型、ASMs模型等。这些模型均基于活性污泥动力学理论，侧重对生物处理过程的基本机理进行分析，综合考虑影响生物处理的各种因素，系统具有较好的时变特性。目前这些动态模型在工程设计、在线监测、管理控制方面已经有了广泛的应用，不足之处是由于反应过程复杂，致使参数繁多，辨识困难，模型阶次较高，仍然存在直接应用困难的问题，各种活性污泥数学模型对比见表2。

表1 常用农村生活污水处理技术的对比[3][7-9]Table 1 Comparison of common rural domestic sewage treatment technologies [3][7-9]

表2 各种活性污泥数学模型的对比Table 2 Comparison of various activated sludge mathematical models

我国对生物处理数学模型的研究起步较晚，1993年，顾夏声[11]首次系统地阐述了废水处理的生物数学模型。2006年，林红军等[21]运用了基质降解动力学，在MBR工艺中进行了参数的选用，并给出确定的概念。近些年来生物处理模型的不断开发研究，极大地促进了模型在工程实践中的运用，比如丁杰等[22]利用Lawrence-McCarty 模型建立在MBBR反应器中处理城镇生活污水的降解动力学模型，探究系统内生物量与进水底物去除效率的相互关系，并预测系统的处理效果和载体的填充率取得了拟合值较高的参数。张事等[23]研究有机物随曝气时间的变化规律，并对其降解规律进行动力学分析，模型拟合较好。杨文焕等[24]基于Monod方程对SMBBR工艺进行动力学研究，得到相关性较好的有机物、总氮、总磷的降解动力学方程。

2.3 生物膜法数学模型生物膜法数学模型主要是研究微生物在载体表面聚集生长的过程，研究污染物从生物膜表面转移至内部的传质过程[25]。表3所列的研究模型是生物膜法数学模型的研究进程，这些模型的优点是对生物膜的形成和传质均进行了诠释，建立污染物降解动力学模型和生物膜生长动力学模型，这些模型之间的区别是前期的研究主要集中在生物膜的形成、构成、结构和功能，后期的研究集中在多维物种的各项动力学机理分析。不足之处在于，模型大多复杂，所需数据庞大，参数难测定，而简化模型的假设与实际偏差较大，未能在应用市场上得到充分肯定，还有待进一步的研究。

表3 各种生物膜法数学模型的对比Table 3 Comparison of mathematical models of various biofilm methods

2.4 厌氧生物处理的数学模型厌氧微生物学中具有代表性的是Monod方程，其模型简单，便于数据处理，广泛应用于厌氧生物反应过程。在此基础上Contois、McCAety、Andrews等对模型进行改进和修正，国际水质协会(IWA)于2002年提出ADM1模型，全面系统地分析了整个厌氧消化过程的机理，在给定条件下能较好地模拟和预测反应器运行状况。这些模型及其衍生模型在城市的污水处理技术和运行优化中已经得到了很好地应用，但在农村生活污水处理中的应用还很少。各种厌氧生物处理法数学模型对比见表4。

表4 各种厌氧生物处理法数学模型的对比Table 4 Comparison of mathematical models of various anaerobic biological treatment methods

2.5 人工湿地处理的数学模型人工湿地模型有衰减模型、一级动力学模型和Monod模型[34]。衰减模型是将处理全过程看作“黑箱”，在大量检测数据基础上，搭建“输入”与“输出”的关系方程，并进行拟合，模型简单，操作容易，计算便捷，但准确度和适应性较差。一级动力学模型是目前人工湿地设计中常用的数学模型，但需要作理想推流流态的假设，受环境因素的影响较大，模型的拟合度还有待进一步提高。人工湿地Monod模型适用于模拟人工湿地去除污水中污染物的降解过程，适用范围广泛[35]。这些模型存在的问题是，它们都建立在某一个具体案例地的基础之上，对环境影响和人类活动的影响的适应性较差，导致模型的准确性受限。各种人工湿地处理法数学模型见表5。

3 问题和展望

从实际应用出发，农村生活污水污染物降解模型的应用确实能够有针对性地解决问题，并能保质增效，节能降耗，但是由于农村分散的生活污水存在多因素的干扰，需要综合考虑这些因素，提升模型的精度，以期达到水质的合理预测与控制，更好地运用于农村分散生活污水治理与运行管理。

3.1 模型的灵活性和适应性有待提高现在已有的模型缺乏真正意义上的灵活性与适应性，它们基本都是一对一的，一旦给定一个结构及参数后模型就被固定，若想通过该模型来计算其他不同结构和参数的算例时，则不能满足计算，需要改进建立新的模型并验证后才能计算新情况下的算例，这一局限性严重制约了模型的实际应用。因此对模型进行不确定性的分析就变得十分必要，通过此分析可以理清并尽量减少不确定性因素对模型的影响，预测污水处理对这些因素的抗冲击负荷，从而加强模型稳定性和适应性，保证水质稳定达标。目前在污水处理领域中多采用的检验模型可靠的方法有MC法、SA法[42]。

表5 各种人工湿地处理法数学模型的对比Table 5 Comparison of mathematical models of various constructed wetland treatment methods

3.2 模型动态化以提高运行的自适应能力针对农村生活污水处理模型研究多基于静态模型，但污水处理本身就是一个复杂多变的过程，脱氮和除磷的过程交替进行着，同时外界环境对模型的影响较大，进水水质参数一旦发生变化，模型的精度将受到较大的影响。因此应根据进出水负荷和工况等变化，实现污水处理全过程的模型与参数的自适应动态调整。目前多采用的模型有神经网络、模糊逻辑、专家推理等，用智能建模的方法，并配合自组织学习算法，比如贡献度分析、敏感度分析、相关性分析实现模型的动态自适应，不过这些方法存在预设参数多、计算复杂等问题。如何既能降低模型的复杂性，又实现动态跟踪自适应是当前模型设计的研究方向。

3.3 针对农村生活污水的模型应用有待加强生物处理系统模型的研究应用在城市污水处理中已经取得了显著的成果，但是在农村分散式污水生物处理方面的应用还较少，且不同地区的环境差别很大，实验室的中试研究与实际应用还有一定的差别，今后有必要加强数学模型在农村分散式生活污水处理方面的研究。

4 结语

随着美丽乡村建设的不断推进，农村污水排放标准要求的不断提高，如何保证农村分散式污水处理设备的长期稳定运行，节能降耗，降低运行管理费用成为目前面临的严峻挑战，对污水处理系统的优化设计、工艺运行和管理提出了更新和更高的要求，相比传统的工艺设计，应用模型对于农村生活污水处理具有更广的发展潜力和优势。但是目前数学模型应用于农村污水的研究还较少，在提升模型的精度、适用性、动态化方面仍需要进一步的深入研究。