1.模型概述

活性污泥动力学模型即活性污泥法数学模型，该研究始于20世纪50年代，其模型研究经历了从简单拟合实验数据到采用经典的微生物生长动力学模型，进而根据污水生物处理过程的特性进行过程动态分析、探索辨识建模的发展过程;实现了从指导活性污泥工艺设计，到研究活性污泥工艺的动态过程、系统的高效率低能耗运行的转变，并出现了相应的商业化软件。

2.理论研究发展

活性污泥数学模型基本点是从表示细胞生长动力学的Monod方程出发，结合化工领域的反应器理论与微生物学理论，对基质降解、微生物生长等各参数之间的数学关系做定量描述。

2.1静态模型

20世纪50年代中期，国外一批学者引入化工领域的反应器理论及微生物理论，通过基质降解、微生物生长及各参数之间的关系建立了各自的活性污泥静态数学模型。其中具有代表性的有Eckenfelder等挥发性悬浮固体(Volatile Suspended Solid , VSS )积累速率经验公式提出的话性污泥模型，Mckinney等活性污泥全混假设提出的活性污泥模型和Lawrence , McCartv L等基于微生物生长动力学理论提出的话性污泥模型。这3种模型所采用的是生长—衰减机理。这此模型对实际的生化反应系统作了很大简化，其区别仅在于有机物降解速率表达式和活性污泥组分划分的差异。由于模型计算结果可基本满足活性污泥工艺设计的要求，且具有模型变量易测、动力学参数确定及方程求解方便等特点，迄今仍广泛用于活性污泥的工艺设计。但是，这此静态模型只考虑了污水中含碳有机物的去除，并没有考虑氮磷的去除过程;不能解释和描述污水生物处理中常见的有机物“快速去除”和出水中有机物浓度随进水浓度变化的现象;也不能很好地预测实际观察中存在的有机物浓度增加时，微生物增长速率变化的滞后效应。

2.2动态模型

20世纪80年代由于水体富营养化等问题越来越严重污水处理去除氮、磷等要求为数学模型提出了新的研究方向。

1975年，Andrews J F提出了“存储一代谢”机理，该机理认为在活性污泥法污水处理过程中，非溶解性有机物和部分溶解性有机物首先被生物絮体快速吸附，以细胞内贮存物的形式被贮存，然后再被微生物利用、Jones等提出了“存活一非存活”机理模型，认为有机物的降解可以在不伴随微生物增长的情况下完成，强调非存活细胞的代谢话性、1987年，Mo-gens}%}等在总结前人尤其是南非的Marais和Dold等人工作的基础上，提出IWA ( International Water Association , IWA )活性污泥1号模型ASM1(Activated Sludge Model No.l )。 ASM1采用了Dold等人提出的“死亡—再生( death-regeneration )”的模型化方法，但未接受“贮存一代谢”机理，而采用“死亡一再溶解”机理，体现了对代谢残余物的再利用。

ASM1包括了碳氧化、硝化和反硝化过程，以矩阵形式描述了污水中好氧和缺氧条件卜所发生的有机碳水解、微生物生长和衰减等8个反应过程。模型包含13种组分、5个化学计量参数和14个动力学参数。模型可以很好地描述活性污泥法污水处理系统的构造状况、进水水质特性及系统运行参数、ASM1是模拟硝化和反硝化的良好工具，促进了关于模型和污水特性描述的进一步研究，自推出以来在欧美得到广泛应用，但模型并未包含磷的吸收和释放过程，无法模拟包含除磷过程的污水处理系统，限制了ASM1的进一步应用。

为了弥补ASM1的不足，IWA专家组于1995年推出含有19种组分、19个反应过程,22个化学计量参数及42个动力学参数的话性污泥25模型ASM2‑ ASM2是ASM1的延伸，沿用了ASM1的概念，包含了ASM1的所有工艺过程，即碳和氮的去除，还包含生物除磷过程，增加了厌氧水解、发酵及生物除磷、化学除磷等8个反应过程、该模型可以对化学需氧量(Chemical Oxygen Demanded,COD)、氮磷去除的综合处理工艺进行动态模拟。ASM2不是生物除磷模型的最终形式，它介于简单和复杂之间，是许多关于正确的模型应该是什么样子的不同观点的一个折中方案，它更应该被看作是模型进一步发展的一个概念平台。

随着对生物除磷机理的认知，在随后推出的活性污泥2D号模型ASM2D中又加入了聚磷菌在缺氧条件卜的生长过程，使其含19种组分、21种反应、22个化学计量参数及45个动力学参数。ASM2D解决了ASM2中没有解决的与聚磷菌有关的反硝化问题，增加了两个过程来说明聚磷菌可利用细胞内的有机贮存产物进行反硝化。与ASM2相比，在模拟硝酸盐和磷酸盐动力学方面,ASM2D更准确。ASM2D被看作是进一步研究和发展话}h'I污泥系统除磷脱氮过程动力学模型的平台和参考。

随着对有机物贮存试验认识的深化，针对ASM1在实际应用中出现的问题,1998年IWA推出了活性污泥35模型ASM3,含有13种组分、12个反应过程,6个化学计量参数和21个动力学参数}, ASM3所涉及的主要反应过程和ASM1相同，即以处理生话污水为主的话性污泥系统的碳氧化过程和硝化、反硝化过程，但没有包括生物除磷过程，侧重点也由水解转为有机物的贮存。该模型修正了ASM1的某此缺陷，增加了有机物的存储过程，将以水解反应为代表的衰减过程改为用内源呼吸过程来解释，从而更逼真地展示了衰减过程。由于ASM3将异养菌的“死亡一再生”循环过程与硝化菌的衰减过程清晰地分开了，因此ASM3的COD数据流图比ASM1简中了许多。

3.应用与改进

ASM系列模型的复杂性导致无法将完整的模型直接应用于污水厂的设计、模拟和运行控制，这就需要根据具体条件将模型适当修正和简化。

季民等在总结IA W活性污泥模型的基础上，建立了适合于普通推流式活性污泥法的碳氧化数学模型;应用MATLAB数学软件，在WINDOWS操作平台上开发出模拟系统。该模拟系统考虑了8个组分和3个生化过程。应用该模拟系统模拟了人津纪庄子污水处理厂的实际运行资料，模拟结果与实测数据吻合较好。

刘芳以活性污泥1号模型(ASM1)为开发平台，建立了简化的话性污泥数学模型(ASM-CN )该模型主要描述了碳氧化和硝化过程，其中模型组分、反应过程和参数的数量都少于ASM1，从而提高了该模型在城市污水厂中的实用性。通过测定模型组分、化学计量系数和动力学参数，为模型的应用提供了重要的前提和基础。最后利用ASM-CN模型对实际城市污水厂的运行进行了动态模拟，模拟结果良好，验证了ASM-CN模型的实用性和有效性，并且也验证了模拟程序的准确性。

Manga J等根据生物除磷工艺中缺氧条件下出现的聚磷菌生长、聚磷酸盐积累及肝糖的积累现象，对ASM2D进行了修正。引进了聚糖菌的竞争生化反应过程;增加组分聚糖菌XGAO,聚糖菌细胞内积累物XPHA,G，聚磷菌细胞内积累物XGLY及聚糖菌细胞内积累物XGLY , G ;同时新添了11个反应动力学方程，运用3种不同的污泥龄进行中试实验，结果证明能够更好地说明除磷工艺中出现的现象。