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活性污泥法中的硝化作用

在这一节里，Gujer教授对活性污泥硝化作用的很多方面进行了总结介绍，包括分别讲述了采样频率如何影响测定结果、工艺设计“安全系数”的引入、长期(季节间)和短期(昼夜间)温度变化对工艺的影响、硝化的抑制作用、工艺控制、峰值调节、地理因素对处理表现的影响、影响硝化作用动力学的环境因素，以及硝化反硝化的相互作用会导致一氧化二氮释放等。同时他也表达一些观点，包括他认为我们需要重新审视设计理念、加深氨氧化反应的认识需要酶动力学的知识等。其中的细节在这里无法详述，只摘取以下几个亮点作为分享：

1. 计算机技术的发展大大促进了污水处理的模型研究

在自动采样仪器还未面市的上世纪70年代，当时还以湿式化学分析为主。EAWAG的中试研究使污水处理的动力学模型成为了Gujer教授日后研究工作的中心。他的第一个动力学模型是关于活性污泥硝化活性的预测。他回忆说当时做模型用的还是FORTRAN代码，而且要动用EAWAG大量人力资源来运行，尽管如此也要花上几周的时间。如今通过使用各种先进的模拟工具，只需要几小时就能完成跟当年类似的模型或项目，而且还有系统分析工具作支持，使模型的开发变得更简易。

2. 工业废水对硝化活性的影响可能是个误解

Gujer教授说早年很多(如果不是所有也至少是大部分)关于涉及工业废水的活性污泥工艺的论文报告都说可能有硝化作用受抑制的问题。尽管我们知道一些重金属和有机物确实会抑制硝化菌的生长，但Gujer教授的个人经历(虽没有科学验证)却跟这些论文报告的结论不太相同。他说那个年代还没有溶解氧测量仪，生物系统的动力学行为还不太为人熟知，导致当时的实际运行都很糟糕，并不能实现理想的“静态”。随着对氧浓度的控制变得越加可靠，这方面的文章也越来越少见了。他认为很多工业化发达国家的控制工作都做得很好，意思是做好源头控制，有害化合物进入污水厂的几率不大。

3. 城市规划对污水处理表现的影响

Gujer教授提醒我们污水处理系统除了污水处理厂之外，管网也是其重要的组成。污水厂的进水负荷变化在某程度是由于污染物进入管网时间的差异，以及管网分布的长度造成的，这两个因素都跟时间这个变量有关。Gujer教授用下图阐述了同轴排列和线性排列两种排放模式的区别——前者的负荷变化更大，而后者的收集方式能使进水水质更稳定。由于昼夜负荷变化很大程度上控制了生物处理过程中的硝化性能，所以使用后者的城市规划模式对该地区的污水处理是有好处的。

下图总结了不同污水收集方式下氨的极端负荷和日平均负荷的比值。由于硝化处理设计的安全系数通常按照最大负荷和平均负荷的比值来设定，因此该图能提供重要的设计信息。根据此图，我们会发现安全系数的选定是个很有趣的事情——安全系数(也就是相应的SRT)设定越大，污水厂的处理能力就变小，因此专业性就降低，而且更加难以运行。

4. 污水厂永远不会完全依照设计时的方式运行

Gujer教授和Dominguez教授曾经在2006发表过一篇文章，讨论了Werdhölzli污水厂在1985-2003年间的演变。该污水厂原先是为硝化处理设计的，还包括了同步的磷沉淀。设计负荷是当时预估负荷的115%。当时的设想是原有的活性污泥法工艺线可以用来预处理约50%的初沉池出水，这样有利于新建的第二段活性污泥工艺的硝化作用。然而，在这之后18年里，苏黎世的人口不仅没有增长，反而减少了近20%，而且许多污水排放大户(例如啤酒厂、牛奶加工厂、屠宰场等)都搬离了城市。由于纺织洗涤剂不再添加磷，沉淀的污泥也少了。地下水下渗进入管网的情况急剧减少，饮用水消耗也减少了约33%，这使得污水厂的最大水力负荷大大降低，使得活性污泥的浓度增加了。

运营方撤掉那条旧的活性污泥工艺线，然后在无需新增反应器体积的情况下在新的处理线上引进了前置反硝化(28%流量)。苏黎世另外一间污水处理厂被关闭，污水接入Werdhölzli污水厂，约占总负荷的20%。苏黎世机场的除冰液也有段时间运至该污水厂来处理。

通过这个案例Gujer教授想表达，污水厂就像一个有生命的有机体，它几乎从来不会按照设计的方式来运作。18年其实并非一段很长的时间，但这个污水厂的边界条件和工艺流程已经发生了翻天覆地的变化。未来难以预测，污水厂的设计应该将这些不确定性考虑在内。

活性污泥的动力学模型

第一代硝化反应的动力学模型始于上世纪70年代。南非开普敦大学的Gerrit Marais带领的团队对此作出了重要贡献。他们先从CSTR反应器开始，考虑的变量包括可溶性物质、胶体、颗粒、硝化反硝化、耗氧量、污泥产量，最先他们先做静态模型，之后再开发动态模式。

1982年，当时IAWPR(国际水协IWA的前身)的副主席Poul Harremoes组建了IAWPR生物污水处理设计和运行数学建模专家任务组。在南非开普敦大学团队已取得的前沿成果基础上，这个任务组开发出了一系列活性污泥模型，也就是如今大家熟知的ASM1-ASM3。这个任务组的主要贡献之一是矩阵符号，它将本来相当复杂的整合数学模型，凝练成有序的形式对外传播沟通，这其中Gujer教授做出了大量工作。

如今这ASM系列被广泛接受为活性污泥工艺的最先进模型。而这些模型当初能获得初步认可，很大程度因为其在预测氮转化(硝化反硝化作用)方面取得的成功。同时这些模型(尤其是ASM2d)已经发展到相当的复杂度，虽然确实有助于改善污水厂的设计，但一般的咨询工程师并不会用，相关应用和调整的任务依然要由少数经验丰富的工程师操作。

ASM的校准很繁琐，而且往往需要临时调整程序完成。 Brun等人开发了一种系统性的方法，可找到最重要的模型参数及其相互关系。然而在一些讲求实用的工程师们看来这样的程序并不好用——他们没有充足的时间、软件培训以及理论背景来解释模拟结果，因此目前这些软件技术主要还只用于研究和开发环境当中。

虽然还有这样那样的问题，但总的来说活性污泥法硝化动力学模型的使用体验还是很正面的，这给予了研究人员充分开发强化综合模型的动力。目前IWA国际水协的GMP建模实践工作组正在着手编写《活性污泥模型使用指南》，希望其能够在促进和改善复杂数据的应用方面有所帮助。

原标题：Nitrification and Me：一个瑞士教授眼中的硝化演变史

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