1987年，活性污泥數(shù)學(xué)模型(ASM1)問世，這一污水處理理論的出現(xiàn)事實(shí)上系統(tǒng)地構(gòu)建起了當(dāng)今污水處理理論大廈的基本框架。2017年，正好是活性污泥數(shù)學(xué)模型問世30周年，回顧這一重大理論的發(fā)展也許會(huì)對(duì)當(dāng)今人工智能和大數(shù)據(jù)發(fā)展浪潮下的污水處理走向有一些啟迪。
追溯ASM的發(fā)展，不能不提南非開普敦大學(xué)的Gerrit Marais ，他是對(duì)ASM模型影響最為重要的人物。早在70年代， 當(dāng)世界各地依然在用經(jīng)驗(yàn)法則設(shè)計(jì)和運(yùn)行污水處理廠時(shí)，Gerrit Marais就已經(jīng)開始了深入的試驗(yàn)與模型理論研究，他同時(shí)走了兩條路線，一條是通過試驗(yàn)獲得大量數(shù)據(jù)，首先滿足生物脫氮除磷設(shè)計(jì)的短期所需，其次是滿足模擬動(dòng)力學(xué)模型的長期所需。另外一條路線是開發(fā)活性污泥工藝的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)模型，這兩條技術(shù)發(fā)展路線構(gòu)思巧妙，相得益彰，試驗(yàn)階段從1972年一直持續(xù)到1980年。
1981年，Gerrit Marais提出了硝化-反硝化系統(tǒng)的通用動(dòng)力學(xué)模型，這一模型對(duì)SRT在3-30天、溫度在12~24℃的活性污泥系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的模擬預(yù)測(cè)。后來Gerrit Marais應(yīng)邀加入國際水污染研究與控制協(xié)會(huì)(IWA前身)的生物處理模型工作組，他的這一早期模型被接受為ASM1模型的基礎(chǔ)。1984年之后，Gerrit Marais又將研究的方向集中在了生物除磷，直至1992年退休。2005年，Gerrit Marais教授去世。
Gerrit Marais
ASM模型能夠問世還需要提及另外一個(gè)重要人物——Poul Harremoes。1981年，這位丹麥技術(shù)大學(xué)的教授時(shí)任國際水污染研究與控制協(xié)會(huì)主席，他當(dāng)時(shí)有了將不同模型整合成一個(gè)統(tǒng)一國際框架的想法。
Poul Harremoes
為此，Poul Harremoes邀請(qǐng)了這個(gè)領(lǐng)域幾位最為知名的專家成立了工作組來實(shí)現(xiàn)這一想法，這幾位專家包括Mogens Henze(丹麥技術(shù)大學(xué))、Gerrit Marais(南非開普敦大學(xué))、Les Grady(美國Clemson大學(xué))、Willy Gujer(瑞士EAWAG)，為了體現(xiàn)模型的國際化，又邀請(qǐng)了亞洲的代表Tomonori Matsuo(日本東京大學(xué))。Poul Harremoes認(rèn)為Mogens Henze擔(dān)任這個(gè)工作組的主席再合適不過，因?yàn)镸ogens Henze沒有自己的模型去捍衛(wèi)。
1982年，在國際水污染研究與控制協(xié)會(huì)的支持下活性污泥數(shù)學(xué)模型設(shè)計(jì)與運(yùn)行工作組成立。當(dāng)時(shí)許多人認(rèn)為這個(gè)工作組不會(huì)取得任何共識(shí)，因?yàn)楣ぷ鹘M中的每個(gè)人都個(gè)性強(qiáng)烈。但經(jīng)過三年之后，工作組提交了IAWPRC ASM模型框架。在1986年里約熱內(nèi)盧的IAWPRC會(huì)議上正式命名為ASM1模型，并在1987年正式推出，這樣的做法事實(shí)上非常成功，為后續(xù)模型的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。后來Poul Harremoes的妻子回憶他在參加世界各地會(huì)議做自我介紹時(shí)，臺(tái)下許多人都會(huì)說：“噢，這就是那個(gè)組織模型的人”。2003年，Poul Harremoes教授去世。
從80年代中期到90年代中期，生物除磷機(jī)理得到了深入的認(rèn)識(shí)，與此同時(shí)，ASM模型工作組的成員發(fā)生了變化，在Grady離開之后Takashi Mino(東京大學(xué))和Mark Wentzel(開普敦大學(xué))加入了工作組，之后ASM2模型問世。ASM2模型包含了生物除磷過程，但這個(gè)模型是介于復(fù)雜與簡單之間的折中。
1996年，在Tomonori Matsuo、Mark Wentzel、Gerrit Marais離開工作組之后，Mark van Loosdrecht(荷蘭代爾夫特理工大學(xué))加入。由于反硝化除磷現(xiàn)象的共識(shí)，ASM2模型在1999年進(jìn)行了擴(kuò)充加入了反硝化除磷菌(DPAO)，稱之為ASM2d。在推出ASM2d模型的同時(shí)，工作組也發(fā)展了ASM3模型以修正ASM1的不足，ASM3將異養(yǎng)菌的死亡——再生過程用內(nèi)源呼吸過程來取代，同時(shí)引入了有機(jī)物胞內(nèi)貯存的過程。
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，無論是在北美、澳大利亞，還是歐洲的眾多國家，模型被廣泛使用。一些模擬軟件也得到了快速的發(fā)展，如GPS-X、SIMBA、STOAT、WEST、BioWin、SUMO、Aquasim等。為了使模型更好地應(yīng)用于實(shí)踐，一些實(shí)用導(dǎo)則在世界各地得到了發(fā)展，這些導(dǎo)則主要是指導(dǎo)如何模擬污水廠的行為、如何刻畫污水水質(zhì)特征。
2004年在摩洛哥舉行的第四屆IWA世界水大會(huì)上，來自世界各地的污水處理模擬工作研究團(tuán)隊(duì)相聚，并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。為此，國際水協(xié)(IWA)成立了新的良好建模實(shí)踐工作組(GMP-TG)，2013年工作組完成了《活性污泥模型應(yīng)用指南》。顯然，國際水協(xié)(IWA)為促進(jìn)模型的發(fā)展、提供實(shí)踐交流平臺(tái)方面扮演了重要的角色。
三十而立，活性污泥數(shù)學(xué)模型建立起了獨(dú)特的理論體系風(fēng)格，對(duì)將來的發(fā)展也形成了基本的基調(diào)，未來的模型發(fā)展不僅會(huì)關(guān)注營養(yǎng)物的去除，還會(huì)涉及能耗、環(huán)境影響方面。同時(shí)，一些創(chuàng)新的技術(shù)如好氧顆粒污泥、厭氧氨氧化等的認(rèn)識(shí)愈加深入也將會(huì)帶動(dòng)模型的進(jìn)一步發(fā)展。
還有一個(gè)不能忽視的問題是盡管模型已經(jīng)很成熟，但由于缺乏足夠輸入數(shù)據(jù)或者由于動(dòng)態(tài)特性的影響，模型的可靠性往往是一個(gè)問題，為此IWA成立了一個(gè)有關(guān)模型在設(shè)計(jì)與運(yùn)行時(shí)不確定性的工作組(DOUT)，研究當(dāng)模型用于工程實(shí)踐時(shí)時(shí)如何進(jìn)行不確定性的評(píng)估。此外，模型的發(fā)展也將會(huì)不斷外延，排水管道-處理廠-河流整合在一起的模型也在不斷發(fā)展，另外如何將SCADA系統(tǒng)的海量數(shù)據(jù)整合在動(dòng)態(tài)模型中也將引人關(guān)注。
來源:中宜環(huán)科環(huán)保產(chǎn)業(yè)研究 作者:陳珺
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