IWA活性污泥模型(ASM)的發(fā)展
活性污泥技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)有一百多年的歷史，但是發(fā)展這一工藝的模型化卻是最近四十年的事情。約翰·安德魯斯（John Andrews）在1974年開創(chuàng)了這項(xiàng)工作的先河。在2014年加拿大魁北克Wendake的研討會(huì)上，活性污泥模型專家們探討了活性污泥建模近期發(fā)展的一些關(guān)鍵點(diǎn)，包括如何通過促進(jìn)建模工具的進(jìn)步來實(shí)現(xiàn)模型的進(jìn)一步發(fā)展，以及如何更好地使用模型。
資源回收模式
污水處理行業(yè)正在由污水處理模式向資源回收模式快速轉(zhuǎn)變。這一趨勢(shì)直接影響著活性污泥模型的發(fā)展應(yīng)用。迄今為止，建模的主要目的是預(yù)測(cè)排放水質(zhì)，能耗，污泥產(chǎn)量以及近些年備受關(guān)注的溫室氣體排放量（例如N2O和CH4）。
除了清潔的再生水外，污水中還能回收利用很多其他的資源，比如能源（厭氧消化產(chǎn)生物沼氣），營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)（可以作為農(nóng)業(yè)肥料的鳥糞石和硫酸銨），以及塑料（使用改良的厭氧消化工藝時(shí)才生的PHA（聚羥基脂肪酸酯）塑料）。因此，盡可能多的生產(chǎn)出質(zhì)量合格的資源回收產(chǎn)品也成為了污水處理的重要目標(biāo)之一。很多相關(guān)的技術(shù)已經(jīng)投入了使用，而也有一些仍在研發(fā)階段。傳統(tǒng)上，污水處理模型專家很少將注意力放在資源回收上。但是在未來的發(fā)展中，越來越多的努力將會(huì)投放在開發(fā)新模型和升級(jí)現(xiàn)有模型上，以適應(yīng)污水處理中資源回收的需要。
在過去的四十幾年中，初沉池在活性污泥模型中并未得到重視，建模也往往是基于物料平衡方程模擬處理效率，而非基于實(shí)際的原理；有時(shí)，特別在流量變化和雨季時(shí)，利用流量相關(guān)性來描述遞減的處理效率�；瘜W(xué)強(qiáng)化一級(jí)處理工藝中，在進(jìn)水中加入混凝劑或者聚合物，以及污泥回流液的作用，都會(huì)影響污水的組成成分。不難看出，很多因素都會(huì)影響模型的預(yù)測(cè)情況，預(yù)測(cè)的不確定性因此不容忽視。一些模型現(xiàn)在還沒有被廣泛地投入實(shí)際應(yīng)用。
初次沉降是控制污泥中有機(jī)質(zhì)成分和污泥產(chǎn)量的關(guān)鍵步驟。沼氣產(chǎn)量最大化和污泥資源化的研究，將在很大程度上依靠?jī)?yōu)良的初沉模型。最近，研究人員已經(jīng)開始關(guān)注不同影響因素的沉降特點(diǎn)，并且在位于世界不同地區(qū)的三個(gè)污水處理廠取得了相似的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。得益于顆粒沉降速率分布的應(yīng)用，初級(jí)沉降模型得到了改進(jìn)。這些升級(jí)的模型能夠描述和優(yōu)化化學(xué)強(qiáng)化初級(jí)處理工藝，從而提高沉降速率。當(dāng)然，在加入鐵鹽或聚合物時(shí)，不同沉降機(jī)理的重要性也應(yīng)當(dāng)考慮在內(nèi)。
另一項(xiàng)最新的研究探索了初級(jí)沉降前后污水成分（化學(xué)需氧量和含氮組分）的轉(zhuǎn)變，顯示這些變化確實(shí)是在初沉池階段出現(xiàn)的。這一過程仍然需要被更多地了解，因?yàn)樗粌H關(guān)系到一些下游水處理流程，同時(shí)也會(huì)影響污泥消化過程。所以，我們需要一個(gè)整合資源回收系統(tǒng)和污水處理系統(tǒng)的綜合性建模方法。
在上述工作中，獲取污水的性質(zhì)，包括質(zhì)量（準(zhǔn)確的成分構(gòu)成）和數(shù)量（測(cè)量頻率），起了決定性的作用。但這是一個(gè)相當(dāng)繁復(fù)和昂貴的任務(wù)。這種情況促使人們探索更加自動(dòng)化（如在線傳感器）和節(jié)約成本的措施。對(duì)建模研究的時(shí)間投入將可以換取更加豐厚的邊界收益。
顯而易見，所有的需求都必須和建模的目標(biāo)聯(lián)系起來。污水處理廠建成項(xiàng)目的后評(píng)估對(duì)模型的糾正和升級(jí)非常關(guān)鍵。但是現(xiàn)實(shí)中項(xiàng)目的后評(píng)估卻鮮有發(fā)生，因此缺少確實(shí)的數(shù)據(jù)來判斷模型應(yīng)用時(shí)的不確定性。模型的后評(píng)估可以提示未來建模過程中的哪些因素需要格外關(guān)注，對(duì)模型適用范圍和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)有更加清晰的定義。當(dāng)模型變復(fù)雜時(shí)，可能針對(duì)某一因子有很好的效果，但對(duì)其它因子可能效果很差。因此，子模型和整體模型之間的平衡需要通過更加標(biāo)準(zhǔn)化的建模方式來取得。好的模型能幫助污水處理廠在避免過度設(shè)計(jì)的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)資源成本節(jié)約和良好的運(yùn)行。在設(shè)計(jì)階段之后繼續(xù)仿真軟件是取得后評(píng)估審查數(shù)據(jù)和開發(fā)新工具的有效途徑之一。
平衡模型的復(fù)雜性
在過去的幾十年中，微生物動(dòng)力學(xué)子模型在污水處理廠建模中受到了很多關(guān)注，這也直接促成了活性污泥模型家族的產(chǎn)生。ASM1（活性污泥1號(hào)模型）是在獲得業(yè)內(nèi)廣泛共識(shí)的情況下產(chǎn)生的，并發(fā)展出眾多的仿真軟件。但ASM2和3卻情況復(fù)雜。ASM2和3包含更多細(xì)節(jié)和太多的參數(shù)，導(dǎo)致它們很難實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化。
然而，即使是ASM1也同樣遭遇過參數(shù)使用上的麻煩。以ASM1為基礎(chǔ)的模型的過程速率通常包含開關(guān)函數(shù), 這些因子可以實(shí)現(xiàn)激活和非激活狀態(tài)的平穩(wěn)轉(zhuǎn)化。但問題在于，這些因子是否是真正相互獨(dú)立的，還是產(chǎn)生了了疊加效果。此外，為了適應(yīng)新條件，ASM模型不斷發(fā)展。當(dāng)新的函數(shù)加到現(xiàn)有的方程時(shí)，新函數(shù)的校準(zhǔn)系數(shù)的影響并沒有被充分探究。在進(jìn)行模型分析時(shí)，很難分清到底哪個(gè)是限制因素。可視化的分析工具已經(jīng)存在，但是它們還沒有被應(yīng)用在軟件平臺(tái)上。
此外，在模型校準(zhǔn)過程中，與基質(zhì)相關(guān)的微生物最大增長(zhǎng)率和參數(shù)通常未得到充分的校正。這些未被正確計(jì)算的動(dòng)力學(xué)條件將導(dǎo)致模型的預(yù)測(cè)結(jié)果和實(shí)際測(cè)量之間的偏差，嚴(yán)重削弱了模型應(yīng)有的預(yù)測(cè)能力。
這種現(xiàn)狀的根本原因在于污水處理廠的子模型已經(jīng)出現(xiàn)了不平衡的情況：一些過程被詳盡的描述，但另外一些卻過于簡(jiǎn)化。于是，人們開始通過控制使用復(fù)雜子模型的自由度來彌補(bǔ)模型簡(jiǎn)化的帶來弊端。
初級(jí)沉降，混合，曝氣是子模型簡(jiǎn)化的典型例子。值得注意到是，這些模型都是從早期污水處理廠模型中產(chǎn)生出來的，并且至今未得到重新認(rèn)識(shí)�，F(xiàn)在，我們擁有了像計(jì)算流體力學(xué)（CFD）這樣的新工具和有一些可以呈現(xiàn)沉降特征的新方法來幫助我們更好地了解模型背后的工作原理。
CFD可以同生物動(dòng)力學(xué)和沉降因子聯(lián)合使用。在使用過程中獲得的經(jīng)驗(yàn)可以改進(jìn)和更好地平衡現(xiàn)有的污水處理模型。平衡并不一定意味著簡(jiǎn)單模型的復(fù)雜程度增加了。但是，通過更加合理的建模方式，在生物動(dòng)力學(xué)模型上添加額外影響因子的方式不再是必須。另外，CFD對(duì)反應(yīng)器的設(shè)計(jì)也有很大的幫助。
通過開發(fā)在一些特殊情形下使用的CFD模型（如矩形池，圓形池，各類混合器和曝氣器、進(jìn)水口和出水口形式和位置），可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)化，同時(shí)也避免了針對(duì)每個(gè)單項(xiàng)開發(fā)CFD模型的繁瑣。現(xiàn)在，國(guó)際水協(xié)會(huì)建模和綜合評(píng)估（IWA Modelling and Integrated Assessment (MIA)）專家組下面的一個(gè)工作小組已經(jīng)在領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究了。
污水源頭分類和分散式處理的趨勢(shì)
對(duì)污水進(jìn)行源分類以及分散式處理的趨勢(shì)對(duì)整個(gè)污水處理系統(tǒng)都產(chǎn)生了有很大的影響，也因此引起了很多爭(zhēng)論。但是，我們應(yīng)該從更宏觀的角度來理解這一問題，牢記污水處理廠正在向資源回收廠轉(zhuǎn)型。單靠人腦是無法掌控系統(tǒng)中的所有環(huán)節(jié)的。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和優(yōu)化離不開模型。為了實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，我們應(yīng)該在未來幾年里開展對(duì)模型發(fā)展的評(píng)估，以保證全新的科研技術(shù)被應(yīng)用于污水處理模型的開發(fā)之中。
運(yùn)用模型和創(chuàng)新的評(píng)估工具
對(duì)污水處理模型的應(yīng)用已經(jīng)不僅僅停留在研究層面的功能。除了幫助人們更加了解那些復(fù)雜的運(yùn)行系統(tǒng)之外，模型正在更多地轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的工程開發(fā)工具。這些模型使用功能的變化，將對(duì)建模提出新的要求：
1.針對(duì)模擬數(shù)據(jù)的工具開發(fā)（如數(shù)據(jù)收集，篩選，校對(duì)，補(bǔ)充）
2.優(yōu)化運(yùn)行模擬（如情景設(shè)置，概率統(tǒng)計(jì)方法）
3.分析結(jié)果（如儲(chǔ)存測(cè)量和模擬結(jié)果的數(shù)據(jù)庫(kù)，評(píng)估工具，最優(yōu)化方法，繪圖工具物料平衡等）
4.提供報(bào)告和數(shù)據(jù)資料以實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的記錄，評(píng)估和透明化
現(xiàn)代的仿真工具很容易創(chuàng)造大量的數(shù)據(jù)，這讓用戶難以真正有效地利用。因此首先需要可以處理這些大量數(shù)據(jù)的特殊工具，然后通過這些工具來幫助用戶分析所有的數(shù)據(jù)，并最終評(píng)估結(jié)果。當(dāng)考慮到人腦處理信息的方式時(shí)，這些開發(fā)的新工具應(yīng)該能實(shí)現(xiàn)大量數(shù)據(jù)到有效信息的轉(zhuǎn)化，為更好的決策制定打下基礎(chǔ)。
整合式工具
雖然工程應(yīng)用的焦點(diǎn)是通過開發(fā)仿真工具來運(yùn)行處理模型，但新的建模發(fā)展重點(diǎn)則在于把不同工具整合在一起，以實(shí)現(xiàn)城市水循環(huán)中更多領(lǐng)域的設(shè)計(jì)，優(yōu)化和運(yùn)行。其中一個(gè)發(fā)展方向是綜合建模，包含水資源回收，污水管道系統(tǒng)和受納水體。另一個(gè)重點(diǎn)是在建模時(shí)融合其他相關(guān)的領(lǐng)域，如管線設(shè)計(jì)和設(shè)備選擇等。控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)已經(jīng)成為了仿真和模型發(fā)展的重要推動(dòng)力。
軟件工具和專業(yè)人員之間的協(xié)同配合，是設(shè)計(jì)策略和最終實(shí)際應(yīng)用上存在的主要問題。設(shè)計(jì)和應(yīng)用往往是單向的，缺乏反饋�，F(xiàn)代的平臺(tái)需要整合主要的工具，來創(chuàng)造出一個(gè)無縫的流程，為所有專家提供一個(gè)共同的語言環(huán)境。利益相關(guān)方都可以對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行檢驗(yàn)并且查看他們的需要是否得到了滿足。
引進(jìn)不確定性分析
近些年，利用模型對(duì)污水處理廠進(jìn)行設(shè)計(jì)和運(yùn)行已經(jīng)逐漸流行。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，在仿真軟件上應(yīng)用數(shù)學(xué)模型經(jīng)常是工程師采用的首要甚至是唯一的設(shè)計(jì)方法。這些數(shù)學(xué)模型會(huì)替代或者結(jié)合傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)指南(包含安全系數(shù)) 被投入應(yīng)用。在運(yùn)行環(huán)節(jié)，數(shù)學(xué)模型越來越多地被應(yīng)用到操作優(yōu)化上。
與設(shè)計(jì)指南上將不確定性和變化性通過安全系數(shù)和峰值因子來反映的情況不同，過程模型并未包含風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估步驟。因此，當(dāng)利用仿真軟件預(yù)測(cè)污水廠在三十年尺度上的能源需求、資源回收潛力和排放水質(zhì)時(shí)，無法清楚地確認(rèn)和氣候變化相關(guān)的不確定性所帶來的影響。
現(xiàn)在需要用科學(xué)的方法來估算準(zhǔn)確的概率，量化主要的不確定性來源，以及評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)、利益、成本在利益相關(guān)者(如所有人、運(yùn)營(yíng)方、承包商，咨詢方)間的分布情況。國(guó)際水協(xié)會(huì)設(shè)計(jì)與運(yùn)行工作組（IWA Design and Operational Uncertainty Task Group ）正在致力于研發(fā)在模型開發(fā)和運(yùn)行項(xiàng)目中包含不確定性評(píng)估的程序。
本文摘譯自國(guó)際水協(xié)會(huì)會(huì)員雜志《Water 21》
