IWA活性污泥模型(ASM)的发展

活性污泥技术现在已经有一百多年的历史，但是发展这一工艺的模型化却是最近四十年的事情。约翰·安德鲁斯（John Andrews）在1974年开创了这项工作的先河。在2014年加拿大魁北克Wendake的研讨会上，活性污泥模型专家们探讨了活性污泥建模近期发展的一些关键点，包括如何通过促进建模工具的进步来实现模型的进一步发展，以及如何更好地使用模型。

资源回收模式

污水处理行业正在由污水处理模式向资源回收模式快速转变。这一趋势直接影响着活性污泥模型的发展应用。迄今为止，建模的主要目的是预测排放水质，能耗，污泥产量以及近些年备受关注的温室气体排放量（例如N2O和CH4）。

除了清洁的再生水外，污水中还能回收利用很多其他的资源，比如能源（厌氧消化产生物沼气），营养物质（可以作为农业肥料的鸟粪石和硫酸铵），以及塑料（使用改良的厌氧消化工艺时才生的PHA（聚羟基脂肪酸酯）塑料）。因此，尽可能多的生产出质量合格的资源回收产品也成为了污水处理的重要目标之一。很多相关的技术已经投入了使用，而也有一些仍在研发阶段。传统上，污水处理模型专家很少将注意力放在资源回收上。但是在未来的发展中，越来越多的努力将会投放在开发新模型和升级现有模型上，以适应污水处理中资源回收的需要。

在过去的四十几年中，初沉池在活性污泥模型中并未得到重视，建模也往往是基于物料平衡方程模拟处理效率，而非基于实际的原理；有时，特别在流量变化和雨季时，利用流量相关性来描述递减的处理效率。化学强化一级处理工艺中，在进水中加入混凝剂或者聚合物，以及污泥回流液的作用，都会影响污水的组成成分。不难看出，很多因素都会影响模型的预测情况，预测的不确定性因此不容忽视。一些模型现在还没有被广泛地投入实际应用。

初次沉降是控制污泥中有机质成分和污泥产量的关键步骤。沼气产量最大化和污泥资源化的研究，将在很大程度上依靠优良的初沉模型。最近，研究人员已经开始关注不同影响因素的沉降特点，并且在位于世界不同地区的三个污水处理厂取得了相似的实验结果。得益于颗粒沉降速率分布的应用，初级沉降模型得到了改进。这些升级的模型能够描述和优化化学强化初级处理工艺，从而提高沉降速率。当然，在加入铁盐或聚合物时，不同沉降机理的重要性也应当考虑在内。

另一项最新的研究探索了初级沉降前后污水成分（化学需氧量和含氮组分）的转变，显示这些变化确实是在初沉池阶段出现的。这一过程仍然需要被更多地了解，因为它不仅关系到一些下游水处理流程，同时也会影响污泥消化过程。所以，我们需要一个整合资源回收系统和污水处理系统的综合性建模方法。

在上述工作中，获取污水的性质，包括质量（准确的成分构成）和数量（测量频率），起了决定性的作用。但这是一个相当繁复和昂贵的任务。这种情况促使人们探索更加自动化（如在线传感器）和节约成本的措施。对建模研究的时间投入将可以换取更加丰厚的边界收益。

显而易见，所有的需求都必须和建模的目标联系起来。污水处理厂建成项目的后评估对模型的纠正和升级非常关键。但是现实中项目的后评估却鲜有发生，因此缺少确实的数据来判断模型应用时的不确定性。模型的后评估可以提示未来建模过程中的哪些因素需要格外关注，对模型适用范围和评估标准有更加清晰的定义。当模型变复杂时，可能针对某一因子有很好的效果，但对其它因子可能效果很差。因此，子模型和整体模型之间的平衡需要通过更加标准化的建模方式来取得。好的模型能帮助污水处理厂在避免过度设计的同时，实现资源成本节约和良好的运行。在设计阶段之后继续仿真软件是取得后评估审查数据和开发新工具的有效途径之一。

平衡模型的复杂性

在过去的几十年中，微生物动力学子模型在污水处理厂建模中受到了很多关注，这也直接促成了活性污泥模型家族的产生。ASM1（活性污泥1号模型）是在获得业内广泛共识的情况下产生的，并发展出众多的仿真软件。但ASM2和3却情况复杂。ASM2和3包含更多细节和太多的参数，导致它们很难实现标准化。

然而，即使是ASM1也同样遭遇过参数使用上的麻烦。以ASM1为基础的模型的过程速率通常包含开关函数, 这些因子可以实现激活和非激活状态的平稳转化。但问题在于，这些因子是否是真正相互独立的，还是产生了了叠加效果。此外，为了适应新条件，ASM模型不断发展。当新的函数加到现有的方程时，新函数的校准系数的影响并没有被充分探究。在进行模型分析时，很难分清到底哪个是限制因素。可视化的分析工具已经存在，但是它们还没有被应用在软件平台上。

此外，在模型校准过程中，与基质相关的微生物最大增长率和参数通常未得到充分的校正。这些未被正确计算的动力学条件将导致模型的预测结果和实际测量之间的偏差，严重削弱了模型应有的预测能力。

这种现状的根本原因在于污水处理厂的子模型已经出现了不平衡的情况：一些过程被详尽的描述，但另外一些却过于简化。于是，人们开始通过控制使用复杂子模型的自由度来弥补模型简化的带来弊端。

初级沉降，混合，曝气是子模型简化的典型例子。值得注意到是，这些模型都是从早期污水处理厂模型中产生出来的，并且至今未得到重新认识。现在，我们拥有了像计算流体力学（CFD）这样的新工具和有一些可以呈现沉降特征的新方法来帮助我们更好地了解模型背后的工作原理。

CFD可以同生物动力学和沉降因子联合使用。在使用过程中获得的经验可以改进和更好地平衡现有的污水处理模型。平衡并不一定意味着简单模型的复杂程度增加了。但是，通过更加合理的建模方式，在生物动力学模型上添加额外影响因子的方式不再是必须。另外，CFD对反应器的设计也有很大的帮助。

通过开发在一些特殊情形下使用的CFD模型（如矩形池，圆形池，各类混合器和曝气器、进水口和出水口形式和位置），可以实现系统设计的优化，同时也避免了针对每个单项开发CFD模型的繁琐。现在，国际水协会建模和综合评估（IWA Modelling and Integrated Assessment (MIA)）专家组下面的一个工作小组已经在领导这项研究了。

污水源头分类和分散式处理的趋势

对污水进行源分类以及分散式处理的趋势对整个污水处理系统都产生了有很大的影响，也因此引起了很多争论。但是，我们应该从更宏观的角度来理解这一问题，牢记污水处理厂正在向资源回收厂转型。单靠人脑是无法掌控系统中的所有环节的。实现系统的经济效益和优化离不开模型。为了实现这个目标，我们应该在未来几年里开展对模型发展的评估，以保证全新的科研技术被应用于污水处理模型的开发之中。

运用模型和创新的评估工具

对污水处理模型的应用已经不仅仅停留在研究层面的功能。除了帮助人们更加了解那些复杂的运行系统之外，模型正在更多地转变成标准的工程开发工具。这些模型使用功能的变化，将对建模提出新的要求：

1.针对模拟数据的工具开发（如数据收集，筛选，校对，补充）

2.优化运行模拟（如情景设置，概率统计方法）

3.分析结果（如储存测量和模拟结果的数据库，评估工具，最优化方法，绘图工具物料平衡等）

4.提供报告和数据资料以实现项目的记录，评估和透明化

现代的仿真工具很容易创造大量的数据，这让用户难以真正有效地利用。因此首先需要可以处理这些大量数据的特殊工具，然后通过这些工具来帮助用户分析所有的数据，并最终评估结果。当考虑到人脑处理信息的方式时，这些开发的新工具应该能实现大量数据到有效信息的转化，为更好的决策制定打下基础。

整合式工具

虽然工程应用的焦点是通过开发仿真工具来运行处理模型，但新的建模发展重点则在于把不同工具整合在一起，以实现城市水循环中更多领域的设计，优化和运行。其中一个发展方向是综合建模，包含水资源回收，污水管道系统和受纳水体。另一个重点是在建模时融合其他相关的领域，如管线设计和设备选择等。控制系统的设计已经成为了仿真和模型发展的重要推动力。

软件工具和专业人员之间的协同配合，是设计策略和最终实际应用上存在的主要问题。设计和应用往往是单向的，缺乏反馈。现代的平台需要整合主要的工具，来创造出一个无缝的流程，为所有专家提供一个共同的语言环境。利益相关方都可以对整个系统进行检验并且查看他们的需要是否得到了满足。

引进不确定性分析

近些年，利用模型对污水处理厂进行设计和运行已经逐渐流行。在设计环节，在仿真软件上应用数学模型经常是工程师采用的首要甚至是唯一的设计方法。这些数学模型会替代或者结合传统的设计指南(包含安全系数) 被投入应用。在运行环节，数学模型越来越多地被应用到操作优化上。

与设计指南上将不确定性和变化性通过安全系数和峰值因子来反映的情况不同，过程模型并未包含风险评估步骤。因此，当利用仿真软件预测污水厂在三十年尺度上的能源需求、资源回收潜力和排放水质时，无法清楚地确认和气候变化相关的不确定性所带来的影响。

现在需要用科学的方法来估算准确的概率，量化主要的不确定性来源，以及评估风险、利益、成本在利益相关者(如所有人、运营方、承包商，咨询方)间的分布情况。国际水协会设计与运行工作组（IWA Design and Operational Uncertainty Task Group ）正在致力于研发在模型开发和运行项目中包含不确定性评估的程序。

本文摘译自国际水协会会员杂志《Water 21》

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