IWA活性污泥模型(ASM)的發(fā)展
活性污泥技術現(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)了這項工作的先河。在2014年加拿大魁北克Wendake的研討會上，活性污泥模型專家們探討了活性污泥建模近期發(fā)展的一些關鍵點，包括如何通過促進建模工具的進步來實現(xiàn)模型的進一步發(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變。這一趨勢直接影響著活性污泥模型的發(fā)展應用。迄今為止，建模的主要目的是預測排放水質，能耗，污泥產(chǎn)量以及近些年備受關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），營養(yǎng)物質（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)出質量合格的資源回收產(chǎn)品也成為了污水處理的重要目標之一。很多相關的技術已經(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投放在開發(fā)新模型和升級現(xiàn)有模型上，以適應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，而非基于實際的原理；有時，特別在流量變化和雨季時，利用流量相關性來描述遞減的處理效率。化學強化一級處理工藝中，在進水中加入混凝劑或者聚合物，以及污泥回流液的作用，都會影響污水的組成成分。不難看出，很多因素都會影響模型的預測情況，預測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際應用。
初次沉降是控制污泥中有機質成分和污泥產(chǎn)量的關鍵步驟。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優(yōu)良的初沉模型。最近，研究人員已經(jīng)開始關注不同影響因素的沉降特點，并且在位于世界不同地區(qū)的三個污水處理廠取得了相似的實驗結果。得益于顆粒沉降速率分布的應用，初級沉降模型得到了改進。這些升級的模型能夠描述和優(yōu)化化學強化初級處理工藝，從而提高沉降速率。當然，在加入鐵鹽或聚合物時，不同沉降機理的重要性也應當考慮在內。
另一項最新的研究探索了初級沉降前后污水成分（化學需氧量和含氮組分）的轉變，顯示這些變化確實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，因為它不僅關系到一些下游水處理流程，同時也會影響污泥消化過程。所以，我們需要一個整合資源回收系統(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，包括質量（準確的成分構成）和數(shù)量（測量頻率），起了決定性的作用。但這是一個相當繁復和昂貴的任務。這種情況促使人們探索更加自動化（如在線傳感器）和節(jié)約成本的措施。對建模研究的時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聯(lián)系起來。污水處理廠建成項目的后評估對模型的糾正和升級非常關鍵。但是現(xiàn)實中項目的后評估卻鮮有發(fā)生，因此缺少確實的數(shù)據(jù)來判斷模型應用時的不確定性。模型的后評估可以提示未來建模過程中的哪些因素需要格外關注，對模型適用范圍和評估標準有更加清晰的定義。當模型變復雜時，可能針對某一因子有很好的效果，但對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準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計的同時，實現(xiàn)資源成本節(jié)約和良好的運行。在設計階段之后繼續(xù)仿真軟件是取得后評估審查數(shù)據(jù)和開發(fā)新工具的有效途徑之一。
平衡模型的復雜性
在過去的幾十年中，微生物動力學子模型在污水處理廠建模中受到了很多關注，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號模型）是在獲得業(yè)內廣泛共識的情況下產(chǎn)生的，并發(fā)展出眾多的仿真軟件。但ASM2和3卻情況復雜。ASM2和3包含更多細節(jié)和太多的參數(shù)，導致它們很難實現(xiàn)標準化。
然而，即使是ASM1也同樣遭遇過參數(shù)使用上的麻煩。以ASM1為基礎的模型的過程速率通常包含開關函數(shù), 這些因子可以實現(xiàn)激活和非激活狀態(tài)的平穩(wěn)轉化。但問題在于，這些因子是否是真正相互獨立的，還是產(chǎn)生了了疊加效果。此外，為了適應新條件，ASM模型不斷發(fā)展。當新的函數(shù)加到現(xiàn)有的方程時，新函數(shù)的校準系數(shù)的影響并沒有被充分探究。在進行模型分析時，很難分清到底哪個是限制因素�？梢暬姆治龉ぞ咭呀�(jīng)存在，但是它們還沒有被應用在軟件平臺上。
此外，在模型校準過程中，與基質相關的微生物最大增長率和參數(shù)通常未得到充分的校正。這些未被正確計算的動力學條件將導致模型的預測結果和實際測量之間的偏差，嚴重削弱了模型應有的預測能力。
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化。于是，人們開始通過控制使用復雜子模型的自由度來彌補模型簡化的帶來弊端。
初級沉降，混合，曝氣是子模型簡化的典型例子。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識�，F(xiàn)在，我們擁有了像計算流體力學（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可以同生物動力學和沉降因子聯(lián)合使用。在使用過程中獲得的經(jīng)驗可以改進和更好地平衡現(xiàn)有的污水處理模型。平衡并不一定意味著簡單模型的復雜程度增加了。但是，通過更加合理的建模方式，在生物動力學模型上添加額外影響因子的方式不再是必須。另外，CFD對反應器的設計也有很大的幫助。
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、進水口和出水口形式和位置），可以實現(xiàn)系統(tǒng)設計的優(yōu)化，同時也避免了針對每個單項開發(fā)CFD模型的繁瑣�，F(xiàn)在，國際水協(xié)會建模和綜合評估（IWA Modelling and Integrated Assessment (MIA)）專家組下面的一個工作小組已經(jīng)在領導這項研究了。
污水源頭分類和分散式處理的趨勢
對污水進行源分類以及分散式處理的趨勢對整個污水處理系統(tǒng)都產(chǎn)生了有很大的影響，也因此引起了很多爭論。但是，我們應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型。單靠人腦是無法掌控系統(tǒng)中的所有環(huán)節(jié)的。實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟效益和優(yōu)化離不開模型。為了實現(xiàn)這個目標，我們應該在未來幾年里開展對模型發(fā)展的評估，以保證全新的科研技術被應用于污水處理模型的開發(fā)之中。
運用模型和創(chuàng)新的評估工具
對污水處理模型的應用已經(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雜的運行系統(tǒng)之外，模型正在更多地轉變成標準的工程開發(fā)工具。這些模型使用功能的變化，將對建模提出新的要求：
1.針對模擬數(shù)據(jù)的工具開發(fā)（如數(shù)據(jù)收集，篩選，校對，補充）
2.優(yōu)化運行模擬（如情景設置，概率統(tǒng)計方法）
3.分析結果（如儲存測量和模擬結果的數(shù)據(jù)庫，評估工具，最優(yōu)化方法，繪圖工具物料平衡等）
4.提供報告和數(shù)據(jù)資料以實現(xiàn)項目的記錄，評估和透明化
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)，并最終評估結果。當考慮到人腦處理信息的方式時，這些開發(fā)的新工具應該能實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)到有效信息的轉化，為更好的決策制定打下基礎。
整合式工具
雖然工程應用的焦點是通過開發(fā)仿真工具來運行處理模型，但新的建模發(fā)展重點則在于把不同工具整合在一起，以實現(xiàn)城市水循環(huán)中更多領域的設計，優(yōu)化和運行。其中一個發(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。另一個重點是在建模時融合其他相關的領域，如管線設計和設備選擇等。控制系統(tǒng)的設計已經(jīng)成為了仿真和模型發(fā)展的重要推動力。
軟件工具和專業(yè)人員之間的協(xié)同配合，是設計策略和最終實際應用上存在的主要問題。設計和應用往往是單向的，缺乏反饋�，F(xiàn)代的平臺需要整合主要的工具，來創(chuàng)造出一個無縫的流程，為所有專家提供一個共同的語言環(huán)境。利益相關方都可以對整個系統(tǒng)進行檢驗并且查看他們的需要是否得到了滿足。
引進不確定性分析
近些年，利用模型對污水處理廠進行設計和運行已經(jīng)逐漸流行。在設計環(huán)節(jié)，在仿真軟件上應用數(shù)學模型經(jīng)常是工程師采用的首要甚至是唯一的設計方法。這些數(shù)學模型會替代或者結合傳統(tǒng)的設計指南(包含安全系數(shù)) 被投入應用。在運行環(huán)節(jié)，數(shù)學模型越來越多地被應用到操作優(yōu)化上。
與設計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險評估步驟。因此，當利用仿真軟件預測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時，無法清楚地確認和氣候變化相關的不確定性所帶來的影響。
現(xiàn)在需要用科學的方法來估算準確的概率，量化主要的不確定性來源，以及評估風險、利益、成本在利益相關者(如所有人、運營方、承包商，咨詢方)間的分布情況。國際水協(xié)會設計與運行工作組（IWA Design and Operational Uncertainty Task Group ）正在致力于研發(fā)在模型開發(fā)和運行項目中包含不確定性評估的程序。
本文摘譯自國際水協(xié)會會員雜志《Water 21》
