2015年IWA國際水協(xié)會出版了一本重磅好書——《活性污泥模型的應用》。該書對污水處理的活性污泥工藝的數(shù)學模型(ASM)發(fā)展史進行了匯總，收納了過去二十多年里ASM模型的實際應用的案例，類型包括了模型的研發(fā)、污水廠的優(yōu)化、擴建、升級、翻新和解決實際的運行問題等。
在此書開頭，有一篇向南非污水處理專家Gerrit van Rooyen Marais致敬的長文，作者是南非開普敦大學的George Ekama教授。Gerrit van Rooyen Marais是誰？為何一本關(guān)于ASM模型的書要請Ekama教授為他親筆致敬呢？我們借著這篇長文，了解一下活性污泥工藝模型的故事。
輝煌履歷
Gerrit van Rooyen Marais生于1927年12月20日。他在26歲的時候才開始上大學，此前在南非鐵路局做過鉗工和車床工的學徒，也在伊麗莎白港技術(shù)學院當過講師。
他在1955年獲得了開普敦大學的土木工程本科學位，隨后又在南非金山大學（Witwatersrand University）獲得碩士學位，研究內(nèi)容是礦業(yè)的黏土大壩的滑坡事故問題。碩士畢業(yè)之后他去了贊比亞(當時的Northern Rhodesia)的住房委員會從事低成本住房、供水和衛(wèi)生設施的研究，一做就是六年。在這期間，他還去過英國倫敦的帝國理工又修了一個碩士。他在六年的研究工作后來轉(zhuǎn)化成19篇有關(guān)低成本供水和衛(wèi)生設施的文章。其中有一篇是關(guān)于如何自制實用可靠的探針(Mackereth)和儀表來測量曝氣塘中的溶解氧濃度，這篇文章在1967年獲得了南非土木工程師研究所的最具創(chuàng)新力短篇論文(Short Paper)的殊榮。
1967年，在金山大學做了一段時間巖土工程學高級講師的工作之后，Marais教授轉(zhuǎn)到開普敦大學任職，擔任學校土木工程學院水資源與公共衛(wèi)生工程系的主任，一直到1992年退休。這算是他職業(yè)生涯的第二個階段，也是他最成功的階段。
Marais教授主要的研究興趣是市政水處理，研究內(nèi)容幾乎涵蓋了污水生物處理的各細分領域。因為研究做得好，1970年他被任命為世界衛(wèi)生組織環(huán)境衛(wèi)生專家委員會成員，并一直任職到1987年。在1976年和1980曾前往巴西圣保羅和哥倫比亞的波哥大為當?shù)氐奈鬯幚韱栴}提供咨詢服務。1972年他被美國衛(wèi)生工程學會作為杰出外國教授到美國出席會議。經(jīng)過不懈的努力，他在1977年當選開普敦大學杰出學者。
活性污泥模型
活性污泥工藝的模型研究作為一門專業(yè)至今已經(jīng)有50年左右的歷史。聊起活性污泥模型(ASM)，真的不得不提Marais教授，說他是對ASM模型影響最大的人也不為過。1970年Marais教授開始研究活性污泥系統(tǒng)，然而當時的設計標準還相當有限，各地的污水廠主要還憑經(jīng)驗設計和運行污水廠，出水標準得不到可靠保證。Marais教授一開始就認為各種活性污泥法的基本生物進程原理都是相同的，所以理應可以通過一個生物動力學的基礎模型來進行描述和模擬。
沿著這個思路，他和他的學生開始了一系列長期試驗和建模研究，主要分為兩個平行但互補的項目：
實驗部分：提供數(shù)據(jù)，首先滿足BNR工藝設計達標的短期需求，其次滿足動力學模型的數(shù)據(jù)驗證的長期需求；
理論部分：為各種基于活性污泥法的細分系統(tǒng)開發(fā)一個綜合模型。
在1972-1980年的實驗期間，他的團隊幾乎運行過各種單級或多級BNR反應器類型。以開普敦大學命名的著名的UCT工藝正是這8年辛勤付出的成果，當時的開發(fā)目的是為了去除硝態(tài)氮對強化生物除磷的影響。
圖. UCT工藝圖 |圖源：ResearchGate
如今，BNR活性污泥工藝已經(jīng)成為市政污水處理的主流工藝之一。Marais教授和他的同事將多年的實踐經(jīng)驗匯編成一本設計指南，他們稱之為“綠皮書”，并于1984年出版。一經(jīng)發(fā)行，隨即在世界各地廣泛流傳，對工藝設計工程師和污水廠運行人員而言十分有用，尤其是在1980和1990年代。
而在理論研究方面，最先完善的是全好氧系統(tǒng)，它相對簡單，只需研究普通異養(yǎng)生物(OHO)。他們通過好氧動力學模型來精確模擬。到了1981年，包含硝化/反硝化的通用動力學模型也開發(fā)出來了。它能精確模擬多級反應器的系統(tǒng)，而且不受非曝氣區(qū)位置的限制，滿足SRT在3-30天、溫度在12-24°C的系統(tǒng)。
1982年，國際水協(xié)會(IWA)的前身——國際水污染研究與控制協(xié)會（IAWPRC -International Association on Water Pollution Research and Control） 組建了一個針對活性污泥工藝設計和運行的數(shù)學模型工作組，希望搭建一個平臺，以開發(fā)復雜度最小化、面向未來的脫氮活性污泥工藝模型。1983年，Marais教授和其他四位學者被IWA任命成為該小組成員，共同為這個國際化的建模小組服務。1984年，Marais教授還曾應弗吉尼亞理工大學的Clifford Randall教授的邀請，去美國設計一門短期課程，幫助該州的污水廠運行人員和水務立法者在弗州和東海岸各州推廣生物脫氮除磷（BNR）技術(shù)，目的是保護切薩皮克灣的水環(huán)境。后來他也因此受邀去意大利和澳洲等國介紹推廣BNR技術(shù)。
IWA的建模工作組在他那套模型基礎上，最終開發(fā)出如今大家熟知的第一代活性污泥模型(ASM1)。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，多家軟件開發(fā)公司都基于ASM1模型開發(fā)出污水廠模型程序，應用到世界各地的污水廠。
又一個8年
1984年之后，生物除磷(EBPR)模型的研發(fā)成為Marais教授將研究重心，并繼續(xù)沿用此前試驗+理論兩步走的方法開展研究，一直直到他1992年退休。
在實驗部分，他們從經(jīng)驗參數(shù)出發(fā)，循序漸進，不斷加上對EBPR的生化、動力學以及機械原理的理解。1988年，他們成功找到了聚磷菌(PAOs)強化培養(yǎng)的方法。到了1991年，他的團隊將PAOs菌模型寫進ASM1模型。這也是第一個混合菌群活性污泥模型，包含了OHO、ANO和PAO菌。這是生物脫氮除磷活性污泥系統(tǒng)里程碑式的進展。
后來IWA的ASM2模型正是基于這套混合菌種模型開發(fā)出來的。
圖. 開普敦大學的鳥瞰圖 |圖源：Facebook @UCT International Office
Marais教授的職業(yè)生涯對水管理和科學研究做出了杰出貢獻，他也因此獲得各種殊榮。例如在1994年匈牙利布達佩斯舉行的第17屆IWQ雙年大會上，Marais教授成為當年的Karl Imhoff ‐Pierre Koch獎章獲得者。盡管獲獎無數(shù)，但他從不吝嗇將功勞，在頒獎致辭的時候，他總不會忘記感謝他帶過的學生——那些在他指導下獲得學位的19名博士以及67位碩士生。
學生的回憶
在Marais 75歲生日來臨之時，George Ekama教授邀請開普敦大學水研究課題組的學生寫一下他們和Marais教授的回憶。在Ekama教授看來，相比上邊羅列的職業(yè)成就，這些富有人情味的故事更能反映Marais教授令人難以忘懷的為人性格。Ekama教授將大家分享的點滴回憶做成一本書，在Marais教授生日那天親手呈上。
下面是Ekama教授摘錄分享的片段：
跟大部分學生一樣，我都是考前才開始臨急抱佛腳，希望用最少的努力來通過考試。我覺得教授是知道的，他在實驗室要是碰到他學生就會問：“你的數(shù)據(jù)圖處理在哪里？”然而大多數(shù)情況我們出數(shù)據(jù)的時間會比計劃慢一周。這時候教授就會把那個古羅馬皇帝的故事念一遍：打完勝仗成為皇帝之后，他就給自己建一個宮殿。宮殿即將完工的時候，他要求首席園丁在通往宮殿的大道兩旁要種上某種特殊的樹，兩排樹的樹冠可以覆蓋整條引道。園丁委婉地告訴皇帝說，要用他指定的樹種達到想要的效果，要幾百年的時間。這時皇帝就盯著園丁說：“那現(xiàn)在不開始，還等什么時候。”教授一般說完這句就會轉(zhuǎn)身離開，留下學生在回想自己剛才是被教授訓斥了一番，還是就聽了一個有趣的故事……但大部分人聽完這個故事會后，一般都會早起晚睡，埋頭趕進度，生怕聽教授再跟自己講故事…
Ian Lilley——1991年碩士
“我和教授首次相遇是在金山大學的時候，幸運的地我被他選中作為學生。他讓我領略到研究的樂趣，也給了以后繼續(xù)做我導師的口頭邀請。畢業(yè)之后我去家咨詢工程公司上班，很快發(fā)現(xiàn)對此毫無興趣，于是申請開普敦大學做教授的學生去了。我深信是教授他的善舉引領學生們走上研究的道路。剛開始我們都不過是差強人意的菜鳥，但最后都成為了國際性的研究員或者工程師。在他手下做研究是非常特別的經(jīng)歷。在這里除了科學，還有科學史、莎士比亞、歐洲歷史政治，以及關(guān)于概率和統(tǒng)計理論之美的獨白(盡管對我而言還是亦一樣的存在)。在科研的世界里，他可以算是個獨裁者，一個有同情心和幽默感的獨裁者：“這不夠好，連差都算不上”，“不夠好就是不夠好”，“搞研究就是有始有終還有發(fā)文章，差了一個等于啥都沒干。”他會讓每個學生都認識到自己的全部潛力。教授，祝你生日快樂。雖然我可以肯定，當您讀我寫的東西時，你一定邊搖頭邊喃喃說道：“我跟你說過多少次，寫東西是寫給讀者而不是寫給作者看到。” 無論如何，我還是想公開感謝您在我們多年合作中提供的幫助、指導和善心。
Dick Loewenthal —— 1976年碩士,1983年博士，終身同事
有兩種方法快速過周末。第一種是在周五晚喝個痛快，然后不省人事至周六下午。第二種是在周六早上被教授在實驗室里逮著，然后要你解釋過去六個月的數(shù)據(jù)結(jié)果。剛進實驗室一個月的新生也不能幸免，不過因為數(shù)據(jù)量還不夠，所以他們有幸可以做著聽眾，安靜聽教授講關(guān)于1715-1810年英國君主制的歷史故事。
Tim Casey —— 1993年的博士
教授，請允許我先回憶一段有天您在學校茶水間說的話。我記得當時您劃火柴點煙斗，在一片云霧里，你說這么年來，最后能用作自己努力的證明就是那成堆的paper(可能是個雙關(guān)語，同指紙和論文)。我當時覺得你很謙虛，直到我搬去澳洲后，我才發(fā)現(xiàn)你那話是不準確的：首先我和很多你的學生在澳洲和新西蘭多個項目相遇，然后有個澳洲客戶說如果我來自UCT，我一定是很喜歡污水處理的。第三，澳洲很多高水平的工程師都是用你研究里使用的術(shù)語表達。他們也一直大力推廣改良的UCT工藝，澳洲很多地方都有UCT的案例。
John Messenger —— 1991年博士
“你必須反復地寫，直到寫好為止！”是我從一個水資源大師那里得到的口頭禪。這位大師一般躲在他的洞穴（辦公室）里, 在煙斗抽出的煙霧和布滿煙灰的成堆紙張中若隱若現(xiàn)。由于他的把關(guān)，我的每篇論文必然會經(jīng)歷數(shù)量多得驚人的修改才能成為終稿。你太懂古希臘語了，你英文也太好了，以致我寫的東西似乎從來無法讓你滿意。在這么珍貴的回憶里，讓我笑得最大聲的當屬南非水研究委員會的那個現(xiàn)場參觀。不知為何你那天很緊張，整天在實驗室和辦公室之間穿梭，確認一切就緒，還不斷往匯報資料里加東西。George Ekama那天在小辦公室里如苦行僧般在電腦跑程序，企圖及時得到模擬結(jié)果。但程序遇到了嚴重問題，所以又去到中心計算機房用打孔卡再跑一次。結(jié)果還是不行。你越等越急，大概下午5點的時候，當你發(fā)現(xiàn)Ekama還沒搞定的時候，你在實驗室里邊咆哮道：“EKAMA! YOU’RE FIRED! ” 你說他沒通過危機考驗…我們其他人都在一旁默默地偷笑（因為我們知道你不會真的炒掉他的）。當然，倒霉的George最后還是及時解決了問題，你也給WRC的人做了完美的匯報，你也再沒說過要炒George之類的話了…
Kevin Martin —— 1975年碩士
圖. Marais教授在他75歲生日那天翻閱學生們給他制作的回憶故事集
2005年，Marais教授因病去世，享年78歲。正如Marais教授的學生們在分享的趣事中說的那樣，當年的計算機經(jīng)常有不靠譜的時候，而且很多模型也是靠手寫形式來推演，前期研究難度可想而知。顯然，80-90年代個人電腦的普及大大促進了ASM模型的發(fā)展。自ASM1在1987年面世之后，時隔8年才在1995年等來第二代的ASM2模型，而第三代的ASM3在1999年就面世了。再近期的模型包括Leiv Rieger等人在2001年推出的ASM3+BioP、Sebastiaan Meijer等人在2004年發(fā)布的ASM2d+TUD以及胡志榮博士等人在2007年推出的UCTPHO。這些模型都考慮了生物除磷的因素。有趣的是，胡志榮博士正是在開普敦大學獲得博士學位的，導師正是George Ekama教授。我們相信，Marais教授留下的遺產(chǎn)將會傳承下去，污水處理模型未來的發(fā)展依然值得期待。
參考資料
1.https://assets.thalia.media/images-adb/96/da/96da444a-dbdc-4c06-9822-aafc6545047d.pdf
2.https://www.iwapublishing.com/books/9781780404639/applications-activated-sludge-models
3.https://www.worldcat.org/
4.https://www.iwapublishing.com/books/9781843391746/guidelines-using-activated-sludge-models
5.https://www.facebook.com/114964565180238/photos/p.2283151728361500/2283151728361500
