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  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(guān)鍵點，包括如何通過促進(jìn)建模工具的進(jìn)步來實現(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投放在開發(fā)新模型和升級現(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，而非基于實際的原理；有時，特別在流量變化和雨季時，利用流量相關(guān)性來描述遞減的處理效率。化學(xué)強(qiáng)化一級處理工藝中，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(yù)測情況，預(yù)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(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優(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，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(jié)果。得益于顆粒沉降速率分布的應(yīng)用，初級沉降模型得到了改進(jìn)。這些升級的模型能夠描述和優(yōu)化化學(xué)強(qiáng)化初級處理工藝，從而提高沉降速率。當(dāng)然，在加入鐵鹽或聚合物時，不同沉降機(jī)理的重要性也應(yīng)當(dāng)考慮在內(nèi)。

另一項最新的研究探索了初級沉降前后污水成分（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(guān)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(zhì)，包括質(zhì)量（準(zhǔn)確的成分構(gòu)成）和數(shù)量（測量頻率），起了決定性的作用。但這是一個相當(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(biāo)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(guān)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(yīng)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(guān)注，對模型適用范圍和評估標(biāo)準(zhǔn)有更加清晰的定義。當(dāng)模型變復(fù)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(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)計的同時，實現(xiàn)資源成本節(jié)約和良好的運行。在設(shè)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(fù)雜性

在過去的幾十年中，微生物動力學(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號模型）是在獲得業(yè)內(nèi)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(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，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，很難分清到底哪個是限制因素。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(xué)條件將導(dǎo)致模型的預(yù)測結(jié)果和實際測量之間的偏差，嚴(yán)重削弱了模型應(yīng)有的預(yù)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(fù)雜子模型的自由度來彌補(bǔ)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(rèn)識�，F(xiàn)在，我們擁有了像計算流體力學(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對反應(yīng)器的設(shè)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(jìn)水口和出水口形式和位置），可以實現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)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(lǐng)導(dǎo)這項研究了。

污水源頭分類和分散式處理的趨勢

對污水進(jìn)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(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。實現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益和優(yōu)化離不開模型。為了實現(xiàn)這個目標(biāo)，我們應(yīng)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(shù)被應(yīng)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(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(bǔ)充）

2.優(yōu)化運行模擬（如情景設(shè)置，概率統(tǒng)計方法）

3.分析結(jié)果（如儲存測量和模擬結(jié)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(jié)果。當(dāng)考慮到人腦處理信息的方式時，這些開發(fā)的新工具應(yīng)該能實現(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(lǐng)域的設(shè)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(guān)的領(lǐng)域，如管線設(shè)計和設(shè)備選擇等。控制系統(tǒng)的設(shè)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(shè)計策略和最終實際應(yīng)用上存在的主要問題。設(shè)計和應(yīng)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(guān)方都可以對整個系統(tǒng)進(jìn)行檢驗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，利用模型對污水處理廠進(jìn)行設(shè)計和運行已經(jīng)逐漸流行。在設(shè)計環(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)計方法。這些數(shù)學(xué)模型會替代或者結(jié)合傳統(tǒng)的設(shè)計指南(包含安全系數(shù)) 被投入應(yīng)用。在運行環(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)險評估步驟。因此，當(dāng)利用仿真軟件預(yù)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(zhì)時，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，以及評估風(fēng)險、利益、成本在利益相關(guān)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(shè)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》