科普|活性污泥数学模型30年的回顾与发展-北极星水处理网

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1987年，活性污泥数学模型(ASM1)问世，这一污水处理理论的出现事实上系统地构建起了当今污水处理理论大厦的基本框架。2017年，正好是活性污泥数学模型问世30周年，回顾这一重大理论的发展也许会对当今人工智能和大数据发展浪潮下的污水处理走向有一些启迪。

追溯ASM的发展，不能不提南非开普敦大学的Gerrit Marais ，他是对ASM模型影响最为重要的人物。早在70年代，当世界各地依然在用经验法则设计和运行污水处理厂时，Gerrit Marais就已经开始了深入的试验与模型理论研究，他同时走了两条路线，一条是通过试验获得大量数据，首先满足生物脱氮除磷设计的短期所需，其次是满足模拟动力学模型的长期所需。另外一条路线是开发活性污泥工艺的系统动力学模型，这两条技术发展路线构思巧妙，相得益彰，试验阶段从1972年一直持续到1980年。

1981年，Gerrit Marais提出了硝化-反硝化系统的通用动力学模型，这一模型对SRT在3-30天、温度在12~24℃的活性污泥系统可以实现准确的模拟预测。后来Gerrit Marais应邀加入国际水污染研究与控制协会(IWA前身)的生物处理模型工作组，他的这一早期模型被接受为ASM1模型的基础。1984年之后，Gerrit Marais又将研究的方向集中在了生物除磷，直至1992年退休。2005年，Gerrit Marais教授去世。

Gerrit Marais

ASM模型能够问世还需要提及另外一个重要人物——Poul Harremoes。1981年，这位丹麦技术大学的教授时任国际水污染研究与控制协会主席，他当时有了将不同模型整合成一个统一国际框架的想法。

Poul Harremoes

为此，Poul Harremoes邀请了这个领域几位最为知名的专家成立了工作组来实现这一想法，这几位专家包括Mogens Henze(丹麦技术大学)、Gerrit Marais(南非开普敦大学)、Les Grady(美国Clemson大学)、Willy Gujer(瑞士EAWAG)，为了体现模型的国际化，又邀请了亚洲的代表Tomonori Matsuo(日本东京大学)。Poul Harremoes认为Mogens Henze担任这个工作组的主席再合适不过，因为Mogens Henze没有自己的模型去捍卫。

1982年，在国际水污染研究与控制协会的支持下活性污泥数学模型设计与运行工作组成立。当时许多人认为这个工作组不会取得任何共识，因为工作组中的每个人都个性强烈。但经过三年之后，工作组提交了IAWPRC ASM模型框架。在1986年里约热内卢的IAWPRC会议上正式命名为ASM1模型，并在1987年正式推出，这样的做法事实上非常成功，为后续模型的发展奠定了坚实的基础。后来Poul Harremoes的妻子回忆他在参加世界各地会议做自我介绍时，台下许多人都会说：“噢，这就是那个组织模型的人”。2003年，Poul Harremoes教授去世。

从80年代中期到90年代中期，生物除磷机理得到了深入的认识，与此同时，ASM模型工作组的成员发生了变化，在Grady离开之后Takashi Mino(东京大学)和Mark Wentzel(开普敦大学)加入了工作组，之后ASM2模型问世。ASM2模型包含了生物除磷过程，但这个模型是介于复杂与简单之间的折中。

1996年，在Tomonori Matsuo、Mark Wentzel、Gerrit Marais离开工作组之后，Mark van Loosdrecht(荷兰代尔夫特理工大学)加入。由于反硝化除磷现象的共识，ASM2模型在1999年进行了扩充加入了反硝化除磷菌(DPAO)，称之为ASM2d。在推出ASM2d模型的同时，工作组也发展了ASM3模型以修正ASM1的不足，ASM3将异养菌的死亡——再生过程用内源呼吸过程来取代，同时引入了有机物胞内贮存的过程。

目前，ASMs模型被广泛认为是描述污水处理复杂现象的有效工具，无论是在北美、澳大利亚，还是欧洲的众多国家，模型被广泛使用。一些模拟软件也得到了快速的发展，如GPS-X、SIMBA、STOAT、WEST、BioWin、SUMO、Aquasim等。为了使模型更好地应用于实践，一些实用导则在世界各地得到了发展，这些导则主要是指导如何模拟污水厂的行为、如何刻画污水水质特征。

2004年在摩洛哥举行的第四届IWA世界水大会上，来自世界各地的污水处理模拟工作研究团队相聚，并提出建立一套国际化的通用框架，以规范ASM类模型在实际中的应用。为此，国际水协(IWA)成立了新的良好建模实践工作组(GMP-TG)，2013年工作组完成了《活性污泥模型应用指南》。显然，国际水协(IWA)为促进模型的发展、提供实践交流平台方面扮演了重要的角色。

三十而立，活性污泥数学模型建立起了独特的理论体系风格，对将来的发展也形成了基本的基调，未来的模型发展不仅会关注营养物的去除，还会涉及能耗、环境影响方面。同时，一些创新的技术如好氧颗粒污泥、厌氧氨氧化等的认识愈加深入也将会带动模型的进一步发展。

还有一个不能忽视的问题是尽管模型已经很成熟，但由于缺乏足够输入数据或者由于动态特性的影响，模型的可靠性往往是一个问题，为此IWA成立了一个有关模型在设计与运行时不确定性的工作组(DOUT)，研究当模型用于工程实践时时如何进行不确定性的评估。此外，模型的发展也将会不断外延，排水管道-处理厂-河流整合在一起的模型也在不断发展，另外如何将SCADA系统的海量数据整合在动态模型中也将引人关注。

延伸阅读：

污水处理知识篇：活性污泥的SVI(污泥体积指数)

干货|再看活性污泥老化这里的案例一定有你需要的!

原标题：活性污泥数学模型30年的回顾与发展

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