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活性污泥模型 (ASM)的诞生:从50多年前南非Marais教授的故事说起
更新时间:2021-04-27 来源: IWA国际水协会

2015年IWA国际水协会出版了一本重磅好书——《活性污泥模型的应用》。该书对污水处理的活性污泥工艺的数学模型(ASM)发展史进行了汇总,收纳了过去二十多年里ASM模型的实际应用的案例,类型包括了模型的研发、污水厂的优化、扩建、升级、翻新和解决实际的运行问题等。

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在此书开头,有一篇向南非污水处理专家Gerrit van Rooyen Marais致敬的长文,作者是南非开普敦大学的George Ekama教授。Gerrit van Rooyen Marais是谁?为何一本关于ASM模型的书要请Ekama教授为他亲笔致敬呢?我们借着这篇长文,了解一下活性污泥工艺模型的故事。

辉煌履历

Gerrit van Rooyen Marais生于1927年12月20日。他在26岁的时候才开始上大学,此前在南非铁路局做过钳工和车床工的学徒,也在伊丽莎白港技术学院当过讲师。

他在1955年获得了开普敦大学的土木工程本科学位,随后又在南非金山大学(Witwatersrand University)获得硕士学位,研究内容是矿业的黏土大坝的滑坡事故问题。硕士毕业之后他去了赞比亚(当时的Northern Rhodesia)的住房委员会从事低成本住房、供水和卫生设施的研究,一做就是六年。在这期间,他还去过英国伦敦的帝国理工又修了一个硕士。他在六年的研究工作后来转化成19篇有关低成本供水和卫生设施的文章。其中有一篇是关于如何自制实用可靠的探针(Mackereth)和仪表来测量曝气塘中的溶解氧浓度,这篇文章在1967年获得了南非土木工程师研究所的最具创新力短篇论文(Short Paper)的殊荣。

1967年,在金山大学做了一段时间岩土工程学高级讲师的工作之后,Marais教授转到开普敦大学任职,担任学校土木工程学院水资源与公共卫生工程系的主任,一直到1992年退休。这算是他职业生涯的第二个阶段,也是他最成功的阶段。

Marais教授主要的研究兴趣是市政水处理,研究内容几乎涵盖了污水生物处理的各细分领域。因为研究做得好,1970年他被任命为世界卫生组织环境卫生专家委员会成员,并一直任职到1987年。在1976年和1980曾前往巴西圣保罗和哥伦比亚的波哥大为当地的污水处理问题提供咨询服务。1972年他被美国卫生工程学会作为杰出外国教授到美国出席会议。经过不懈的努力,他在1977年当选开普敦大学杰出学者。

活性污泥模型

活性污泥工艺的模型研究作为一门专业至今已经有50年左右的历史。聊起活性污泥模型(ASM),真的不得不提Marais教授,说他是对ASM模型影响最大的人也不为过。1970年Marais教授开始研究活性污泥系统,然而当时的设计标准还相当有限,各地的污水厂主要还凭经验设计和运行污水厂,出水标准得不到可靠保证。Marais教授一开始就认为各种活性污泥法的基本生物进程原理都是相同的,所以理应可以通过一个生物动力学的基础模型来进行描述和模拟。

沿着这个思路,他和他的学生开始了一系列长期试验和建模研究,主要分为两个平行但互补的项目:

实验部分:提供数据,首先满足BNR工艺设计达标的短期需求,其次满足动力学模型的数据验证的长期需求;

理论部分:为各种基于活性污泥法的细分系统开发一个综合模型。

在1972-1980年的实验期间,他的团队几乎运行过各种单级或多级BNR反应器类型。以开普敦大学命名的著名的UCT工艺正是这8年辛勤付出的成果,当时的开发目的是为了去除硝态氮对强化生物除磷的影响。

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图. UCT工艺图 |图源:ResearchGate

如今,BNR活性污泥工艺已经成为市政污水处理的主流工艺之一。Marais教授和他的同事将多年的实践经验汇编成一本设计指南,他们称之为“绿皮书”,并于1984年出版。一经发行,随即在世界各地广泛流传,对工艺设计工程师和污水厂运行人员而言十分有用,尤其是在1980和1990年代。

而在理论研究方面,最先完善的是全好氧系统,它相对简单,只需研究普通异养生物(OHO)。他们通过好氧动力学模型来精确模拟。到了1981年,包含硝化/反硝化的通用动力学模型也开发出来了。它能精确模拟多级反应器的系统,而且不受非曝气区位置的限制,满足SRT在3-30天、温度在12-24°C的系统。

1982年,国际水协会(IWA)的前身——国际水污染研究与控制协会(IAWPRC -International Association on Water Pollution Research and Control) 组建了一个针对活性污泥工艺设计和运行的数学模型工作组,希望搭建一个平台,以开发复杂度最小化、面向未来的脱氮活性污泥工艺模型。1983年,Marais教授和其他四位学者被IWA任命成为该小组成员,共同为这个国际化的建模小组服务。1984年,Marais教授还曾应弗吉尼亚理工大学的Clifford Randall教授的邀请,去美国设计一门短期课程,帮助该州的污水厂运行人员和水务立法者在弗州和东海岸各州推广生物脱氮除磷(BNR)技术,目的是保护切萨皮克湾的水环境。后来他也因此受邀去意大利和澳洲等国介绍推广BNR技术。

IWA的建模工作组在他那套模型基础上,最终开发出如今大家熟知的第一代活性污泥模型(ASM1)。随着计算机技术的发展,多家软件开发公司都基于ASM1模型开发出污水厂模型程序,应用到世界各地的污水厂。

又一个8年

1984年之后,生物除磷(EBPR)模型的研发成为Marais教授将研究重心,并继续沿用此前试验+理论两步走的方法开展研究,一直直到他1992年退休。

在实验部分,他们从经验参数出发,循序渐进,不断加上对EBPR的生化、动力学以及机械原理的理解。1988年,他们成功找到了聚磷菌(PAOs)强化培养的方法。到了1991年,他的团队将PAOs菌模型写进ASM1模型。这也是第一个混合菌群活性污泥模型,包含了OHO、ANO和PAO菌。这是生物脱氮除磷活性污泥系统里程碑式的进展。

后来IWA的ASM2模型正是基于这套混合菌种模型开发出来的。

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图. 开普敦大学的鸟瞰图 |图源:Facebook @UCT International Office

Marais教授的职业生涯对水管理和科学研究做出了杰出贡献,他也因此获得各种殊荣。例如在1994年匈牙利布达佩斯举行的第17届IWQ双年大会上,Marais教授成为当年的Karl Imhoff ‐Pierre Koch奖章获得者。尽管获奖无数,但他从不吝啬将功劳,在颁奖致辞的时候,他总不会忘记感谢他带过的学生——那些在他指导下获得学位的19名博士以及67位硕士生。

学生的回忆

在Marais 75岁生日来临之时,George Ekama教授邀请开普敦大学水研究课题组的学生写一下他们和Marais教授的回忆。在Ekama教授看来,相比上边罗列的职业成就,这些富有人情味的故事更能反映Marais教授令人难以忘怀的为人性格。Ekama教授将大家分享的点滴回忆做成一本书,在Marais教授生日那天亲手呈上。

下面是Ekama教授摘录分享的片段:

跟大部分学生一样,我都是考前才开始临急抱佛脚,希望用最少的努力来通过考试。我觉得教授是知道的,他在实验室要是碰到他学生就会问:“你的数据图处理在哪里?”然而大多数情况我们出数据的时间会比计划慢一周。这时候教授就会把那个古罗马皇帝的故事念一遍:打完胜仗成为皇帝之后,他就给自己建一个宫殿。宫殿即将完工的时候,他要求首席园丁在通往宫殿的大道两旁要种上某种特殊的树,两排树的树冠可以覆盖整条引道。园丁委婉地告诉皇帝说,要用他指定的树种达到想要的效果,要几百年的时间。这时皇帝就盯着园丁说:“那现在不开始,还等什么时候。”教授一般说完这句就会转身离开,留下学生在回想自己刚才是被教授训斥了一番,还是就听了一个有趣的故事……但大部分人听完这个故事会后,一般都会早起晚睡,埋头赶进度,生怕听教授再跟自己讲故事…

Ian Lilley——1991年硕士

“我和教授首次相遇是在金山大学的时候,幸运的地我被他选中作为学生。他让我领略到研究的乐趣,也给了以后继续做我导师的口头邀请。毕业之后我去家咨询工程公司上班,很快发现对此毫无兴趣,于是申请开普敦大学做教授的学生去了。我深信是教授他的善举引领学生们走上研究的道路。刚开始我们都不过是差强人意的菜鸟,但最后都成为了国际性的研究员或者工程师。在他手下做研究是非常特别的经历。在这里除了科学,还有科学史、莎士比亚、欧洲历史政治,以及关于概率和统计理论之美的独白(尽管对我而言还是亦一样的存在)。在科研的世界里,他可以算是个独裁者,一个有同情心和幽默感的独裁者:“这不够好,连差都算不上”,“不够好就是不够好”,“搞研究就是有始有终还有发文章,差了一个等于啥都没干。”他会让每个学生都认识到自己的全部潜力。教授,祝你生日快乐。虽然我可以肯定,当您读我写的东西时,你一定边摇头边喃喃说道:“我跟你说过多少次,写东西是写给读者而不是写给作者看到。” 无论如何,我还是想公开感谢您在我们多年合作中提供的帮助、指导和善心。

Dick Loewenthal —— 1976年硕士,1983年博士,终身同事

有两种方法快速过周末。第一种是在周五晚喝个痛快,然后不省人事至周六下午。第二种是在周六早上被教授在实验室里逮着,然后要你解释过去六个月的数据结果。刚进实验室一个月的新生也不能幸免,不过因为数据量还不够,所以他们有幸可以做着听众,安静听教授讲关于1715-1810年英国君主制的历史故事。

Tim Casey —— 1993年的博士

教授,请允许我先回忆一段有天您在学校茶水间说的话。我记得当时您划火柴点烟斗,在一片云雾里,你说这么年来,最后能用作自己努力的证明就是那成堆的paper(可能是个双关语,同指纸和论文)。我当时觉得你很谦虚,直到我搬去澳洲后,我才发现你那话是不准确的:首先我和很多你的学生在澳洲和新西兰多个项目相遇,然后有个澳洲客户说如果我来自UCT,我一定是很喜欢污水处理的。第三,澳洲很多高水平的工程师都是用你研究里使用的术语表达。他们也一直大力推广改良的UCT工艺,澳洲很多地方都有UCT的案例。

John Messenger —— 1991年博士

“你必须反复地写,直到写好为止!”是我从一个水资源大师那里得到的口头禅。这位大师一般躲在他的洞穴(办公室)里, 在烟斗抽出的烟雾和布满烟灰的成堆纸张中若隐若现。由于他的把关,我的每篇论文必然会经历数量多得惊人的修改才能成为终稿。你太懂古希腊语了,你英文也太好了,以致我写的东西似乎从来无法让你满意。在这么珍贵的回忆里,让我笑得最大声的当属南非水研究委员会的那个现场参观。不知为何你那天很紧张,整天在实验室和办公室之间穿梭,确认一切就绪,还不断往汇报资料里加东西。George Ekama那天在小办公室里如苦行僧般在电脑跑程序,企图及时得到模拟结果。但程序遇到了严重问题,所以又去到中心计算机房用打孔卡再跑一次。结果还是不行。你越等越急,大概下午5点的时候,当你发现Ekama还没搞定的时候,你在实验室里边咆哮道:“EKAMA! YOU’RE FIRED! ” 你说他没通过危机考验…我们其他人都在一旁默默地偷笑(因为我们知道你不会真的炒掉他的)。当然,倒霉的George最后还是及时解决了问题,你也给WRC的人做了完美的汇报,你也再没说过要炒George之类的话了…

Kevin Martin —— 1975年硕士

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图. Marais教授在他75岁生日那天翻阅学生们给他制作的回忆故事集

2005年,Marais教授因病去世,享年78岁。正如Marais教授的学生们在分享的趣事中说的那样,当年的计算机经常有不靠谱的时候,而且很多模型也是靠手写形式来推演,前期研究难度可想而知。显然,80-90年代个人电脑的普及大大促进了ASM模型的发展。自ASM1在1987年面世之后,时隔8年才在1995年等来第二代的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年发布的ASM2d+TUD以及胡志荣博士等人在2007年推出的UCTPHO。这些模型都考虑了生物除磷的因素。有趣的是,胡志荣博士正是在开普敦大学获得博士学位的,导师正是George Ekama教授。我们相信,Marais教授留下的遗产将会传承下去,污水处理模型未来的发展依然值得期待。

参考资料

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



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