探究技術：活性污泥模型 （ASM）的誕生

時間：2021-04-26 11:38:02 來源：IWA國際水協會 作者：

如今，BNR活性污泥工藝已經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。一經發行，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，它相對簡單，只需研究普通異養生物(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出來了。它能精確模擬多級反應器的系統，而且不受非曝氣區位置的限制，滿足SRT在3-30天、溫度在12-24°C的系統。

1982年，國際水協會(IWA)的前身國際水污染研究與控制協會（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學模型工作組，希望搭建一個平臺，以開發復雜度最小化、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，目的是保護切薩皮克灣的水環境。后來他也因此受邀去意大利和澳洲等國介紹推廣BNR技術。

IWA的建模工作組在他那套模型基礎上，最終開發出如今大家熟知的第一代活性污泥模型(ASM1)。隨著計算機技術的發展，多家軟件開發公司都基于ASM1模型開發出污水廠模型程序，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)模型的研發成為Marais教授將研究重心，并繼續沿用此前試驗+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，他們從經驗參數出發，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，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：“你的數據圖處理在哪里？”然而大多數情況我們出數據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：“那現在不開始，還等什么時候。”教授一般說完這句就會轉身離開，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 Lilley1991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，也給了以后繼續做我導師的口頭邀請。畢業之后我去家咨詢工程公司上班，很快發現對此毫無興趣，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，以及關于概率和統計理論之美的獨白(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據結果。剛進實驗室一個月的新生也不能幸免，不過因為數據量還不夠，所以他們有幸可以做著聽眾，安靜聽教授講關于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，我才發現你那話是不準確的：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。由于他的把關，我的每篇論文必然會經歷數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。結果還是不行。你越等越急，大概下午5點的時候，當你發現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

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教授留下的遺產將會傳承下去，污水處理模型未來的發展依然值得期待。

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