2015年IWA國(guó)際水協(xié)會(huì)出版了一本重磅好書(shū)——《活性污泥模型的應(yīng)用》。該書(shū)對(duì)污水處理的活性污泥工藝的數(shù)學(xué)模型(ASM)發(fā)展史進(jìn)行了匯總，收納了過(guò)去二十多年里ASM模型的實(shí)際應(yīng)用的案例，類型包括了模型的研發(fā)、污水廠的優(yōu)化、擴(kuò)建、升級(jí)、翻新和解決實(shí)際的運(yùn)行問(wèn)題等。
在此書(shū)開(kāi)頭，有一篇向南非污水處理專家Gerrit van Rooyen Marais致敬的長(zhǎng)文，作者是南非開(kāi)普敦大學(xué)的George Ekama教授。Gerrit van Rooyen Marais是誰(shuí)？為何一本關(guān)于ASM模型的書(shū)要請(qǐng)Ekama教授為他親筆致敬呢？我們借著這篇長(zhǎng)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(shí)候才開(kāi)始上大學(xué)，此前在南非鐵路局做過(guò)鉗工和車(chē)床工的學(xué)徒，也在伊麗莎白港技術(shù)學(xué)院當(dāng)過(guò)講師。
他在1955年獲得了開(kāi)普敦大學(xué)的土木工程本科學(xué)位，隨后又在南非金山大學(xué)（Witwatersrand University）獲得碩士學(xué)位，研究?jī)?nèi)容是礦業(yè)的黏土大壩的滑坡事故問(wèn)題。碩士畢業(yè)之后他去了贊比亞(當(dāng)時(shí)的Northern Rhodesia)的住房委員會(huì)從事低成本住房、供水和衛(wèi)生設(shè)施的研究，一做就是六年。在這期間，他還去過(guò)英國(guó)倫敦的帝國(guó)理工又修了一個(gè)碩士。他在六年的研究工作后來(lái)轉(zhuǎn)化成19篇有關(guān)低成本供水和衛(wèi)生設(shè)施的文章。其中有一篇是關(guān)于如何自制實(shí)用可靠的探針(Mackereth)和儀表來(lái)測(cè)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(xué)做了一段時(shí)間巖土工程學(xué)高級(jí)講師的工作之后，Marais教授轉(zhuǎn)到開(kāi)普敦大學(xué)任職，擔(dān)任學(xué)校土木工程學(xué)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(gè)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?jī)?nèi)容幾乎涵蓋了污水生物處理的各細(xì)分領(lǐng)域。因?yàn)檠芯孔龅煤茫?970年他被任命為世界衛(wèi)生組織環(huán)境衛(wèi)生專家委員會(huì)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(dāng)?shù)氐奈鬯幚韱?wèn)題提供咨詢服務(wù)。1972年他被美國(guó)衛(wèi)生工程學(xué)會(huì)作為杰出外國(guó)教授到美國(guó)出席會(huì)議。經(jīng)過(guò)不懈的努力，他在1977年當(dāng)選開(kāi)普敦大學(xué)杰出學(xué)者。
活性污泥模型
活性污泥工藝的模型研究作為一門(mén)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(shuō)他是對(duì)ASM模型影響最大的人也不為過(guò)。1970年Marais教授開(kāi)始研究活性污泥系統(tǒng)，然而當(dāng)時(shí)的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)還相當(dāng)有限，各地的污水廠主要還憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)和運(yùn)行污水廠，出水標(biāo)準(zhǔn)得不到可靠保證。Marais教授一開(kāi)始就認(rèn)為各種活性污泥法的基本生物進(jìn)程原理都是相同的，所以理應(yīng)可以通過(guò)一個(gè)生物動(dòng)力學(xué)的基礎(chǔ)模型來(lái)進(jìn)行描述和模擬。
沿著這個(gè)思路，他和他的學(xué)生開(kāi)始了一系列長(zhǎng)期試驗(yàn)和建模研究，主要分為兩個(gè)平行但互補(bǔ)的項(xiàng)目：
實(shí)驗(yàn)部分：提供數(shù)據(jù)，首先滿足BNR工藝設(shè)計(jì)達(dá)標(biāo)的短期需求，其次滿足動(dòng)力學(xué)模型的數(shù)據(jù)驗(yàn)證的長(zhǎng)期需求；
理論部分：為各種基于活性污泥法的細(xì)分系統(tǒng)開(kāi)發(fā)一個(gè)綜合模型。
在1972-1980年的實(shí)驗(yàn)期間，他的團(tuán)隊(duì)幾乎運(yùn)行過(guò)各種單級(jí)或多級(jí)BNR反應(yīng)器類型。以開(kāi)普敦大學(xué)命名的著名的UCT工藝正是這8年辛勤付出的成果，當(dāng)時(shí)的開(kāi)發(fā)目的是為了去除硝態(tài)氮對(duì)強(qiáng)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(shí)踐經(jīng)驗(yàn)匯編成一本設(shè)計(jì)指南，他們稱之為“綠皮書(shū)”，并于1984年出版。一經(jīng)發(fā)行，隨即在世界各地廣泛流傳，對(duì)工藝設(shè)計(jì)工程師和污水廠運(yùn)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(duì)簡(jiǎn)單，只需研究普通異養(yǎng)生物(OHO)。他們通過(guò)好氧動(dòng)力學(xué)模型來(lái)精確模擬。到了1981年，包含硝化/反硝化的通用動(dòng)力學(xué)模型也開(kāi)發(fā)出來(lái)了。它能精確模擬多級(jí)反應(yīng)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(guó)際水協(xié)會(huì)(IWA)的前身——國(guó)際水污染研究與控制協(xié)會(huì)（IAWPRC -International Association on Water Pollution Research and Control） 組建了一個(gè)針對(duì)活性污泥工藝設(shè)計(jì)和運(yùn)行的數(shù)學(xué)模型工作組，希望搭建一個(gè)平臺(tái)，以開(kāi)發(fā)復(fù)雜度最小化、面向未來(lái)的脫氮活性污泥工藝模型。1983年，Marais教授和其他四位學(xué)者被IWA任命成為該小組成員，共同為這個(gè)國(guó)際化的建模小組服務(wù)。1984年，Marais教授還曾應(yīng)弗吉尼亞理工大學(xué)的Clifford Randall教授的邀請(qǐng)，去美國(guó)設(shè)計(jì)一門(mén)短期課程，幫助該州的污水廠運(yùn)行人員和水務(wù)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(hù)切薩皮克灣的水環(huán)境。后來(lái)他也因此受邀去意大利和澳洲等國(guó)介紹推廣BNR技術(shù)。
IWA的建模工作組在他那套模型基礎(chǔ)上，最終開(kāi)發(fā)出如今大家熟知的第一代活性污泥模型(ASM1)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，多家軟件開(kāi)發(fā)公司都基于ASM1模型開(kāi)發(fā)出污水廠模型程序，應(yīng)用到世界各地的污水廠。
又一個(gè)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(yàn)+理論兩步走的方法開(kāi)展研究，一直直到他1992年退休。
在實(shí)驗(yàn)部分，他們從經(jīng)驗(yàn)參數(shù)出發(fā)，循序漸進(jìn)，不斷加上對(duì)EBPR的生化、動(dòng)力學(xué)以及機(jī)械原理的理解。1988年，他們成功找到了聚磷菌(PAOs)強(qiáng)化培養(yǎng)的方法。到了1991年，他的團(tuán)隊(duì)將PAOs菌模型寫(xiě)進(jìn)ASM1模型。這也是第一個(gè)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(jìn)展。
后來(lái)IWA的ASM2模型正是基于這套混合菌種模型開(kāi)發(fā)出來(lái)的。
圖. 開(kāi)普敦大學(xué)的鳥(niǎo)瞰圖 |圖源：Facebook @UCT International Office
Marais教授的職業(yè)生涯對(duì)水管理和科學(xué)研究做出了杰出貢獻(xiàn)，他也因此獲得各種殊榮。例如在1994年匈牙利布達(dá)佩斯舉行的第17屆IWQ雙年大會(huì)上，Marais教授成為當(dāng)年的Karl Imhoff ‐Pierre Koch獎(jiǎng)?wù)芦@得者。盡管獲獎(jiǎng)無(wú)數(shù)，但他從不吝嗇將功勞，在頒獎(jiǎng)致辭的時(shí)候，他總不會(huì)忘記感謝他帶過(guò)的學(xué)生——那些在他指導(dǎo)下獲得學(xué)位的19名博士以及67位碩士生。
學(xué)生的回憶
在Marais 75歲生日來(lái)臨之時(shí)，George Ekama教授邀請(qǐng)開(kāi)普敦大學(xué)水研究課題組的學(xué)生寫(xiě)一下他們和Marais教授的回憶。在Ekama教授看來(lái)，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(diǎn)滴回憶做成一本書(shū)，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(xué)生一樣，我都是考前才開(kāi)始臨急抱佛腳，希望用最少的努力來(lái)通過(guò)考試。我覺(jué)得教授是知道的，他在實(shí)驗(yàn)室要是碰到他學(xué)生就會(huì)問(wèn)：“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(shí)間會(huì)比計(jì)劃慢一周。這時(shí)候教授就會(huì)把那個(gè)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(gè)宮殿。宮殿即將完工的時(shí)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(shù)，兩排樹(shù)的樹(shù)冠可以覆蓋整條引道。園丁委婉地告訴皇帝說(shuō)，要用他指定的樹(shù)種達(dá)到想要的效果，要幾百年的時(shí)間。這時(shí)皇帝就盯著園丁說(shuō)：“那現(xiàn)在不開(kāi)始，還等什么時(shí)候。”教授一般說(shuō)完這句就會(huì)轉(zhuǎn)身離開(kāi)，留下學(xué)生在回想自己剛才是被教授訓(xùn)斥了一番，還是就聽(tīng)了一個(gè)有趣的故事……但大部分人聽(tīng)完這個(gè)故事會(huì)后，一般都會(huì)早起晚睡，埋頭趕進(jìn)度，生怕聽(tīng)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(xué)的時(shí)候，幸運(yùn)的地我被他選中作為學(xué)生。他讓我領(lǐng)略到研究的樂(lè)趣，也給了以后繼續(xù)做我導(dǎo)師的口頭邀請(qǐng)。畢業(yè)之后我去家咨詢工程公司上班，很快發(fā)現(xiàn)對(duì)此毫無(wú)興趣，于是申請(qǐng)開(kāi)普敦大學(xué)做教授的學(xué)生去了。我深信是教授他的善舉引領(lǐng)學(xué)生們走上研究的道路。剛開(kāi)始我們都不過(guò)是差強(qiáng)人意的菜鳥(niǎo)，但最后都成為了國(guó)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(xué)，還有科學(xué)史、莎士比亞、歐洲歷史政治，以及關(guān)于概率和統(tǒng)計(jì)理論之美的獨(dú)白(盡管對(duì)我而言還是亦一樣的存在)。在科研的世界里，他可以算是個(gè)獨(dú)裁者，一個(gè)有同情心和幽默感的獨(dú)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(gè)等于啥都沒(méi)干。”他會(huì)讓每個(gè)學(xué)生都認(rèn)識(shí)到自己的全部潛力。教授，祝你生日快樂(lè)。雖然我可以肯定，當(dāng)您讀我寫(xiě)的東西時(shí)，你一定邊搖頭邊喃喃說(shuō)道：“我跟你說(shuō)過(guò)多少次，寫(xiě)東西是寫(xiě)給讀者而不是寫(xiě)給作者看到。” 無(wú)論如何，我還是想公開(kāi)感謝您在我們多年合作中提供的幫助、指導(dǎo)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(guò)周末。第一種是在周五晚喝個(gè)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(shí)驗(yàn)室里逮著，然后要你解釋過(guò)去六個(gè)月的數(shù)據(jù)結(jié)果。剛進(jìn)實(shí)驗(yàn)室一個(gè)月的新生也不能幸免，不過(guò)因?yàn)閿?shù)據(jù)量還不夠，所以他們有幸可以做著聽(tīng)眾，安靜聽(tīng)教授講關(guān)于1715-1810年英國(guó)君主制的歷史故事。
Tim Casey —— 1993年的博士
教授，請(qǐng)?jiān)试S我先回憶一段有天您在學(xué)校茶水間說(shuō)的話。我記得當(dāng)時(shí)您劃火柴點(diǎn)煙斗，在一片云霧里，你說(shuō)這么年來(lái)，最后能用作自己努力的證明就是那成堆的paper(可能是個(gè)雙關(guān)語(yǔ)，同指紙和論文)。我當(dāng)時(shí)覺(jué)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(zhǔn)確的：首先我和很多你的學(xué)生在澳洲和新西蘭多個(gè)項(xiàng)目相遇，然后有個(gè)澳洲客戶說(shuō)如果我來(lái)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(yǔ)表達(dá)。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(fù)地寫(xiě)，直到寫(xiě)好為止！”是我從一個(gè)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(huì)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(yǔ)了，你英文也太好了，以致我寫(xiě)的東西似乎從來(lái)無(wú)法讓你滿意。在這么珍貴的回憶里，讓我笑得最大聲的當(dāng)屬南非水研究委員會(huì)的那個(gè)現(xiàn)場(chǎng)參觀。不知為何你那天很緊張，整天在實(shí)驗(yàn)室和辦公室之間穿梭，確認(rèn)一切就緒，還不斷往匯報(bào)資料里加?xùn)|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(shí)得到模擬結(jié)果。但程序遇到了嚴(yán)重問(wèn)題，所以又去到中心計(jì)算機(jī)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(diǎn)的時(shí)候，當(dāng)你發(fā)現(xiàn)Ekama還沒(méi)搞定的時(shí)候，你在實(shí)驗(yàn)室里邊咆哮道：“EKAMA! YOU’RE FIRED! ” 你說(shuō)他沒(méi)通過(guò)危機(jī)考驗(yàn)…我們其他人都在一旁默默地偷笑（因?yàn)槲覀冎滥悴粫?huì)真的炒掉他的）。當(dāng)然，倒霉的George最后還是及時(shí)解決了問(wèn)題，你也給WRC的人做了完美的匯報(bào)，你也再?zèng)]說(shuō)過(guò)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(xué)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(xué)生們?cè)诜窒淼娜な轮姓f(shuō)的那樣，當(dāng)年的計(jì)算機(jī)經(jīng)常有不靠譜的時(shí)候，而且很多模型也是靠手寫(xiě)形式來(lái)推演，前期研究難度可想而知。顯然，80-90年代個(gè)人電腦的普及大大促進(jìn)了ASM模型的發(fā)展。自ASM1在1987年面世之后，時(shí)隔8年才在1995年等來(lái)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(kāi)普敦大學(xué)獲得博士學(xué)位的，導(dǎo)師正是George Ekama教授。我們相信，Marais教授留下的遺產(chǎn)將會(huì)傳承下去，污水處理模型未來(lái)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
