濰坊日麗環(huán)保閆雪為您簡介IWA活性污泥模型(ASM)的發(fā)展

平衡模型的復雜性

在過去的幾十年中，微生物動力學子模型在污水處理廠建模中受到了很多關注，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卻情況復雜。ASM2和3包含更多細節(jié)和太多的參數(shù)，導致它們很難實現(xiàn)標準化。

然而，即使是ASM1也同樣遭遇過參數(shù)使用上的麻煩。以ASM1為基礎的模型的過程速率通常包含開關函數(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，為了適應新條件，ASM模型不斷發(fā)展。當新的函數(shù)加到現(xiàn)有的方程時，新函數(shù)的校準系數(shù)的影響并沒有被充分探究。在進行模型分析時，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用在軟件平臺上。

此外，在模型校準過程中，與基質相關的微生物大增長率和參數(shù)通常未得到充分的校正。這些未被正確計算的動力學條件將導致模型的預測結果和實際測量之間的偏差，嚴重削弱了模型應有的預測能力。

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雜子模型的自由度來彌補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識。現(xiàn)在，我們擁有了像計算流體力學（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對反應器的設計也有很大的幫助。

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、進水口和出水口形式和位置），可以實現(xiàn)系統(tǒng)設計的優(yōu)化，同時也避免了針對每個單項開發(fā)CFD模型的繁瑣。現(xiàn)在，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)在這項研究了。

污水源頭分類和分散式處理的趨勢

對污水進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)濟效益和優(yōu)化離不開模型。為了實現(xiàn)這個目標，我們應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被應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雜的運行系統(tǒng)之外，模型正在更多地轉變成標準的工程開發(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，補充）

2.優(yōu)化運行模擬（如情景設置，概率統(tǒng)計方法）

3.分析結果（如儲存測量和模擬結果的數(shù)據(jù)庫，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)，并終評估結果。當考慮到人腦處理信息的方式時，這些開發(fā)的新工具應該能實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)到有效信息的轉化，為更好的決策制定打下基礎。

整合式工具

雖然工程應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)中更多領域的設計，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的領域，如管線設計和設備選擇等。控制系統(tǒng)的設計已經(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，是設計策略和終實際應用上存在的主要問題。設計和應用往往是單向的，缺乏反饋。現(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。利益相關方都可以對整個系統(tǒng)進行檢驗并且查看他們的需要是否得到了滿足。

引進不確定性分析

近些年，利用模型對污水處理廠進行設計和運行已經(jīng)逐漸流行。在設計環(huán)節(jié)，在仿真軟件上應用數(shù)學模型經(jīng)常是工程師采用的首要甚至是設計方法。這些數(shù)學模型會替代或者結合傳統(tǒng)的設計指南(包含安全系數(shù)) 被投入應用。在運行環(huán)節(jié)，數(shù)學模型越來越多地被應用到操作優(yōu)化上。

與設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險評估步驟。因此，當利用仿真軟件預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時，無法清楚地確認和氣候變化相關的不確定性所帶來的影響。

現(xiàn)在需要用科學的方法來估算準確的概率，量化主要的不確定性來源，以及評估風險、利益、成本在利益相關者(如所有人、運營方、承包商，咨詢方)間的分布情況。水協(xié)會設計與運行工作組（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。

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