活性污泥工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)與運(yùn)行：最新進(jìn)展

邱勇:清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院助理研究員，主要從事污水處理工藝優(yōu)化運(yùn)行、活性污泥系統(tǒng)模型與模擬、污水處理工藝自動(dòng)控制技術(shù)等方面的研究，曾多次參與或負(fù)責(zé)國家重點(diǎn)科研項(xiàng)目的課題，并取得豐富的學(xué)術(shù)成果。

2014年是活性污泥法誕生100周年，業(yè)界組織了許多紀(jì)念活動(dòng)。通過回顧100年來水處理技術(shù)持續(xù)發(fā)展的歷程，我們可以看到研究成果非常豐富、實(shí)際應(yīng)用差強(qiáng)人意，要求我們?cè)趭^力前行探索前沿時(shí)，更要腳踏實(shí)地解決沉疴痼疾。本次推薦一篇總結(jié)活性污泥法優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行方法的文章，希望能促進(jìn)大家對(duì)研究成果如何落地的思考。

論文的第一和通訊作者是法國洛林大學(xué)化工系的RainierHreiz。作者認(rèn)為從經(jīng)濟(jì)和環(huán)境的角度看，工程師有必要使用動(dòng)態(tài)優(yōu)化工具來確定設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)，從而提高活性污泥法的處理效果。但是，在實(shí)際工作中，工程師往往對(duì)優(yōu)化結(jié)果甚至真實(shí)的趨勢(shì)缺乏信心。于是，作者總結(jié)了近年來的工藝優(yōu)化設(shè)計(jì)成果，討論了上述原因和解決方案。

所謂優(yōu)化，就是設(shè)定目標(biāo)函數(shù)和約束條件，通過數(shù)學(xué)方法求解得到最優(yōu)結(jié)果。由于污水處理工藝存在經(jīng)濟(jì)、運(yùn)行和環(huán)境等不同的運(yùn)行目標(biāo)，可以使用多目標(biāo)優(yōu)化（MOO）得到帕累托最優(yōu)邊界，也可以使用權(quán)重系數(shù)進(jìn)行單目標(biāo)優(yōu)化（SOO）。下圖展示了運(yùn)行成本與處理效果的帕累托曲線（紅色），代表了工藝優(yōu)化的極限。

譯者注：實(shí)際方案（藍(lán)色）的優(yōu)化目標(biāo)應(yīng)該是曲線的AB段，這樣可以較少的投資增量獲得更多的處理效果提升。

對(duì)于優(yōu)化計(jì)算結(jié)果難以令人信服的問題，作者分析認(rèn)為主要原因有目標(biāo)函數(shù)不準(zhǔn)確、進(jìn)水特征無法準(zhǔn)確描述、復(fù)雜生物反應(yīng)過程的模擬不夠準(zhǔn)確等，因此從以下方面進(jìn)行了討論。

1、如何考慮模型預(yù)測(cè)和工藝數(shù)據(jù)的差異？

模擬結(jié)果與工藝數(shù)據(jù)有差異是常見的現(xiàn)象。比如，ASM和Takacs模型較為常用，但是參數(shù)多且難以確定，因此多數(shù)情況下只能采用默認(rèn)參數(shù)，此時(shí)的模擬結(jié)果只能代表趨勢(shì)而不能精確預(yù)測(cè)。為了控制這種差異，一般需要用觀測(cè)數(shù)據(jù)來校準(zhǔn)模型參數(shù)；或者通過敏感性分析確定需要校準(zhǔn)的參數(shù)（其他選用默認(rèn)值）。

2、如何處理難以預(yù)測(cè)的進(jìn)水特征變化？

由于基于動(dòng)態(tài)進(jìn)水的優(yōu)化結(jié)果比穩(wěn)態(tài)更安全，因此需要觀測(cè)和確定進(jìn)水水質(zhì)水量的時(shí)間變化特征。由于動(dòng)態(tài)進(jìn)水特征的觀測(cè)和預(yù)測(cè)比較困難，因此很多場(chǎng)合不得不采用長(zhǎng)期平均值作為輸入條件。如果采用穩(wěn)態(tài)進(jìn)水來計(jì)算構(gòu)筑物參數(shù)時(shí)，就需要驗(yàn)算各種不利條件（如沖擊負(fù)荷）或者采用安全系數(shù)，此時(shí)更好的辦法是采用多目標(biāo)優(yōu)化。

3、如何判斷活性污泥工藝的可控制性？

活性污泥工藝的控制方法可以大致分為開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制直接計(jì)算優(yōu)化控制條件和實(shí)施動(dòng)作，而反饋控制則比較實(shí)際效果與控制目標(biāo)差異來進(jìn)行調(diào)節(jié)。反饋控制要更可靠一些，比如有人研究了在線優(yōu)化控制（RTO），通過在線儀表實(shí)時(shí)計(jì)算當(dāng)前狀態(tài)下的優(yōu)化參數(shù)，然后輸出控制調(diào)節(jié)。

4、如何模擬活性污泥的長(zhǎng)期變化過程？

在長(zhǎng)期運(yùn)行過程中，活性污泥工藝狀態(tài)特征會(huì)發(fā)生變化，因此基于短期或啟動(dòng)時(shí)期數(shù)據(jù)形成的優(yōu)化方案，并不能一直適合長(zhǎng)期運(yùn)行。一種辦法是在優(yōu)化時(shí)就采用長(zhǎng)期數(shù)據(jù)，此外還可以多次循環(huán)模擬來表現(xiàn)研究長(zhǎng)期影響。

5、如何確定優(yōu)選工藝的流程和參數(shù)？

傳統(tǒng)的工藝選擇方法如下：構(gòu)造設(shè)計(jì)多種工藝、優(yōu)化工藝的處理效果、比較和選擇最優(yōu)工藝。有學(xué)者提出了“超級(jí)結(jié)構(gòu)”的方法來簡(jiǎn)化上述工作。這種超級(jí)結(jié)構(gòu)把構(gòu)筑物的預(yù)設(shè)條件（如停留時(shí)間、曝氣、回流等）作為模型優(yōu)化參數(shù)，通過對(duì)這些參數(shù)的全局優(yōu)化，可以同時(shí)確定最佳處理效果和最優(yōu)工藝。

譯者注：一組預(yù)設(shè)條件對(duì)應(yīng)一種處理工藝

6、如何計(jì)算工藝單元過程的成本？

工藝成本包括能耗、藥耗、罰款、投資、維護(hù)等。能耗過程占比較大，包括曝氣、提升和攪拌等單元。曝氣單元通過氧傳質(zhì)系數(shù)（KLa）計(jì)算，更好的辦法是通過空氣流量來估計(jì)。有研究表明上述兩者近似線性，有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式也支持這種近似。

污泥濃度會(huì)影響比例系數(shù)α，從而對(duì)曝氣能耗影響較大。提升泵的能耗通過流量和壓力來計(jì)算。如果達(dá)到完全混合效果，需要滿足一定的攪拌輸入功率條件。學(xué)者計(jì)算結(jié)果不一致（5、10和14W/m3），但范圍可作為厭/缺氧池的設(shè)計(jì)參考。

譯者注：在完全混合式好氧池安裝攪拌器時(shí)，要考慮曝氣形成的攪拌效果，攪拌器輸入功率可取3W/m3

7、如何選擇約束條件確保工藝可實(shí)現(xiàn)？

作者總結(jié)了優(yōu)化計(jì)算過程中的變量約束條件，主要包括出水水質(zhì)、MLSS、溶解氧、堿度、SRT和反應(yīng)器尺寸等參數(shù)。如構(gòu)筑物參數(shù)MLSS為1000-9000mg/L、溶解氧2-4mg/L、堿度6-8mM、SRT為5-35d等。通過設(shè)定參數(shù)的上下界限，可以確保輸出結(jié)果在工程上是可以實(shí)現(xiàn)的。