活性污泥工藝的優(yōu)化設(shè)計與運行：最新進展

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)化運行、活性污泥系統(tǒng)模型與模擬、污水處理工藝自動控制技術(shù)等方面的研究，曾多次參與或負責(zé)國家重點科研項目的課題，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)界組織了許多紀念活動。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、實際應(yīng)用差強人意，要求我們在奮力前行探索前沿時，更要腳踏實地解決沉疴痼疾。本次推薦一篇總結(jié)活性污泥法優(yōu)化設(shè)計和運行方法的文章，希望能促進大家對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。作者認為從經(jīng)濟和環(huán)境的角度看，工程師有必要使用動態(tài)優(yōu)化工具來確定設(shè)計運行參數(shù)，從而提高活性污泥法的處理效果。但是，在實際工作中，工程師往往對優(yōu)化結(jié)果甚至真實的趨勢缺乏信心。于是，作者總結(jié)了近年來的工藝優(yōu)化設(shè)計成果，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、運行和環(huán)境等不同的運行目標(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)進行單目標(biāo)優(yōu)化（SOO）。下圖展示了運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：實際方案（藍色）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。

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

1、如何考慮模型預(yù)測和工藝數(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參數(shù)，此時的模擬結(jié)果只能代表趨勢而不能精確預(yù)測。為了控制這種差異，一般需要用觀測數(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)（其他選用默認值）。

2、如何處理難以預(yù)測的進水特征變化？

由于基于動態(tài)進水的優(yōu)化結(jié)果比穩(wěn)態(tài)更安全，因此需要觀測和確定進水水質(zhì)水量的時間變化特征。由于動態(tài)進水特征的觀測和預(yù)測比較困難，因此很多場合不得不采用長期平均值作為輸入條件。如果采用穩(wěn)態(tài)進水來計算構(gòu)筑物參數(shù)時，就需要驗算各種不利條件（如沖擊負荷）或者采用安全系數(shù)，此時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)控制直接計算優(yōu)化控制條件和實施動作，而反饋控制則比較實際效果與控制目標(biāo)差異來進行調(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），通過在線儀表實時計算當(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期變化過程？

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

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“超級結(jié)構(gòu)”的方法來簡化上述工作。這種超級結(jié)構(gòu)把構(gòu)筑物的預(yù)設(shè)條件（如停留時間、曝氣、回流等）作為模型優(yōu)化參數(shù)，通過對這些參數(shù)的全局優(yōu)化，可以同時確定最佳處理效果和最優(yōu)工藝。

譯者注：一組預(yù)設(shè)條件對應(yīng)一種處理工藝

6、如何計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）計算，更好的辦法是通過空氣流量來估計。有研究表明上述兩者近似線性，有關(guān)經(jīng)驗公式也支持這種近似。

污泥濃度會影響比例系數(shù)α，從而對曝氣能耗影響較大。提升泵的能耗通過流量和壓力來計算。如果達到完全混合效果，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)計參考。

譯者注：在完全混合式好氧池安裝攪拌器時，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現(xiàn)？

作者總結(jié)了優(yōu)化計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現(xiàn)的。