邱勇:清華大學環境學院助理研究員，主要從事污水處理工藝優化運行、活性污泥系統模型與模擬、污水處理工藝自動控制技術等方面的研究，曾多次參與或負責國家重點科研項目的課題，并取得豐富的學術成果。

2014年是活性污泥法誕生100周年，業界組織了許多紀念活動。通過回顧100年來水處理技術持續發展的歷程，我們可以看到研究成果非常豐富、實際應用差強人意，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。本次推薦一篇總結活性污泥法優化設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化工系的RainierHreiz。作者認為從經濟和環境的角度看，工程師有必要使用動態優化工具來確定設計運行參數，從而提高活性污泥法的處理效果。但是，在實際工作中，工程師往往對優化結果甚至真實的趨勢缺乏信心。于是，作者總結了近年來的工藝優化設計成果，討論了上述原因和解決方案。

所謂優化，就是設定目標函數和約束條件，通過數學方法求解得到最優結果。由于污水處理工藝存在經濟、運行和環境等不同的運行目標，可以使用多目標優化（MOO）得到帕累托最優邊界，也可以使用權重系數進行單目標優化（SOO）。下圖展示了運行成本與處理效果的帕累托曲線（紅色），代表了工藝優化的極限。

譯者注：實際方案（藍色）的優化目標應該是曲線的AB段，這樣可以較少的投資增量獲得更多的處理效果提升。

對于優化計算結果難以令人信服的問題，作者分析認為主要原因有目標函數不準確、進水特征無法準確描述、復雜生物反應過程的模擬不夠準確等，因此從以下方面進行了討論。

1、如何考慮模型預測和工藝數據的差異？

模擬結果與工藝數據有差異是常見的現象。比如，ASM和Takacs模型較為常用，但是參數多且難以確定，因此多數情況下只能采用默認參數，此時的模擬結果只能代表趨勢而不能精確預測。為了控制這種差異，一般需要用觀測數據來校準模型參數；或者通過敏感性分析確定需要校準的參數（其他選用默認值）。

2、如何處理難以預測的進水特征變化？

由于基于動態進水的優化結果比穩態更安全，因此需要觀測和確定進水水質水量的時間變化特征。由于動態進水特征的觀測和預測比較困難，因此很多場合不得不采用長期平均值作為輸入條件。如果采用穩態進水來計算構筑物參數時，就需要驗算各種不利條件（如沖擊負荷）或者采用安全系數，此時更好的辦法是采用多目標優化。

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控制和閉環控制。開環控制直接計算優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差異來進行調節。反饋控制要更可靠一些，比如有人研究了在線優化控制（RTO），通過在線儀表實時計算當前狀態下的優化參數，然后輸出控制調節。

4、如何模擬活性污泥的長期變化過程？

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

5、如何確定優選工藝的流程和參數？

傳統的工藝選擇方法如下：構造設計多種工藝、優化工藝的處理效果、比較和選擇最優工藝。有學者提出了“超級結構”的方法來簡化上述工作。這種超級結構把構筑物的預設條件（如停留時間、曝氣、回流等）作為模型優化參數，通過對這些參數的全局優化，可以同時確定最佳處理效果和最優工藝。

譯者注：一組預設條件對應一種處理工藝

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系數（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，有關經驗公式也支持這種近似。

污泥濃度會影響比例系數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。學者計算結果不一致（5、10和14W/m3），但范圍可作為厭/缺氧池的設計參考。

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？

作者總結了優化計算過程中的變量約束條件，主要包括出水水質、MLSS、溶解氧、堿度、SRT和反應器尺寸等參數。如構筑物參數MLSS為1000-9000mg/L、溶解氧2-4mg/L、堿度6-8mM、SRT為5-35d等。通過設定參數的上下界限，可以確保輸出結果在工程上是可以實現的。