活性污泥工艺的优化设计与运行最新研究进展

邱勇:清华大学环境学院助理研究员，主要从事污水处理工艺优化运行、活性污泥系统模型与模拟、污水处理工艺自动控制技术等方面的研究，曾多次参与或负责国家重点科研项目的课题，并取得丰富的学术成果。

2014年是活性污泥法诞生100周年，业界组织了许多纪念活动。通过回顾100年来水处理技术持续发展的历程，我们可以看到研究成果非常丰富、实际应用差强人意，要求我们在奋力前行探索前沿时，更要脚踏实地解决沉疴痼疾。本次推荐一篇总结活性污泥法优化设计和运行方法的文章，希望能促进大家对研究成果如何落地的思考。

论文的第一和通讯作者是法国洛林大学化工系的RainierHreiz。作者认为从经济和环境的角度看，工程师有必要使用动态优化工具来确定设计运行参数，从而提高活性污泥法的处理效果。但是，在实际工作中，工程师往往对优化结果甚至真实的趋势缺乏信心。于是，作者总结了近年来的工艺优化设计成果，讨论了上述原因和解决方案。

所谓优化，就是设定目标函数和约束条件，通过数学方法求解得到最优结果。由于污水处理工艺存在经济、运行和环境等不同的运行目标，可以使用多目标优化（MOO）得到帕累托最优边界，也可以使用权重系数进行单目标优化（SOO）。下图展示了运行成本与处理效果的帕累托曲线（红色），代表了工艺优化的极限。

译者注：实际方案（蓝色）的优化目标应该是曲线的AB段，这样可以较少的投资增量获得更多的处理效果提升。

对于优化计算结果难以令人信服的问题，作者分析认为主要原因有目标函数不准确、进水特征无法准确描述、复杂生物反应过程的模拟不够准确等，因此从以下方面进行了讨论。

1、如何考虑模型预测和工艺数据的差异？

模拟结果与工艺数据有差异是常见的现象。比如，ASM和Takacs模型较为常用，但是参数多且难以确定，因此多数情况下只能采用默认参数，此时的模拟结果只能代表趋势而不能精确预测。为了控制这种差异，一般需要用观测数据来校准模型参数；或者通过敏感性分析确定需要校准的参数（其他选用默认值）。

2、如何处理难以预测的进水特征变化？

由于基于动态进水的优化结果比稳态更安全，因此需要观测和确定进水水质水量的时间变化特征。由于动态进水特征的观测和预测比较困难，因此很多场合不得不采用长期平均值作为输入条件。如果采用稳态进水来计算构筑物参数时，就需要验算各种不利条件（如冲击负荷）或者采用安全系数，此时更好的办法是采用多目标优化。

3、如何判断活性污泥工艺的可控制性？

活性污泥工艺的控制方法可以大致分为开环控制和闭环控制。开环控制直接计算优化控制条件和实施动作，而反馈控制则比较实际效果与控制目标差异来进行调节。反馈控制要更可靠一些，比如有人研究了在线优化控制（RTO），通过在线仪表实时计算当前状态下的优化参数，然后输出控制调节。

4、如何模拟活性污泥的长期变化过程？

在长期运行过程中，活性污泥工艺状态特征会发生变化，因此基于短期或启动时期数据形成的优化方案，并不能一直适合长期运行。一种办法是在优化时就采用长期数据，此外还可以多次循环模拟来表现研究长期影响。

5、如何确定优选工艺的流程和参数？

传统的工艺选择方法如下：构造设计多种工艺、优化工艺的处理效果、比较和选择最优工艺。有学者提出了“超级结构”的方法来简化上述工作。这种超级结构把构筑物的预设条件（如停留时间、曝气、回流等）作为模型优化参数，通过对这些参数的全局优化，可以同时确定最佳处理效果和最优工艺。

译者注：一组预设条件对应一种处理工艺

6、如何计算工艺单元过程的成本？

工艺成本包括能耗、药耗、罚款、投资、维护等。能耗过程占比较大，包括曝气、提升和搅拌等单元。曝气单元通过氧传质系数（KLa）计算，更好的办法是通过空气流量来估计。有研究表明上述两者近似线性，有关经验公式也支持这种近似。

污泥浓度会影响比例系数α，从而对曝气能耗影响较大。提升泵的能耗通过流量和压力来计算。如果达到完全混合效果，需要满足一定的搅拌输入功率条件。学者计算结果不一致（5、10和14W/m3），但范围可作为厌/缺氧池的设计参考。

译者注：在完全混合式好氧池安装搅拌器时，要考虑曝气形成的搅拌效果，搅拌器输入功率可取3W/m3

7、如何选择约束条件确保工艺可实现？

作者总结了优化计算过程中的变量约束条件，主要包括出水水质、MLSS、溶解氧、碱度、SRT和反应器尺寸等参数。如构筑物参数MLSS为1000-9000mg/L、溶解氧2-4mg/L、碱度6-8mM、SRT为5-35d等。通过设定参数的上下界限，可以确保输出结果在工程上是可以实现的。

编辑：李艳茹