碳达峰、碳中和战略目标加速水业发展“智慧水务”、“大数据分析”等理念。对污水处理来说，智慧化不仅仅是自动化和信息化，也不是靠大数据便能统计分析出工艺运行的精准参数。事实上，脱离了对生物工艺过程精准模拟与运行优化，“智慧水务”就是一句空话，只不过是玩玩表面自控游戏而已。为此，早在4年前北京首创股份有限公司便在“中—荷未来污水处理技术研发中心”的合作框架下开展了卓有成效的数学模拟技术研发与实践工作。
2017年4月起，中—荷未来污水处理技术研发中心启动数学模拟技术研发与实践，并与荷兰ASM DESIGN技术公司展开合作，以某A2/O污水处理厂为案例展开生物建模研发。经一年多研发与实践，成功将荷兰业已成熟的“模型协议”移植到我国污水处理厂，并根据国情进一步优化数学模拟建模方法、规范数据收集/清洗、搭建数据库，以匹配中国水质和运营特征，且储备我国参数数据库。与此同时，利用三方合作优势，从研究生阶段便开始培养模拟工程师，以实践促进研发工作不断深入。目前，中—荷中心已形成一个完整的、有活力的模型团队。
生物处理工艺模型构建并应用是实现污水处理厂从“经验”运维迈向“精准”运营和“专业”管理的前提。国际水协（IWA）所推广的活性污泥模型（ASM1~3等）是对活性污泥技术应用100多年来理论与应用知识的高度浓缩与数字化，可用于污水处理厂全生命周期预测与评估。在实践中，数学模拟技术应用范围可涉及污水处理全生命周期，如图1所示。模拟技术在污水处理厂全生命周期均可发挥其潜在应用价值。在过程控制自动化方面，可以根据模拟设计实现情景模拟：1）优化过程参数，实现生物脱氮除磷过程系统优化方案，完成投资与运行成本最优化设计；2）识别不同季节（水温）、不同进水浓度（季节变化、降雨等影响）条件下最优化运行参数，为自控参数选择奠定基础；3）基于成本最优和系统稳定，筛选自控算法；4）确定仪器、仪表设计、选型和与位置。因此，在数学模拟辅助下，指导污水处理厂运营管理实现精准曝气与回流控制，避免盲目投药脱氮除磷，可大大节省运行能耗与药剂投加成本，助力碳中和目标的实现。在智慧化管理方面，生物模型加持可实现对污水处理厂实际运行情况的量化评估。因此，基于模型可规范取样位点及化验指标、合理划分工艺单元计算边界、建立全流程物料平衡衡算、进行静态和动态情景模拟、敏感性分析等。这不仅能形成污水处理厂数据清洗方案、工艺健康度评估、决策支持以及工艺预警等模块（图2），还可实现集团化水厂工艺和运营管理，包括不同污水处理厂关键运营技术指标识别、评估、设计参数后评估、考核并确定绩效指标，帮助并完善企业战略规划、水厂设计和运营管理。经长达4年之久研发与实践，首创股份不仅在公司内部完成了对A2/O、CAST、氧化沟、MBR等工艺数个污水处理厂模型构建和运行优化工作，而且还开始对外承接生物建模与优化业务。到目前为止，已完成厦门环科公司下属前埔污水处理厂（20 万m3/d）运行优化建模项目，后期还将继续为厦门水务其它4个污水处理厂提供运行优化建模服务和智慧运行平台技术支持。与此同时，还有更多公司外建模业务也正处于商谈之中。基于与荷兰ASM DESIGN模拟技术公司合作，目前中—荷中心已完成《污水处理厂建模手册和应用案例》一书初稿，希望此书出版后可对国内智慧水务建设起到技术推广的作用。
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