《Journal of Water Process Engineering》：Daily global–local benchmarking of activated-sludge WWTP operation using real medoids, network-based multicriteria ranking and PI–GAP diagnosis
编辑推荐：
•真实介质可将城市污水处理厂的数据转化为可观测的基准状态。•ANP能够捕捉到层次化AHP权重无法体现的相互依赖关系。•RBF传播技术可将介质优先级应用于日常的PI-GAP诊断。•全局-局部PI-GAP分析可区分状态极限与日常性能不足。•基于规则的类别可指导合规性、能耗及硝化作用方
- •
真实介质可将城市污水处理厂的数据转化为可观测的基准状态。
- •
ANP能够捕捉到层次化AHP权重无法体现的相互依赖关系。
- •
RBF传播技术可将介质优先级应用于日常的PI-GAP诊断。
- •
全局-局部PI-GAP分析可区分状态极限与日常性能不足。
- •
基于规则的类别可指导合规性、能耗及硝化作用方面的检测。
引言
城市活性污泥污水处理厂需在不断变化的水力负荷、污染物负荷、季节性温度条件以及能源限制下运行，因此很难用单一指标来概括其运行状况。有的日子可能符合排放标准，但远未达到历史最佳运行水平；有的日子虽然符合标准，但能耗较高；还有些日子则可能因生物处理或沉淀方面的问题而无法达标。这就需要运营决策支持系统，尤其是要将监测数据转化为运行状态、可能的工艺原因以及切实的改进措施。
近期文献显示，研究方向正从单一的污水处理厂指标转向综合性的运营分析。关于决策支持系统的综述表明，AHP、ANP等多准则工具有助于技术选型与工艺运行评估，而数据到知识的研究则强调了将监测记录转化为可用运营信息的必要性[1]、[2]。本期刊近期发表的工艺工程研究也展示了数据协调、机器学习优化以及源识别技术在污水处理监测与控制中的应用价值[3]、[4]、[5]。
目前的相关研究虽能提供一些互补但仍然不完整的成果。运行模式聚类可识别出反复出现的污水处理厂运行状态[6]，多准则决策分析/决策支持系统可对不同方案或策略进行排序[1]，而以能耗或氮含量为研究重点的课题则能评估在不同运行条件下的运行效率、曝气控制效果以及碳减排情况[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]。关于再利用和深度处理的研究进一步表明，当处理后的污水用于循环经济、含水层回灌或工艺强化时，可靠的出水质量监测至关重要[16]、[17]、[18]、[19]。
然而，大多数相关研究仅停留在识别、分类或排序层面，最终结果往往只是一组运行模式、优先级列表或战略评估，而实际工厂运营则需要每日可操作的解读。因此，本研究将状态排序作为中间环节，通过PI_global、PI_local、GAP、合规性-能耗类别、主要原因分析以及初步工艺检测，将其转化为日常诊断信息。
现有的污水处理厂性能研究虽涵盖了问题的重要方面，但往往是将合规性、去除效率、能耗强度、运行模式聚类以及多准则排序视为独立的模块。目前的不足在于缺乏一种最终输出机制，即一种既能识别并排序实际运行状态，又能将这些排序结果转化为便于日常工艺监控的可解释诊断信号的每日工作流程。
这种区分在实际运营中具有重要意义。仅凭优先级排序无法判断某一天是整体上远离历史最佳运行水平，还是相对于自身运行状态表现不佳，或是虽然符合标准但能耗过高，又或是因硝化或沉淀问题而不符合标准。因此，一个有效的污水处理厂决策支持框架必须将排序结果与日常工艺诊断、主要原因分析以及实用的初步检测相结合。
本研究通过结合K均值真实介质提取方法、AHP/ANP超矩阵构建技术、高斯RBF优先级扩展方法以及PI_global-PI_local-GAP诊断方法，弥补了这一缺陷。将该框架应用于布梅尔德斯活性污泥污水处理厂495个完整运行日的数据后，可将历史监测记录转化为具有代表性的运行状态、每日基准评分、运行类别、雷达图特征以及针对具体问题的改进建议。与那些仅停留在聚类、排序、能耗评估或合规性诊断层面的研究不同，所提出的方法将这些环节整合为一个统一的每日决策支持流程。
从工艺工程的角度来看，该研究的贡献并非仅仅是数学上的排序。该框架将进水压力、处理效率、出水质量接近度、硝化脆弱性以及特定能耗等因素整合到一个从监测到诊断的完整链条中。其创新之处不在于单独使用K均值、ANP或RBF算法，而在于将它们整合为一个可审计的全球-局部基准评估体系，该体系涵盖了真实介质、基于网络的优先级划分、RBF传播、PI_global/PI_local/GAP分离以及基于规则的运行类别。这些输出结果可直接用于工厂运营：它们能指出哪些运行状态可作为基准，哪些日子存在全局或局部的偏差，以及应首先检查哪个工艺环节。
本研究旨在确定是否可以将活性污泥污水处理厂的长期每日监测数据转化为一种可重复使用的全球-局部基准评估框架，该框架应具备以下功能：（i）识别具有代表性的实际运行状态；（ii）通过层次化及基于网络的多准则模型对这些状态进行排序；（iii）将状态优先级延伸至所有完整运行日；（iv）量化全局及局部的偏离程度；（v）诊断导致性能不足的主要工艺原因。
这一研究问题既具有实际意义，也涉及方法论层面：是否可以将历史污水处理厂数据库转化为一种每日决策支持系统，从而区分出接近基准状态的运行、符合标准但仍有改进空间的运行、符合标准但能耗过高的运行，以及需要工艺调整的不符合标准运行？这一问题是通过K均值聚类、真实介质提取、AHP、ANP、超矩阵构建、RBF扩展、PI_global、PI_local、GAP指标以及基于雷达图的运行特征分析等一系列集成方法来解答的。
本文将能耗作为四个运营性能维度之一，通过特定能耗指标来体现。它有助于区分与能耗相关的运营问题与生物处理或出水质量方面的问题。这一处理方式与专门的能耗优化及碳减排研究[9]、[10]、[11]、[12]相辅相成，但本文并未直接估算可实现的能耗节约量。该问题将在另一项专注于能耗的研究中探讨，从而使本文能够聚焦于全球-局部基准评估、PI-GAP诊断以及面向工艺的分类分析。
章节概要
研究区域
本研究以布梅尔德斯污水处理厂为研究对象，该厂为一家城市活性污泥处理设施，需在不断变化的水力负荷和污染物负荷条件下运行。该厂被视作一个生物处理与运营相互关联的系统，其进水负荷、处理效率、最终出水质量、温度以及能耗共同决定了整体的运行性能。此外，针对阿尔及利亚城市污水处理厂的现有区域研究也为本研究提供了背景参考。
研究结果
研究结果按从状态识别到每日基准评估及工艺诊断的顺序呈现。这一组织结构遵循了相应的方法流程：首先是K均值聚类与真实介质提取，接着是AHP和ANP排序，随后是将RBF方法应用到所有完整运行日，再进行PI-GAP分类，最后通过针对性的图形输出实现面向工艺的解读。
结果解读与讨论
研究结果表明，长期的污水处理厂监测数据可以转化为一种综合性的全球-局部基准评估框架，这种框架超越了单纯的合规性检查、效率指标或孤立的多准则排序。这一成果与近期在数据协调、控制优化、能耗/碳评估、监测以及氮素工艺管理等方面的工艺工程研究成果相一致[3]、[4]、[5]、[9]、[10]、[11]、[15]、[35]，同时还在这些研究基础上进行了拓展。
研究结论
本研究解决了污水处理厂性能评估领域的一个明显科学空白：合规性、去除效率、能耗强度、聚类分析以及多准则排序往往被分开研究，而实际操作人员则需要一种能够将各类分析结果相互关联的日常诊断框架。本研究的目标是确定是否可以将活性污泥污水处理厂的长期监测数据转化为一种可重复使用的全球-局部基准评估工具，该工具能够识别实际运行状态，并对其进行分析排序。
CRediT作者贡献说明
穆罕默德·恩纳塞尔·贝奈沙：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，验证，软件开发，项目管理，方法设计，研究实施，正式分析，数据整理，概念构建。阿卜杜勒瓦哈布·莱夫基尔：写作——审阅与编辑，验证，监督指导。阿卜杜勒马利克·贝尔马德：写作——审阅与编辑，验证，监督指导。
伦理声明
本研究使用了污水处理厂的运营监测数据，未涉及任何人类受试者或动物实验。
资金支持
作者声明，在撰写本文过程中未获得任何外部资金支持。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益冲突或个人关系。
致谢
作者感谢在本文研究准备过程中给予支持的各机构及学术团体。
穆罕默德·恩纳塞尔·贝奈沙|阿卜杜勒瓦哈布·莱夫基尔|阿卜杜勒马利克·贝尔马德
