Field Performance and GPS-X Simulation Fidelity of a Full-Scale Municipal Wastewater Treatment Plant in Jordan: A Case Study of the Irbid Central Wastewater Treatment Plant (Fuara)

水はあらゆる都市の生命線ですが、家庭や企業から排出される水は、重い廃棄物の負担を背負っています。この廃水が環境に返される前、あるいは農業に再利用される前には、有害な有機物や固形粒子を取り除くために設計された複雑な施設である、処理場を通過しなければなりません。世界中の多くの地域で、エンジニアはこれらの処理場がどのように挙動するかを予測するために洗練されたコンピュータプログラムに頼っており、それによって設備のアップグレードを行う時期や、突然の汚水の流入にどう対処すべきかを判断しています。これらのデジタルモデルは仮想的な実験室として機能し、専門家が実際の水の流れを危険にさらすことなく、変更をテストすることを可能にします。しかし、これらのシミュレーションが真に有用であるためには、高い精度で現実を反映していなければなりません。もしコンピュータプログラムが、処理場が実際よりも水をきれいにしていると予測してしまった場合、その結果として環境破壊や安全基準の未達を招く恐れがあります。

水が希少で貴重な資源であるヨルダン北部において、イリド中央廃水処理場（地元ではフアラとして知られる）は、イリド市とその周辺のコミュニティを含む大規模な人口を支えています。1980年代後半から稼働しているこの施設は、「延長曝気（えんちょうばっき）」と呼ばれるプロセスを用いて廃棄物を分解しています。この手法では、大きなタンクに空気を送り込み、細菌が有機汚濁物質を消費するように促すことで、汚れた水を灌漑に使用できるきれいな処理水へと効果的に変えていきます。この処理場は、放出前の水にどれだけの汚染物質が残っているかについて厳格な制限を設けた国家基準の下で運営されています。この地域は慢性的な水不足に直面しているため、この処理場の信頼性は単なる地域の関心事ではなく、国家戦略上の問題でもあります。処理場が引き続き良好に機能することを確実にするため、研究者たちは最近、1年間にわたって施設を綿密に観察し、その後、コンピュータが実世界のパフォーマンスをどの程度予測できるかを確認するために、施設の「デジタルツイン」を構築しました。

研究者たちは、2022年を通じて、処理場に入る水と出る水のサンプルを毎週採取しました。彼らは水質に関する3つの主要な指標を測定しました。それは、酸素を求める有機物の量、溶解および懸濁している化学物質の総量、そして水中に浮遊する固形粒子の量です。結果は、物理的な処理場が極めて優れた仕事をしていることを示していました。1年間の過程を通じて、処理場は有機物の97パーセント以上、および固形粒子の96パーセント以上を正常に除去することに成功しました。施設から出る水は、一貫してヨルダンの厳格な安全要件を満たしており、物理的なインフラが意図通りに機能していることを証明しました。その後、チームはこの1年分の実データを、エンジニアが廃水処理プロセスをモデル化するために広く使用しているGPS-Xと呼ばれるコンピュータ・シミュレーション・ソフトウェアに入力しました。彼らは、将来の計画に利用できる信頼できるデジタル複製を作成することを目的として、モデルの設定を実際の処理場の性能に合わせて調整しました。

研究者がコンピュータの予測と実際の水サンプルを比較したところ、精度の驚くべき乖離が明らかになりました。モデルは有機物の除去を予測することに関しては非常に優れており、実世界のデータとの差はわずか6パーセント程度でした。これは、コンピュータが細菌がいかにして廃棄物を食べているかを理解していることを示唆しています。しかし、モデルは他の2つの測定値については大きく苦戦しました。きれいな水に含まれる全化学物質と固形粒子のレベルを予測する場合、コンピュータは大きな誤差を生じさせ、化学物質については汚染量を40パーセント以上、固形物については70パーセント以上も過小評価しました。簡単に言えば、デジタルモデルは、処理場が実際よりもはるかにきれいな水を作っていると考えていたのです。シミュレーションでは、固形物が完璧に沈殿すると想定されていましたが、実際には、かなりの量のスラッジ（汚泥）が最終的な流出物に混じって浮遊していました。

この不一致は、エンジニアやプラントのオペレーターにとって極めて重要な教訓を提示しています。この研究は、コンピュータモデルがあるプロセスの特定の部分を正しく調整できたとしても、他の部分まで正しくできるとは限らないことを示しています。シミュレーションが有機廃棄物の分解がいかに上手くいっているかを正確に予測できたとしても、それだけで固形粒子の除去がいかに上手くいっているかを信頼性高く予測できるとは限らないのです。研究者たちは、スカム（浮遊物）の形成やスラッジの深さといった要因が絶えず変化する沈殿槽の、乱雑で現実的な挙動をモデルが考慮できていないことが、これらの大きなエラーの原因であることを突き止めました。この研究は、あるパラメータに対して較正（キャリブレーション）されたモデルは、自動的に他のすべてのパラメータに対しても信頼できるものであると仮定する一般的な慣行に対し、警鐘を鳴らしています。このようなデジタルツールが、処理場の拡張や新技術の導入といった高額な決定を下すために使用される前に、それらが管理すべきあらゆる種類の汚染物質に対してテストされなければなりません。フアラの処理場や同様の施設にとって、これは、コンピュータが生物学的プロセスを理解するための有用なガイドにはなり得るものの、さらなる特定の調整なしには、固形廃棄物の挙動を予測するためにまだ信頼を置くことはできない、ということを意味しています。