潮平兩岸闊 風(fēng)正一帆懸

張瓊+劉巖松

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院污水處理過程控制與節(jié)能降耗研究團(tuán)隊(duì)，在城市化發(fā)展浪潮中，善思而立、創(chuàng)新以恒，始終在執(zhí)著和堅(jiān)持中默默探索與耕耘著，在有效推進(jìn)污水處理工作的同時(shí)，為共和國的環(huán)境事業(yè)注入了一股銳意進(jìn)取的科技新氣息。

社會(huì)不斷發(fā)展，污水處理的過程控制及節(jié)能降耗不斷遇到新的挑戰(zhàn)。清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院污水處理過程控制與節(jié)能降耗研究團(tuán)隊(duì)?wèi){借著深厚的科研底蘊(yùn)和豐富的技術(shù)積淀，始終能緊緊抓住科技發(fā)展的脈搏，執(zhí)著進(jìn)取在污水處理與節(jié)能降耗科研領(lǐng)域的最前沿，在越來越廣闊的平臺(tái)上，引領(lǐng)著污水處理事業(yè)這艘“大船”在波瀾壯闊的大潮中不斷前進(jìn)。

在污水處理科技界，有這樣一支團(tuán)隊(duì)，他們情系祖國，遵循著污水處理科技創(chuàng)新的脈絡(luò)，孜孜不倦地行走于科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)實(shí)踐之間，研精覃思，溯往觀來，將多學(xué)科的前沿技術(shù)融入到污水處理的過程控制和節(jié)能降耗研究之中，以不竭的創(chuàng)新精神沿著這一方向不斷地向前發(fā)展。

這個(gè)污水處理過程控制團(tuán)隊(duì)依托于環(huán)境模擬與污染控制國家聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。據(jù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人施漢昌介紹，從上個(gè)世紀(jì)90年代開始，他們污水處理控制工業(yè)團(tuán)隊(duì)，就建立了國內(nèi)第一個(gè)污水處理過程模擬軟件，可以說是積淀比較深，歷史很長。而隨著污水處理的發(fā)展，這個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)展了多項(xiàng)新技術(shù)，并在全國幾十座污水處理廠取得了很好的推廣應(yīng)用。

科技研發(fā)只有緊貼生產(chǎn)實(shí)踐，才能彰顯其價(jià)值。施漢昌介紹，團(tuán)隊(duì)研究的科學(xué)與工程技術(shù)問題都源于污水處理廠的實(shí)際需要，如今，他們針對(duì)新的挑戰(zhàn)，不斷地創(chuàng)新思路，將最新的監(jiān)測技術(shù)、新材料技術(shù)、新的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等運(yùn)用到傳統(tǒng)的污水處理上來，尤其是最近這些年來，所取得的成績和社會(huì)效益是有目共睹的。

（一）典型研究技術(shù)成果

我國運(yùn)行污水處理廠大都以簡單的反饋控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜處理過程的運(yùn)行控制，導(dǎo)致現(xiàn)有的一些污水處理廠均存在運(yùn)行效果不良的情況。而一些較先進(jìn)的技術(shù)難以在目前污水處理廠運(yùn)行過程中得以實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行效率低下。

該研究團(tuán)隊(duì)提出了基于動(dòng)態(tài)進(jìn)水負(fù)荷的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模擬，建立以進(jìn)水負(fù)荷前饋補(bǔ)償多回路串級(jí)反饋曝氣控制為核心的多參數(shù)控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)以進(jìn)水負(fù)荷前饋補(bǔ)償-多回路串級(jí)反饋控制為特點(diǎn)，通過對(duì)曝氣量的優(yōu)化控制，保證了厭氧-缺氧-好氧段的最佳氧化還原狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化。在保證出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下大幅度降低了污水處理的能耗達(dá)5%以上（0.08～0.12kWh/m3），降低化學(xué)除磷的藥耗達(dá)20%以上。

1. AAO工藝曝氣過程的優(yōu)化控制策略與系統(tǒng)研究

曝氣控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)程度，特別是增加了前饋控制后，在很大程度上要取決于對(duì)污水生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程的可靠模擬。在生物處理工藝中，由于入水水質(zhì)波動(dòng)等干擾，DO在時(shí)間和空間分布是不穩(wěn)定的，而且其動(dòng)力學(xué)特性是非線性的。為了克服前饋控制策略帶來的不確定性，考慮到工程實(shí)踐的可行性，研究團(tuán)隊(duì)提出了如圖1所示的控制策略。

圖2為污水處理工藝的曝氣控制系統(tǒng)界面。控制界面包括三種控制模式：負(fù)荷前饋控制、溶解氧定值反饋和空氣量定值反饋等。操作工人可以選擇不同的控制回路和策略，然后根據(jù)工藝條件設(shè)定需要的目標(biāo)參數(shù)。目前最常用的方式是根據(jù)工藝運(yùn)行情況，設(shè)定溶解氧濃度的目標(biāo)值。曝氣控制系統(tǒng)可以很好地將溶解氧的波動(dòng)控制在0.5 mg/L以內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。在保證出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下降低了污水處理的能耗達(dá)5%以上。

2.AAO工藝除磷加藥過程的優(yōu)化控制策略與系統(tǒng)

根據(jù)AAO工藝常用的同步除磷和后置除磷工藝，設(shè)計(jì)了化學(xué)除磷的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，如圖3所示?；瘜W(xué)除磷的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)由在線儀表、加藥設(shè)備、控制軟件及通訊設(shè)備等組成，系統(tǒng)采用前饋控制與反饋控制相結(jié)合的方法，根據(jù)進(jìn)水流量、生化池加藥前正磷濃度和出水總磷濃度計(jì)算合理的加藥量，控制加藥泵的運(yùn)行。

化學(xué)除磷過程控制技術(shù)主要包括兩部分：測定進(jìn)水流量Q、生化段出水磷酸鹽濃度P1，前饋控制前置加藥泵的流量；測定反硝化濾池出水磷酸鹽濃度P2，反饋控制后置加藥泵的流量。以上內(nèi)容分別對(duì)應(yīng)兩套除磷控制系統(tǒng)，均包括采樣監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與控制、控制信號(hào)輸出與執(zhí)行系統(tǒng)等。

3.AAO工藝全流程優(yōu)化控制技術(shù)與系統(tǒng)

研究團(tuán)隊(duì)在分析典型單元運(yùn)行功能和識(shí)別單元可控設(shè)備及變量的基礎(chǔ)上，從全流程優(yōu)化運(yùn)行角度，分析單元間運(yùn)行相關(guān)性，進(jìn)而以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行和節(jié)能降耗為目標(biāo)，構(gòu)建城市污水處理廠全流程多參數(shù)控制模型及在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在策略和算法研究和模擬的基礎(chǔ)上，給出這套系統(tǒng)應(yīng)用推廣到其他污水處理廠的集成方案，并通過控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，并輔助以硬件匹配設(shè)計(jì)，極大的提高其推廣應(yīng)用的實(shí)際可操作性，方案集成及應(yīng)用流程見圖4。

（二）工程示范與產(chǎn)業(yè)化

1.蘆村污水處理廠工程示范

研究成果在無錫蘆村污水處理廠四期工程進(jìn)行脫氮優(yōu)化技術(shù)和智能化學(xué)除磷控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用示范，提出了適合無錫地區(qū)污水水質(zhì)特點(diǎn)的總氮達(dá)標(biāo)排放技術(shù)，建立了基于進(jìn)水動(dòng)態(tài)變化的智能曝氣控制系統(tǒng)，為該地區(qū)城市污水處理廠一級(jí)A穩(wěn)定達(dá)標(biāo)提供了技術(shù)指導(dǎo)。項(xiàng)目針對(duì)環(huán)太湖污水處理廠水質(zhì)波動(dòng)大、冬季運(yùn)行出水水質(zhì)差的特點(diǎn)，優(yōu)化輔助化學(xué)除磷工藝技術(shù)，建立輔助化學(xué)除磷智能動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，為蘇錫常以及太湖流域的污水處理廠實(shí)現(xiàn)一級(jí)A達(dá)標(biāo)排放提供技術(shù)支撐。項(xiàng)目依托無錫市蘆村污水處理廠，圍繞提高生物脫氮效率和一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，完成了四期新建工程（10萬噸/天）前期的技術(shù)研發(fā)、設(shè)計(jì)與總體集成以及示范跟蹤和運(yùn)行優(yōu)化。項(xiàng)目在無錫蘆村污水處理廠建立示范工程，通過實(shí)際工程與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合，將研究內(nèi)容應(yīng)用于實(shí)際，為污水廠實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的一級(jí)A達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)節(jié)能降耗提供技術(shù)支撐，為全國污水處理廠升級(jí)改造提供良好的應(yīng)用示范，擴(kuò)大了研究成果的影響力。

在蘆村污水處理廠四期工程實(shí)施了協(xié)同化學(xué)除磷動(dòng)態(tài)控制技術(shù)的示范工程。在示范工程實(shí)施過程中，首先基于化學(xué)除磷工藝的運(yùn)行狀況，更新在線儀表設(shè)備的配置，建立了化學(xué)除磷的控制模型和算法，并在中控室集成了化學(xué)除磷的控制程序，最后在10萬m3/d的生產(chǎn)線上進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于“前饋-反饋”相結(jié)合的化學(xué)除磷動(dòng)態(tài)控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)出水一級(jí)A的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，并能使出水TP濃度維持在合理的濃度范圍內(nèi)；動(dòng)態(tài)控制技術(shù)還能最大限度降低投藥量和藥劑對(duì)系統(tǒng)生物反應(yīng)過程影響，藥劑投加量減少20%以上，大大降低了化學(xué)除磷的運(yùn)行成本。本研究成果國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)基于進(jìn)水負(fù)荷變化前饋與好氧池末端磷濃度在線監(jiān)測的反饋的聯(lián)合優(yōu)化控制。

2. 小紅門污水處理廠工程示范

小紅門污水處理廠采用AAO工藝，設(shè)計(jì)處理污水能力60萬m3/d，生物反應(yīng)池分為4個(gè)系列，每系列處理規(guī)模15×104m3/d，4座池可各自獨(dú)立運(yùn)行。

小紅門污水處理廠實(shí)施全流程控制系統(tǒng)，采用了進(jìn)水負(fù)荷前饋-溶解氧濃度反饋的曝氣控制技術(shù)。對(duì)比控制前后一段的溶解氧濃度逐分鐘變化曲線（圖5所示），可以發(fā)現(xiàn)溶解氧濃度存在很大差異。經(jīng)測算該曝氣池的供氣量比控制之前減少15%～20%，在全廠實(shí)施該控制模式，并對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)全廠耗電量減少8%～10%的效果。

“潮平兩岸闊，風(fēng)正一帆懸”——春潮涌漲，江水浩渺，污水處理正待英才迸發(fā)；潮平岸闊，恢弘廣袤，直掛云帆競豪邁！

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院污水處理過程控制與節(jié)能降耗研究團(tuán)隊(duì)，在城市化發(fā)展浪潮中，善思而立、創(chuàng)新以恒，始終在執(zhí)著和堅(jiān)持中默默探索與耕耘著，在有效推進(jìn)污水處理工作的同時(shí)，為共和國的環(huán)境事業(yè)注入了一股銳意進(jìn)取的科技新氣息。

社會(huì)不斷發(fā)展，污水處理的過程控制及節(jié)能降耗不斷遇到新的挑戰(zhàn)。清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院污水處理過程控制與節(jié)能降耗研究團(tuán)隊(duì)?wèi){借著深厚的科研底蘊(yùn)和豐富的技術(shù)積淀，始終能緊緊抓住科技發(fā)展的脈搏，執(zhí)著進(jìn)取在污水處理與節(jié)能降耗科研領(lǐng)域的最前沿，在越來越廣闊的平臺(tái)上，引領(lǐng)著污水處理事業(yè)這艘“大船”在波瀾壯闊的大潮中不斷前進(jìn)。

在污水處理科技界，有這樣一支團(tuán)隊(duì)，他們情系祖國，遵循著污水處理科技創(chuàng)新的脈絡(luò)，孜孜不倦地行走于科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)實(shí)踐之間，研精覃思，溯往觀來，將多學(xué)科的前沿技術(shù)融入到污水處理的過程控制和節(jié)能降耗研究之中，以不竭的創(chuàng)新精神沿著這一方向不斷地向前發(fā)展。

這個(gè)污水處理過程控制團(tuán)隊(duì)依托于環(huán)境模擬與污染控制國家聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。據(jù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人施漢昌介紹，從上個(gè)世紀(jì)90年代開始，他們污水處理控制工業(yè)團(tuán)隊(duì)，就建立了國內(nèi)第一個(gè)污水處理過程模擬軟件，可以說是積淀比較深，歷史很長。而隨著污水處理的發(fā)展，這個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)展了多項(xiàng)新技術(shù)，并在全國幾十座污水處理廠取得了很好的推廣應(yīng)用。

科技研發(fā)只有緊貼生產(chǎn)實(shí)踐，才能彰顯其價(jià)值。施漢昌介紹，團(tuán)隊(duì)研究的科學(xué)與工程技術(shù)問題都源于污水處理廠的實(shí)際需要，如今，他們針對(duì)新的挑戰(zhàn)，不斷地創(chuàng)新思路，將最新的監(jiān)測技術(shù)、新材料技術(shù)、新的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等運(yùn)用到傳統(tǒng)的污水處理上來，尤其是最近這些年來，所取得的成績和社會(huì)效益是有目共睹的。

（一）典型研究技術(shù)成果

我國運(yùn)行污水處理廠大都以簡單的反饋控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜處理過程的運(yùn)行控制，導(dǎo)致現(xiàn)有的一些污水處理廠均存在運(yùn)行效果不良的情況。而一些較先進(jìn)的技術(shù)難以在目前污水處理廠運(yùn)行過程中得以實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行效率低下。

該研究團(tuán)隊(duì)提出了基于動(dòng)態(tài)進(jìn)水負(fù)荷的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模擬，建立以進(jìn)水負(fù)荷前饋補(bǔ)償多回路串級(jí)反饋曝氣控制為核心的多參數(shù)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)以進(jìn)水負(fù)荷前饋補(bǔ)償-多回路串級(jí)反饋控制為特點(diǎn)，通過對(duì)曝氣量的優(yōu)化控制，保證了厭氧-缺氧-好氧段的最佳氧化還原狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化。在保證出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下大幅度降低了污水處理的能耗達(dá)5%以上（0.08～0.12kWh/m3），降低化學(xué)除磷的藥耗達(dá)20%以上。

1. AAO工藝曝氣過程的優(yōu)化控制策略與系統(tǒng)研究

曝氣控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)程度，特別是增加了前饋控制后，在很大程度上要取決于對(duì)污水生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程的可靠模擬。在生物處理工藝中，由于入水水質(zhì)波動(dòng)等干擾，DO在時(shí)間和空間分布是不穩(wěn)定的，而且其動(dòng)力學(xué)特性是非線性的。為了克服前饋控制策略帶來的不確定性，考慮到工程實(shí)踐的可行性，研究團(tuán)隊(duì)提出了如圖1所示的控制策略。

圖2為污水處理工藝的曝氣控制系統(tǒng)界面?？刂平缑姘ㄈN控制模式：負(fù)荷前饋控制、溶解氧定值反饋和空氣量定值反饋等。操作工人可以選擇不同的控制回路和策略，然后根據(jù)工藝條件設(shè)定需要的目標(biāo)參數(shù)。目前最常用的方式是根據(jù)工藝運(yùn)行情況，設(shè)定溶解氧濃度的目標(biāo)值。曝氣控制系統(tǒng)可以很好地將溶解氧的波動(dòng)控制在0.5 mg/L以內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。在保證出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下降低了污水處理的能耗達(dá)5%以上。

2.AAO工藝除磷加藥過程的優(yōu)化控制策略與系統(tǒng)

根據(jù)AAO工藝常用的同步除磷和后置除磷工藝，設(shè)計(jì)了化學(xué)除磷的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，如圖3所示。化學(xué)除磷的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)由在線儀表、加藥設(shè)備、控制軟件及通訊設(shè)備等組成，系統(tǒng)采用前饋控制與反饋控制相結(jié)合的方法，根據(jù)進(jìn)水流量、生化池加藥前正磷濃度和出水總磷濃度計(jì)算合理的加藥量，控制加藥泵的運(yùn)行。

化學(xué)除磷過程控制技術(shù)主要包括兩部分：測定進(jìn)水流量Q、生化段出水磷酸鹽濃度P1，前饋控制前置加藥泵的流量；測定反硝化濾池出水磷酸鹽濃度P2，反饋控制后置加藥泵的流量。以上內(nèi)容分別對(duì)應(yīng)兩套除磷控制系統(tǒng)，均包括采樣監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與控制、控制信號(hào)輸出與執(zhí)行系統(tǒng)等。

3.AAO工藝全流程優(yōu)化控制技術(shù)與系統(tǒng)

研究團(tuán)隊(duì)在分析典型單元運(yùn)行功能和識(shí)別單元可控設(shè)備及變量的基礎(chǔ)上，從全流程優(yōu)化運(yùn)行角度，分析單元間運(yùn)行相關(guān)性，進(jìn)而以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行和節(jié)能降耗為目標(biāo)，構(gòu)建城市污水處理廠全流程多參數(shù)控制模型及在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在策略和算法研究和模擬的基礎(chǔ)上，給出這套系統(tǒng)應(yīng)用推廣到其他污水處理廠的集成方案，并通過控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，并輔助以硬件匹配設(shè)計(jì)，極大的提高其推廣應(yīng)用的實(shí)際可操作性，方案集成及應(yīng)用流程見圖4。

（二）工程示范與產(chǎn)業(yè)化

1.蘆村污水處理廠工程示范

研究成果在無錫蘆村污水處理廠四期工程進(jìn)行脫氮優(yōu)化技術(shù)和智能化學(xué)除磷控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用示范，提出了適合無錫地區(qū)污水水質(zhì)特點(diǎn)的總氮達(dá)標(biāo)排放技術(shù)，建立了基于進(jìn)水動(dòng)態(tài)變化的智能曝氣控制系統(tǒng)，為該地區(qū)城市污水處理廠一級(jí)A穩(wěn)定達(dá)標(biāo)提供了技術(shù)指導(dǎo)。項(xiàng)目針對(duì)環(huán)太湖污水處理廠水質(zhì)波動(dòng)大、冬季運(yùn)行出水水質(zhì)差的特點(diǎn)，優(yōu)化輔助化學(xué)除磷工藝技術(shù)，建立輔助化學(xué)除磷智能動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，為蘇錫常以及太湖流域的污水處理廠實(shí)現(xiàn)一級(jí)A達(dá)標(biāo)排放提供技術(shù)支撐。項(xiàng)目依托無錫市蘆村污水處理廠，圍繞提高生物脫氮效率和一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，完成了四期新建工程（10萬噸/天）前期的技術(shù)研發(fā)、設(shè)計(jì)與總體集成以及示范跟蹤和運(yùn)行優(yōu)化。項(xiàng)目在無錫蘆村污水處理廠建立示范工程，通過實(shí)際工程與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合，將研究內(nèi)容應(yīng)用于實(shí)際，為污水廠實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的一級(jí)A達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)節(jié)能降耗提供技術(shù)支撐，為全國污水處理廠升級(jí)改造提供良好的應(yīng)用示范，擴(kuò)大了研究成果的影響力。

在蘆村污水處理廠四期工程實(shí)施了協(xié)同化學(xué)除磷動(dòng)態(tài)控制技術(shù)的示范工程。在示范工程實(shí)施過程中，首先基于化學(xué)除磷工藝的運(yùn)行狀況，更新在線儀表設(shè)備的配置，建立了化學(xué)除磷的控制模型和算法，并在中控室集成了化學(xué)除磷的控制程序，最后在10萬m3/d的生產(chǎn)線上進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于“前饋-反饋”相結(jié)合的化學(xué)除磷動(dòng)態(tài)控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)出水一級(jí)A的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，并能使出水TP濃度維持在合理的濃度范圍內(nèi)；動(dòng)態(tài)控制技術(shù)還能最大限度降低投藥量和藥劑對(duì)系統(tǒng)生物反應(yīng)過程影響，藥劑投加量減少20%以上，大大降低了化學(xué)除磷的運(yùn)行成本。本研究成果國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)基于進(jìn)水負(fù)荷變化前饋與好氧池末端磷濃度在線監(jiān)測的反饋的聯(lián)合優(yōu)化控制。

2. 小紅門污水處理廠工程示范

小紅門污水處理廠采用AAO工藝，設(shè)計(jì)處理污水能力60萬m3/d，生物反應(yīng)池分為4個(gè)系列，每系列處理規(guī)模15×104m3/d，4座池可各自獨(dú)立運(yùn)行。

小紅門污水處理廠實(shí)施全流程控制系統(tǒng)，采用了進(jìn)水負(fù)荷前饋-溶解氧濃度反饋的曝氣控制技術(shù)。對(duì)比控制前后一段的溶解氧濃度逐分鐘變化曲線（圖5所示），可以發(fā)現(xiàn)溶解氧濃度存在很大差異。經(jīng)測算該曝氣池的供氣量比控制之前減少15%～20%，在全廠實(shí)施該控制模式，并對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)全廠耗電量減少8%～10%的效果。

“潮平兩岸闊，風(fēng)正一帆懸”——春潮涌漲，江水浩渺，污水處理正待英才迸發(fā)；潮平岸闊，恢弘廣袤，直掛云帆競豪邁！

清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院污水處理過程控制與節(jié)能降耗研究團(tuán)隊(duì)，在城市化發(fā)展浪潮中，善思而立、創(chuàng)新以恒，始終在執(zhí)著和堅(jiān)持中默默探索與耕耘著，在有效推進(jìn)污水處理工作的同時(shí)，為共和國的環(huán)境事業(yè)注入了一股銳意進(jìn)取的科技新氣息。

社會(huì)不斷發(fā)展，污水處理的過程控制及節(jié)能降耗不斷遇到新的挑戰(zhàn)。清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院污水處理過程控制與節(jié)能降耗研究團(tuán)隊(duì)?wèi){借著深厚的科研底蘊(yùn)和豐富的技術(shù)積淀，始終能緊緊抓住科技發(fā)展的脈搏，執(zhí)著進(jìn)取在污水處理與節(jié)能降耗科研領(lǐng)域的最前沿，在越來越廣闊的平臺(tái)上，引領(lǐng)著污水處理事業(yè)這艘“大船”在波瀾壯闊的大潮中不斷前進(jìn)。

在污水處理科技界，有這樣一支團(tuán)隊(duì)，他們情系祖國，遵循著污水處理科技創(chuàng)新的脈絡(luò)，孜孜不倦地行走于科技創(chuàng)新與產(chǎn)業(yè)實(shí)踐之間，研精覃思，溯往觀來，將多學(xué)科的前沿技術(shù)融入到污水處理的過程控制和節(jié)能降耗研究之中，以不竭的創(chuàng)新精神沿著這一方向不斷地向前發(fā)展。

這個(gè)污水處理過程控制團(tuán)隊(duì)依托于環(huán)境模擬與污染控制國家聯(lián)合重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室。據(jù)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人施漢昌介紹，從上個(gè)世紀(jì)90年代開始，他們污水處理控制工業(yè)團(tuán)隊(duì)，就建立了國內(nèi)第一個(gè)污水處理過程模擬軟件，可以說是積淀比較深，歷史很長。而隨著污水處理的發(fā)展，這個(gè)團(tuán)隊(duì)發(fā)展了多項(xiàng)新技術(shù)，并在全國幾十座污水處理廠取得了很好的推廣應(yīng)用。

科技研發(fā)只有緊貼生產(chǎn)實(shí)踐，才能彰顯其價(jià)值。施漢昌介紹，團(tuán)隊(duì)研究的科學(xué)與工程技術(shù)問題都源于污水處理廠的實(shí)際需要，如今，他們針對(duì)新的挑戰(zhàn)，不斷地創(chuàng)新思路，將最新的監(jiān)測技術(shù)、新材料技術(shù)、新的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)等運(yùn)用到傳統(tǒng)的污水處理上來，尤其是最近這些年來，所取得的成績和社會(huì)效益是有目共睹的。

（一）典型研究技術(shù)成果

我國運(yùn)行污水處理廠大都以簡單的反饋控制來實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜處理過程的運(yùn)行控制，導(dǎo)致現(xiàn)有的一些污水處理廠均存在運(yùn)行效果不良的情況。而一些較先進(jìn)的技術(shù)難以在目前污水處理廠運(yùn)行過程中得以實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行效率低下。

該研究團(tuán)隊(duì)提出了基于動(dòng)態(tài)進(jìn)水負(fù)荷的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模擬，建立以進(jìn)水負(fù)荷前饋補(bǔ)償多回路串級(jí)反饋曝氣控制為核心的多參數(shù)控制系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)以進(jìn)水負(fù)荷前饋補(bǔ)償-多回路串級(jí)反饋控制為特點(diǎn)，通過對(duì)曝氣量的優(yōu)化控制，保證了厭氧-缺氧-好氧段的最佳氧化還原狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了同步硝化反硝化。在保證出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下大幅度降低了污水處理的能耗達(dá)5%以上（0.08～0.12kWh/m3），降低化學(xué)除磷的藥耗達(dá)20%以上。

1. AAO工藝曝氣過程的優(yōu)化控制策略與系統(tǒng)研究

曝氣控制系統(tǒng)的精準(zhǔn)程度，特別是增加了前饋控制后，在很大程度上要取決于對(duì)污水生物反應(yīng)動(dòng)力學(xué)過程的可靠模擬。在生物處理工藝中，由于入水水質(zhì)波動(dòng)等干擾，DO在時(shí)間和空間分布是不穩(wěn)定的，而且其動(dòng)力學(xué)特性是非線性的。為了克服前饋控制策略帶來的不確定性，考慮到工程實(shí)踐的可行性，研究團(tuán)隊(duì)提出了如圖1所示的控制策略。

圖2為污水處理工藝的曝氣控制系統(tǒng)界面。控制界面包括三種控制模式：負(fù)荷前饋控制、溶解氧定值反饋和空氣量定值反饋等。操作工人可以選擇不同的控制回路和策略，然后根據(jù)工藝條件設(shè)定需要的目標(biāo)參數(shù)。目前最常用的方式是根據(jù)工藝運(yùn)行情況，設(shè)定溶解氧濃度的目標(biāo)值。曝氣控制系統(tǒng)可以很好地將溶解氧的波動(dòng)控制在0.5 mg/L以內(nèi)，以實(shí)現(xiàn)良好的控制效果。在保證出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下降低了污水處理的能耗達(dá)5%以上。

2.AAO工藝除磷加藥過程的優(yōu)化控制策略與系統(tǒng)

根據(jù)AAO工藝常用的同步除磷和后置除磷工藝，設(shè)計(jì)了化學(xué)除磷的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，如圖3所示?；瘜W(xué)除磷的動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)由在線儀表、加藥設(shè)備、控制軟件及通訊設(shè)備等組成，系統(tǒng)采用前饋控制與反饋控制相結(jié)合的方法，根據(jù)進(jìn)水流量、生化池加藥前正磷濃度和出水總磷濃度計(jì)算合理的加藥量，控制加藥泵的運(yùn)行。

化學(xué)除磷過程控制技術(shù)主要包括兩部分：測定進(jìn)水流量Q、生化段出水磷酸鹽濃度P1，前饋控制前置加藥泵的流量；測定反硝化濾池出水磷酸鹽濃度P2，反饋控制后置加藥泵的流量。以上內(nèi)容分別對(duì)應(yīng)兩套除磷控制系統(tǒng)，均包括采樣監(jiān)測設(shè)備、數(shù)據(jù)采集與控制、控制信號(hào)輸出與執(zhí)行系統(tǒng)等。

3.AAO工藝全流程優(yōu)化控制技術(shù)與系統(tǒng)

研究團(tuán)隊(duì)在分析典型單元運(yùn)行功能和識(shí)別單元可控設(shè)備及變量的基礎(chǔ)上，從全流程優(yōu)化運(yùn)行角度，分析單元間運(yùn)行相關(guān)性，進(jìn)而以穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運(yùn)行和節(jié)能降耗為目標(biāo)，構(gòu)建城市污水處理廠全流程多參數(shù)控制模型及在線數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。在策略和算法研究和模擬的基礎(chǔ)上，給出這套系統(tǒng)應(yīng)用推廣到其他污水處理廠的集成方案，并通過控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)，并輔助以硬件匹配設(shè)計(jì)，極大的提高其推廣應(yīng)用的實(shí)際可操作性，方案集成及應(yīng)用流程見圖4。

（二）工程示范與產(chǎn)業(yè)化

1.蘆村污水處理廠工程示范

研究成果在無錫蘆村污水處理廠四期工程進(jìn)行脫氮優(yōu)化技術(shù)和智能化學(xué)除磷控制技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用示范，提出了適合無錫地區(qū)污水水質(zhì)特點(diǎn)的總氮達(dá)標(biāo)排放技術(shù)，建立了基于進(jìn)水動(dòng)態(tài)變化的智能曝氣控制系統(tǒng)，為該地區(qū)城市污水處理廠一級(jí)A穩(wěn)定達(dá)標(biāo)提供了技術(shù)指導(dǎo)。項(xiàng)目針對(duì)環(huán)太湖污水處理廠水質(zhì)波動(dòng)大、冬季運(yùn)行出水水質(zhì)差的特點(diǎn)，優(yōu)化輔助化學(xué)除磷工藝技術(shù)，建立輔助化學(xué)除磷智能動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)，為蘇錫常以及太湖流域的污水處理廠實(shí)現(xiàn)一級(jí)A達(dá)標(biāo)排放提供技術(shù)支撐。項(xiàng)目依托無錫市蘆村污水處理廠，圍繞提高生物脫氮效率和一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，完成了四期新建工程（10萬噸/天）前期的技術(shù)研發(fā)、設(shè)計(jì)與總體集成以及示范跟蹤和運(yùn)行優(yōu)化。項(xiàng)目在無錫蘆村污水處理廠建立示范工程，通過實(shí)際工程與現(xiàn)場試驗(yàn)相結(jié)合，將研究內(nèi)容應(yīng)用于實(shí)際，為污水廠實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的一級(jí)A達(dá)標(biāo)排放的同時(shí)節(jié)能降耗提供技術(shù)支撐，為全國污水處理廠升級(jí)改造提供良好的應(yīng)用示范，擴(kuò)大了研究成果的影響力。

在蘆村污水處理廠四期工程實(shí)施了協(xié)同化學(xué)除磷動(dòng)態(tài)控制技術(shù)的示范工程。在示范工程實(shí)施過程中，首先基于化學(xué)除磷工藝的運(yùn)行狀況，更新在線儀表設(shè)備的配置，建立了化學(xué)除磷的控制模型和算法，并在中控室集成了化學(xué)除磷的控制程序，最后在10萬m3/d的生產(chǎn)線上進(jìn)行了驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，基于“前饋-反饋”相結(jié)合的化學(xué)除磷動(dòng)態(tài)控制技術(shù)可實(shí)現(xiàn)出水一級(jí)A的穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，并能使出水TP濃度維持在合理的濃度范圍內(nèi)；動(dòng)態(tài)控制技術(shù)還能最大限度降低投藥量和藥劑對(duì)系統(tǒng)生物反應(yīng)過程影響，藥劑投加量減少20%以上，大大降低了化學(xué)除磷的運(yùn)行成本。本研究成果國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)基于進(jìn)水負(fù)荷變化前饋與好氧池末端磷濃度在線監(jiān)測的反饋的聯(lián)合優(yōu)化控制。

2. 小紅門污水處理廠工程示范

小紅門污水處理廠采用AAO工藝，設(shè)計(jì)處理污水能力60萬m3/d，生物反應(yīng)池分為4個(gè)系列，每系列處理規(guī)模15×104m3/d，4座池可各自獨(dú)立運(yùn)行。

小紅門污水處理廠實(shí)施全流程控制系統(tǒng)，采用了進(jìn)水負(fù)荷前饋-溶解氧濃度反饋的曝氣控制技術(shù)。對(duì)比控制前后一段的溶解氧濃度逐分鐘變化曲線（圖5所示），可以發(fā)現(xiàn)溶解氧濃度存在很大差異。經(jīng)測算該曝氣池的供氣量比控制之前減少15%～20%，在全廠實(shí)施該控制模式，并對(duì)鼓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行狀況進(jìn)行優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)全廠耗電量減少8%～10%的效果。

“潮平兩岸闊，風(fēng)正一帆懸”——春潮涌漲，江水浩渺，污水處理正待英才迸發(fā)；潮平岸闊，恢弘廣袤，直掛云帆競豪邁！