污水處理過程的控制與優(yōu)化技術(shù)

解宏端　楊雨桐　王玲　刑文東

摘 要：該文描述了污水處理存在的幾點(diǎn)主要問題，我國水環(huán)境污染問題越來越嚴(yán)重。文章從建模計(jì)算方法、控制技術(shù)優(yōu)化、測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用、節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用等方面對(duì)污水處理過程的優(yōu)化進(jìn)行了綜述。優(yōu)化控制技術(shù)對(duì)于節(jié)能減排、污水達(dá)標(biāo)排放、工廠運(yùn)營(yíng)效率等方面均具有促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：污水處理過程 節(jié)能減排 優(yōu)化 控制

中圖分類號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）07（a）-0141-02

隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，工業(yè)化、城鎮(zhèn)化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化的加快發(fā)展，污水排放量越來越多，大量的污水未經(jīng)處理直接排放，嚴(yán)重污染地表水系，水環(huán)境污染日益加重。對(duì)人們的生產(chǎn)生活造成嚴(yán)重影響。

我國目前仍然奉行“誰污染，誰治理”的水污染治理原則。國家明確規(guī)定了企業(yè)必須將自己的生產(chǎn)和生活污水在排放前進(jìn)行處理，只有當(dāng)污水的相關(guān)指標(biāo)達(dá)到國家規(guī)定的污水排放標(biāo)準(zhǔn)后才能夠排放。因此，各大污染類企業(yè)都需要建立相應(yīng)的污水處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)對(duì)污水的處理，污水處理系統(tǒng)成為了一個(gè)研究的熱點(diǎn)。研究并解決水污染控制問題，改善水環(huán)境污染現(xiàn)狀，具有重要的意義。

1 我國污水處理存在的問題

我國城市污水處理能力增長(zhǎng)緩慢，同國外污水處理行業(yè)相對(duì)比，我國的污水處理過程主要存在以下幾點(diǎn)問題：（1）污水處理技術(shù)落后；（2）資金短缺；（3）管理水平低。

2 國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 污水處理過程計(jì)算與建模監(jiān)測(cè)方法

污水處理過程是一個(gè)十分復(fù)雜的非線性的工業(yè)系統(tǒng)，同時(shí)具有嚴(yán)重的不確定性，包含了許多復(fù)雜的生化反應(yīng)。這就需要研究人員發(fā)展和建立與污水處理過程特點(diǎn)相適應(yīng)的高效優(yōu)化方法。徐恭賢等針對(duì)污水處理過程的非線性反應(yīng)，采用間接優(yōu)化方法，首先將描述污水處理過程優(yōu)化的多目標(biāo)非線性問題轉(zhuǎn)化為多目標(biāo)線性規(guī)劃問題，然后利用遺傳算法對(duì)其進(jìn)行求解。簡(jiǎn)化了計(jì)算難度，節(jié)約了計(jì)算成本。

污水處理的特點(diǎn)導(dǎo)致難以建立精確的數(shù)學(xué)模型，智能算法的出現(xiàn)幫助了復(fù)雜系統(tǒng)建模。Martin Cote等研究了活性污泥處理過程的動(dòng)態(tài)模擬，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)改善預(yù)測(cè)并開發(fā)了一個(gè)程序以提高現(xiàn)有活性污泥過程（機(jī)械模型）的精度。Wan將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與 GA 結(jié)合，應(yīng)用于污水廠出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)及優(yōu)化控制參數(shù)，建成的模型具有良好組織、學(xué)習(xí)能力，出水水質(zhì)監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確率達(dá)到70%。降低了污水處理預(yù)報(bào)難度，有效的改善了污水處理情況。

2.2 污水處理過程優(yōu)化控制方法

我國的污水處理過程的自動(dòng)化水平相對(duì)落后，僅僅在數(shù)據(jù)采集和簡(jiǎn)單設(shè)備（例如污泥回流泵、提升泵、鼓風(fēng)機(jī)等）的控制上實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。污水處理過程建模和控制方面的研究有待進(jìn)一步發(fā)展。

我國城市污水處理廠的污水處理過程，采用自動(dòng)化程度高的控制系統(tǒng)可以大大降低工作人員數(shù)量和工作強(qiáng)度，節(jié)省污水處理成本。目前污水處理廠設(shè)備操作都是有工作經(jīng)驗(yàn)的員工根據(jù)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行控制，對(duì)于工作人員的技術(shù)具有很高的要求。有了自控系統(tǒng)之后，可以根據(jù)情況預(yù)先設(shè)定工藝流程，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制設(shè)備，避免操作人員的失誤，減少不必要的資源浪費(fèi)，降低污水處理成本。

控制結(jié)構(gòu)采用三臺(tái)工業(yè)PC機(jī)配置冗余監(jiān)控系統(tǒng)，兩臺(tái)作為主監(jiān)控系統(tǒng)提供給工作人員使用，一臺(tái)作為副監(jiān)控系統(tǒng)。日常事務(wù)由兩個(gè)主工作站負(fù)責(zé)，出現(xiàn)問題時(shí)三臺(tái)可以進(jìn)行交換負(fù)責(zé)，現(xiàn)場(chǎng)PLC系統(tǒng)、監(jiān)控設(shè)備和PC機(jī)配有UPS電源，提高系統(tǒng)的可靠性。

張波等以華中某污水處理廠為對(duì)象，分析污水處理的工藝流程，將自動(dòng)控制系統(tǒng)應(yīng)用于污水處理廠，編制了控制程序面向于污水處理過程，開發(fā)了圖形化的界面，實(shí)現(xiàn)了與現(xiàn)場(chǎng)儀表的通信，從而構(gòu)成了一套控制功能強(qiáng)、開放性好、便于操控的自動(dòng)控制系統(tǒng)。保證了污水處理過程的正常運(yùn)行。

曝氣過程控制的反饋環(huán)節(jié)：包括“溶解氧-曝氣量-閥門”串級(jí)反饋控制和鼓風(fēng)機(jī) MCP 柜控制。通過比較實(shí)時(shí)溶解氧濃度值與前饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)提供的溶解氧設(shè)定值之間的差距，計(jì)算所需要的曝氣量，然后調(diào)整電動(dòng)閥門。通過氣體壓力計(jì)采集干管壓力信號(hào)，送入鼓風(fēng)機(jī) MCP柜控制系統(tǒng)，然后與壓力設(shè)定值進(jìn)行比較，以調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)的導(dǎo)葉開度和編組運(yùn)行狀態(tài)。

化學(xué)除磷過程的反饋環(huán)節(jié)：采用“出水總磷-加藥泵變頻器”的 PID 算法，比較在線磷酸儀采集的出水總磷濃度與設(shè)定值之間的差距，實(shí)時(shí)修正加藥泵頻率。

實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制污水處理過程，同時(shí)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，更加精準(zhǔn)高效的處理污水，同時(shí)大大的節(jié)約了能源。

2.3 污水處理測(cè)量設(shè)備應(yīng)用

生產(chǎn)過程中的最重要的問題是在線測(cè)量?jī)x表缺乏，無法準(zhǔn)確得到污水處理過程的相關(guān)參數(shù)。目前存在的一些自動(dòng)測(cè)量的儀器（如COD自動(dòng)檢測(cè)儀等）普遍存在價(jià)格昂貴、檢測(cè)周期長(zhǎng)、穩(wěn)定性差、維修費(fèi)用貴的問題。

張鐵橋等針對(duì)Carossel氧化溝污水處理法設(shè)計(jì)了一套自動(dòng)控制系統(tǒng)，由可編程邏輯控制器（PLC）、交換機(jī)（SWITCH）、工控機(jī)（IPC）構(gòu)成。在氧化溝溶解氧控制環(huán)節(jié)中采用基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID參數(shù)控制器，由基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在線調(diào)整PID參數(shù)，使控制系統(tǒng)具有良好的魯棒性，從而解決氧化溝DO的控制問題，使污水處理更加精準(zhǔn)。

2.4 污水處理節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用

當(dāng)今社會(huì)能源緊缺，可持續(xù)發(fā)展，綠色發(fā)展成為人們關(guān)注的話題。污水處理能耗在社會(huì)能源消耗總量中占有較大比例。隨著污水處理越來越受重視，污水處理的能耗問題也越來越受關(guān)注。以清潔生產(chǎn)，綠色環(huán)保理念作為指導(dǎo)，探索污水處理節(jié)能降耗的可行性方法。

3 污水處理進(jìn)程優(yōu)化意義

（1）污水處理全過程的控制和優(yōu)化有利于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，努力實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

隨著全球經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，污水處理廠的規(guī)模越來越大，因此產(chǎn)生能耗問題也越來越嚴(yán)峻。據(jù)統(tǒng)計(jì)，處理活性污泥的系統(tǒng)中，其運(yùn)行成本中的能耗成本就占到總成本的30%～80%。城鎮(zhèn)的污水處理廠所耗費(fèi)的電能約占全國總用電量的3%。優(yōu)化控制污水處理可以有效降低能耗問題。

（2）污水處理全過程的優(yōu)化可有效控制污水處理達(dá)到相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，有效解決污水排放問題。

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國家必將制定嚴(yán)格的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。優(yōu)化污水處理過程可以使得污水排放穩(wěn)定達(dá)標(biāo)，解決水環(huán)境的污染問題。污水處理廠的工作人員需要學(xué)習(xí)先進(jìn)控制技術(shù)，對(duì)于污水的入水水質(zhì)、生化反應(yīng)過程、出水水質(zhì)波動(dòng)等各種檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，結(jié)合智能檢測(cè)、診斷與控制技術(shù)開展綜合控制與優(yōu)化，以保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

（3）污水處理過程的優(yōu)化可有效提高污水處理廠的運(yùn)營(yíng)效率。

我國的污水處理行業(yè)，缺少對(duì)于處理水質(zhì)的精確建模和處理過程的優(yōu)化控制，為了保證在最惡劣的入水水質(zhì)情況下，保證出水水質(zhì)，從而采取加大處理設(shè)施的容量的方法，導(dǎo)致建廠成本加大，日常運(yùn)營(yíng)能量消耗增加，運(yùn)營(yíng)效率降低。優(yōu)化污水處理技術(shù)，建立精確的監(jiān)測(cè)控制，實(shí)時(shí)調(diào)整處理設(shè)施，可極大提高污水處理廠的處理能力。

參考文獻(xiàn)

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