城市環(huán)境污水處理過程節(jié)能優(yōu)化控制方法研究

摘要：在城市環(huán)境污水處理設(shè)施的運行過程中，由于控制系統(tǒng)對主要工藝參數(shù)難以準(zhǔn)確感知和預(yù)測，無法有效建立出水質(zhì)量指標(biāo)和設(shè)備運行參數(shù)間的關(guān)聯(lián)，導(dǎo)致鼓風(fēng)機等設(shè)備的調(diào)控不夠精準(zhǔn)，不僅浪費能源，還增加了污水處理廠不必要的生產(chǎn)成本，而且不利于保持出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。本文基于對當(dāng)前城市環(huán)境污水處理節(jié)能問題的闡釋，分析了在活性污泥處理法這一典型處理工藝流程中的節(jié)能途徑，并且探討了如何通過改進提升泵等機電設(shè)備的控制模式來有效降低污水處理能耗并保持出水水質(zhì)的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：節(jié)能途徑;控制技術(shù);優(yōu)化措施;污水處理

中圖分類號：X38 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2020）10-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.019

Abstract：During the operation of urban environmental sewage treatment facilities， the control system cannot accurately perceive and predict the main process parameters，and cannot effectively establish the relationship between the effluent quality indicators and equipment operating parameters.As a result，the regulation of blowers and other equipment is not accurate enough.Wasted energy also increases unnecessary production costs of sewage treatment plants，and is not conducive to maintaining the stability of the effluent quality. Based on the interpretation of current urban environmental sewage treatment energy saving issues，this article analyzes the energy saving approach in the typical treatment process of activated sludge treatment，and discusses how to effectively reduce sewage by improving the control mode of electromechanical equipment such as lift pumps Treat energy consumption and maintain the stability of effluent quality.

Key words：Energy-saving approach;Control technology;Optimization measures;Sewage treatment

城市環(huán)境污水處理事關(guān)水資源的利用率和污染物排放的控制，所以，近年基于活性污泥法等生物技術(shù)的污水處理設(shè)施建設(shè)趨于完善。但因為受到控制技術(shù)的制約，導(dǎo)致污水處理的能耗和綜合成本偏高，難以維持城市環(huán)境污水處理廠的長期運營。探索運用人工智能等現(xiàn)代技術(shù)優(yōu)化對污水處理過程的控制，有利于提升城市污水處理廠的處理能力，并且減少能源消耗，提升水資源的循環(huán)利用率。

1 污水處理的節(jié)能問題及相其影響

城市污水處理設(shè)施中存在水泵等多種大功率機電設(shè)備，在其運行過程中按照工藝路線設(shè)計完成污水提升等流程，控制著各個環(huán)節(jié)的來水水量、供氧量等工藝參數(shù)。理論上所有設(shè)備的運行都應(yīng)以保障出水水質(zhì)達標(biāo)且實現(xiàn)處理效率最大化為原則，精確控制水泵和鼓風(fēng)機等主要設(shè)備的轉(zhuǎn)速、流量等參數(shù)，從而以最低成本完成污水處理。但由于污染物組分與濃度、生化反應(yīng)速度都具有極大的不確定性，因而無法基于時間、流量等參數(shù)的計量保障設(shè)備運行處于最佳狀態(tài)。所以，目前城市污水處理設(shè)施的運行有比較大的節(jié)能空間，但受制于控制技術(shù)水平，無法有效改變目前設(shè)備能耗偏高的問題;而這一方面導(dǎo)致污水處理的處理效率較低而成本偏高，影響了社會資本對進入這一領(lǐng)域的興趣，不利于提升城市環(huán)境污水處理能力;另一方面，由于無法精準(zhǔn)調(diào)控污水處理工藝參數(shù)，還影響了出水水質(zhì)的穩(wěn)定性，不利于精確控制各項指標(biāo)和實現(xiàn)循環(huán)利用。

2 典型污水處理工藝中的能耗影響因素

生物技術(shù)是目前城市環(huán)境污水處理廠工藝路線設(shè)計的核心技術(shù)，而活性污泥法則是最典型的污水二級處理工藝。其中曝氣系統(tǒng)是完成污水中主要污染物分離與降解的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，依靠由鼓風(fēng)機、空氣擴散器等設(shè)備構(gòu)成的系統(tǒng)的運行，使得污染物被污泥吸附并通過好氧微生物的新陳代謝完成降解[2];二次沉淀池和污泥回流系統(tǒng)則將被凈化的水與污泥分離，并且把污泥輸送回曝氣池或使之進入消化系統(tǒng)?；氐狡貧獬氐奈勰鄷⑴c到下一個污水處理循環(huán)中，而進入消化系統(tǒng)的污泥則會在處理后加以利用。分析這一典型工藝流程中的能耗影響因素，能夠明確節(jié)能途徑，從而探索如何改進處理工藝和優(yōu)化控制技術(shù)的應(yīng)用。

2.1 機電設(shè)備性能及其控制模式

在活性污泥法處理工藝流程中，曝氣和污泥處理環(huán)節(jié)均依靠水泵等動力設(shè)備維持系統(tǒng)運轉(zhuǎn)，所以設(shè)備的性能和控制模式直接決定了能耗水平。首先，污水進入不同處理環(huán)節(jié)需要依靠電機驅(qū)動水泵完成，設(shè)備的額定功率和控制方式?jīng)Q定了節(jié)能水平，具有變頻調(diào)速功能的水泵可以讓設(shè)備在高效狀態(tài)下運行[3];其次，在曝氣系統(tǒng)中有多種大功率用電設(shè)備，鼓風(fēng)機、空氣壓縮機需要根據(jù)曝氣池底的溶解氧濃度等參數(shù)調(diào)節(jié)工況，以保障污泥活性、出水水質(zhì)。而控制參數(shù)采集、傳輸?shù)臏?zhǔn)確性和實效性決定了曝氣系統(tǒng)運行的經(jīng)濟性。

2.2 自動化控制系統(tǒng)的功能

自動化控制系統(tǒng)的應(yīng)用是達到節(jié)能目標(biāo)的最有效途徑，而建立起污水處理環(huán)節(jié)關(guān)鍵參數(shù)和設(shè)備運行能耗之間的聯(lián)系，是精確控制提升泵等設(shè)備運行參數(shù)的前提[4]。首先，控制參數(shù)需要結(jié)合工藝原理進行設(shè)置，沉淀池等構(gòu)筑物內(nèi)的液位、水質(zhì)評價和表征生化反應(yīng)條件的指標(biāo)都可以作為調(diào)控設(shè)備運行的參數(shù)。通常情況下，不同污水處理設(shè)備應(yīng)基于多個目標(biāo)實現(xiàn)自動化控制，通過構(gòu)建數(shù)學(xué)模型把對應(yīng)的參數(shù)和出水水質(zhì)關(guān)聯(lián)起來，才能夠起到理想的節(jié)能效果;其次，自動化控制系統(tǒng)的運行需要傳感、通信、計算機等技術(shù)的支撐，系統(tǒng)的軟硬件性能決定了節(jié)能效果。

3 優(yōu)化措施

為了有效降低城市環(huán)境污水處理的成本并提升出水水質(zhì)，應(yīng)針對影響設(shè)備運行能耗的因素探索節(jié)能措施，優(yōu)化設(shè)備選型、改進控制系統(tǒng)功能、運用人工智能技術(shù)強化對重點工藝流程的控制。

3.1 優(yōu)化污水處理設(shè)施的設(shè)計和設(shè)備控制模式

在城市環(huán)境污水處理設(shè)施的規(guī)劃設(shè)計中，首先，應(yīng)通過構(gòu)建分析模型優(yōu)化建筑物和機電設(shè)備安裝的布局，將設(shè)備運行的能耗作為設(shè)計方案優(yōu)化的指標(biāo)之一，通過降低污水提升距離、選擇具有變頻調(diào)速與自動化控制功能的設(shè)備等途徑，降低污水處理過程的能耗和生產(chǎn)成本[5];其次，對于運行中的污水處理設(shè)施，應(yīng)評估現(xiàn)有設(shè)備的運行狀態(tài)和控制模式，通過安裝變頻調(diào)速器或自動化的控制系統(tǒng)提高污水處理過程中提升泵等設(shè)備的控制精度。

3.2 改進自動化控制系統(tǒng)

目前多數(shù)污水處理設(shè)施的自動化控制系統(tǒng)都是基于單一目標(biāo)調(diào)節(jié)設(shè)備運行，通過實時監(jiān)測池底溶解氧濃度控制鼓風(fēng)機的轉(zhuǎn)速，以保障出水水質(zhì)達標(biāo)。所以當(dāng)污水處理系統(tǒng)的負(fù)荷出現(xiàn)波動時，會出現(xiàn)短時間的氧氣不足或過量的問題，影響污泥活性或污水處理效率，而且不利于設(shè)備節(jié)能。而通過在曝氣池的進水、出水口以及中部增加傳感器，采集多組混合液的硝態(tài)氮、懸浮固體和溶解氧濃度的數(shù)據(jù)，可以基于控制系統(tǒng)軟件運行更準(zhǔn)確的評估生化反應(yīng)情況，從而提高曝氣池中各種設(shè)備的控制精度和降低能耗。

3.3 基于人工智能技術(shù)優(yōu)化對曝氣環(huán)節(jié)的控制

人工智能技術(shù)是建立出水水質(zhì)參數(shù)和設(shè)備能耗之間聯(lián)系的關(guān)鍵，可以高效處理生化反應(yīng)過程中復(fù)雜多變的數(shù)據(jù)，從中提取出精確調(diào)控設(shè)備運轉(zhuǎn)所需的信息。所以，針對污水處理工藝流程中能耗比重最大的曝氣環(huán)節(jié)，科研人員對研發(fā)智能化的控制系統(tǒng)進行了重點研究。運用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)構(gòu)建污水處理系統(tǒng)的能耗分析模型是最常見的研究方向，其原理是基于歷史數(shù)據(jù)分析水質(zhì)和能耗影響因素之間的聯(lián)系，在活性污泥法分析模型的基礎(chǔ)上建立能耗和水質(zhì)之間的直接關(guān)系。進而依靠預(yù)測控制技術(shù)對曝氣系統(tǒng)控制器的控制參數(shù)實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化，消除生化反應(yīng)和污水處理負(fù)荷不確定性帶來的影響，根據(jù)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)精準(zhǔn)控制設(shè)備的運行。

4 結(jié)束語

雖然國內(nèi)城市環(huán)境污水處理技術(shù)的研究與應(yīng)用近年來有了一定進步，但在在線監(jiān)測生化反應(yīng)過程和自動控制設(shè)備運行方面，還有很多技術(shù)性問題有待解決，而大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)的應(yīng)用是改進污水處理過程控制方法的關(guān)鍵。

參考文獻

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收稿日期：2020-08-03

作者簡介：程光（1989-），男，漢族，本科學(xué)歷，工程師，研究方向為環(huán)境工程。