★天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院 張泳★天津市排水管理處 季洪瑞

智能控制技術(shù)助力污水處理概念廠

★天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院 張泳
★天津市排水管理處 季洪瑞

本文主要介紹智能控制技術(shù)在污水處理廠節(jié)能和提高能源自給率方面的應(yīng)用。

污水處理概念廠；能源消耗；能源自給率；智能控制技術(shù)

1 引言

2014年初，國(guó)內(nèi)污水處理行業(yè)的專家提出了污水處理概念廠的命題，確定污水處理概念廠應(yīng)包含以下幾個(gè)方向的目標(biāo)：

（1）出水水質(zhì)滿足水體環(huán)境變化和水資源可循環(huán)利用的需要；（2）提高污水處理廠的能源自給率；（3）追求污水中可利用物質(zhì)的合理循環(huán)，減少對(duì)化學(xué)品的依賴與消耗；（4）建設(shè)感官舒適、建筑和諧、環(huán)境友好的污水處理廠。

在污水處理概念廠的目標(biāo)中，低能耗及能源自給是污水處理概念廠的亮點(diǎn)，而先進(jìn)的智能控制技術(shù)在助力污水處理概念廠實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)中，將發(fā)揮重要的作用。

2 智能控制技術(shù)降低污水處理能源消耗

污水處理作為能耗型行業(yè)，消耗的能源主要包括電及各類化學(xué)藥劑等，其成本占其總成本的50%以上。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城鎮(zhèn)污水處理年耗電已突破100億千瓦時(shí)，其能耗量約占社會(huì)總能耗量的2%。而先進(jìn)的控制技術(shù)及控制策略，可以顯著地降低污水處理過(guò)程中的電力消耗及藥與各類化學(xué)藥劑消耗。

污水處理系統(tǒng)具有不確定性和不穩(wěn)定性，其處理過(guò)程的特點(diǎn)是變量多、非線性、時(shí)變性與隨機(jī)性，建立精確的數(shù)學(xué)模型比較困難。同時(shí)，污水處理系統(tǒng)的控制屬于多目標(biāo)控制，既需要控制各項(xiàng)出水指標(biāo)，又需要抑制外部干擾對(duì)處理過(guò)程的影響。在污水處理概念廠中，目標(biāo)之一就是追求處理過(guò)程的費(fèi)效比最大化、最優(yōu)化。因此，在污水處理概念廠中，控制系統(tǒng)需要多個(gè)變量的支持，知識(shí)系統(tǒng)、信息處理系統(tǒng)、認(rèn)知系統(tǒng)、規(guī)劃與控制系統(tǒng)及控制算法更復(fù)雜，不采用智能控制，無(wú)法實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。而一旦采用了先進(jìn)的智能控制技術(shù)，其所帶來(lái)的效益是非常顯著的。

以天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院在天津市某污水處理廠工程中采用的精確曝氣分配與控制智能化系統(tǒng)為例，系統(tǒng)的計(jì)算和控制回路采用專家智能系統(tǒng)和模糊神經(jīng)元控制技術(shù)，打破了傳統(tǒng)溶解氧控制系統(tǒng)的滯后性、易受外界擾動(dòng)影響等局限性，建立起適合該污水處理廠的氣量分配和控制數(shù)據(jù)模型，并在調(diào)試中結(jié)合實(shí)際進(jìn)水水質(zhì)、水量特征和實(shí)際負(fù)荷狀況，不斷地完善系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)，跟蹤負(fù)載的變化，根據(jù)工藝的溶解氧設(shè)定值，智能化的分配每個(gè)階段的曝氣量，滿足實(shí)際運(yùn)行工況的需要，達(dá)到氣體供應(yīng)的最佳化，使生物反應(yīng)池能高效、穩(wěn)定運(yùn)行（如圖1所示）。

圖1 污水處理廠的氣量分配和控制數(shù)據(jù)模型

在采用該系統(tǒng)后，可以滿足工藝流程中生物反應(yīng)池各個(gè)區(qū)段對(duì)溶解氧梯度的控制要求，同時(shí)將傳統(tǒng)的PID控制系統(tǒng)中溶解氧的波動(dòng)降到較低的水平，從而降低曝氣系統(tǒng)能量的消耗。從實(shí)際效果看，該曝氣系統(tǒng)的能量消耗比常規(guī)曝氣系統(tǒng)降低了約15%～20%。

同樣，在污水處理廠污泥脫水過(guò)程中，因?yàn)橥都拥木酆衔锏慕M分不可能一直保持不變，加藥泵的泵速也不會(huì)保持不變，靠人工不可能及時(shí)了解所有這些變化，并調(diào)節(jié)聚合物的投加量。因此，現(xiàn)有的聚合物投加一般采用的是經(jīng)驗(yàn)值等比例投加方式。同時(shí)為了緩解上述波動(dòng)，使進(jìn)入脫水機(jī)的污泥更好的沉降，常用的做法就是采用過(guò)量的投加比例，這勢(shì)必造成聚合物的過(guò)量投加，帶來(lái)不必要的藥劑消耗及成本的增加。

而在污水處理概念廠中，可以采用更為先進(jìn)的聚合物投加智能控制系統(tǒng)（如圖2所示），通過(guò)檢測(cè)脫水機(jī)的濾后液中的電荷情況來(lái)判斷聚合物的投加是否適當(dāng)。檢測(cè)濾后液電荷情況后經(jīng)過(guò)系統(tǒng)分析，再通過(guò)智能控制器來(lái)控制聚合物投加泵，精確地控制聚合物的投加量，不僅可以節(jié)省聚合物的投加費(fèi)用，同時(shí)也減少了進(jìn)入污泥中的化學(xué)藥品量，減少了脫水機(jī)的維護(hù)量，提高了脫水機(jī)的工作效率。

圖2 聚合物投加智能控制系統(tǒng)

經(jīng)過(guò)測(cè)算，采用聚合物智能控制系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的定量控制，每年可以在污泥脫水環(huán)節(jié)節(jié)省約20%～40%的化學(xué)藥品投加量。

3 智能控制技術(shù)提高污水處理廠的能源自給率

在提出污水處理概念廠的專家看來(lái)，中國(guó)污水處理技術(shù)偏離了國(guó)際主流。近年來(lái)，發(fā)達(dá)國(guó)家污水處理廠的能效改造與排放標(biāo)準(zhǔn)改造必須同步進(jìn)行，而中國(guó)污水處理廠的高耗能改造卻依舊未能推行，能耗更低的厭氧消化技術(shù)在中國(guó)的應(yīng)用只有不到50家。

2015年訪問(wèn)芬蘭時(shí)，我們調(diào)研了當(dāng)?shù)厝舾勺鬯幚韽S。其中圖爾庫(kù)的KAKOLANMAKI污水處理廠，服務(wù)人口約30萬(wàn)人，處理生活污水及工業(yè)廢水共計(jì)約9萬(wàn)噸/日，工藝流程采用傳統(tǒng)的AAO活性污泥法+砂濾處理工藝。其出水提供給當(dāng)?shù)匾患宜礋岜霉咀鳛閾Q熱水源，為圖爾庫(kù)地區(qū)提供供熱服務(wù)。污泥經(jīng)過(guò)脫水后外運(yùn)做厭氧消化處理，年產(chǎn)沼氣約460萬(wàn)立方米，年發(fā)電約1.3GWh。赫爾辛基的VIIKINMAKI污水處理廠規(guī)模為20萬(wàn)噸/日，工藝流程采用傳統(tǒng)的AAO活性污泥法+深度處理工藝（如圖3所示）。其污泥經(jīng)過(guò)消化產(chǎn)生的沼氣用來(lái)發(fā)電供本廠使用，可以滿足69%的廠用電能，其出水也是提供給當(dāng)?shù)匾患宜礋岜霉咀鳛閾Q熱水源，為赫爾辛基地區(qū)提供供熱服務(wù)。

圖3 赫爾辛基的VIIKINMAKI污水處理廠

在上述兩座污水處理廠中，污水源熱泵和厭氧沼氣發(fā)電技術(shù)的應(yīng)用，最大程度地減少了污水處理廠對(duì)外部能源的依賴程度。從這兩座污水處理廠的能耗分析來(lái)看，應(yīng)該是污水處理廠能源自給的典范。其能源、資源回收率很高，其能源自給率均達(dá)到60%以上。而先進(jìn)的智能控制技術(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)發(fā)揮了重要的作用。

相對(duì)于好氧生物處理，厭氧消化具有高有機(jī)負(fù)荷、剩余污泥量小、綠色能源回收以及較低的運(yùn)行和維護(hù)費(fèi)用等優(yōu)勢(shì)。但是，厭氧消化同樣存在著處理過(guò)程中的多變量、非線性、時(shí)變性與隨機(jī)性。一些環(huán)境因素如pH、溫度、有機(jī)負(fù)荷和氨氮濃度等，均影響著厭氧消化過(guò)程的穩(wěn)定進(jìn)行。當(dāng)我們通過(guò)調(diào)節(jié)工藝參數(shù)（pH、溫度、碳氮比等）來(lái)控制消化池中氨的濃度時(shí)，又會(huì)引起其他相關(guān)因素的變化。例如，降低反應(yīng)溫度可消除氨的抑制作用，但溫度的降低對(duì)厭氧消化的產(chǎn)氣量影響非常大。解決這些環(huán)境因素對(duì)厭氧消化過(guò)程的影響，除了工藝設(shè)計(jì)外，必須采用先進(jìn)的智能控制技術(shù)（如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、專家控制、人工智能控制等），根據(jù)儀表采集到的大量過(guò)程信息，通過(guò)智能控制器的收集、處理、分析、判斷、輸出，達(dá)到既定的控制目標(biāo)。

又例如，在消化池中，有效的混合攪拌可以促進(jìn)進(jìn)料污泥在消化池內(nèi)充分混合，可以促進(jìn)進(jìn)料污泥與微生物充分接觸，可以防止熱分層，減少浮渣，稀釋進(jìn)料中的有毒物質(zhì)，促進(jìn)消化氣從消化液中的分離，但是如何評(píng)價(jià)攪拌系統(tǒng)的效果一直是個(gè)難題?，F(xiàn)在常用的方法有固體曲線分析法、溫度曲線法、示蹤劑法，其中固體曲線法和溫度曲線法都存在失敗的可能性。示蹤法是評(píng)價(jià)攪拌系統(tǒng)性能最準(zhǔn)確的方法，但是存在系統(tǒng)復(fù)雜、繁冗、性價(jià)比較差等缺點(diǎn)。在現(xiàn)有技術(shù)條件下，我們可以利用嵌入式技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)出相應(yīng)的智能化示蹤器，運(yùn)用到消化池的混合攪拌效果的評(píng)價(jià)上，可以實(shí)現(xiàn)更經(jīng)濟(jì)、更準(zhǔn)確、更智能化的混合攪拌控制，提高消化池的產(chǎn)氣率，降低溫室氣體排放，節(jié)約能耗。

4 結(jié)語(yǔ)

智能控制技術(shù)的應(yīng)用，可以帶來(lái)人工成本降低、運(yùn)營(yíng)水平的改善、節(jié)能降耗、提高能源自給率，全方位提高污水處理廠的運(yùn)營(yíng)管理效率。其應(yīng)用不局限于一些示范性的污水處理概念廠，對(duì)所有的污水處理企業(yè)都具有實(shí)用價(jià)值。在全球能源危機(jī)、氣候變化和資源緊缺背景下，發(fā)展低能耗、低物耗，在穩(wěn)定達(dá)標(biāo)前提下能源化、資源化、精細(xì)化的管理及控制的污水處理新模式，將已有技術(shù)和各種新技術(shù)，包括智能控制技術(shù)不斷融入污水處理工程中，是未來(lái)污水處理的發(fā)展方向。

[1] 張泳. 節(jié)能控制技術(shù)在污水處理廠改造工程中的應(yīng)用[J]. 自動(dòng)化博覽，2011, (7) ：70 - 72.

[2] 美國(guó)水環(huán)境聯(lián)合會(huì). 城鎮(zhèn)污水處理廠運(yùn)行管理手冊(cè)[M]. 北京： 中國(guó)建筑工業(yè)出版社, 2012.

Intelligent Control Technology to Assist the Concept Plant of Sewage Treatment

This paper introduces the application of intelligent control technologiesfor energy saving and energy self-sufficiency rateimprovement in sewage treatment plants.

Concept plant of sewage treatment; Energy consumption; Energy self-sufficiency rate; Intelligent Control Technology

張 泳（1971-），男，教授級(jí)高級(jí)工程師，重慶建筑工程學(xué)院工業(yè)電氣自動(dòng)化專業(yè)畢業(yè)，碩士，現(xiàn)就職于天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院。

季洪瑞（1973-），女，高級(jí)工程師，天津大學(xué)工商管理碩士，現(xiàn)就職于天津市排水管理處。