摘要：在城市環(huán)境污水處理設施的運行過程中，由于控制系統(tǒng)對主要工藝參數(shù)難以準確感知和預測，無法有效建立出水質量指標和設備運行參數(shù)間的關聯(lián)，導致鼓風機等設備的調控不夠精準，不僅浪費能源，還增加了污水處理廠不必要的生產成本，而且不利于保持出水水質的穩(wěn)定性。本文基于對當前城市環(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備的控制模式來有效降低污水處理能耗并保持出水水質的穩(wěn)定性。

關鍵詞：節(jié)能途徑;控制技術;優(yōu)化措施;污水處理

中圖分類號：X38 文獻標識碼：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的污水處理設施建設趨于完善。但因為受到控制技術的制約，導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

城市污水處理設施中存在水泵等多種大功率機電設備，在其運行過程中按照工藝路線設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)。理論上所有設備的運行都應以保障出水水質達標且實現(xiàn)處理效率最大化為原則，精確控制水泵和鼓風機等主要設備的轉速、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)的計量保障設備運行處于最佳狀態(tài)。所以，目前城市污水處理設施的運行有比較大的節(jié)能空間，但受制于控制技術水平，無法有效改變目前設備能耗偏高的問題;而這一方面導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，由于無法精準調控污水處理工藝參數(shù)，還影響了出水水質的穩(wěn)定性，不利于精確控制各項指標和實現(xiàn)循環(huán)利用。

2 典型污水處理工藝中的能耗影響因素

生物技術是目前城市環(huán)境污水處理廠工藝路線設計的核心技術，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鍵環(huán)節(jié)，依靠由鼓風機、空氣擴散器等設備構成的系統(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)化控制技術的應用。

2.1 機電設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備維持系統(tǒng)運轉，所以設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)需要依靠電機驅動水泵完成，設備的額定功率和控制方式決定了節(jié)能水平，具有變頻調速功能的水泵可以讓設備在高效狀態(tài)下運行[3];其次，在曝氣系統(tǒng)中有多種大功率用電設備，鼓風機、空氣壓縮機需要根據曝氣池底的溶解氧濃度等參數(shù)調節(jié)工況，以保障污泥活性、出水水質。而控制參數(shù)采集、傳輸?shù)臏蚀_性和實效性決定了曝氣系統(tǒng)運行的經濟性。

2.2 自動化控制系統(tǒng)的功能

自動化控制系統(tǒng)的應用是達到節(jié)能目標的最有效途徑，而建立起污水處理環(huán)節(jié)關鍵參數(shù)和設備運行能耗之間的聯(lián)系，是精確控制提升泵等設備運行參數(shù)的前提[4]。首先，控制參數(shù)需要結合工藝原理進行設置，沉淀池等構筑物內的液位、水質評價和表征生化反應條件的指標都可以作為調控設備運行的參數(shù)。通常情況下，不同污水處理設備應基于多個目標實現(xiàn)自動化控制，通過構建數(shù)學模型把對應的參數(shù)和出水水質關聯(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，應針對影響設備運行能耗的因素探索節(jié)能措施，優(yōu)化設備選型、改進控制系統(tǒng)功能、運用人工智能技術強化對重點工藝流程的控制。

3.1 優(yōu)化污水處理設施的設計和設備控制模式

在城市環(huán)境污水處理設施的規(guī)劃設計中，首先，應通過構建分析模型優(yōu)化建筑物和機電設備安裝的布局，將設備運行的能耗作為設計方案優(yōu)化的指標之一，通過降低污水提升距離、選擇具有變頻調速與自動化控制功能的設備等途徑，降低污水處理過程的能耗和生產成本[5];其次，對于運行中的污水處理設施，應評估現(xiàn)有設備的運行狀態(tài)和控制模式，通過安裝變頻調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)污水處理設施的自動化控制系統(tǒng)都是基于單一目標調節(jié)設備運行，通過實時監(jiān)測池底溶解氧濃度控制鼓風機的轉速，以保障出水水質達標。所以當污水處理系統(tǒng)的負荷出現(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，可以基于控制系統(tǒng)軟件運行更準確的評估生化反應情況，從而提高曝氣池中各種設備的控制精度和降低能耗。

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

人工智能技術是建立出水水質參數(shù)和設備能耗之間聯(lián)系的關鍵，可以高效處理生化反應過程中復雜多變的數(shù)據，從中提取出精確調控設備運轉所需的信息。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。運用神經網絡系統(tǒng)構建污水處理系統(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)據分析水質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上建立能耗和水質之間的直接關系。進而依靠預測控制技術對曝氣系統(tǒng)控制器的控制參數(shù)實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化，消除生化反應和污水處理負荷不確定性帶來的影響，根據實時監(jiān)測數(shù)據精準控制設備的運行。

4 結束語

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

參考文獻

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[5]劉揚.污水處理過程中節(jié)能優(yōu)化的控制方法探微[J].中小企業(yè)管理與科技，2016（24）：244-245.

收稿日期：2020-08-03

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