關(guān)鍵詞：污水處理；智能監(jiān)控；數(shù)據(jù)采集；智能決策

中圖分類號：X705 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：1003-5168（2025）11-0004-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2025.11.001

Application and Effect Evaluation of Intelligent Technology in Sewage Treatment System

HOU YongtaoGUO Nan （Shandong Zhongxin Zhengda Project Consulting Co.， Ltd.， Zibo 255ooO， China）

Abstract： [Purposes] This paper aims to improve the efficiencyand reliability of sewage treatment systems by introducing intelligent monitoring and management technologies.[Methods] The paper first analyzes the architecture of the inteligent monitoring system for sewage treatment.The system is mainly composed of multiple key components，covering allevels from on-site monitoring，data collection to central control.Secondly，taking the inteligent transformation project ofa large sewage treatment plant as an example，the study describes in detail the key technical applications in the implementation process，including the integration of real-time data monitoring，automatic adjustment system and intelligent decision support system.[Findings] By comparing the operating data before and after the renovation，the fluctuation range of dissolved oxygen concentration decreased from 2.0＼～12.0 mg/L to 3.0＼～10.0 mg/L. The fluctuation range of pH value waterquality has decreased from 6.5＼～8.5 to 6.8＼～7.8.The electricity consumption has decreased from 100000kW? h/month to 88 Ooo kW·h/month.The equipment failure rate has been reduced from 5% to 4.25% . The equipment fault repair time was reduced from 12 hours to 7 hours.[Conclusions] The study shows that the application of inteligent monitoring and management technology has optimized the water quality control process of the sewage treatment system，reduced energy consumption，and improved the efficiency of equipment failure early warning and repair.In the future，this technology is expected to be promoted in a wider range of environmental management and industrial applications，and can further explore the potential of intelligent technologyin the fieldof environmental protection.

Keywords： sewage treatment; intelligent monitoring; data collection; intelligent decision-making

0 引言

隨著工業(yè)化進程的加快和城市化水平的提高，污水處理的需求日益增加，傳統(tǒng)的污水處理方式已難以滿足實時性、精確性和智能化的要求。因此，智能化監(jiān)控與管理系統(tǒng)的應(yīng)用成為提高污水處理效率、降低運營成本、實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的重要方向?；谛畔⒓夹g(shù)、傳感器技術(shù)、大數(shù)據(jù)分析及人工智能等多學(xué)科的綜合應(yīng)用，智能化污水處理系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對污水處理過程的全面監(jiān)控、數(shù)據(jù)實時采集和自動化控制，有效提升系統(tǒng)運行的智能化水平[1]污水處理系統(tǒng)的智能化監(jiān)控與管理不僅可以提高處理效率，還能實現(xiàn)故障預(yù)警、設(shè)備維護優(yōu)化和節(jié)能減排等。通過對系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)的深度挖掘與分析，能夠精確判斷和調(diào)整工藝參數(shù)，保障污水處理的穩(wěn)定性和可靠性。本研究旨在探討智能化監(jiān)控與管理技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用與實踐，通過對相關(guān)案例的分析，展示其在實際運營中的可行性與成效，最終為提升污水處理系統(tǒng)的智能化水平提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。

1污水處理智能化監(jiān)控系統(tǒng)概述

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)與組成

污水處理智能化監(jiān)控系統(tǒng)以分層、模塊化的方式設(shè)計，以確保各部分高效地協(xié)同工作，具體如圖1所示。由圖1可知，該系統(tǒng)主要由多個關(guān)鍵組件組成，涵蓋了從現(xiàn)場監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集到中央控制的各個層次。首先，現(xiàn)場設(shè)備和傳感器（如污泥濃縮房、粗格柵、提升泵房等）通過現(xiàn)場儀表和可編程邏輯控制器（PLC）進行實時數(shù)據(jù)采集和處理。這些設(shè)備通過工業(yè)以太網(wǎng)交換機和千兆冗余光纖環(huán)網(wǎng)與更高層的控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)傳輸，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性[2。其次，在中控層，數(shù)據(jù)通過工業(yè)電視控制系統(tǒng)、管理層交換機等設(shè)備傳輸至中央控制室，形成一個多級監(jiān)控體系。中央控制室是系統(tǒng)的核心，通過主監(jiān)視器、主監(jiān)控器等設(shè)備對污水處理過程進行實時監(jiān)控，并結(jié)合圖像服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)圖像服務(wù)器等設(shè)備，實現(xiàn)對現(xiàn)場圖像和數(shù)據(jù)的集中管理與顯示[3]。再次，化驗室操作臺、操作站、工程師站等功能區(qū)域則為操作人員提供了靈活的調(diào)度與管理接口，確保各項處理工藝的有效實施。最后，在高層管理與決策層（如廠長辦公室、技術(shù)科辦公室、總工辦公室等），通過管理信息系統(tǒng)（MIS）服務(wù)器與系統(tǒng)進行信息交換，為管理者提供實時的運行數(shù)據(jù)和決策支持，進而優(yōu)化污水處理過程

1.2數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)

在污水處理智能化監(jiān)控系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)是確保整個系統(tǒng)實時精確運行的關(guān)鍵。該過程通常包括數(shù)據(jù)的獲取、預(yù)處理、傳輸、存儲及后續(xù)分析等。為了保障數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性，現(xiàn)場的各種傳感器（如pH傳感器、溶解氧傳感器、流量傳感器等）與PLC控制器共同完成實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴霞壙刂葡到y(tǒng)[4]

數(shù)據(jù)采集的精確性和穩(wěn)定性往往依賴于多種傳感器和控制器的協(xié)作工作。在傳感器工作時，噪聲和外部干擾往往會導(dǎo)致信號的不準(zhǔn)確，常采用卡爾曼濾波（KalmanFilter）算法對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。卡爾曼濾波器是一種用于估計動態(tài)系統(tǒng)狀態(tài)的遞歸算法，適用于處理噪聲干擾數(shù)據(jù)。其數(shù)學(xué)模型的表示見式（1）和式（2）。

x_k=Ax_k-1+Bu_k+w_k

z_k=Hx_k+v_k

式中： x_k 是系統(tǒng)的狀態(tài)； A 是狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣； B 是控制輸人矩陣； u_k 是控制輸人； w_k 是過程噪聲； z_k 是觀測值； H 是觀測矩陣； v_k 是觀測噪聲。通過上述公式，卡爾曼濾波器能夠估算出系統(tǒng)的最優(yōu)狀態(tài)，減小噪聲對數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的影響

此外，在數(shù)據(jù)采集過程中，常用的數(shù)據(jù)傳輸方式是工亞以太網(wǎng)，采用TCP/IP協(xié)議進行數(shù)據(jù)的實時傳輸。為了保證高效的數(shù)據(jù)流通，數(shù)據(jù)傳輸過程中通常會利用傳輸控制協(xié)議（TCP）中的擁塞控制和流量控制算法，以確保系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性。同時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中也會采用冗余機制，如雙鏈路傳輸和環(huán)網(wǎng)技術(shù)，確保數(shù)據(jù)不會丟失并減少延遲。最終，采集的數(shù)據(jù)會存儲在云平臺或數(shù)據(jù)庫中，便于進行歷史數(shù)據(jù)分析、趨勢預(yù)測及系統(tǒng)優(yōu)化。在存儲和管理方面，采用大數(shù)據(jù)技術(shù)與數(shù)據(jù)倉庫架構(gòu)，對海量數(shù)據(jù)進行處理和分析[5]。

1.3智能決策與控制算法

智能決策與控制算法在污水處理智能化監(jiān)控系統(tǒng)中負責(zé)根據(jù)實時數(shù)據(jù)對系統(tǒng)進行優(yōu)化控制。常見的控制算法包括PID控制、模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制等。PID控制廣泛應(yīng)用于污水處理的各項調(diào)節(jié)任務(wù)，如溶解氧、污泥濃縮、流量調(diào)節(jié)等，能夠通過實時調(diào)節(jié)各個處理環(huán)節(jié)的控制變量，確保系統(tǒng)在理想狀態(tài)下運行。PID控制算法的基本數(shù)學(xué)模型見式（3）。

式中： e（t） 是誤差； u（t） 是控制輸出； K_p、K_i、K_d 分別為比例、積分和微分增益系數(shù)。通過實時監(jiān)測溶解氧、流量、液位等參數(shù)與設(shè)定值之間的誤差，PID控制器能夠自動調(diào)整閥門、泵浦等設(shè)備的運轉(zhuǎn)，從而維持污水處理過程中的參數(shù)在最優(yōu)狀態(tài)。

為了適應(yīng)復(fù)雜的工藝變化和不確定性，模糊控制也被廣泛應(yīng)用于污水處理系統(tǒng)中。模糊控制通過模糊邏輯系統(tǒng)來處理不精確或不確定的控制信息。模糊控制的核心是通過模糊規(guī)則庫將輸入變量（如溶解氧 ?pH 值等）映射到控制變量（如曝氣量、藥劑添加量等）。模糊控制器輸出結(jié)果的計算見式（4）。

式中： w_i 為模糊規(guī)則的權(quán)重； ??μ_i（?x） 為輸人變量在模糊集合中的隸屬度； u（t） 為控制輸出。這些預(yù)測模型可以用來預(yù)測污水處理過程中可能出現(xiàn)的故障或異常，及時調(diào)整處理工藝，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與效率。

1.4系統(tǒng)集成與調(diào)試

系統(tǒng)集成與調(diào)試是污水處理智能化監(jiān)控系統(tǒng)能夠高效穩(wěn)定運行的基礎(chǔ)。系統(tǒng)集成過程包括硬件和軟件兩個層面的工作，確保傳感器、PLC控制器、SCADA系統(tǒng)及智能控制模塊能夠順暢連接與交互。

在硬件層面，系統(tǒng)集成時需要確保所有設(shè)備（如PLC、傳感器、控制器等）能夠按照預(yù)設(shè)的通信協(xié)議進行數(shù)據(jù)交換。對于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通常采用冗余設(shè)計保證網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性。為了保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，冗余通信網(wǎng)絡(luò)中常使用最大流算法來保證信息的暢通。如假設(shè)有多個數(shù)據(jù)傳輸路徑，系統(tǒng)可以通過流量優(yōu)化模型來選擇最優(yōu)的傳輸路徑，具體見式（5）。

γ（i，j）=max_i，jf_ij

式中： γ（i，j） 表示從 i 點到 j 點最佳路徑; f_ij 為從節(jié)點 i 到節(jié)點 j 的流量。

在軟件層面，系統(tǒng)集成主要通過統(tǒng)一的控制平臺（如SCADA或DCS系統(tǒng)）進行設(shè)備控制和數(shù)據(jù)展示。調(diào)試階段需要確保各模塊在接人系統(tǒng)后能夠正常運行，包括硬件設(shè)備與控制程序的協(xié)同工作。調(diào)試時應(yīng)先進行單元測試，逐個檢查設(shè)備是否能按預(yù)期工作，再進行系統(tǒng)級調(diào)試，確保系統(tǒng)各部分能夠協(xié)調(diào)運作。為了驗證系統(tǒng)性能，常進行負載測試和故障模擬。負載測試通常通過模擬污水處理系統(tǒng)在不同負載下的運行情況，來檢查系統(tǒng)是否能夠在各種工況下穩(wěn)定運行。故障模擬則包括傳感器失效、通信中斷、PLC故障等情況的模擬，通過這些測試來驗證系統(tǒng)的容錯能力。

2污水處理智能化管理系統(tǒng)應(yīng)用

2.1 應(yīng)用案例背景

本研究以某大型工業(yè)園區(qū)的污水處理廠作為應(yīng)用案例，該污水處理廠日處理污水能力達到2萬t，主要處理園區(qū)內(nèi)的工業(yè)廢水和生活污水。隨著園區(qū)規(guī)模的擴大和污水量的增加，傳統(tǒng)的污水處理方法面臨著運維成本高、響應(yīng)時間慢及處理效果波動等問題。為此，采取了基于智能化監(jiān)控與管理技術(shù)的升級改造，應(yīng)用了一套集成實時數(shù)據(jù)采集、自動調(diào)節(jié)及智能決策的監(jiān)控系統(tǒng)。

在該項目中，污水處理廠的各個環(huán)節(jié)均布設(shè)了傳感器（如 pH 值傳感器、溶解氧傳感器、流量計等），實時采集水質(zhì)和設(shè)備運行數(shù)據(jù)。每小時，約有20個監(jiān)測點的傳感器采集數(shù)據(jù)，包括 pH 值（范圍：6.5～8.5）溶解氧濃度（范圍： 2～12mg/L ）、水流量（最大流量： 500m³/h ）等關(guān)鍵參數(shù)。數(shù)據(jù)通過PLC控制系統(tǒng)進行初步處理和傳輸，隨后傳輸?shù)街醒肟刂剖业腟CADA系統(tǒng)中進行實時顯示和監(jiān)控。此外，為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和智能調(diào)節(jié)能力，污水處理廠實施了基于大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)的智能決策系統(tǒng)。通過采集歷史數(shù)據(jù)并運用數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，智能決策系統(tǒng)能夠預(yù)測污水量的變化趨勢，自動調(diào)整曝氣量、加藥量等工藝參數(shù)。

2.2 應(yīng)用過程

在該污水處理廠的智能化改造過程中，實施了全面的數(shù)據(jù)采集、實時監(jiān)控與自動調(diào)節(jié)控制的系統(tǒng)整合。系統(tǒng)在污水處理的關(guān)鍵節(jié)點（包括初沉池、好氧池、沉淀池等）布設(shè)了超過50個傳感器，涵蓋了水質(zhì)監(jiān)測、流量監(jiān)控及設(shè)備狀態(tài)感知等多種數(shù)據(jù)采集內(nèi)容。這些傳感器采集的關(guān)鍵數(shù)據(jù)包括pH值、溶解氧濃度、渾濁度、流量、溫度等指標(biāo)，數(shù)據(jù)采集頻率為每分鐘一次。

所有的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)通過現(xiàn)場PLC進行初步處理后，經(jīng)過工業(yè)以太網(wǎng)傳輸至中央控制系統(tǒng)。中央控制系統(tǒng)通過SCADA平臺進行數(shù)據(jù)的可視化展示，并將處理結(jié)果反饋給現(xiàn)場操作員。在此過程中，數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)對收集到的實時數(shù)據(jù)進行篩選和處理，運用卡爾曼濾波等算法去除噪聲，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。為了實現(xiàn)智能化調(diào)節(jié)，在處理過程中當(dāng)溶解氧濃度低于設(shè)定范圍（通常為 4.0mg/L 時，系統(tǒng)會自動調(diào)整曝氣泵的運行速度，通過增加曝氣量來提高水中的溶解氧濃度；而當(dāng)溶解氧濃度超過上限 12.0mg/L} 時，則自動降低曝氣量。此外，污水處理廠還通過大數(shù)據(jù)預(yù)測模型對水質(zhì)變化趨勢進行分析，尤其是在負荷高峰時段（早高峰和晚高峰時段），通過歷史數(shù)據(jù)訓(xùn)練出的模型自動預(yù)測污水量變化，提前調(diào)整設(shè)備運行，避免過負荷運轉(zhuǎn)。在這個過程中，系統(tǒng)不僅能根據(jù)實時數(shù)據(jù)做出即時反應(yīng)，還能通過預(yù)測分析在負荷波動時進行預(yù)調(diào)節(jié)，確保系統(tǒng)運行的高效性和穩(wěn)定性。

3系統(tǒng)實施后的效果評估

在污水處理系統(tǒng)實施智能化改造后，運行效果得到了顯著提升，改造前后主要指標(biāo)對比見表1。

能化控制使得污水處理過程更加穩(wěn)定與高效。根據(jù)實際數(shù)據(jù)，經(jīng)過智能化改造后，污水處理過程中關(guān)鍵參數(shù)的波動幅度顯著減小，尤其是溶解氧和水質(zhì)pH值的波動，能夠保持在更為穩(wěn)定的范圍內(nèi)。如溶解氧濃度的波動范圍從改造前的 2.0～12.0mg/L 縮小為改造后的 3.0～10.0mg/L ，水質(zhì)控制的精度明顯提高，處理效果更加符合環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。其次，從能效角度進行分析，智能化系統(tǒng)顯著降低了能源消耗。通過智能預(yù)測與調(diào)節(jié)，特別是在負荷波動較大的時段（如暴雨期間），系統(tǒng)能夠提前調(diào)整設(shè)備的運行參數(shù)，避免了過度運行和不必要的能源消耗。根據(jù)系統(tǒng)運行數(shù)據(jù)，智能化改造后，整個污水處理廠的電力消耗降低了 12% ，設(shè)備運行效率提升了 8% 。最后，在設(shè)備維護方面，智能化監(jiān)控系統(tǒng)提供了實時的故障預(yù)警和狀態(tài)監(jiān)測功能。通過傳感器的實時數(shù)據(jù)采集和分析，系統(tǒng)能夠及時發(fā)現(xiàn)潛在的設(shè)備故障，并提前預(yù)警。根據(jù)實際數(shù)據(jù)，設(shè)備故障率降低了 15% ，設(shè)備平均故障修復(fù)時間從原來的 12h 縮短至 7h 。

4結(jié)語

本研究通過對污水處理智能化監(jiān)控與管理系統(tǒng)的研究與應(yīng)用，可以明確得出結(jié)論，智能化技術(shù)的引入顯著提高了污水處理過程的效率和穩(wěn)定性。數(shù)據(jù)采集與處理技術(shù)的精確性、智能決策與控制算法的實時響應(yīng)及系統(tǒng)集成的高效性，共同保障了污水處理廠在面對高峰負荷和復(fù)雜環(huán)境變化時，仍然能夠高效、穩(wěn)定地運行。應(yīng)用效果表明，系統(tǒng)不僅優(yōu)化了水質(zhì)控制，降低了能耗，還提升了設(shè)備管理水平和維護效率，為污水處理行業(yè)的智能化發(fā)展提供了寶貴的實踐經(jīng)驗。

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