智能控制技術助力污水處理概念廠

★天津市市政工程設計研究院 張泳★天津市排水管理處 季洪瑞

智能控制技術助力污水處理概念廠

★天津市市政工程設計研究院 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在污水處理廠節能和提高能源自給率方面的應用。

污水處理概念廠；能源消耗；能源自給率；智能控制技術

1 引言

2014年初，國內污水處理行業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包含以下幾個方向的目標：

（1）出水水質滿足水體環境變化和水資源可循環利用的需要；（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的合理循環，減少對化學品的依賴與消耗；（4）建設感官舒適、建筑和諧、環境友好的污水處理廠。

在污水處理概念廠的目標中，低能耗及能源自給是污水處理概念廠的亮點，而先進的智能控制技術在助力污水處理概念廠實現上述目標中，將發揮重要的作用。

2 智能控制技術降低污水處理能源消耗

污水處理作為能耗型行業，消耗的能源主要包括電及各類化學藥劑等，其成本占其總成本的50%以上。據相關數據統計，我國城鎮污水處理年耗電已突破100億千瓦時，其能耗量約占社會總能耗量的2%。而先進的控制技術及控制策略，可以顯著地降低污水處理過程中的電力消耗及藥與各類化學藥劑消耗。

污水處理系統具有不確定性和不穩定性，其處理過程的特點是變量多、非線性、時變性與隨機性，建立精確的數學模型比較困難。同時，污水處理系統的控制屬于多目標控制，既需要控制各項出水指標，又需要抑制外部干擾對處理過程的影響。在污水處理概念廠中，目標之一就是追求處理過程的費效比最大化、最優化。因此，在污水處理概念廠中，控制系統需要多個變量的支持，知識系統、信息處理系統、認知系統、規劃與控制系統及控制算法更復雜，不采用智能控制，無法實現上述目標。而一旦采用了先進的智能控制技術，其所帶來的效益是非常顯著的。

以天津市市政工程設計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為例，系統的計算和控制回路采用專家智能系統和模糊神經元控制技術，打破了傳統溶解氧控制系統的滯后性、易受外界擾動影響等局限性，建立起適合該污水處理廠的氣量分配和控制數據模型，并在調試中結合實際進水水質、水量特征和實際負荷狀況，不斷地完善系統數據庫，跟蹤負載的變化，根據工藝的溶解氧設定值，智能化的分配每個階段的曝氣量，滿足實際運行工況的需要，達到氣體供應的最佳化，使生物反應池能高效、穩定運行（如圖1所示）。

圖1 污水處理廠的氣量分配和控制數據模型

在采用該系統后，可以滿足工藝流程中生物反應池各個區段對溶解氧梯度的控制要求，同時將傳統的PID控制系統中溶解氧的波動降到較低的水平，從而降低曝氣系統能量的消耗。從實際效果看，該曝氣系統的能量消耗比常規曝氣系統降低了約15%～20%。

同樣，在污水處理廠污泥脫水過程中，因為投加的聚合物的組分不可能一直保持不變，加藥泵的泵速也不會保持不變，靠人工不可能及時了解所有這些變化，并調節聚合物的投加量。因此，現有的聚合物投加一般采用的是經驗值等比例投加方式。同時為了緩解上述波動，使進入脫水機的污泥更好的沉降，常用的做法就是采用過量的投加比例，這勢必造成聚合物的過量投加，帶來不必要的藥劑消耗及成本的增加。

而在污水處理概念廠中，可以采用更為先進的聚合物投加智能控制系統（如圖2所示），通過檢測脫水機的濾后液中的電荷情況來判斷聚合物的投加是否適當。檢測濾后液電荷情況后經過系統分析，再通過智能控制器來控制聚合物投加泵，精確地控制聚合物的投加量，不僅可以節省聚合物的投加費用，同時也減少了進入污泥中的化學藥品量，減少了脫水機的維護量，提高了脫水機的工作效率。

圖2 聚合物投加智能控制系統

經過測算，采用聚合物智能控制系統相對于傳統的定量控制，每年可以在污泥脫水環節節省約20%～40%的化學藥品投加量。

3 智能控制技術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，中國污水處理技術偏離了國際主流。近年來，發達國家污水處理廠的能效改造與排放標準改造必須同步進行，而中國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在中國的應用只有不到50家。

2015年訪問芬蘭時，我們調研了當地若干座污水處理廠。其中圖爾庫的KAKOLANMAKI污水處理廠，服務人口約30萬人，處理生活污水及工業廢水共計約9萬噸/日，工藝流程采用傳統的AAO活性污泥法+砂濾處理工藝。其出水提供給當地一家水源熱泵公司作為換熱水源，為圖爾庫地區提供供熱服務。污泥經過脫水后外運做厭氧消化處理，年產沼氣約460萬立方米，年發電約1.3GWh。赫爾辛基的VIIKINMAKI污水處理廠規模為20萬噸/日，工藝流程采用傳統的AAO活性污泥法+深度處理工藝（如圖3所示）。其污泥經過消化產生的沼氣用來發電供本廠使用，可以滿足69%的廠用電能，其出水也是提供給當地一家水源熱泵公司作為換熱水源，為赫爾辛基地區提供供熱服務。

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電技術的應用，最大程度地減少了污水處理廠對外部能源的依賴程度。從這兩座污水處理廠的能耗分析來看，應該是污水處理廠能源自給的典范。其能源、資源回收率很高，其能源自給率均達到60%以上。而先進的智能控制技術對實現上述目標發揮了重要的作用。

相對于好氧生物處理，厭氧消化具有高有機負荷、剩余污泥量小、綠色能源回收以及較低的運行和維護費用等優勢。但是，厭氧消化同樣存在著處理過程中的多變量、非線性、時變性與隨機性。一些環境因素如pH、溫度、有機負荷和氨氮濃度等，均影響著厭氧消化過程的穩定進行。當我們通過調節工藝參數（pH、溫度、碳氮比等）來控制消化池中氨的濃度時，又會引起其他相關因素的變化。例如，降低反應溫度可消除氨的抑制作用，但溫度的降低對厭氧消化的產氣量影響非常大。解決這些環境因素對厭氧消化過程的影響，除了工藝設計外，必須采用先進的智能控制技術（如模糊控制、神經網絡控制、專家控制、人工智能控制等），根據儀表采集到的大量過程信息，通過智能控制器的收集、處理、分析、判斷、輸出，達到既定的控制目標。

又例如，在消化池中，有效的混合攪拌可以促進進料污泥在消化池內充分混合，可以促進進料污泥與微生物充分接觸，可以防止熱分層，減少浮渣，稀釋進料中的有毒物質，促進消化氣從消化液中的分離，但是如何評價攪拌系統的效果一直是個難題。現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。示蹤法是評價攪拌系統性能最準確的方法，但是存在系統復雜、繁冗、性價比較差等缺點。在現有技術條件下，我們可以利用嵌入式技術及物聯網技術，開發出相應的智能化示蹤器，運用到消化池的混合攪拌效果的評價上，可以實現更經濟、更準確、更智能化的混合攪拌控制，提高消化池的產氣率，降低溫室氣體排放，節約能耗。

4 結語

智能控制技術的應用，可以帶來人工成本降低、運營水平的改善、節能降耗、提高能源自給率，全方位提高污水處理廠的運營管理效率。其應用不局限于一些示范性的污水處理概念廠，對所有的污水處理企業都具有實用價值。在全球能源危機、氣候變化和資源緊缺背景下，發展低能耗、低物耗，在穩定達標前提下能源化、資源化、精細化的管理及控制的污水處理新模式，將已有技術和各種新技術，包括智能控制技術不斷融入污水處理工程中，是未來污水處理的發展方向。

[1] 張泳. 節能控制技術在污水處理廠改造工程中的應用[J]. 自動化博覽，2011, (7) ：70 - 72.

[2] 美國水環境聯合會. 城鎮污水處理廠運行管理手冊[M]. 北京： 中國建筑工業出版社, 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，教授級高級工程師，重慶建筑工程學院工業電氣自動化專業畢業，碩士，現就職于天津市市政工程設計研究院。

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