污水處理廠流量分配計算方法及試驗研究

李　佟， 李　軍

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 北京　100124； 2.北京城市排水集團有限責(zé)任公司， 北京　100124)

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污水處理廠流量分配計算方法及試驗研究

李佟1,2， 李軍1

(1.北京工業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院， 北京100124； 2.北京城市排水集團有限責(zé)任公司， 北京100124)

針對大部分污水處理廠的工藝單元均由多組系列平行獨立組成，在實際運行中，受客觀條件影響各系列水量分配往往不均衡，會給污水處理廠運行帶來很多不利影響，在不具備計量條件的情況下需要一種便捷的方法來獲取污水處理廠的配水情況的問題，提出了一種計算污水處理廠配水分布的方法. 該方法基于物料平衡原理，通過直接或間接監(jiān)測配水前后的水質(zhì)指示指標(biāo)參數(shù)波動，結(jié)合數(shù)值擬合及動態(tài)時間規(guī)整算法(dynamic time warping，DTW)對數(shù)據(jù)進行分析對比，從而計算配水分布情況. 通過該方法在某大型污水處理廠進行了試驗，計算結(jié)果表明模擬流量與實際流量的擬合度較好，其線性相關(guān)系數(shù)為0.948，平均誤差為-2.5%. 試驗結(jié)果表明該方法對于污水處理廠實際應(yīng)用具有一定參考意義.

流量分配； 污水處理廠； 動態(tài)時間規(guī)整算法

大部分污水處理廠的工藝單元均由多組系列平行獨立組成，這樣設(shè)計既便于污水廠靈活工藝調(diào)控，也便于不停水情況下進行設(shè)備設(shè)施檢修維護. 為此，污水廠設(shè)有專門的配水設(shè)施(如配水渠、配水井、配水閘等)將污水進行分流. 理想狀態(tài)下，應(yīng)將污水均勻分布到各系列的工藝單元進行處理. 然而，在污水廠實際運行中，水量分配往往是不均衡的[1]，導(dǎo)致流量分配不均的原因有很多，例如配水設(shè)施設(shè)計誤差、高程誤差以及彎道的水流擾動等[2]，一般污水處理廠不會在每個系列的每個單元都安裝流量計，因此上述流量分配差異很難被發(fā)現(xiàn).

流量分配不均會給污水處理廠運行帶來很多不利影響，例如：1) 可能造成各系列污染物負荷及水力停留時間不同，從而進一步導(dǎo)致各系列的處理效果和效率產(chǎn)生差異； 2) 可能導(dǎo)致污泥在沉淀單元里的有效沉淀時間不足，隨出水外排影響水質(zhì)； 3) 可能導(dǎo)致生物池供氣、投藥等方面無法精確定量，出現(xiàn)不足或過量的情況. 配水計量對于污水處理數(shù)學(xué)模型應(yīng)用和工藝運行效果也具有重要意義. 國內(nèi)王偉等曾針對分段進水A/O工藝建立了流量分配專家系統(tǒng)，根據(jù)負荷平衡計算，通過合理分配進水流量達到優(yōu)化工藝處理的效果[3]. 在實際應(yīng)用中，流量分配應(yīng)首先基于 “流量準(zhǔn)確可控”這樣一個前提，如果流量不可控，則會對運行效果產(chǎn)生影響. 此外，當(dāng)工程師對某污水廠進行數(shù)學(xué)建模時，一般假設(shè)該廠各平行系列的流量是均勻分配的，考慮到常規(guī)的流量計量已存在一定的誤差[4]，配水不均會近一步地擴大這一誤差，從而導(dǎo)致模擬結(jié)果的失真[5].

通常來說，可以采用便攜式流量計來校核各系列單元的流量，然而液體流量計受現(xiàn)場條件和水力條件的影響非常大[6]. 國外曾有人用流量計對18座污水處理廠進行水量平衡測算[7]，發(fā)現(xiàn)平均誤差高達-8.6%. 另一種方法是通過在進水端投加示蹤劑，通過監(jiān)測出水來判斷水流在各單元的停留時間[8]. 在實際應(yīng)用中，示蹤劑法費用高昂且需要大量密集的人工化驗檢測，并且在流態(tài)復(fù)雜多變的情況下，需要充分的混合時間以及濃度，因此很難作為定量研究的依據(jù). 因此，在不具備計量條件的情況下，需要一種更加便捷、低成本的方法來獲取污水處理廠的配水情況.

針對以上問題，作者提出了一種新的判斷污水處理廠配水分布的方法. 該方法基于物料平衡原理，通過直接或間接監(jiān)測配水前后的水質(zhì)指示指標(biāo)參數(shù)波動，結(jié)合數(shù)值擬合及動態(tài)時間規(guī)整算法(dynamic time warping，DTW)對數(shù)據(jù)進行分析對比，從而計算推斷配水分布情況. 作者利用該方法對北京某大型污水處理廠進行了實際應(yīng)用.

1　流量分配原理及動態(tài)時間規(guī)整算法

1.1流量分配理論模型

假設(shè)某污水處理廠由N個完全相同的平行系列組成，并通過配水將總進水Qtot(t)平均分配成N份. 則i系列分配到的流量可表示為

(1)

式中：Qi(t)為t時刻i系列的流量；Qtot(t)為t時刻的總進水流量；ξi為Qi實際值與理論值的相對誤差.

Qi為時間t的函數(shù)；ξi為關(guān)鍵參數(shù)，主要用于量化實際分流與平均分流之間的相對偏差，可知

(2)

根據(jù)物料平衡法則

假設(shè)Qa為理想狀態(tài)下均勻分配到每個系列的流量，那么對于每個系列的ξi均為0則

(3)

本文目的就是通過計算分析得到實際的ξi.

為簡化驗算，本文只分析具有A、B兩組平行系列的模型(即N=2)，如圖1所示.Q表示每個分支的流量；C表示每個分支中指示參數(shù)的質(zhì)量濃度值；V表示反應(yīng)器的有效容積.

在該情況下，式(2)可表示為

(4)

式中θA和θB分別表示水流在A、B系列的停留時間(假設(shè)每個系列的有效容積相等).

1.2停留時間計算模型

從式(4)可知，求解流量分配的問題被轉(zhuǎn)化為如何獲得準(zhǔn)確的θA和θB.

(5)

從以上計算可以得出，在理想推流反應(yīng)器中，可以通過監(jiān)測某一指示指標(biāo)的停留時間來計算該反應(yīng)器的進水流量.

為了得到停留時間，雖然前文提到的示蹤劑法是選擇之一，但對于一個數(shù)十萬噸的大型污水廠，向大量原水中投加示蹤劑是不經(jīng)濟的. 事實上，污水本身含有多種化合物，這些物質(zhì)有些隨處理工藝被去除，有些則是不變的. 在配水單元，由于只發(fā)生了物理混合，大部分化合物的總量是不變的，因此，可以通過監(jiān)測配水前后某物質(zhì)的質(zhì)量濃度C0和Ci(i=n) 來達到示蹤劑的效果.

1.3動態(tài)時間規(guī)整算法

當(dāng)整個配水系統(tǒng)的流量長時間不變時，通過上述方法即可擬合求出各流量分配情況. 但在實際生產(chǎn)中，污水廠的進水流量是隨上游管網(wǎng)實時波動的，為了更精確地計算流量，就必須要考慮示蹤劑流經(jīng)反應(yīng)器期間因進水流量變化而導(dǎo)致的停留時間波動. 為此，作者引入動態(tài)時間規(guī)整算法來解決該問題.

動態(tài)規(guī)整算法(dynamic time warping)是一種衡量2個時間序列之間的相似度的方法[9]，最早DTW技術(shù)被應(yīng)用于語音識別[10]，但近年來也被廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域. 它主要用于優(yōu)化2個非線性時間序列之間的最短距離，其原理是通過把時間序列進行延伸和縮短，來計算2個時間序列性之間的相似性. 動態(tài)時間規(guī)整可以解決時間點不對齊，形態(tài)之間伸縮、擴展的問題，具有良好的匹配效果.

圖3為2個時間序列的彎曲示意圖，上下2條實線代表2個時間序列，時間序列之間的虛線代表2個時間序列之間的相似的點. DTW使用所有這些相似點之間的距離的和，稱之為歸整路徑距離(warp path distance)來衡量2個時間序列之間的相似性.

其計算方法為：令要計算相似度的2個時間序列為X和Y，長度分別為|X|和|Y|. 歸整路徑的形式為W=w1,w2,…,wk，其中Max(|X|,|Y|)≤K≤(|X|+|Y|).wk的形式為(i,j)，其中i表示X中的i坐標(biāo)，j表示的是Y中的j坐標(biāo). 歸整路徑W必須從w1=(1,1)開始，到wK=(|X|,|Y|)結(jié)束，以保證X和Y中的每個坐標(biāo)都在W中出現(xiàn). 另外，W中w(i,j)的i和j必須單調(diào)增加，以保證圖3中的虛線不會相交. 最后通過動態(tài)規(guī)劃算法求得的歸整路徑距離為D(|X|,|Y|)，如圖4所示.

(6)

(7)

2　污水處理廠流量分配模擬預(yù)測

2.1試驗條件及方法

某污水廠設(shè)計處理規(guī)模100萬m3/d，由Ⅰ～Ⅳ4組系列平行組成，每個系列又由4組完全相同且平行的工藝單元構(gòu)成. 根據(jù)原設(shè)計，在4個系列的出水端分別裝有巴氏計量槽，可對出水流量進行單獨計量，但對每個系列內(nèi)的4組平行工藝單元則沒有單獨計量，且現(xiàn)場也不具備安裝流量計的條件. 隨著水廠處理工藝和精細化水平的不斷提高，需要對每組工藝單元分別進行投藥控制和曝氣量調(diào)節(jié)，需要精確了解每組工藝單元的實際流量分配情況.

圖5表示單系列從沉淀單元到出水的流量分配示意圖，該系列由4組沉淀單元組成. 其日均總排水流量Qtot約為62 500 m3/d，其中高峰時流量可達3 385 m3/h，低谷時約為1 300 m3/h.Qtot由前端的4組Qi經(jīng)沉淀單元后匯流而成，每個沉淀池的停留時間約為1.5～2.5 h，假設(shè)該單元為理想推流反應(yīng)器，且該過程中不發(fā)生生物反應(yīng)，則氨氮質(zhì)量濃度也不發(fā)生改變. 目前已知總出流量Qtot,同時可在各監(jiān)測點處取樣檢測氨氮質(zhì)量濃度，將氨氮作為指示劑，由此可知Ci以及Ctot值，通過數(shù)據(jù)擬合計算，即可求出Qi的實際分布.

為了取得好的模擬效果，取樣間隔應(yīng)盡可能短(至少應(yīng)小于總流量變化時間)，取樣周期應(yīng)盡可能長. 根據(jù)現(xiàn)有條件，采樣時間間隔設(shè)為2 h/次，監(jiān)測周期為5 d，氨氮檢測采用納氏試劑比色法，數(shù)據(jù)分析處理采用Matlab工具.

2.2模擬結(jié)果及分析

經(jīng)過5 d的連續(xù)監(jiān)測，取得了大量配水前后的化驗數(shù)據(jù)，僅以24 h為周期，展現(xiàn)期間總流量及各單元指示濃度變化情況如圖6所示.

可以看出，在24 h期間4組沉淀池出水的氨氮質(zhì)量濃度差異較大，總出水的氨氮質(zhì)量濃度波動范圍也比較大，這主要是受前端處理工藝的負荷變化影響所致. 從圖中可以觀察到，A、B組沉淀池的質(zhì)量濃度波動較C、D池更為劇烈，在6:00—12:00期間，A、B池出水氨氮質(zhì)量濃度有較為明顯的升高，而總出水氨氮質(zhì)量濃度也隨之受到影響產(chǎn)生波動. 從總流量Qtot曲線可以看出，水量隨時間變化非常大，全天最高瞬時流量達3 200 m3/h，最低1 130 m3/h，時變化系數(shù)高達2.2. 需要說明的是，這是為了節(jié)約能耗，在上游水量較低時，廠里適當(dāng)關(guān)停了部分進水泵，減少抽升所致，而實際生活污水產(chǎn)生量的時變化系數(shù)相對要小一些.

在不考慮水量波動的前提下，通過式(5)擬合計算的各沉淀池出流量以及實際出流量情況如圖7所示.

在圖7中，Qa為4組沉淀池計算流量的加和值，可以看出，Q1與Qtot在0:00—10:00——即總流量相對平穩(wěn)時的擬合情況較好，當(dāng)總流量發(fā)生較大波動時，Q1與Qtot出現(xiàn)較大誤差. 分析原因是由于水量波動造成水流在各組沉淀池的停留時間發(fā)生變化，由此總出水與各進水質(zhì)量濃度的對應(yīng)關(guān)系發(fā)生紊亂所致.

采用DTW模型對進出水的質(zhì)量濃度進行重新規(guī)整，通過動態(tài)規(guī)劃算法求得各出水與進水相吻合的相關(guān)特性及最優(yōu)規(guī)整路徑，各單元計算流量如圖8所示.

從圖8可以看出，經(jīng)過了動態(tài)時間規(guī)整后，模擬流量與實際流量的擬合度較好，其線性相關(guān)系數(shù)為0.948，平均誤差為-2.5%. 以此為依據(jù)，統(tǒng)計4組沉淀池的日均流量分別為：711、550、601、625 m3/h. 可以看出，第2組沉淀池的計算流量較其他組池明顯偏低，應(yīng)通過調(diào)整閘門予以適當(dāng)調(diào)整.

3　結(jié)論

1) 研究了一種通過數(shù)學(xué)模擬計算來評估污水處理廠流量分配的方法，該方法無需對污水廠設(shè)施進行改造或安裝流量計，只需連續(xù)檢測流量分配前后某一特征參數(shù)的變化情況，對于實際生產(chǎn)具有一定實用性.

2) 針對污水處理廠流量變化波動大的特點，該方法引入了動態(tài)時間規(guī)整算法來對入流和出流的檢測指標(biāo)進行優(yōu)化匹配. 通過優(yōu)化，可以消除因停留時間不同而造成的誤差，從而取得更好的擬合效果.

3) 氨氮作為污水處理廠常規(guī)檢測指標(biāo)之一，可作為示蹤劑應(yīng)用于流量分配的模型計算. 除此以外，可以結(jié)合實際工藝情況，考慮采用溫度、總磷、硝酸鹽氮等其他指標(biāo)代替.

4) 通過在某大型污水廠的試驗表明，該方法具有很好的擬合效果，在進水流量波動劇烈的情況下，模擬流量與實際流量的擬合度較好，其線性相關(guān)系數(shù)為0.948，平均誤差為-2.5%.

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(責(zé)任編輯楊開英)

Assessment Method and Experiment Study of Wastewater Treatment Flow Distribution

LI Tong1,2, LI Jun2

(1.College of Architecture and Civil Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100124, China;2.Beijing Drainage Group Co., Ltd., Beijing 100124, China)

Most of the wastewater treatment plant (WWTP) process unites consist of multi parallel series. In applications, under the influence of interference factors the discharge distribution of these series are unbalanced, which will bring lots of adverse effects to the WWTP operation. Therefore, a convenient method is needed to accurately assessment the flow distribution. To solve this problem, a method was proposed to assessment WWTP flow distribution based on material balance principle, by monitoring the fluctuations of indicator values between inlet and outlet flow, numerical fitting and dynamic time warping (DTW) algorithm was associated to assessment the flow distribution. This method was applied to a large WWTP. Result shows good fitting of actual values and predictive values, the linear correlation coefficient is 0.948, and the average error is -2.5%. This method has certain reference for the WWTP operation.

flow distribution; wastewater treatment plant (WWTP)； dynamic time warping

2015- 05- 17

國家科技重大專項資助項目(2014ZX07201- 001)

李佟(1982—)， 男， 工程師， 主要從事污水深度處理、污水處理模擬技術(shù)方面的研究， E-mail: ltong@bdc.cn

U 461； TP 308

A

0254-0037(2016)05-0782-06

10.11936/bjutxb2015050050