MBR污水處理節(jié)能潛力分析

李志梅

（廣東省自動(dòng)化研究所）

MBR污水處理節(jié)能潛力分析

李志梅

（廣東省自動(dòng)化研究所）

采用Cp、Ppk和風(fēng)險(xiǎn)比等方法，對(duì)污水處理廠運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，分析污水處理廠運(yùn)營(yíng)狀況，尋求節(jié)能空間，提出通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行控制的方法，降低變量波動(dòng)，提高控制精度，穩(wěn)定系統(tǒng)運(yùn)行以達(dá)到節(jié)能目的。

Cp；Ppk；風(fēng)險(xiǎn)比；波動(dòng)；節(jié)能

0 引言

城市污水處理是高能耗行業(yè)之一。由于技術(shù)和管理水平的限制，我國(guó)城市污水處理行業(yè)普遍存在電能浪費(fèi)的問(wèn)題，單位污水處理的電耗較高。

2010年初，借助住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部《全國(guó)城鎮(zhèn)污水處理信息管理系統(tǒng)》平臺(tái)，國(guó)家城市給水排水工程技術(shù)研究中心抽樣選取全國(guó)多座污水處理廠進(jìn)行全年能耗特征分析[1]。研究表明：2009年運(yùn)行的1856座污水處理廠的年均電耗約為0.254 kW·h/m3，與日本1999年污水處理廠的能耗（0.26 kW·h/m3）相當(dāng)，比美國(guó)1999年0.20 kW·h/m3的水平略高[1]。由此可見(jiàn)，我國(guó)污水處理廠的能耗水平仍處于發(fā)達(dá)國(guó)家20世紀(jì)后期的水平，具有較大的節(jié)能降耗空間。污水處理廠的電耗節(jié)點(diǎn)主要包括提升泵房、鼓風(fēng)機(jī)房、推進(jìn)及攪拌設(shè)備和內(nèi)外回流泵等，其中鼓風(fēng)機(jī)房是主要的電耗節(jié)點(diǎn)，其電耗約占污水處理廠總電耗的50%[2]。

本文通過(guò)某采用膜生物反應(yīng)器（MembraneBio-Reactor，MBR）工藝的污水處理廠工程實(shí)例，以工程三個(gè)月的實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)（以下稱樣本數(shù)據(jù)）為基礎(chǔ)，結(jié)合目前工程的實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，對(duì)污水處理控制系統(tǒng)進(jìn)行節(jié)能潛力分析，尋找優(yōu)化控制方式和降低能耗的方法，以期為我國(guó)污水處理廠的運(yùn)行管理和節(jié)能降耗提供理論基礎(chǔ)和參數(shù)支持。

1 分析方法

為了解工序在穩(wěn)定狀態(tài)下的實(shí)際加工能力，即在操作者、機(jī)器設(shè)備、原材料、操作方法、測(cè)量方法和環(huán)境等標(biāo)準(zhǔn)條件下，工序呈穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)所具有的加工精度，通常用Cp和Ppk等參數(shù)作為評(píng)斷標(biāo)準(zhǔn)。

過(guò)程能力指數(shù)（capability index of process，Cp）僅適用于統(tǒng)計(jì)穩(wěn)定過(guò)程，不考慮過(guò)程的偏移，是過(guò)程在受控狀態(tài)下的實(shí)際加工能力。

工藝性能指標(biāo)（process performance inde，Ppk）不僅適用于受控過(guò)程，也適用于非受控過(guò)程，且一個(gè)非受控過(guò)程在生產(chǎn)初期過(guò)程和長(zhǎng)期生產(chǎn)中都會(huì)遇到，因此它以整體數(shù)據(jù)為樣本，體現(xiàn)的是所有數(shù)據(jù)之間的關(guān)系。

Ppk表示在保證性能的前提下，在要求范圍內(nèi)實(shí)際過(guò)程變化影響下的控制能力；Cp代表實(shí)現(xiàn)最小的控制過(guò)程變化的能力。如果Cp值較小，說(shuō)明控制過(guò)程受普通因素的變化影響較大，此時(shí)若想提升過(guò)程能力往往需要更多的投入和更高級(jí)的決策。Cp和Ppk與控制過(guò)程的影響關(guān)系如表1所示。

表1Cp、Ppk與控制過(guò)程之間的關(guān)系

在表1中，改變流程意味著改變儀器儀表，減弱儀器儀表帶來(lái)的隨機(jī)變化，以此提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及參數(shù)調(diào)整等方面的影響。

風(fēng)險(xiǎn)比（risk ratio，RR）在水行業(yè)是指標(biāo)準(zhǔn)值與每個(gè)樣本的差異與標(biāo)準(zhǔn)差的比值，即在指定樣本測(cè)量時(shí)間段內(nèi)，樣本平均值與標(biāo)準(zhǔn)的差異與樣本標(biāo)準(zhǔn)差的比值。與Cp和Ppk的指標(biāo)相比，風(fēng)險(xiǎn)比有效避免了單點(diǎn)樣本的不確定性，使分析結(jié)果更準(zhǔn)確。

其中，T是規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)；μ是數(shù)據(jù)的平均值；σ是標(biāo)準(zhǔn)偏差。

風(fēng)險(xiǎn)比與超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)的概率關(guān)系如圖1所示。這些概率是通過(guò)考慮單個(gè)樣本數(shù)據(jù)或一段時(shí)間內(nèi)的樣本數(shù)據(jù)集通過(guò)式(1)計(jì)算出來(lái)的，是一個(gè)作為正態(tài)分布標(biāo)準(zhǔn)化變量的風(fēng)險(xiǎn)比。如圖1所示，風(fēng)險(xiǎn)比在0~2時(shí)為高危區(qū)，系統(tǒng)有非常高的風(fēng)險(xiǎn)；風(fēng)險(xiǎn)比在2~3時(shí)為風(fēng)險(xiǎn)區(qū)，系統(tǒng)比較脆弱，超標(biāo)的概率相對(duì)較大；風(fēng)險(xiǎn)比在3~5時(shí)為安全區(qū)，系統(tǒng)在經(jīng)濟(jì)區(qū)間運(yùn)行；風(fēng)險(xiǎn)比大于5時(shí)，正常運(yùn)行情況下，系統(tǒng)超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)較小。因此風(fēng)險(xiǎn)比小于3時(shí)，需要調(diào)整過(guò)程，使系統(tǒng)在安全區(qū)間運(yùn)行；而風(fēng)險(xiǎn)比大于5時(shí)，系統(tǒng)處于過(guò)處理狀態(tài)，造成能耗浪費(fèi)，因此節(jié)能潛力相對(duì)較大。

圖1 風(fēng)險(xiǎn)比與超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)的概率關(guān)系圖

2 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)樣本數(shù)據(jù)初步分析，除個(gè)別故障數(shù)據(jù)之外，其余數(shù)據(jù)滿足穩(wěn)定狀態(tài)的正態(tài)分布。采用典型的污水質(zhì)量標(biāo)識(shí)數(shù)據(jù)出水COD、總氮等作為分析源數(shù)據(jù)，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)比分析。分析過(guò)程中，在系統(tǒng)已知設(shè)備儀表故障的情況下，由此引起的異常數(shù)據(jù)可能被忽略。污水處理廠按照國(guó)家1級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，分析最終出水的水質(zhì)情況以及超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)。

污水處理廠出水水質(zhì)COD標(biāo)準(zhǔn)為50mg/L[3]，而污水處理廠為嚴(yán)格控制出水，出水水質(zhì)COD采用的標(biāo)準(zhǔn)為40 mg/L。根據(jù)樣本數(shù)據(jù)可知，樣本數(shù)據(jù)平均值為9.69 mg/L，樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為1.48 mg/L。根據(jù)式(1)計(jì)算最終出水COD的風(fēng)險(xiǎn)比=（40－9.69）/1.48=20.48。該風(fēng)險(xiǎn)比值表示出水COD的控制結(jié)果遠(yuǎn)低于限值，安全區(qū)域很大。

污水處理廠出水水質(zhì)BOD標(biāo)準(zhǔn)為10mg/L[3]。根據(jù)樣本數(shù)據(jù)可知，樣本數(shù)據(jù)平均值為1.08 mg/L，樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.43 mg/L，根據(jù)式(1)計(jì)算最終出水BOD的風(fēng)險(xiǎn)比=（10－1.08）/0.43=20.74。該風(fēng)險(xiǎn)比值表示出水BOD的控制結(jié)果遠(yuǎn)低于限值，安全區(qū)域很大。

污水處理廠出水水質(zhì)總懸浮固體（MLSS）排放標(biāo)準(zhǔn)為10 mg/L[3]。分析樣本數(shù)據(jù)過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)部分?jǐn)?shù)據(jù)偏差明顯，經(jīng)過(guò)查詢是采集設(shè)備出現(xiàn)故障所致。在剔除設(shè)備故障期間不正常數(shù)據(jù)后，樣本數(shù)據(jù)平均值為0.98 mg/L，樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.87 mg/L。根據(jù)式(1)計(jì)算最終出水MLSS風(fēng)險(xiǎn)比=（10－0.98）/0.87 =10.36。該風(fēng)險(xiǎn)比值表示出水MLSS的控制結(jié)果遠(yuǎn)低于限值，安全區(qū)域很大。

出水水質(zhì)總氮限值為15 mg/L[3]，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)可知，樣本數(shù)據(jù)平均值為9.55 mg/L，樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為1.94 mg/L。根據(jù)式(1)計(jì)算最終水總氮的風(fēng)險(xiǎn)比=（15－9.55）/1.94=2.809。該風(fēng)險(xiǎn)比為2.809<3，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)比分析，其有較高的超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)重點(diǎn)給予控制。

出水水質(zhì)總磷的限值為0.5 mg/L[3]，根據(jù)樣本數(shù)據(jù)可知，樣本數(shù)據(jù)平均值為0.23 mg/L，樣本數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)差為0.05 mg/L。根據(jù)式(1)計(jì)算最終出水總磷的風(fēng)險(xiǎn)比=（0.5－0.23）/0.05=5.4。該風(fēng)險(xiǎn)比小于5，超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)較低，有很大的安全區(qū)域。

由上述分析可以看出，出水水質(zhì)參數(shù)中，COD、BOD、MLSS的風(fēng)險(xiǎn)比大于5，而安全區(qū)域?yàn)?~5，屬于過(guò)度控制的狀況，存在能源浪費(fèi)，因此存在節(jié)能空間。而總氮含量雖然達(dá)標(biāo)，但安全裕度很小，生產(chǎn)控制過(guò)程稍有波動(dòng)就有出水超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，屬于需要重點(diǎn)控制的參數(shù)。

3 處理方法

MBR污水處理工藝圖如圖2所示，MBR處理工藝由多個(gè)環(huán)節(jié)構(gòu)成，在生產(chǎn)過(guò)程中，各個(gè)環(huán)節(jié)互相影響。常規(guī)的PID控制在這種多耦合大滯后的生產(chǎn)過(guò)程中控制效果并不理想，很容易出現(xiàn)能耗過(guò)多或者出水不達(dá)標(biāo)的情況。

圖2 MBR污水處理工藝圖

為了解決上述問(wèn)題，本文采用系統(tǒng)辨識(shí)、先進(jìn)控制技術(shù)和動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型的控制方式，對(duì)污水處理過(guò)程進(jìn)行控制。具體操作如下：

1)對(duì)樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，找出控制過(guò)程中各個(gè)變量之間的關(guān)系和關(guān)鍵控制變量，例如DO、MLSS、進(jìn)出水水質(zhì)參數(shù)COD、風(fēng)機(jī)風(fēng)量、回流泵流量等，建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)控制模型。在模型中采用多變量?jī)?yōu)化控制算法和預(yù)測(cè)技術(shù)，對(duì)干擾進(jìn)行預(yù)測(cè)控制，以降低干擾的影響。

2)建立數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)測(cè)器，采用多個(gè)相互制約的變量共同判斷控制參數(shù)的狀態(tài)。既可避免單一變量判斷故障引起的誤報(bào)警，提高報(bào)警準(zhǔn)確度，也可在參數(shù)出現(xiàn)異?；蛘呤У那闆r下，通過(guò)數(shù)據(jù)仿真，進(jìn)行數(shù)據(jù)重構(gòu)，參與生產(chǎn)控制。這樣在設(shè)備、儀表出現(xiàn)故障或維修的情況下，也能保證控制系統(tǒng)正常運(yùn)行。

3)在控制過(guò)程中，將控制結(jié)果，如反應(yīng)池DO、MLSS，出水水質(zhì)參數(shù)等反饋至控制模型，形成閉環(huán)控制。一方面對(duì)偏差進(jìn)行及時(shí)校正，另一方面進(jìn)行模型不斷的學(xué)習(xí)修正，實(shí)行滾動(dòng)優(yōu)化控制策略，從而達(dá)到最佳的控制效果。

4)根據(jù)運(yùn)行狀況，進(jìn)行KPI分析，對(duì)過(guò)程控制的效益指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)計(jì)算出水水質(zhì)和能耗相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)。

實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，通過(guò)基于先進(jìn)控制技術(shù)的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)質(zhì)量監(jiān)視，能夠降低總氮以及與總氮有制約關(guān)系的數(shù)據(jù)波動(dòng)，即DO、MLSS的嚴(yán)格控制，使氨含量波動(dòng)減??；通過(guò)精確控制的回流污泥泵的流量和鼓風(fēng)機(jī)的風(fēng)量，促進(jìn)反硝化過(guò)程，以除去總氮，從而降低出水總氮的含量，使得出水總氮回到安全區(qū)域。

4 結(jié)語(yǔ)

目前，我國(guó)越來(lái)越重視城市污水處理，出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)或雖已達(dá)標(biāo)但易超標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)的情況，需要通過(guò)系統(tǒng)控制，使出水達(dá)到安全區(qū)間。如果風(fēng)險(xiǎn)比超過(guò)5，屬于過(guò)處理狀況，會(huì)出現(xiàn)能源浪費(fèi)，通過(guò)系統(tǒng)控制，可以減少能耗。而通過(guò)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)模型控制，在保證出水達(dá)標(biāo)的前提下，降低控制參數(shù)波動(dòng)，提高系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性和精確性，使生產(chǎn)過(guò)程保持在經(jīng)濟(jì)穩(wěn)健運(yùn)行狀態(tài)。

[1]李鵬峰,鄭興燦,孫永利,等.A2/O工藝污水處理廠的主要能耗點(diǎn)識(shí)別及節(jié)能途徑[J].中國(guó)給水排水,2012,28(8):6-10.

[2]楊敏,喬武偉,孫永利,等.城市污水處理廠鼓風(fēng)機(jī)房節(jié)能潛力分析[J].給水排水,2011,37(6):42-45.

[3]國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局,國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 18918—2002城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社,2002.

Energy-Saving Potential Analysis for MBR Wastewater Treatment Technology

Li Zhimei
(Guangdong Institute of Automation)

In this paper,the methodology of Cp、Ppk and Risk Ratio is used to study data of the actual operation in the sewage treatment plant effluent quality and operating performance to reduces volatility,improve control precision,and achieve energy-saving methods by advanced variable control.

Cp;Ppk;Risk Ratio;Fluctuation;Energy Saving

李志梅，女，1981年生，碩士，主要研究方向：優(yōu)化控制。E-mail:zm.li@gia.ac.cn