污水廠智能水務(wù)管理系統(tǒng)建設(shè)方案

張宇龍++霍利++徐志成

摘 要：本文以某城市污水處理廠為例，介紹了智能水務(wù)管理系統(tǒng)建設(shè)的目標(biāo)、工作范圍及內(nèi)容、智能優(yōu)化方法及手段、系統(tǒng)架構(gòu)及功能等。智能水務(wù)管理系統(tǒng)可以分為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)、智能操作運(yùn)行系統(tǒng)、專家診斷系統(tǒng)、智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、公共管理系統(tǒng)等幾個(gè)部分。建設(shè)智能水務(wù)，將極大提高水廠的運(yùn)營(yíng)管理水平，經(jīng)濟(jì)、高效地發(fā)揮好污水廠環(huán)境治理主力軍的作用。

關(guān)鍵詞：污水廠 智能水務(wù) 管理系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：X70 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2017）11（a）-0144-03

隨著國(guó)家《水污染防治行動(dòng)計(jì)劃》的實(shí)施，河、湖等水環(huán)境治理與保護(hù)越來(lái)越受到人們的重視。我國(guó)污水處理廠日益增多，且分布廣，傳統(tǒng)的監(jiān)管方式已無(wú)法滿足現(xiàn)在的發(fā)展，效益提高的同時(shí)運(yùn)營(yíng)成本也節(jié)節(jié)攀升。如何高效地監(jiān)管好各廠站，這就給水務(wù)集團(tuán)管理水平提出了更高的要求[1]。

借鑒“智慧地球”的理念，在“智慧城市”的引領(lǐng)下，國(guó)內(nèi)外相繼開(kāi)展了“智慧水務(wù)”的建設(shè)實(shí)踐[2]。通過(guò)傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)系統(tǒng)與水務(wù)信息系統(tǒng)的結(jié)合，構(gòu)建成全方位的智能水務(wù)管理系統(tǒng)[3]。這將極大地提高污水處理廠的運(yùn)營(yíng)管理水平，經(jīng)濟(jì)、高效地發(fā)揮好污水廠在水環(huán)境治理中的主力軍作用。下面以某水務(wù)集團(tuán)的一個(gè)城市污水處理廠為例，介紹智能水務(wù)管理系統(tǒng)建設(shè)方案。

1 污水處理廠概況

華北地區(qū)某城市污水處理廠，當(dāng)前處理規(guī)模約為5萬(wàn)噸/天，分兩個(gè)序列并聯(lián)運(yùn)行，遠(yuǎn)期規(guī)劃處理能力為7萬(wàn)噸/天，增加一個(gè)序列。采用“多點(diǎn)進(jìn)水、多點(diǎn)回流A2/O底曝氧化溝+三級(jí)處理+輔助化學(xué)除磷”工藝，執(zhí)行國(guó)家一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，出水指標(biāo)良好。污水廠主要的處理及輔助單元包括：粗格柵、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵、旋流沉砂池、氧化溝生化反應(yīng)池、二沉池、調(diào)節(jié)池及中水提升泵、高效澄清池、變孔隙濾池、以及鼓風(fēng)機(jī)房、污泥泵房、污泥脫水機(jī)房、加藥間等。

2 智能水務(wù)建設(shè)目標(biāo)

進(jìn)行智能水務(wù)建設(shè)，首先要保證運(yùn)行安全、出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)，這是建設(shè)智能水廠的前提。在此基礎(chǔ)上，對(duì)污水處理系統(tǒng)進(jìn)行全面檢視、改進(jìn)、優(yōu)化，提高污水廠運(yùn)行的自動(dòng)化、信息化、智能化水平，減少污水廠的能耗、藥耗，降低運(yùn)維人工成本，提升污水廠的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、社會(huì)效益，這是智能水務(wù)建設(shè)的目標(biāo)。提高污水廠運(yùn)行的自動(dòng)化水平，可以減少人工操作，既降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，又減少了誤操作，同時(shí)，提高了工作效率、降低了人工成本。實(shí)現(xiàn)管理的信息化，進(jìn)行設(shè)備、系統(tǒng)的遠(yuǎn)端監(jiān)視、操作，污水廠與集團(tuán)總部之間通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行連接，各類數(shù)據(jù)、報(bào)表、管理信息等遠(yuǎn)程互傳，極大提高了管理效率。污水廠運(yùn)行智能化，就是要盡可能減少人對(duì)污水處理系統(tǒng)運(yùn)行的干預(yù)，根據(jù)進(jìn)水水量、進(jìn)水水質(zhì)等信息，智能水務(wù)管理系統(tǒng)制定出最優(yōu)的運(yùn)行策略、控制方式等，指導(dǎo)甚至自動(dòng)控制污水處理工藝的運(yùn)行，使出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)、運(yùn)維成本最低。

3 工作范圍及內(nèi)容

對(duì)污水處理廠進(jìn)行智能優(yōu)化，可以從設(shè)備、處理單元、全廠系統(tǒng)三個(gè)層面開(kāi)展工作。

3.1 設(shè)備層

全面清點(diǎn)污水廠各類設(shè)備，包括風(fēng)機(jī)、水泵、閥門(mén)等，編制設(shè)備清冊(cè)。對(duì)設(shè)備情況進(jìn)行排查，一是看設(shè)備操作模式，是自動(dòng)操作還是手動(dòng)操作，是頻繁操作、偶爾操作，還是整定后基本不需變動(dòng)；二是看設(shè)備運(yùn)行情況，與原設(shè)計(jì)性能是否相符，是否有優(yōu)化空間；三是看設(shè)備在污水處理系統(tǒng)運(yùn)行中發(fā)揮的作用，是主工藝關(guān)鍵設(shè)備，還是輔助設(shè)備、對(duì)全廠能耗及藥耗影響如何、對(duì)智能管理系統(tǒng)建設(shè)有哪些影響，等等。據(jù)此，可以將設(shè)備分成兩類，一類是主工藝關(guān)鍵設(shè)備、操作較頻繁、對(duì)污水廠能源及藥耗影響較大、關(guān)系到污水廠智能化運(yùn)行的，另一類是對(duì)智能水務(wù)管理系統(tǒng)建設(shè)影響較小的設(shè)備。前一類設(shè)備列入智能水務(wù)建設(shè)清單，首先要實(shí)現(xiàn)設(shè)備運(yùn)行的自動(dòng)化，狀態(tài)參數(shù)自動(dòng)采集、傳輸，設(shè)備遠(yuǎn)端自動(dòng)控制。然后看設(shè)備性能是否能進(jìn)一步提升，在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立設(shè)備性能曲線。后一類設(shè)備，可以綜合考慮投入產(chǎn)出效益等多方面因素，決定是否進(jìn)行自動(dòng)化、智能化改造。

例如該城市污水處理廠，當(dāng)前采用3臺(tái)多級(jí)離心變頻調(diào)速鼓風(fēng)機(jī)，2用1備。3臺(tái)風(fēng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)完全一致，能夠同時(shí)并聯(lián)運(yùn)行或各自獨(dú)立運(yùn)行，可以自動(dòng)切換。通過(guò)母管向兩個(gè)并聯(lián)處理序列供氣。兩個(gè)生化池供氣干管上分別設(shè)置氣動(dòng)蝶閥，進(jìn)行氣量調(diào)節(jié)。鼓風(fēng)機(jī)是主工藝上的關(guān)鍵設(shè)備，耗能在整個(gè)污水廠的占比非常大，直接影響智能水務(wù)建設(shè)，所以列入清單。該鼓風(fēng)機(jī)已經(jīng)能夠自動(dòng)運(yùn)行，主要看其當(dāng)前性能是否與出廠設(shè)計(jì)一致。另外，為了避免喘震停機(jī)，實(shí)際運(yùn)行操作中變頻調(diào)節(jié)范圍很小，在水量較低時(shí)往往造成了過(guò)度曝氣，能源浪費(fèi)。因此，對(duì)鼓風(fēng)機(jī)進(jìn)行性能試驗(yàn)，確定其性能曲線及變頻調(diào)節(jié)范圍等，建模輸入計(jì)算機(jī)。

3.2 單元層

逐一檢視各處理單元，一是看其運(yùn)行工況能否通過(guò)遠(yuǎn)程自動(dòng)控制進(jìn)行調(diào)整；二是看確定其運(yùn)行工況的外部輸入條件參數(shù)、描述其運(yùn)行狀態(tài)的內(nèi)部參數(shù)等是否能夠自動(dòng)采集、傳輸；三是尋找該單元在不同外部輸入條件下，達(dá)到一定處理要求的最優(yōu)運(yùn)行工況。建立單元數(shù)學(xué)模型、控制邏輯等；根據(jù)外部輸入條件參數(shù)等，確定處理單元最優(yōu)運(yùn)行工況，通過(guò)遠(yuǎn)程控制調(diào)整單元的實(shí)時(shí)運(yùn)行工況；收集描述單元運(yùn)行狀態(tài)的內(nèi)部參數(shù)，分析其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)；根據(jù)外部參數(shù)、內(nèi)部參數(shù)及其變化情況，不斷調(diào)整單元運(yùn)行工況至最優(yōu)；使處理單元能夠根據(jù)外部條件盡可能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)運(yùn)行，處理效果達(dá)標(biāo)，并且能耗、藥耗最低。

例如，該城市污水處理廠的氧化溝生化反應(yīng)池，為多點(diǎn)進(jìn)水、多點(diǎn)活性污泥回流、底曝式、A2/O工藝，各點(diǎn)進(jìn)水量、各點(diǎn)活性污泥回流量可以單獨(dú)自動(dòng)調(diào)節(jié)，但曝氣量只能通過(guò)干管上設(shè)置的氣動(dòng)蝶閥進(jìn)行總量調(diào)節(jié)，無(wú)法進(jìn)行分區(qū)段調(diào)節(jié)。為了提高曝氣的可調(diào)性、精確性、智能性，在供氣支管上增設(shè)自動(dòng)調(diào)節(jié)閥門(mén)，單獨(dú)控制各段曝氣量的大小。此外，在生化池的不同區(qū)段增設(shè)在線溶解氧測(cè)定儀，及時(shí)采集缺氧、厭氧、好氧各區(qū)及關(guān)鍵位置更小分段內(nèi)溶解氧濃度數(shù)據(jù)，以更好地了解生化池的運(yùn)行狀態(tài)。確定控制邏輯、建立數(shù)學(xué)模型。如可以根據(jù)各點(diǎn)溶解氧濃度數(shù)據(jù)，調(diào)整曝氣總量及分段曝氣量，進(jìn)行智能曝氣。根據(jù)進(jìn)水水量、進(jìn)水水質(zhì)、出水水質(zhì)等外部條件，以及活性污泥濃度、活性污泥負(fù)荷、水力停留時(shí)間等內(nèi)部參數(shù)，優(yōu)化各點(diǎn)進(jìn)水量、各點(diǎn)污泥回流量等?？刂七壿嫛?shù)學(xué)模型可以有多種模式，經(jīng)過(guò)計(jì)算后進(jìn)行優(yōu)選，以便確定生化池的最優(yōu)運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)其最大程度自動(dòng)控制運(yùn)行。endprint

3.3 全廠系統(tǒng)

設(shè)備層主要工作是提高設(shè)備操作的自動(dòng)化水平，充分發(fā)揮出設(shè)備性能。單元層，如泵房、生化反應(yīng)池、二沉池、澄清池、濾池、加藥間等，按單元逐一進(jìn)行優(yōu)化，在不同水質(zhì)、水量情況下，尋找其最優(yōu)運(yùn)行工況，提高處理效率，降低運(yùn)行能耗、藥耗等，并盡可能實(shí)現(xiàn)單元的自動(dòng)化、智能化運(yùn)行。各單元分別最優(yōu)，組合起來(lái)以后不一定必然帶來(lái)整體最優(yōu)。對(duì)于全廠，則要把組合后的各個(gè)單元視為一個(gè)有機(jī)整體，尋找系統(tǒng)的最優(yōu)。例如，生化反應(yīng)池和二沉池的相互配合、高效澄清池和變孔隙濾池的配合、二級(jí)處理和三級(jí)處理的配合、有機(jī)物去除和氮磷去除、生物除磷和化學(xué)輔助除磷，等等。在全廠層面尋找最優(yōu)運(yùn)行模式。

4 智能優(yōu)化方法及手段

在進(jìn)行智能水務(wù)管理系統(tǒng)建設(shè)之前，污水廠的運(yùn)行優(yōu)化主要靠人工經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行。按照進(jìn)水情況，根據(jù)各處理單元、設(shè)備的設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)范圍，參照當(dāng)前其實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)，工程師依靠理論知識(shí)及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，設(shè)定、調(diào)整各設(shè)備、單元的運(yùn)行工況，以達(dá)到出水水質(zhì)要求。這種模式有其自身優(yōu)點(diǎn)，但優(yōu)化效果往往受限于工程師的個(gè)人能力、水平，并且其經(jīng)驗(yàn)不容易傳承，調(diào)整的及時(shí)性往往不盡如人意。例如，為了達(dá)到較好的處理效果并節(jié)約能源，希望好氧區(qū)溶解氧濃度穩(wěn)定在一個(gè)較低的數(shù)值，并據(jù)此設(shè)定了鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速和供氣管路調(diào)節(jié)閥門(mén)的開(kāi)度等，但在實(shí)際運(yùn)行中，溶解氧濃度波動(dòng)較大，有時(shí)甚至可以達(dá)到希望值的兩三倍。建設(shè)智能水務(wù)，就是要利用計(jì)算機(jī)的輔助作用，充分發(fā)揮人工經(jīng)驗(yàn)的同時(shí)盡可能克服其缺點(diǎn)。

進(jìn)行智能優(yōu)化，對(duì)于處理設(shè)備、單元，擬合其性能曲線、建立其數(shù)學(xué)模型、確定其控制邏輯等，可以采用很多方法。一種是公式法，即可以依據(jù)理論公式、設(shè)計(jì)公式等。另一種是大數(shù)據(jù)分析法，對(duì)于已經(jīng)運(yùn)行一段時(shí)間，保存有較多運(yùn)行數(shù)據(jù)的污水處理廠比較適用。利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，進(jìn)行數(shù)據(jù)相關(guān)性分析，對(duì)多重影響因素降維確定主成分，建立相關(guān)性方程、曲線等。此外，智能水務(wù)系統(tǒng)要具有自學(xué)習(xí)功能，通過(guò)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累不斷提高自身的優(yōu)化水平。還有就是要充分發(fā)揮人工經(jīng)驗(yàn)的作用，將人的經(jīng)驗(yàn)充分融入到智能水務(wù)系統(tǒng)中。每個(gè)設(shè)備、單元、污水廠的情況不同，可以根據(jù)實(shí)際情況采用不同的方法。

5 智能水務(wù)管理系統(tǒng)架構(gòu)及功能

除了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)以外，智能水務(wù)管理系統(tǒng)又可以分為若干個(gè)子系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)不同方面的應(yīng)用，如智能操作運(yùn)行系統(tǒng)、專家診斷系統(tǒng)、智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)、公共管理系統(tǒng)等。

5.1 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)

為了便于數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、管理、使用，應(yīng)建立統(tǒng)一的公共數(shù)據(jù)庫(kù)，為其他應(yīng)用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。這個(gè)數(shù)據(jù)庫(kù)可以包含各類數(shù)據(jù)，如污水廠每日運(yùn)行數(shù)據(jù)，如進(jìn)水水量、進(jìn)水水質(zhì)、出水水量、出水水質(zhì)、活性污泥濃度、外排污泥量、各種藥耗、能耗等；運(yùn)行過(guò)程中設(shè)備、單元的狀態(tài)參數(shù)，壓力、阻力、開(kāi)度、水位、流量、風(fēng)量、溶解氧、轉(zhuǎn)速、功率等；各類設(shè)備、單元的性能參數(shù)、數(shù)學(xué)模型，設(shè)備的銘牌參數(shù)、處理構(gòu)筑物的尺寸參數(shù)、性能曲線、智能優(yōu)化中建立的各類數(shù)學(xué)模型等；還有就是各類管理數(shù)據(jù)，包括各種經(jīng)過(guò)二次計(jì)算生成的數(shù)據(jù)、各類統(tǒng)計(jì)分析數(shù)據(jù)、污水廠日常管理相關(guān)的一些數(shù)據(jù)等。

5.2 智能操作運(yùn)行系統(tǒng)

如前所述，智能操作運(yùn)行系統(tǒng)的主要功能就是根據(jù)外部條件的變化，智能預(yù)報(bào)、自動(dòng)控制、調(diào)整、優(yōu)化污水廠的運(yùn)行狀態(tài)，達(dá)到安全運(yùn)行、出水達(dá)標(biāo)、經(jīng)濟(jì)高效的目的。每個(gè)污水處理廠，根據(jù)其自身的實(shí)際情況以及智能控制相關(guān)技術(shù)的發(fā)展水平，其所能達(dá)到的智能操控程度也會(huì)有所不同。隨著智能水務(wù)的不斷發(fā)展，污水處理廠的智能化程度會(huì)不斷提高。

5.3 專家診斷系統(tǒng)

污水處理廠日常運(yùn)行過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)一些問(wèn)題，如出水懸浮物濃度超標(biāo)、污泥上浮、污泥膨脹、泡沫問(wèn)題等?？梢詫⑦@些問(wèn)題的解決方法集成到智能水務(wù)管理系統(tǒng)中。另外，工程師的人工經(jīng)驗(yàn)也可以放入專家系統(tǒng)，以便查閱、使用。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，不斷累積經(jīng)驗(yàn)，又可以據(jù)此不斷完善專家診斷系統(tǒng)，逐漸發(fā)展智能診斷、智能處置功能，提高系統(tǒng)處理各類問(wèn)題的能力。

5.4 智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)

一般情況下，污水處理廠運(yùn)行工程師培訓(xùn)需要在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行，費(fèi)用較高，而且由于正在運(yùn)行的工藝不可能隨意調(diào)整工況，很難進(jìn)行全面培訓(xùn)，特別是不常見(jiàn)工況、突發(fā)狀況等。智能操作運(yùn)行系統(tǒng)已經(jīng)對(duì)全廠處理工藝進(jìn)行了數(shù)學(xué)建模，在此基礎(chǔ)上可以建立污水廠的智能仿真系統(tǒng)。通過(guò)該系統(tǒng)，可以很方便地開(kāi)展日常狀態(tài)、應(yīng)急狀態(tài)等各種培訓(xùn)。而且，還可以將污水廠運(yùn)行歷史記錄、專家知識(shí)等整合進(jìn)智能仿真培訓(xùn)系統(tǒng)，使其具有更全面的培訓(xùn)功能。

5.5 公共管理系統(tǒng)

污水處理廠內(nèi)部有很多日常管理工作，如藥品庫(kù)存、運(yùn)行排班、人員調(diào)度、巡查檢修、各種報(bào)表、總結(jié)等。對(duì)于一個(gè)水務(wù)集團(tuán)，污水廠和總部之間有很多數(shù)據(jù)、信息需要傳遞。此外，污水廠還有外部客戶、公共關(guān)系需要維護(hù)，如中水用戶、政府等。因此，可以建立一個(gè)公共管理系統(tǒng)，提高效率。

6 結(jié)語(yǔ)

當(dāng)前，人工智能興起，計(jì)算機(jī)程序已經(jīng)戰(zhàn)勝了人類最好的圍棋手，自動(dòng)駕駛汽車技術(shù)日趨成熟，等等。伴隨著技術(shù)的進(jìn)步，將其引入水處理行業(yè)，進(jìn)行智能水務(wù)建設(shè)，將極大提高水廠運(yùn)行的自動(dòng)化、信息化、智能化水平，使水廠的運(yùn)營(yíng)管理能力提升到一個(gè)新的高度，使其能夠更加經(jīng)濟(jì)、高效地發(fā)揮好環(huán)境效益，為社會(huì)發(fā)展做出更大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1] 王軍.智慧水務(wù)在污水處理中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2015（30）：166-167.

[2] 田雨，蔣云鐘，楊明祥.智慧水務(wù)建設(shè)的基礎(chǔ)及發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國(guó)水利，2014（20）：14-17.

[3] 張世濱.智慧水務(wù)構(gòu)想[J].城鎮(zhèn)供水，2014（4）：56-60.endprint