城市污水處理過程模型研究

劉玉良

摘 要：城市污水處理工作的數(shù)字化是當(dāng)前環(huán)保領(lǐng)域的重要方向，是高效率、高質(zhì)量、低能耗進(jìn)行城市污水處理的重要基礎(chǔ)。研究從城市污水處理的實際出發(fā)，描述了城市污水處理的基本流程，闡述了城市污水處理的基本特點，探討了城市污水處理過程建模存在的意義和遇到的問題，提供了等方法和措施，為做好城市污水處理工作，加速城市污水處理智能化、數(shù)字化建設(shè)進(jìn)行了深入思考。

關(guān)鍵詞：城市污水處理；流程；特點；建模；數(shù)字化

中圖分類號：X703 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

1 城市污水處理的流程

1.1 城市污水一級處理

一級處理是對城市污水的物理處理，是通過物理沉降、格柵和流速的體系和控制實現(xiàn)污染物的分離。一級處理在城市污水處理環(huán)節(jié)中處于第一個環(huán)節(jié)，一般由各種口徑的格柵控制污水的流速，起到沉淀、氣浮的作用，達(dá)到對城市污水中油脂、漂浮物、礫石、固體廢物的分離和截留的作用。

1.2 城市污水二級處理

如果說一級處理是物理處理城市污水，那么二級處理就是對城市污水的化學(xué)處理，COD（化學(xué)需氧量）是城市污水二級處理的重要綜合性參量和指標(biāo)。在城市污水二級處理過程中通過氣密、曝氧、加碳等過程和步驟，以微生物、化學(xué)制劑等生化作用，在發(fā)生厭氧、需氧反應(yīng)后去除污水中可降解有機物、不可沉降懸浮物、有害氣體、固體中間物。經(jīng)過二級處理可以有效降低COD（化學(xué)需氧量），有效控制污水中還原物質(zhì)含量，實現(xiàn)污染水的進(jìn)一步處理。

1.3 城市污水三級處理

城市污水三級處理是整個處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，主要針對城市污水中富含的氮磷化物、無機污染物、小分子有機物需要在三級處理中加以分離和去除，在三級處理中以添加氯氣、添加活性炭、添加交換離子、紫外線照射等方式實現(xiàn)對污水的深度處理。

2 城市污水處理的特點

城市污水處理過程中物理、生物、化學(xué)作用種類眾多、環(huán)節(jié)復(fù)雜，具有5個特點：一是，城市污水處理生化反應(yīng)時間長，并隨時間的推移而出現(xiàn)動態(tài)、實時地變化，這導(dǎo)致城市污水處理過程時間跨度大。二是，城市污水處理中各種微生物在生物反應(yīng)中由于外環(huán)境的變化而出現(xiàn)生存條件的轉(zhuǎn)變，因此生物反應(yīng)中表現(xiàn)出不同的特點、性質(zhì)和特色，在規(guī)律和特點上具有不確定性。三是，城市污水處理過程中污染物具有種類、數(shù)量、含量上很大的差別，在進(jìn)水方式、流量控制各不相同的情況下處理表現(xiàn)出不同的特點。四是，城市污水處理中厭氧、需氧的生化反應(yīng)種類眾多，必須通過不同的體系進(jìn)行環(huán)境和外部因素的控制，這樣才能有效提升城市污水處理的效率。五是，城市污水處理存在條件上的制約，特別在溫度、pH值、降水等因素影響下會出現(xiàn)生物固體廢物和有機污染物分離困難。

3 建立城市污水處理過程模型

3.1 城市污水處理過程模型建模的意義

首先城市污水處理模型建?？梢詫⑻幚磉^程數(shù)字化，可以將不同過程、不同分組、不同類別的數(shù)據(jù)進(jìn)行全面記錄和系統(tǒng)加工，這不但有利于提升對城市污水處理過程的系統(tǒng)認(rèn)識，對于把握城市污水處理中的現(xiàn)象，掌握城市污水處理中的規(guī)律有著重要的理論意義，對于城市污水處理過程的數(shù)字化建設(shè)有著重要的保障功能。其次，有了城市污水處理的數(shù)字化模型可以有效地針對各種指標(biāo)、參數(shù)進(jìn)行實時監(jiān)控和科學(xué)預(yù)測，對于城市污水處理過程量、參量的變化有著精確、細(xì)致的調(diào)控功能，對于提升城市污水處理的效果，提高出水水質(zhì)，減少污染物超標(biāo)排放，預(yù)防環(huán)境污染有著重要的支撐作用。最后，城市污水處理模型的建設(shè)有利于實現(xiàn)城市污水處理的智能化，對于降低城市污水處理的成本、提升城市污水處理的效率有著保障作用，對城市污水治理的數(shù)字化建設(shè)起著基礎(chǔ)、方法和體系上的構(gòu)建功能。

3.2 城市污水處理過程建模存在的障礙

首先，在城市污水處理過程中各種變量和參量有著時間上的調(diào)整和過程上的動態(tài)等特點，各變量和參量存在相互耦合、互相制約的基本特征，這給城市污水處理建模帶來了基礎(chǔ)性的難題，產(chǎn)生建模系統(tǒng)復(fù)雜、分類混亂、變量和參量難于控制等問題。其次，在理論界和科學(xué)界對城市污水處理的過程、反應(yīng)、生化作用的反應(yīng)還沒有完全認(rèn)知和系統(tǒng)辨識，特別是微生物生存條件、催化劑使用量、環(huán)境因素控制方法還有很大的不足，這導(dǎo)致城市污水處理質(zhì)量和效率產(chǎn)生波動。最后，城市污水處理過程中污染物、水質(zhì)在組成、含量上存在較大的差距，這就導(dǎo)致固液分離、有機物降解難于數(shù)字化，產(chǎn)生城市污水處理建模的困難。

4 城市污水處理過程建模的要點

4.1 建立城市污水處理全流程的模型體系

要建立城市污水處理全流程的數(shù)字化模型，通過模型數(shù)字化地反映城市污水處理中各類反應(yīng)和作用，以精確的模型準(zhǔn)確描述城市污水處理的全過程，做到對關(guān)鍵步驟和環(huán)節(jié)的系統(tǒng)辨識，解決城市污水處理模型中對流程劃分不清晰的問題，提升城市污水處理全流程的信息化水平，提高城市污水處理節(jié)能和降耗的層次，在推進(jìn)城市污水處理數(shù)字化的前提下確保工作向可持續(xù)、可量化、可控制的方向發(fā)展。

4.2 建立模型的動態(tài)優(yōu)化系統(tǒng)

城市污水處理過程中污水指標(biāo)、環(huán)境因素處于連續(xù)變化的狀態(tài)，諸多的變量和系統(tǒng)的目標(biāo)需要在城市污水處理建模中設(shè)置動態(tài)和優(yōu)化的機制和系統(tǒng)，準(zhǔn)確描述城市污水處理的過程量和動態(tài)水平，改變傳統(tǒng)靜態(tài)城市污水處理模型中對時間、變量、參數(shù)發(fā)生變化時功能不足和描述不準(zhǔn)確的問題，建立動態(tài)的系統(tǒng)保障城市污水處理模型功能性，以便在城市污水處理過程中實現(xiàn)動態(tài)優(yōu)化、運行調(diào)整、功能強化的作用。

4.3 建立城市污水處理模型的加工系統(tǒng)

城市污水處理模型收集和記錄著數(shù)據(jù)、信息，特別對城市污水進(jìn)水量、污水組分、污染物濃度、氣候條件有著廣泛地接收和記錄的功能，這些記錄的信息是對生化反應(yīng)、微生物活動的全面描述，與城市污水的pH值、COD值、種群數(shù)量等關(guān)鍵參數(shù)有著直接的聯(lián)系，也關(guān)聯(lián)著城市污水處理的速度與質(zhì)量。因此要在模型中建立數(shù)字和信息的加工系統(tǒng)，通過大數(shù)據(jù)技術(shù)和專業(yè)元件做到對數(shù)據(jù)特征的提取、處理機理的分析、處理過程的記錄，這樣才能挖掘城市污水處理模型收集和記錄信息的潛在價值，有利于做出城市污水處理的科學(xué)結(jié)論和決策，在進(jìn)一步優(yōu)化城市污水處理模型的同時豐富城市污水處理的數(shù)據(jù)庫和信息資源。

4.4 建立城市污水處理模型的局部功能體系

在城市污水處理模型建立和優(yōu)化的過程中，在局部和子系統(tǒng)要重點利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、貝葉斯網(wǎng)絡(luò)等方法實現(xiàn)局部功能的強化，在子系統(tǒng)中深度挖掘關(guān)鍵參數(shù)、重要信息的價值，同時形成專家決策功能體系，采取深度學(xué)習(xí)和人工智能的方式對水質(zhì)、水量、參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測，進(jìn)而實現(xiàn)城市污水處理模型整體上的自主診斷、自動評價和科學(xué)決策等重要功能，將局部和子系統(tǒng)真正整合在城市污水處理模型體系之中以確保模型對城市污水處理實際的監(jiān)督、管理作用。在模型和系統(tǒng)內(nèi)部建立起預(yù)防城市污水超標(biāo)、處理設(shè)備故障等相關(guān)功能，在穩(wěn)定城市污水處理質(zhì)量和效率的同時，做到對各種情況的實時調(diào)整，進(jìn)而做到不斷優(yōu)化城市污水處理運行的目標(biāo)。

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