城鎮(zhèn)污水處理自動(dòng)控制策略研究進(jìn)展

上海漾沁環(huán)境科技有限公司 吳金武

一、城鎮(zhèn)污水處理自動(dòng)控制研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)控制模式主要是線性控制，通過系統(tǒng)部分控制之和作為整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行后的最終結(jié)果，其中時(shí)序控制就是一種簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制，該控制方法主要對(duì)一些特定工藝進(jìn)行處理，最終對(duì)整個(gè)工藝流程節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，并根據(jù)時(shí)間順序?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)控制目標(biāo)。比如，比例積分微分控制也是污水處理廠常用的一種模式，該模式主要通過PID模塊對(duì)系統(tǒng)偏差進(jìn)行精確處理，以此達(dá)到系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)值。PID模塊一般被用于處理活性污泥系統(tǒng)中的產(chǎn)生的溶解氧、磷酸鹽等一些指標(biāo)，通過指標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)水質(zhì)進(jìn)行控制。PID反饋控制模式只能在系統(tǒng)產(chǎn)生誤差時(shí)進(jìn)行運(yùn)作，因此其是一種事后控制，效率不高，因此需要采取其他方法對(duì)提前對(duì)系統(tǒng)誤差和誤差影響進(jìn)行預(yù)測(cè)，最終運(yùn)用前反饋方法對(duì)各種干擾性信息進(jìn)行控制，以此提高系統(tǒng)的信息反應(yīng)度[1]。

在具體的污水處理中會(huì)因?yàn)楦鞣N非線性、多變量因素具有時(shí)變性特點(diǎn)，傳統(tǒng)的控制模式在這種特點(diǎn)下會(huì)出現(xiàn)一定的干擾性誤差，難以有效滿足現(xiàn)代化無法的污水處理工藝控制需求，因此需要從控制變量入手進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，以此解決自動(dòng)控制系統(tǒng)問題。自動(dòng)控制系統(tǒng)一般通過自適應(yīng)控制模式來建立模型，并通過模型預(yù)估系統(tǒng)內(nèi)部的變量參數(shù)，模型預(yù)測(cè)控制模式也是自動(dòng)控制系統(tǒng)常用的一種方式，其通過模型對(duì)系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)。以上這兩種模模式基本的工作原理都是一種基于線性化對(duì)非線性化進(jìn)行處理的系統(tǒng)，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)的非線性特點(diǎn)顯著時(shí)，可以通過非線性控制工作原理設(shè)計(jì)系統(tǒng)，以此提高系統(tǒng)控制效果。非線性控制模式主要有幾何控制、調(diào)度控制、非線性模型預(yù)測(cè)控制，這幾個(gè)控制系統(tǒng)運(yùn)行程序都比較復(fù)雜，因此需要操作者具備一定的設(shè)備計(jì)算能力和專業(yè)操作能力[2]。

二、城鎮(zhèn)污水處理自動(dòng)控制策略研究

（一）精確曝氣控制策略的研究

曝氣系統(tǒng)是針對(duì)活性污泥法而言的，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)氧氣和液相之間的轉(zhuǎn)化，最終為污水有機(jī)物進(jìn)行氧化提供電子受體，因此曝氣量的控制對(duì)于曝氣系統(tǒng)是十分重要的，如果曝氣不足會(huì)導(dǎo)致污水中絲狀球菌的出現(xiàn)，最終導(dǎo)致污泥膨脹，如果曝氣量過高，也會(huì)導(dǎo)致污泥氣體被破壞，并對(duì)生化池處理效果產(chǎn)生一定的影響。但是曝氣系統(tǒng)成本較高，耗能高，因此需要采用新技術(shù)對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，比如可以通過數(shù)字模型優(yōu)化，對(duì)曝氣系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)化控制，降低能耗，提高處理效果。Amand提出對(duì)一定范圍內(nèi)的水質(zhì)波動(dòng)進(jìn)行記錄，通過降低系統(tǒng)反饋減少曝氣量，從而實(shí)現(xiàn)低耗能效果，該系統(tǒng)運(yùn)用了分離控制器對(duì)水質(zhì)負(fù)荷進(jìn)行控制，并精確水氨氮濃度控制指標(biāo)，通過BSMI模型的模擬結(jié)果可以有效發(fā)現(xiàn)這種方法可以節(jié)約更多的曝氣量。Sun提出了串聯(lián)比例積分算法，通過合計(jì)氨氮反饋生物膜法形成自動(dòng)控制曝氣系統(tǒng)，在生化池尾端裝置氨氮濃密檢測(cè)針，并在水泵房?jī)?nèi)設(shè)置電磁流量計(jì)算最終的流量，并運(yùn)用ASM2d模型對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的變量參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，確保污水處理實(shí)踐效果的提升。但是曝氣系統(tǒng)存在一定的測(cè)量滯后性缺點(diǎn)，因此學(xué)者們提出將傳統(tǒng)的控制模式和估算預(yù)測(cè)、模型預(yù)測(cè)進(jìn)行融合，以此提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性測(cè)量。Chiavpla就采用了估算預(yù)測(cè)方法對(duì)PID控制系統(tǒng)和氧化還原電位控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)，升級(jí)后的控制系統(tǒng)主要通出水氨氮濃度標(biāo)準(zhǔn)值自動(dòng)調(diào)節(jié)反應(yīng)器中的溶解氧濃度，這種方法可以有效降低能耗量[3]。

（二）化學(xué)除磷自動(dòng)加藥控制策略研究

為了促使污水中的除磷效果達(dá)標(biāo)，污水處理廠一般通過投放化學(xué)藥物進(jìn)行除磷，這種除磷方法會(huì)受到水體PH值、水溫、氧化還原環(huán)境、藥劑點(diǎn)、反應(yīng)結(jié)構(gòu)、微生物代謝因素的影響，并直接影響最終的生化池污水處理效果，因此需要科學(xué)投入化學(xué)藥劑。傳統(tǒng)的化學(xué)除磷一般采用的人工加藥的方法，這種方法有一定的弊端，因此需要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化加藥，確保化學(xué)除磷效果最佳。馬偉芳等一些學(xué)者通過實(shí)驗(yàn)構(gòu)建了化學(xué)處理加藥模型，對(duì)加藥后的效果進(jìn)行預(yù)測(cè)，針對(duì)預(yù)測(cè)效果對(duì)污水總磷進(jìn)行控制，這種模型是通過加藥泵的變頻調(diào)節(jié)對(duì)化學(xué)初戀工藝進(jìn)行優(yōu)化。經(jīng)過模型預(yù)測(cè)后發(fā)現(xiàn)，處理后總磷濃度比較穩(wěn)定，并達(dá)到了排放標(biāo)準(zhǔn)，可以有效節(jié)省投藥量。龐洪濤將前反饋方法和反饋模式進(jìn)行了結(jié)合，通過變頻控制，制定了曝氣池尾端和反小化濾池加藥兩種新加藥控制策略，以此是污水處理廠進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。賈玉柱對(duì)污水處理技術(shù)進(jìn)行再次升級(jí)改造，對(duì)生化池設(shè)置了一種實(shí)時(shí)除磷動(dòng)態(tài)性監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確對(duì)水流量進(jìn)行控制，以此對(duì)正磷酸鹽進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，最終將測(cè)量結(jié)果反饋給數(shù)字模型，以此計(jì)算中加藥標(biāo)準(zhǔn)量，實(shí)現(xiàn)計(jì)量泵的控制。邱勇采用了一種新工藝對(duì)原來的化學(xué)除磷方法也進(jìn)行了改進(jìn)，其研究了實(shí)時(shí)控制、水流量前饋、除磷反饋等三種自動(dòng)化控制策略，旨在提升除磷效果。實(shí)時(shí)控制方法運(yùn)行穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，加藥量小，但是其耐沖擊負(fù)荷力差，因此控制系統(tǒng)本身構(gòu)建模型也會(huì)有一定的誤差，導(dǎo)致水流量控制效果也不佳，其中除磷反饋系統(tǒng)也有一定的滯后性，因此需要采用監(jiān)測(cè)器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，總之，這幾種控制模式也有一定的優(yōu)勢(shì)。

（三）優(yōu)化控制目標(biāo)的策略研究

城鎮(zhèn)污水處理廠工作目的主要是為了確保污水處理后各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)都合格，達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，通過自動(dòng)控制促使整個(gè)工作運(yùn)行系統(tǒng)的穩(wěn)定，并實(shí)現(xiàn)污水處理的節(jié)能、減耗、降低成本的目標(biāo)。但是，污水處理過程較為復(fù)雜，難以有效建立各種模型對(duì)各種參數(shù)之間的變量關(guān)系進(jìn)行精準(zhǔn)的描述，另外污水處理是在室外進(jìn)行，也會(huì)受到一些天氣、溫度影響，導(dǎo)致水質(zhì)進(jìn)一步發(fā)生變量，最終會(huì)影響污水處理的環(huán)境。想要在以上這種復(fù)雜的問題中明確控制目標(biāo)，就需要對(duì)傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過智能控制算法對(duì)處理過程中的變量輸出進(jìn)行有效控制，滿足多樣化的控制需求。另外，基于智能技術(shù)也可以建立BSM模型，并運(yùn)用一些軟件模型處理模擬，以此便于學(xué)者們通過模擬對(duì)處理效果進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)，最終促使新系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。為了實(shí)現(xiàn)水質(zhì)處理和成本降低的目標(biāo)，Oiao通過差分優(yōu)化算法對(duì)氧池DO濃度和缺氧池硝態(tài)氮濃度進(jìn)行的標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行設(shè)定，并運(yùn)用自適應(yīng)模式通過網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)明確標(biāo)準(zhǔn)值的預(yù)期，這種控制方法和其他控制方法相比，系統(tǒng)指標(biāo)有了一定提高。Hian提出通過自適應(yīng)函數(shù)模型對(duì)模擬中的各種輸出水質(zhì)、能耗量的動(dòng)力學(xué)進(jìn)行計(jì)算，并運(yùn)用多粒子算法確定系統(tǒng)設(shè)定水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，并借助網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)進(jìn)行追蹤定位[4]。

三、進(jìn)展

城鎮(zhèn)污水處理自動(dòng)控制技術(shù)需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)入的污水處理廠對(duì)各種監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和處理設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)操作，確保系統(tǒng)和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，并利用一些硬件設(shè)備對(duì)可利用的資源進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。為了更好地實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展，污水處理廠需要明確當(dāng)今社會(huì)環(huán)境治理標(biāo)準(zhǔn)，嚴(yán)格按照治理流程進(jìn)行，以此實(shí)現(xiàn)污水處理全過程自動(dòng)化監(jiān)控和自動(dòng)化控制。由以上研究可以看出，城鎮(zhèn)污水處理廠在未來發(fā)展中自動(dòng)化控制系統(tǒng)將會(huì)向著智能化、集約化的方向發(fā)展，整個(gè)系統(tǒng)也會(huì)更加高效、平穩(wěn)、安全的運(yùn)行，并促使污水處理也可以向著綠色、環(huán)保、節(jié)能的方向發(fā)展。對(duì)于以上研究中出現(xiàn)的問題，給予以下建議：第一，需要利用數(shù)字技術(shù)建立一種大規(guī)模的數(shù)字模型，通過云計(jì)算計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)自動(dòng)化控制系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)，以此提供新發(fā)展契機(jī)。另外，基于大數(shù)據(jù)數(shù)字模型可以提高自動(dòng)控制系統(tǒng)的魯棒性，云平臺(tái)也可以對(duì)原有的污水處理系統(tǒng)進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)操作，最終確保自動(dòng)控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)。第二，系統(tǒng)重點(diǎn)考慮系統(tǒng)在運(yùn)行過程中的控制目標(biāo)，針對(duì)目標(biāo)建立測(cè)評(píng)體系，因?yàn)椴煌牡貐^(qū)污水處理廠的排放標(biāo)準(zhǔn)和治污目標(biāo)是不同的，對(duì)于自動(dòng)控制系統(tǒng)運(yùn)行目標(biāo)也是不同的，為了更好地促使系統(tǒng)設(shè)計(jì)符合當(dāng)?shù)刈詣?dòng)控制需求，更需要建立完善、系統(tǒng)的測(cè)評(píng)體系。第三，想要確保自動(dòng)控制系統(tǒng)發(fā)揮更大效能，推動(dòng)其深入發(fā)展，更好地實(shí)現(xiàn)未來展望目標(biāo)，就需要積極開展試點(diǎn)工程，并完善各種風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防措施，通過試點(diǎn)對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改進(jìn)，運(yùn)行升級(jí)。另外，在實(shí)踐中積極發(fā)現(xiàn)問題，通過各種新技術(shù)對(duì)數(shù)字模型進(jìn)行優(yōu)化，提高問題處理高效性，并適當(dāng)?shù)剡\(yùn)用一些監(jiān)測(cè)儀器來探測(cè)問題，以此推動(dòng)工程實(shí)踐的成功，也推動(dòng)自動(dòng)化控制進(jìn)程[5]。