煤化工廢水處理的自動化控制

＊白 皓

（云南安益安全評價有限公司 云南 650000）

引言

煤化工行業(yè)作為我國重要的能源產(chǎn)業(yè)之一，為經(jīng)濟和社會發(fā)展作出了巨大貢獻。然而，煤化工生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水卻成為一個值得關(guān)注和解決的問題。這些廢水中含有大量的有機物、重金屬和其他污染物，其排放對環(huán)境和人類健康造成嚴(yán)重的威脅[1-3]。因此，對煤化工廢水進行有效處理至關(guān)重要。自動化控制技術(shù)與廢水處理之間存在著密切的關(guān)聯(lián)，通過自動化控制技術(shù)，廢水處理能夠?qū)崿F(xiàn)更高效、準(zhǔn)確和可靠的操作。例如，自動化控制技術(shù)可以對廢水處理設(shè)備進行監(jiān)測和調(diào)節(jié)，確保其正常運行和達到預(yù)期效果。此外，自動化控制技術(shù)還可以實現(xiàn)廢水處理系統(tǒng)的智能化管理，通過數(shù)據(jù)分析和算法優(yōu)化，提高廢水處理的效率和資源利用率[4]。因此，自動化控制技術(shù)在廢水處理中發(fā)揮了重要的作用，不僅提升了處理效果，還降低了對人力資源的需求，實現(xiàn)了廢水處理的可持續(xù)發(fā)展。本文旨在探討煤化工廢水處理的自動化控制方法和技術(shù)，并深入分析其研究意義，以期為煤化工行業(yè)的環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展做出積極貢獻。

1.煤化工廢水處理的自動化控制概述

(1)自動化控制在廢水處理中的作用和優(yōu)勢

自動化控制在廢水處理中發(fā)揮著重要的作用，在提高處理效率和質(zhì)量方面具有諸多優(yōu)勢。首先，自動化控制技術(shù)可以實現(xiàn)廢水處理過程的智能化和精確化。通過使用傳感器和儀器設(shè)備，對廢水的各種參數(shù)進行實時監(jiān)測，監(jiān)測參數(shù)包括pH值、溶解氧、濁度、溫度、電導(dǎo)率、化學(xué)需氧量（COD）、生化需氧量（BOD）、氨氮、亞硝酸鹽氮、硝酸鹽氮、總磷、總氮以及重金屬等，將數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，以實現(xiàn)精確的調(diào)節(jié)和控制。其次，自動化控制系統(tǒng)能夠根據(jù)不同運行狀態(tài)下的要求實現(xiàn)最佳性能。在呂鵬[5]的研究中，自動化控制系統(tǒng)可以根據(jù)實時的數(shù)據(jù)和條件，自動調(diào)節(jié)操作參數(shù)、流程和處理方式，以提高廢水處理的效率和質(zhì)量。此外，自動化控制技術(shù)還可以通過實時監(jiān)測和報警，對廢水處理過程進行有效的管理和維護。另外，自動化控制系統(tǒng)對相關(guān)監(jiān)控人員有一定的要求。第一，監(jiān)控人員需要具備良好的技術(shù)和專業(yè)知識，熟悉廢水處理過程及相關(guān)設(shè)備的原理和操作方法。第二，他們需要掌握自動化控制系統(tǒng)的基本原理和操作流程，能夠理解和分析監(jiān)測數(shù)據(jù)，并做出相應(yīng)的判斷和決策[6]。第三，監(jiān)控人員還需要具備良好的溝通和團隊合作能力，能與其他技術(shù)人員密切配合，及時解決問題并優(yōu)化廢水處理過程。

(2)煤化工廢水處理自動化控制的現(xiàn)狀及其在工業(yè)實踐中的應(yīng)用

煤化工廢水處理自動化控制是一種高效、環(huán)保的廢水處理技術(shù)，通過采用先進的自動化控制系統(tǒng)，實現(xiàn)對廢水處理工藝的監(jiān)測、調(diào)控和優(yōu)化，提高處理效率、降低成本，并減少對環(huán)境的污染[7]。目前，煤化工廢水處理自動化控制在工業(yè)實踐中已得到廣泛應(yīng)用。首先，自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測廢水處理過程中的關(guān)鍵指標(biāo)，如水質(zhì)、溶解氧、pH值等是廢水處理過程中三個至關(guān)重要的指標(biāo)，它們之間是相互關(guān)聯(lián)、相互影響的，通過實時監(jiān)測和精確控制這些指標(biāo)，自動化控制系統(tǒng)可以確保整個廢水處理過程的順利進行，并達到理想的處理效果。通過自動調(diào)節(jié)投加藥劑的量和配比，可有效預(yù)防廢水處理過程中的異常情況和事故發(fā)生，保證處理效果的穩(wěn)定性和可靠性。其次，煤化工廢水處理自動化控制能夠優(yōu)化廢水處理工藝，提高處理效率。

2.自動化控制方法和技術(shù)

(1)自動化控制方法

自動化控制方法主要包括基于規(guī)則、基于模型和基于模糊邏輯的控制方法。這些方法都在不同領(lǐng)域的自動化系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用?；谝?guī)則的控制方法是一種基于預(yù)定義規(guī)則和條件的控制方式。它通過事先編制好的規(guī)則集合，將輸入信號與規(guī)則進行匹配，并執(zhí)行相應(yīng)的操作[8]。

(2)煤化工廢水處理中常用的自動化控制技術(shù)

在煤化工廢水處理中，常用的自動化控制技術(shù)包括PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制和模型預(yù)測控制。PID控制是一種基于比例、積分和微分操作的經(jīng)典控制技術(shù)。PID控制通過不斷地調(diào)節(jié)控制器輸出信號，使得系統(tǒng)的實際輸出與設(shè)定值之間的差距最小化。在煤化工廢水處理中，PID控制常用于控制某些關(guān)鍵參數(shù)，如溶解氧濃度、pH值等。PID控制具有簡單、穩(wěn)定、易于實現(xiàn)和調(diào)試的特點，能夠在一定范圍內(nèi)對廢水處理過程進行有效控制[9]。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種模擬生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的計算模型，用于模擬和解決復(fù)雜問題。它由多層神經(jīng)元節(jié)點組成，每個節(jié)點模擬一個神經(jīng)元。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過學(xué)習(xí)和調(diào)整神經(jīng)元之間的連接權(quán)重來實現(xiàn)對輸入數(shù)據(jù)的處理和輸出結(jié)果的預(yù)測。它被廣泛應(yīng)用于圖像識別、自然語言處理、數(shù)據(jù)挖掘等領(lǐng)域。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有自適應(yīng)、并行計算和非線性映射等特點，在模式識別和模擬學(xué)習(xí)上表現(xiàn)出良好的性能和靈活性。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制是一種基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)控制技術(shù)。它通過模擬人腦神經(jīng)元的工作原理，建立起多層次的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并通過訓(xùn)練和學(xué)習(xí)過程來調(diào)整網(wǎng)絡(luò)的權(quán)重和參數(shù)，以實現(xiàn)對系統(tǒng)的控制。在煤化工廢水處理中，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制可以用于模擬復(fù)雜非線性系統(tǒng)，優(yōu)化廢水處理工藝，提高處理效率和穩(wěn)定性。模型預(yù)測控制是一種基于建立系統(tǒng)動態(tài)模型來進行預(yù)測和優(yōu)化的控制技術(shù)。它通過建立數(shù)學(xué)模型來描述廢水處理過程的動態(tài)特性，根據(jù)實時收集到的數(shù)據(jù)進行預(yù)測，然后根據(jù)預(yù)測結(jié)果對系統(tǒng)進行優(yōu)化控制。模型預(yù)測控制在煤化工廢水處理中可以用于在線監(jiān)測和調(diào)整處理參數(shù)，以實現(xiàn)更精確、高效的廢水處理。

3.自動化控制在煤化工廢水處理中的應(yīng)用

(1)自動化控制在廢水處理過程中的具體應(yīng)用

①進水調(diào)節(jié)是廢水處理過程中的重要環(huán)節(jié)。通過自動化控制技術(shù)，可以根據(jù)進水的流量和水質(zhì)信息，在不同情況下自動調(diào)整處理設(shè)備的運行狀態(tài)和操作參數(shù)。例如，當(dāng)進水量發(fā)生突增時，可以通過自動調(diào)整處理設(shè)備的載荷和投加藥劑的量來保持處理效果的穩(wěn)定性。

②pH控制是廢水處理中常見的一個環(huán)節(jié)[10]。通過自動控制系統(tǒng)對廢水中的pH值進行監(jiān)測，并根據(jù)其與設(shè)定值之間的差距自動調(diào)整酸堿藥劑的投加量。這樣可以保持廢水處理系統(tǒng)的酸堿平衡，避免因pH值偏離設(shè)定點而導(dǎo)致的處理效果變差或設(shè)備損壞。

③氧化還原潛能調(diào)節(jié)是一種用于調(diào)控廢水處理過程中的微生物活性的方法。通過自動檢測廢水中的溶解氧含量和氧化還原電位等指標(biāo)，可以實時了解微生物活性狀態(tài)，并根據(jù)需要自動控制曝氣量和曝氣時間。這樣可以達到保持廢水處理系統(tǒng)中適宜的微生物生長和降解能力，提高廢水處理效果。

(2)自動化控制在不同處理工藝中的應(yīng)用案例

①生物處理工藝

在生物處理過程中，自動化控制被廣泛用于控制曝氣系統(tǒng)、混合系統(tǒng)和沉淀池等單元操作。例如，通過自動化控制系統(tǒng)檢測廢水中的溶解氧（DO）含量，自動調(diào)節(jié)曝氣設(shè)備的狀態(tài)，以保持適宜的DO水平，提高活性污泥的生物降解能力。另一方面，根據(jù)混合罐中反應(yīng)物質(zhì)的濃度和時間，自動化控制系統(tǒng)可以調(diào)控攪拌和通氣設(shè)備的運行狀態(tài)，確保廢水中的污染物被充分降解。

②化學(xué)處理工藝

①所有3組患者在治療前和治療后采用TCSS(包括患者神經(jīng)癥狀、感覺功能及神經(jīng)反射，總分共計為19分）進行評分。

在化學(xué)處理過程中，自動化控制常用于調(diào)節(jié)藥劑投加量和加藥方式。例如，在調(diào)節(jié)pH值的過程中，自動化控制系統(tǒng)可以根據(jù)所需的pH設(shè)定值，逐步調(diào)整酸堿藥劑的投入量，以滿足處理要求。此外，自動化控制還可以根據(jù)在線檢測數(shù)據(jù)，計算并調(diào)整藥劑的配比，實現(xiàn)精確的化學(xué)處理。

③自動化控制技術(shù)應(yīng)用的案例

化工煉油廠中，自動化控制技術(shù)應(yīng)用案例涉及溫度、壓力、流量和濃度等方面的控制。通過集成儀表、傳感器、執(zhí)行器和控制算法等組成的系統(tǒng)，實現(xiàn)對煉油過程的自動監(jiān)測和控制。自動化控制可以確?；し磻?yīng)在合適的溫度下進行，避免過熱或過冷；監(jiān)測和調(diào)節(jié)壓力，保持設(shè)備和工藝的穩(wěn)定；監(jiān)測和調(diào)節(jié)物料流動速率，維持適當(dāng)?shù)墓?yīng)和運輸；控制反應(yīng)物料的濃度，確保準(zhǔn)確和高效性反應(yīng)。自動化控制提高生產(chǎn)效率，降低成本，并最大限度地減少人為錯誤和事故風(fēng)險，確保安全和穩(wěn)定的化工生產(chǎn)。

4.煤化工廢水處理自動化控制存在的問題與未來發(fā)展方向

(1)當(dāng)前煤化工廢水處理自動化控制的局限性和挑戰(zhàn)

①處理過程復(fù)雜性

煤化工廢水的組成復(fù)雜，處理過程中存在多個參數(shù)之間的相互作用關(guān)系。傳統(tǒng)的自動化控制技術(shù)在處理這種復(fù)雜性方面存在一定的局限性，可能無法準(zhǔn)確建立或難以維護準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來進行控制。

②參數(shù)變化和不確定性

煤化工廢水的性質(zhì)和組成在不同時間和條件下可能會發(fā)生變化，導(dǎo)致處理過程中參數(shù)不穩(wěn)定，從而影響控制效果。此外，廢水處理過程中存在一些不確定的因素，可能增加自動化控制的難度。

廢水處理涉及大量的數(shù)據(jù)獲取和分析，包括進水水質(zhì)監(jiān)測、處理設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測等。然而，獲取準(zhǔn)確、實時的數(shù)據(jù)并進行有效的分析仍然是一個挑戰(zhàn)。

(2)未來的研究重點和發(fā)展方向

①智能控制算法

通過引入智能控制算法，如模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和遺傳算法等，來提高自動化控制系統(tǒng)對復(fù)雜非線性系統(tǒng)的建模和控制能力。這些算法具有適應(yīng)性和泛化能力，可以更好地應(yīng)對處理過程中的不確定性和變化。

②大數(shù)據(jù)分析

利用大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)技術(shù)分析海量的廢水處理數(shù)據(jù)，從中挖掘出有價值的信息，優(yōu)化處理過程和決策。

③人工智能技術(shù)的應(yīng)用

引入人工智能技術(shù)，如深度學(xué)習(xí)和增強學(xué)習(xí)等，實現(xiàn)智能化的廢水處理自動化控制。

5.結(jié)語

通過對煤化工廢水處理自動化控制的綜述分析，不僅可以看到其在提高廢水處理效率和質(zhì)量方面的重要性，還能明確當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)。進一步的研究和開發(fā)自動化控制技術(shù)將有助于解決這些挑戰(zhàn)，并進一步推動煤化工廢水處理工藝的發(fā)展與創(chuàng)新。煤化工廢水處理的自動化控制可以極大地提高廢水處理的效率和質(zhì)量。通過采用先進的傳感器和數(shù)據(jù)采集技術(shù)，自動化控制系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測廢水處理過程中的各項指標(biāo)，如水質(zhì)參數(shù)、流量、溫度等。在此基礎(chǔ)上，應(yīng)用智能控制算法和模型預(yù)測控制等方法，自動化控制系統(tǒng)能夠根據(jù)實時數(shù)據(jù)進行準(zhǔn)確的控制決策和調(diào)整，以實現(xiàn)最佳處理效果。然而，在煤化工廢水處理自動化控制的實踐中仍然面臨著一些挑戰(zhàn)。為了克服這些挑戰(zhàn)，未來的研究和開發(fā)工作需要進一步完善自動化控制算法，引入智能控制算法、大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)等，加強廢水處理系統(tǒng)的傳感技術(shù)，提高對廢水水質(zhì)和處理設(shè)備狀態(tài)的實時監(jiān)測能力。引入在線傳感器、圖像識別和智能監(jiān)控技術(shù)，實現(xiàn)高精度、實時的數(shù)據(jù)采集與分析。利用大數(shù)據(jù)和機器學(xué)習(xí)技術(shù)分析海量的廢水處理數(shù)據(jù)，優(yōu)化處理過程和決策，預(yù)測可能發(fā)生的問題并采取相應(yīng)措施。

綜上所述，通過進一步的研究和開發(fā)自動化控制技術(shù)，可以解決當(dāng)前煤化工廢水處理自動化控制面臨的挑戰(zhàn)，并推動廢水處理工藝的發(fā)展與創(chuàng)新。