智能化技術(shù)在城鎮(zhèn)生活污水處理工程中的應(yīng)用研究

【摘要】隨著城鎮(zhèn)化的加速推進(jìn)，生活污水排放量日益增加，對(duì)城鎮(zhèn)水環(huán)境和居民生活品質(zhì)構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。文中針對(duì)城鎮(zhèn)化進(jìn)程中城鎮(zhèn)生活污水處理工程面臨的挑戰(zhàn)，探討了智能化技術(shù)在提升污水處理效率和管理水平方面的應(yīng)用。詳細(xì)分析了自動(dòng)化控制系統(tǒng)和大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀，并通過中山市某污水處理有限公司的智能化技術(shù)應(yīng)用案例，具體闡述了智能感知與監(jiān)測(cè)、智能控制與調(diào)度等策略的實(shí)際效果。研究發(fā)現(xiàn)，智能化技術(shù)的應(yīng)用顯著提升污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率，使得系統(tǒng)能夠更好地應(yīng)對(duì)外部挑戰(zhàn)，保障污水處理過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。

【關(guān)鍵詞】智能化技術(shù)；城鎮(zhèn)生活污水；污水處理

【中圖分類號(hào)】TU992 【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A 【文章編號(hào)】1673-6028（2024）08-0043-03

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城鎮(zhèn)生活污水處理工程的規(guī)模和復(fù)雜性日益增加，傳統(tǒng)的污水處理技術(shù)在應(yīng)對(duì)日益增長(zhǎng)的污水處理需求和環(huán)保要求方面顯得力不從心，存在處理效率低、運(yùn)行成本高和對(duì)環(huán)境影響大等問題。近年來，智能化技術(shù)的迅猛發(fā)展為污水處理行業(yè)帶來新的契機(jī)，而通過引入智能化技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理過程的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)控制和智能優(yōu)化，從而提升處理效率，降低能耗，減少污染排放。

1 智能化技術(shù)在城鎮(zhèn)生活污水處理中的應(yīng)用現(xiàn)狀

1.1 自動(dòng)化控制系統(tǒng)

在城鎮(zhèn)生活污水處理工程中，自動(dòng)化控制系統(tǒng)的應(yīng)用已經(jīng)成為標(biāo)配，通過安裝各類傳感器和監(jiān)測(cè)設(shè)備，系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)污水的水質(zhì)、水量以及處理設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)等關(guān)鍵參數(shù)。這些參數(shù)不僅反映了污水處理廠的當(dāng)前運(yùn)行情況，也為后續(xù)的自動(dòng)化控制和調(diào)節(jié)提供了基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，而且自動(dòng)化控制系統(tǒng)根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)，能夠自動(dòng)調(diào)整處理設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)，如曝氣量、污泥回流比、藥劑投加量等，以確保污水處理效果穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。這種動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)方式相比傳統(tǒng)的手動(dòng)調(diào)節(jié)，不僅提高了調(diào)節(jié)的及時(shí)性和準(zhǔn)確性，也減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。除此以外自動(dòng)化控制系統(tǒng)還具備故障診斷和預(yù)警功能，一旦監(jiān)測(cè)到設(shè)備或水質(zhì)參數(shù)異常，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)出預(yù)警，并給出可能的故障原因和解決方案，幫助操作人員快速定位問題并采取相應(yīng)措施[1]。

1.2 大數(shù)據(jù)分析技術(shù)

如今隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的不斷發(fā)展，其在城鎮(zhèn)生活污水處理中的應(yīng)用也越來越廣泛，而且污水處理過程中產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)，包括實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、運(yùn)行記錄、設(shè)備維護(hù)記錄等，都可以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行分析和處理。其中大數(shù)據(jù)分析技術(shù)能夠從海量數(shù)據(jù)中挖掘出有價(jià)值的信息，如污水處理效果的影響因素、設(shè)備運(yùn)行效率的變化趨勢(shì)、設(shè)備維護(hù)周期的預(yù)測(cè)等，這些信息為污水處理廠的運(yùn)營(yíng)管理提供了有力的決策支持。例如通過分析不同時(shí)間段的水質(zhì)數(shù)據(jù)，可以找出影響處理效果的關(guān)鍵因素，從而優(yōu)化污水處理工藝；通過分析設(shè)備運(yùn)行效率的變化趨勢(shì)，可以預(yù)測(cè)設(shè)備的維護(hù)周期，提前制定維護(hù)計(jì)劃，避免設(shè)備故障對(duì)生產(chǎn)運(yùn)行的影響。此外，大數(shù)據(jù)分析技術(shù)還可以用于污水處理廠的節(jié)能降耗工作。通過分析不同處理工藝和設(shè)備組合的能耗情況，可以找到能耗最低的組合方式，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的目標(biāo)。

2 智能化應(yīng)用案例分析

隨著智能化技術(shù)的飛速發(fā)展，其在污水處理行業(yè)的應(yīng)用也日益廣泛，中山市某污水處理有限公司（以下簡(jiǎn)稱“公司”）作為該地區(qū)重要的污水處理企業(yè)，近年來積極引入智能化技術(shù)，通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、精準(zhǔn)控制和智能優(yōu)化等手段，顯著提升了污水處理效率和管理水平，案例將結(jié)合公司的實(shí)際運(yùn)行情況，詳細(xì)分析智能化技術(shù)在城鎮(zhèn)生活污水處理中的應(yīng)用。

2.1 污水處理廠概況

中山市某污水處理有限公司設(shè)計(jì)處理能力為每日4萬噸。公司采用先進(jìn)的污水處理工藝，包括物理處理、生物處理和深度處理等，以確保出水水質(zhì)符合國(guó)家及地方環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，然而在未引入智能化技術(shù)之前，公司面臨以下問題。

1）人工操作依賴性強(qiáng)。日常運(yùn)行和維護(hù)高度依賴人工操作，效率低下且易出錯(cuò)。

2）數(shù)據(jù)處理能力不足。大量運(yùn)行數(shù)據(jù)未能有效利用，難以進(jìn)行及時(shí)分析和優(yōu)化。

3）能耗管理粗放。設(shè)備運(yùn)行能耗較高，缺乏精細(xì)化的能耗管理手段。

4）應(yīng)急響應(yīng)速度慢。面對(duì)突發(fā)事件，如水質(zhì)突變或設(shè)備故障，響應(yīng)速度較慢，影響處理效果。

2.2 智能化技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

公司在污水處理過程中廣泛應(yīng)用了智能化技術(shù)，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1）智能感知與監(jiān)測(cè)。通過安裝多參數(shù)聯(lián)合監(jiān)測(cè)設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)污水的水質(zhì)、水量、溫度、pH值、溶解氧等關(guān)鍵參數(shù)，同時(shí)建立實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)系統(tǒng)，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸至中央控制系統(tǒng)，為智能控制和優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支持。

2）智能控制與調(diào)度?；趯?shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用先進(jìn)的控制算法和模型，對(duì)污水處理過程進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)和優(yōu)化，通過模型預(yù)測(cè)控制（MPC）和自適應(yīng)控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)曝氣系統(tǒng)、藥劑投加系統(tǒng)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)的精準(zhǔn)控制，確保出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

3）智能優(yōu)化與管理。利用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析，發(fā)現(xiàn)潛在的規(guī)律和模式，為系統(tǒng)優(yōu)化提供依據(jù)，同時(shí)結(jié)合機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)處理過程進(jìn)行智能優(yōu)化，提高系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性，此外建立智能決策支持系統(tǒng)，為管理者提供科學(xué)的決策依據(jù)和優(yōu)化建議[2]。

2.3 數(shù)據(jù)概覽與分析

智能化技術(shù)在案例公司的應(yīng)用中顯著提升了污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定性和運(yùn)行效率。如表1所示，可以清晰地看到智能化技術(shù)帶來的正面影響。

改造前，污水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行天數(shù)和達(dá)標(biāo)排放天數(shù)在不同月份間存在一定波動(dòng)，部分月份的正常運(yùn)行天數(shù)甚至未達(dá)到滿額（31天），達(dá)標(biāo)排放天數(shù)也時(shí)有不足。這表明，未采用智能化技術(shù)時(shí)，系統(tǒng)受外部因素（如設(shè)備故障、水質(zhì)波動(dòng)等）影響較大，穩(wěn)定性和可靠性有待提升。然而，在引入智能化技術(shù)后，污水處理系統(tǒng)的正常運(yùn)行天數(shù)和達(dá)標(biāo)排放天數(shù)均實(shí)現(xiàn)了顯著提升，且連續(xù)十個(gè)月均達(dá)到或接近滿額運(yùn)行。這一變化不僅反映了智能化系統(tǒng)在監(jiān)測(cè)、控制和管理方面的優(yōu)勢(shì)，也證明了其能夠有效應(yīng)對(duì)各種外部挑戰(zhàn)，保障污水處理過程的連續(xù)性和穩(wěn)定性。具體來說，智能化技術(shù)的應(yīng)用使得系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)水質(zhì)和設(shè)備狀態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)異常情況立即采取措施進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。同時(shí)，通過數(shù)據(jù)分析平臺(tái)對(duì)海量運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘和分析，運(yùn)維人員能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)潛在問題并制定針對(duì)性解決方案，從而有效預(yù)防故障發(fā)生。此外智能化系統(tǒng)還具備強(qiáng)大的應(yīng)急響應(yīng)能力，能夠在突發(fā)事件發(fā)生時(shí)迅速啟動(dòng)應(yīng)急預(yù)案，確保污水處理過程不受影響。

3 智能化技術(shù)在城鎮(zhèn)生活污水處理中的具體應(yīng)用策略

3.1 智能感知與監(jiān)測(cè)

智能感知與監(jiān)測(cè)是智能化污水處理的基礎(chǔ)，如通過布設(shè)多種類型的傳感器，對(duì)污水處理過程中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，建立全面的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，具體策略包括以下幾點(diǎn)。

1）多參數(shù)聯(lián)合監(jiān)測(cè)。在傳統(tǒng)的污水處理過程中，監(jiān)測(cè)手段單一且手動(dòng)操作頻繁，導(dǎo)致數(shù)據(jù)獲取不及時(shí)且不準(zhǔn)確，而智能化技術(shù)則是通過多種傳感器的聯(lián)合應(yīng)用，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)污水處理的多個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，包括水質(zhì)、水量、溫度、pH值、溶解氧等。這些參數(shù)的聯(lián)合監(jiān)測(cè)，不僅能提供全面的污水處理狀況，還能為后續(xù)的智能控制和優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支撐，具體實(shí)施中，可以在污水處理的各個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)安裝不同類型的傳感器。例如，在進(jìn)水口、沉淀池、曝氣池和出水口分別安裝水質(zhì)傳感器和流量傳感器，對(duì)不同環(huán)節(jié)的水質(zhì)進(jìn)行全方位監(jiān)控。通過這些傳感器的數(shù)據(jù)融合，可以實(shí)時(shí)掌握整個(gè)處理過程的變化情況，為智能控制系統(tǒng)提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)依據(jù)。

2）實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展使得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸與存儲(chǔ)成為現(xiàn)實(shí)。通過無線網(wǎng)絡(luò)或有線網(wǎng)絡(luò)，傳感器采集到的數(shù)據(jù)能夠即時(shí)傳輸?shù)街醒肟刂葡到y(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和處理。中央控制系統(tǒng)可以對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)和分析，形成完整的數(shù)據(jù)庫，為后續(xù)的優(yōu)化控制和決策提供數(shù)據(jù)支持。在實(shí)際應(yīng)用中，可以利用云計(jì)算技術(shù)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在云端，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)海量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。這樣不僅可以減輕本地存儲(chǔ)的壓力，還可以通過云端計(jì)算資源的調(diào)度提高數(shù)據(jù)處理的效率和精度。

3）異常監(jiān)測(cè)與預(yù)警。在污水處理過程中，常遇到突發(fā)異常，例如水質(zhì)突變或設(shè)備故障等。這些異常情況如果不及時(shí)處理，可能會(huì)導(dǎo)致出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)，甚至引發(fā)環(huán)境污染。智能感知技術(shù)結(jié)合歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以建立異常監(jiān)測(cè)與預(yù)警系統(tǒng)。系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)分析和模式識(shí)別，例如利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立正常運(yùn)行狀態(tài)下的污水處理模型，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)偏離該模型時(shí)，系統(tǒng)就可以發(fā)出預(yù)警信號(hào)，提示操作人員及時(shí)采取措施，這樣不僅可以提高處理系統(tǒng)的可靠性，還可以減少因設(shè)備故障或操作失誤帶來的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)[3]。

3.2 智能控制與調(diào)度

1）模型預(yù)測(cè)控制。模型預(yù)測(cè)控制（Model Predictive Control，MPC）是一種基于過程模型的先進(jìn)控制策略，利用數(shù)學(xué)模型對(duì)污水處理過程的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行預(yù)測(cè)，并在預(yù)測(cè)的基礎(chǔ)上，優(yōu)化控制輸入以達(dá)到預(yù)期的控制目標(biāo)。其中MPC在污水處理中的應(yīng)用，可以有效地提高處理系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力和穩(wěn)態(tài)性能。而在實(shí)際應(yīng)用中，首先需要建立污水處理過程的數(shù)學(xué)模型，這一模型可以通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)和過程機(jī)理分析獲得。然后，基于該模型采用MPC技術(shù)對(duì)未來一段時(shí)間內(nèi)的系統(tǒng)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果實(shí)時(shí)調(diào)整控制參數(shù)。例如對(duì)曝氣系統(tǒng)的控制，可以通過預(yù)測(cè)未來溶解氧的變化，提前調(diào)整曝氣量，從而保持溶解氧在合適的范圍內(nèi)，確保生物處理過程的有效性。

2）自適應(yīng)控制。自適應(yīng)控制是一種能夠根據(jù)環(huán)境變化自動(dòng)調(diào)整控制參數(shù)的智能控制方法。在污水處理過程中，由于進(jìn)水水質(zhì)和水量的變化，以及處理設(shè)備的老化等因素，系統(tǒng)參數(shù)可能會(huì)發(fā)生變化，其中傳統(tǒng)的固定參數(shù)控制方法難以應(yīng)對(duì)這些變化，而自適應(yīng)控制技術(shù)可以根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)調(diào)整控制策略，提高系統(tǒng)的適應(yīng)能力和控制精度[4]。而且利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊控制技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理過程的自適應(yīng)控制。例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以通過學(xué)習(xí)歷史數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，建立進(jìn)水水質(zhì)與處理效果之間的關(guān)系模型，并根據(jù)模型動(dòng)態(tài)調(diào)整處理參數(shù)；模糊控制則可以根據(jù)不同的輸入條件，靈活調(diào)整控制輸出，適應(yīng)多變的處理環(huán)境。

3）優(yōu)化調(diào)度。優(yōu)化調(diào)度是通過優(yōu)化算法調(diào)整污水處理系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)，確保系統(tǒng)在不同工況下均能達(dá)到最佳運(yùn)行狀態(tài)。常用的優(yōu)化算法包括遺傳算法、粒子群優(yōu)化和模擬退火等。這些算法可以在多變量、多目標(biāo)的優(yōu)化問題中，找到最優(yōu)的運(yùn)行參數(shù)組合，提高系統(tǒng)的整體效率和穩(wěn)定性，至于在實(shí)際應(yīng)用中，可以將優(yōu)化調(diào)度與智能控制結(jié)合，例如利用遺傳算法優(yōu)化曝氣系統(tǒng)的能耗，通過粒子群優(yōu)化算法優(yōu)化調(diào)度藥劑投加系統(tǒng)，這些優(yōu)化策略可以顯著降低運(yùn)行成本，提高系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)語

綜上所述，智能化技術(shù)在城鎮(zhèn)生活污水處理中展現(xiàn)了顯著優(yōu)勢(shì)。通過自動(dòng)化控制、大數(shù)據(jù)分析和人工智能等先進(jìn)技術(shù)提升了處理效率，降低能耗，減少二次污染并提升了管理水平。如今技術(shù)難題、投資成本以及人才培養(yǎng)等挑戰(zhàn)仍需克服，因此未來企業(yè)應(yīng)持續(xù)加強(qiáng)技術(shù)研發(fā)與創(chuàng)新，優(yōu)化投資結(jié)構(gòu)，加大人才培養(yǎng)力度，推動(dòng)智能化技術(shù)在城鎮(zhèn)生活污水處理中的廣泛應(yīng)用和深入發(fā)展，共同守護(hù)城鎮(zhèn)水環(huán)境的健康與安全。

參考文獻(xiàn)

[1] 沈曉鈴，李大成，孔建明，等.A2/O工藝在污水處理廠一級(jí)A提標(biāo)改造中的應(yīng)用[J].中國(guó)給水排水，2011，27（8）：44-46.

[2] 馮海潔.A2O法處理城市生活污水的實(shí)驗(yàn)研究[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2012（5）：208.

[3] 王虎，惠存萬，張文靜，等.新型環(huán)保絮凝劑EEDC的應(yīng)用及對(duì)污水處理總氮的影響[J].當(dāng)代化工，2017，46（11）：2248-2250.

[4] 李芳.智能化信息技術(shù)在污水處理中的應(yīng)用研究[J].無線互聯(lián)科技，2021，18（14）：81-82.

[作者簡(jiǎn)介]廖毅仁（1984—），男，廣東中山人，本科，工程師，研究方向：水污染治理。