城鎮(zhèn)污水處理自動控制策略研究進展

上海漾沁環(huán)境科技有限公司 吳金武

一、城鎮(zhèn)污水處理自動控制研究現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的城鎮(zhèn)污水處理自動控制系統(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系統(tǒng)運行后的最終結果，其中時序控制就是一種簡單的自動控制，該控制方法主要對一些特定工藝進行處理，最終對整個工藝流程節(jié)點進行控制，并根據(jù)時間順序實現(xiàn)整個系統(tǒng)控制目標。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模塊對系統(tǒng)偏差進行精確處理，以此達到系統(tǒng)標準值。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，通過指標實現(xiàn)對水質(zhì)進行控制。PID反饋控制模式只能在系統(tǒng)產(chǎn)生誤差時進行運作，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提前對系統(tǒng)誤差和誤差影響進行預測，最終運用前反饋方法對各種干擾性信息進行控制，以此提高系統(tǒng)的信息反應度[1]。

在具體的污水處理中會因為各種非線性、多變量因素具有時變性特點，傳統(tǒng)的控制模式在這種特點下會出現(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行實時測量，以此解決自動控制系統(tǒng)問題。自動控制系統(tǒng)一般通過自適應控制模式來建立模型，并通過模型預估系統(tǒng)內(nèi)部的變量參數(shù)，模型預測控制模式也是自動控制系統(tǒng)常用的一種方式，其通過模型對系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)進行預測。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非線性化進行處理的系統(tǒng)，當系統(tǒng)內(nèi)的非線性特點顯著時，可以通過非線性控制工作原理設計系統(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、非線性模型預測控制，這幾個控制系統(tǒng)運行程序都比較復雜，因此需要操作者具備一定的設備計算能力和專業(yè)操作能力[2]。

二、城鎮(zhèn)污水處理自動控制策略研究

（一）精確曝氣控制策略的研究

曝氣系統(tǒng)是針對活性污泥法而言的，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)氧氣和液相之間的轉化，最終為污水有機物進行氧化提供電子受體，因此曝氣量的控制對于曝氣系統(tǒng)是十分重要的，如果曝氣不足會導致污水中絲狀球菌的出現(xiàn)，最終導致污泥膨脹，如果曝氣量過高，也會導致污泥氣體被破壞，并對生化池處理效果產(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對其進行優(yōu)化，比如可以通過數(shù)字模型優(yōu)化，對曝氣系統(tǒng)進行自動化控制，降低能耗，提高處理效果。Amand提出對一定范圍內(nèi)的水質(zhì)波動進行記錄，通過降低系統(tǒng)反饋減少曝氣量，從而實現(xiàn)低耗能效果，該系統(tǒng)運用了分離控制器對水質(zhì)負荷進行控制，并精確水氨氮濃度控制指標，通過BSMI模型的模擬結果可以有效發(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，通過合計氨氮反饋生物膜法形成自動控制曝氣系統(tǒng)，在生化池尾端裝置氨氮濃密檢測針，并在水泵房內(nèi)設置電磁流量計算最終的流量，并運用ASM2d模型對系統(tǒng)內(nèi)的變量參數(shù)進行優(yōu)化，確保污水處理實踐效果的提升。但是曝氣系統(tǒng)存在一定的測量滯后性缺點，因此學者們提出將傳統(tǒng)的控制模式和估算預測、模型預測進行融合，以此提升系統(tǒng)的動態(tài)性測量。Chiavpla就采用了估算預測方法對PID控制系統(tǒng)和氧化還原電位控制系統(tǒng)進行升級，升級后的控制系統(tǒng)主要通出水氨氮濃度標準值自動調(diào)節(jié)反應器中的溶解氧濃度，這種方法可以有效降低能耗量[3]。

（二）化學除磷自動加藥控制策略研究

為了促使污水中的除磷效果達標，污水處理廠一般通過投放化學藥物進行除磷，這種除磷方法會受到水體PH值、水溫、氧化還原環(huán)境、藥劑點、反應結構、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，因此需要科學投入化學藥劑。傳統(tǒng)的化學除磷一般采用的人工加藥的方法，這種方法有一定的弊端，因此需要實現(xiàn)自動化加藥，確保化學除磷效果最佳。馬偉芳等一些學者通過實驗構建了化學處理加藥模型，對加藥后的效果進行預測，針對預測效果對污水總磷進行控制，這種模型是通過加藥泵的變頻調(diào)節(jié)對化學初戀工藝進行優(yōu)化。經(jīng)過模型預測后發(fā)現(xiàn)，處理后總磷濃度比較穩(wěn)定，并達到了排放標準，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行了結合，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行優(yōu)化改進。賈玉柱對污水處理技術進行再次升級改造，對生化池設置了一種實時除磷動態(tài)性監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以準確對水流量進行控制，以此對正磷酸鹽進行實時檢測，最終將測量結果反饋給數(shù)字模型，以此計算中加藥標準量，實現(xiàn)計量泵的控制。邱勇采用了一種新工藝對原來的化學除磷方法也進行了改進，其研究了實時控制、水流量前饋、除磷反饋等三種自動化控制策略，旨在提升除磷效果。實時控制方法運行穩(wěn)定，操作簡單，加藥量小，但是其耐沖擊負荷力差，因此控制系統(tǒng)本身構建模型也會有一定的誤差，導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)測器進行監(jiān)測，總之，這幾種控制模式也有一定的優(yōu)勢。

（三）優(yōu)化控制目標的策略研究

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水質(zhì)指標都合格，達到排放標準，通過自動控制促使整個工作運行系統(tǒng)的穩(wěn)定，并實現(xiàn)污水處理的節(jié)能、減耗、降低成本的目標。但是，污水處理過程較為復雜，難以有效建立各種模型對各種參數(shù)之間的變量關系進行精準的描述，另外污水處理是在室外進行，也會受到一些天氣、溫度影響，導致水質(zhì)進一步發(fā)生變量，最終會影響污水處理的環(huán)境。想要在以上這種復雜的問題中明確控制目標，就需要對傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)進行優(yōu)化，通過智能控制算法對處理過程中的變量輸出進行有效控制，滿足多樣化的控制需求。另外，基于智能技術也可以建立BSM模型，并運用一些軟件模型處理模擬，以此便于學者們通過模擬對處理效果進行檢驗和評價，最終促使新系統(tǒng)的實現(xiàn)。為了實現(xiàn)水質(zhì)處理和成本降低的目標，Oiao通過差分優(yōu)化算法對氧池DO濃度和缺氧池硝態(tài)氮濃度進行的標準值進行設定，并運用自適應模式通過網(wǎng)絡控制系統(tǒng)明確標準值的預期，這種控制方法和其他控制方法相比，系統(tǒng)指標有了一定提高。Hian提出通過自適應函數(shù)模型對模擬中的各種輸出水質(zhì)、能耗量的動力學進行計算，并運用多粒子算法確定系統(tǒng)設定水質(zhì)標準數(shù)值，并借助網(wǎng)絡控制器對系統(tǒng)內(nèi)的參數(shù)進行追蹤定位[4]。

三、進展

城鎮(zhèn)污水處理自動控制技術需要專業(yè)的技術人員進入的污水處理廠對各種監(jiān)測系統(tǒng)和處理設備進行監(jiān)測操作，確保系統(tǒng)和設備運行狀態(tài)穩(wěn)定，并利用一些硬件設備對可利用的資源進行遠程控制。為了更好地實現(xiàn)自動控制系統(tǒng)的長遠發(fā)展，污水處理廠需要明確當今社會環(huán)境治理標準，嚴格按照治理流程進行，以此實現(xiàn)污水處理全過程自動化監(jiān)控和自動化控制。由以上研究可以看出，城鎮(zhèn)污水處理廠在未來發(fā)展中自動化控制系統(tǒng)將會向著智能化、集約化的方向發(fā)展，整個系統(tǒng)也會更加高效、平穩(wěn)、安全的運行，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)字技術建立一種大規(guī)模的數(shù)字模型，通過云計算計算機系統(tǒng)對自動化控制系統(tǒng)進行升級改進，以此提供新發(fā)展契機。另外，基于大數(shù)據(jù)數(shù)字模型可以提高自動控制系統(tǒng)的魯棒性，云平臺也可以對原有的污水處理系統(tǒng)進行模擬實驗操作，最終確保自動控制系統(tǒng)可以實現(xiàn)參數(shù)調(diào)節(jié)。第二，系統(tǒng)重點考慮系統(tǒng)在運行過程中的控制目標，針對目標建立測評體系，因為不同的地區(qū)污水處理廠的排放標準和治污目標是不同的，對于自動控制系統(tǒng)運行目標也是不同的，為了更好地促使系統(tǒng)設計符合當?shù)刈詣涌刂菩枨螅枰⑼晟啤⑾到y(tǒng)的測評體系。第三，想要確保自動控制系統(tǒng)發(fā)揮更大效能，推動其深入發(fā)展，更好地實現(xiàn)未來展望目標，就需要積極開展試點工程，并完善各種風險預防措施，通過試點對自動控制系統(tǒng)進行技術改進，運行升級。另外，在實踐中積極發(fā)現(xiàn)問題，通過各種新技術對數(shù)字模型進行優(yōu)化，提高問題處理高效性，并適當?shù)剡\用一些監(jiān)測儀器來探測問題，以此推動工程實踐的成功，也推動自動化控制進程[5]。