污水处理过程的控制与优化技术

摘 要：该文描述了污水处理存在的几点主要问题，我国水环境污染问题越来越严重。文章从建模计算方法、控制技术优化、测量技术的应用、节能技术的应用等方面对污水处理过程的优化进行了综述。优化控制技术对于节能减排、污水达标排放、工厂运营效率等方面均具有促进作用。

关键词：污水处理过程 节能减排 优化 控制

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）07（a）-0141-02

随着我国经济的快速发展，工业化、城镇化、农业现代化的加快发展，污水排放量越来越多，大量的污水未经处理直接排放，严重污染地表水系，水环境污染日益加重。对人们的生产生活造成严重影响。

我国目前仍然奉行“谁污染，谁治理”的水污染治理原则。国家明确规定了企业必须将自己的生产和生活污水在排放前进行处理，只有当污水的相关指标达到国家规定的污水排放标准后才能够排放。因此，各大污染类企业都需要建立相应的污水处理系统来实现对污水的处理，污水处理系统成为了一个研究的热点。研究并解决水污染控制问题，改善水环境污染现状，具有重要的意义。

1 我国污水处理存在的问题

我国城市污水处理能力增长缓慢，同国外污水处理行业相对比，我国的污水处理过程主要存在以下几点问题：（1）污水处理技术落后；（2）资金短缺；（3）管理水平低。

2 国内外技术发展现状

2.1 污水处理过程计算与建模监测方法

污水处理过程是一个十分复杂的非线性的工业系统，同时具有严重的不确定性，包含了许多复杂的生化反应。这就需要研究人员发展和建立与污水处理过程特点相适应的高效优化方法。徐恭贤等针对污水处理过程的非线性反应，采用间接优化方法，首先将描述污水处理过程优化的多目标非线性问题转化为多目标线性规划问题，然后利用遗传算法对其进行求解。简化了计算难度，节约了计算成本。

污水处理的特点导致难以建立精确的数学模型，智能算法的出现帮助了复杂系统建模。Martin Cote等研究了活性污泥处理过程的动态模拟，用神经网络改善预测并开发了一个程序以提高现有活性污泥过程（机械模型）的精度。Wan将人工神经网络与 GA 结合，应用于污水厂出水水质监测及优化控制参数，建成的模型具有良好组织、学习能力，出水水质监测准确率达到70%。降低了污水处理预报难度，有效的改善了污水处理情况。

2.2 污水处理过程优化控制方法

我国的污水处理过程的自动化水平相对落后，仅仅在数据采集和简单设备（例如污泥回流泵、提升泵、鼓风机等）的控制上实现自动化。污水处理过程建模和控制方面的研究有待进一步发展。

我国城市污水处理厂的污水处理过程，采用自动化程度高的控制系统可以大大降低工作人员数量和工作强度，节省污水处理成本。目前污水处理厂设备操作都是有工作经验的员工根据数据和经验在现场进行控制，对于工作人员的技术具有很高的要求。有了自控系统之后，可以根据情况预先设定工艺流程，实现远程控制设备，避免操作人员的失误，减少不必要的资源浪费，降低污水处理成本。

控制结构采用三台工业PC机配置冗余监控系统，两台作为主监控系统提供给工作人员使用，一台作为副监控系统。日常事务由两个主工作站负责，出现问题时三台可以进行交换负责，现场PLC系统、监控设备和PC机配有UPS电源，提高系统的可靠性。

张波等以华中某污水处理厂为对象，分析污水处理的工艺流程，将自动控制系统应用于污水处理厂，编制了控制程序面向于污水处理过程，开发了图形化的界面，实现了与现场仪表的通信，从而构成了一套控制功能强、开放性好、便于操控的自动控制系统。保证了污水处理过程的正常运行。

曝气过程控制的反馈环节：包括“溶解氧-曝气量-阀门”串级反馈控制和鼓风机 MCP 柜控制。通过比较实时溶解氧浓度值与前馈补偿环节提供的溶解氧设定值之间的差距，计算所需要的曝气量，然后调整电动阀门。通过气体压力计采集干管压力信号，送入鼓风机 MCP柜控制系统，然后与压力设定值进行比较，以调节鼓风机的导叶开度和编组运行状态。

化学除磷过程的反馈环节：采用“出水总磷-加药泵变频器”的 PID 算法，比较在线磷酸仪采集的出水总磷浓度与设定值之间的差距，实时修正加药泵频率。

实现自动化控制污水处理过程，同时对系统进行优化，更加精准高效的处理污水，同时大大的节约了能源。

2.3 污水处理测量设备应用

生产过程中的最重要的问题是在线测量仪表缺乏，无法准确得到污水处理过程的相关参数。目前存在的一些自动测量的仪器（如COD自动检测仪等）普遍存在价格昂贵、检测周期长、稳定性差、维修费用贵的问题。

张铁桥等针对Carossel氧化沟污水处理法设计了一套自动控制系统，由可编程逻辑控制器（PLC）、交换机（SWITCH）、工控机（IPC）构成。在氧化沟溶解氧控制环节中采用基于BP神经网络PID参数控制器，由基于BP神经网络算法在线调整PID参数，使控制系统具有良好的鲁棒性，从而解决氧化沟DO的控制问题，使污水处理更加精准。

2.4 污水处理节能技术的应用

当今社会能源紧缺，可持续发展，绿色发展成为人们关注的话题。污水处理能耗在社会能源消耗总量中占有较大比例。随着污水处理越来越受重视，污水处理的能耗问题也越来越受关注。以清洁生产，绿色环保理念作为指导，探索污水处理节能降耗的可行性方法。

3 污水处理进程优化意义

（1）污水处理全过程的控制和优化有利于实现节能减排，努力实现可持续发展。

随着全球经济的迅速发展，污水处理厂的规模越来越大，因此产生能耗问题也越来越严峻。据统计，处理活性污泥的系统中，其运行成本中的能耗成本就占到总成本的30%～80%。城镇的污水处理厂所耗费的电能约占全国总用电量的3%。优化控制污水处理可以有效降低能耗问题。

（2）污水处理全过程的优化可有效控制污水处理达到相关排放标准，有效解决污水排放问题。

随着经济的快速发展，国家必将制定严格的相关标准。优化污水处理过程可以使得污水排放稳定达标，解决水环境的污染问题。污水处理厂的工作人员需要学习先进控制技术，对于污水的入水水质、生化反应过程、出水水质波动等各种检测数据进行科学分析，结合智能检测、诊断与控制技术开展综合控制与优化，以保证出水水质稳定达标。

（3）污水处理过程的优化可有效提高污水处理厂的运营效率。

我国的污水处理行业，缺少对于处理水质的精确建模和处理过程的优化控制，为了保证在最恶劣的入水水质情况下，保证出水水质，从而采取加大处理设施的容量的方法，导致建厂成本加大，日常运营能量消耗增加，运营效率降低。优化污水处理技术，建立精确的监测控制，实时调整处理设施，可极大提高污水处理厂的处理能力。

参考文献

[1]张波.污水处理过程自动控制系统的设计与实施[D].上海：华东理工大学，2014.

[2]张铁桥.氧化沟污水处理监控系统应用研究[D].长沙：中南大学，2009.

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