城市环境污水处理过程节能优化控制方法研究

摘要：在城市环境污水处理设施的运行过程中，由于控制系統对主要工艺参数难以准确感知和预测，无法有效建立出水质量指标和设备运行参数间的关联，导致鼓风机等设备的调控不够精准，不仅浪费能源，还增加了污水处理厂不必要的生产成本，而且不利于保持出水水质的稳定性。本文基于对当前城市环境污水处理节能问题的阐释，分析了在活性污泥处理法这一典型处理工艺流程中的节能途径，并且探讨了如何通过改进提升泵等机电设备的控制模式来有效降低污水处理能耗并保持出水水质的稳定性。

关键词：节能途径;控制技术;优化措施;污水处理

中图分类号：X38 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2020）10-00-02

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2020.10.019

Abstract：During the operation of urban environmental sewage treatment facilities， the control system cannot accurately perceive and predict the main process parameters，and cannot effectively establish the relationship between the effluent quality indicators and equipment operating parameters.As a result，the regulation of blowers and other equipment is not accurate enough.Wasted energy also increases unnecessary production costs of sewage treatment plants，and is not conducive to maintaining the stability of the effluent quality. Based on the interpretation of current urban environmental sewage treatment energy saving issues，this article analyzes the energy saving approach in the typical treatment process of activated sludge treatment，and discusses how to effectively reduce sewage by improving the control mode of electromechanical equipment such as lift pumps Treat energy consumption and maintain the stability of effluent quality.

Key words：Energy-saving approach;Control technology;Optimization measures;Sewage treatment

城市环境污水处理事关水资源的利用率和污染物排放的控制，所以，近年基于活性污泥法等生物技术的污水处理设施建设趋于完善。但因为受到控制技术的制约，导致污水处理的能耗和综合成本偏高，难以维持城市环境污水处理厂的长期运营。探索运用人工智能等现代技术优化对污水处理过程的控制，有利于提升城市污水处理厂的处理能力，并且减少能源消耗，提升水资源的循环利用率。

1 污水处理的节能问题及相其影响

城市污水处理设施中存在水泵等多种大功率机电设备，在其运行过程中按照工艺路线设计完成污水提升等流程，控制着各个环节的来水水量、供氧量等工艺参数。理论上所有设备的运行都应以保障出水水质达标且实现处理效率最大化为原则，精确控制水泵和鼓风机等主要设备的转速、流量等参数，从而以最低成本完成污水处理。但由于污染物组分与浓度、生化反应速度都具有极大的不确定性，因而无法基于时间、流量等参数的计量保障设备运行处于最佳状态。所以，目前城市污水处理设施的运行有比较大的节能空间，但受制于控制技术水平，无法有效改变目前设备能耗偏高的问题;而这一方面导致污水处理的处理效率较低而成本偏高，影响了社会资本对进入这一领域的兴趣，不利于提升城市环境污水处理能力;另一方面，由于无法精准调控污水处理工艺参数，还影响了出水水质的稳定性，不利于精确控制各项指标和实现循环利用。

2 典型污水处理工艺中的能耗影响因素

生物技术是目前城市环境污水处理厂工艺路线设计的核心技术，而活性污泥法则是最典型的污水二级处理工艺。其中曝气系统是完成污水中主要污染物分离与降解的关键环节，依靠由鼓风机、空气扩散器等设备构成的系统的运行，使得污染物被污泥吸附并通过好氧微生物的新陈代谢完成降解[2];二次沉淀池和污泥回流系统则将被净化的水与污泥分离，并且把污泥输送回曝气池或使之进入消化系统。回到曝气池的污泥会参与到下一个污水处理循环中，而进入消化系统的污泥则会在处理后加以利用。分析这一典型工艺流程中的能耗影响因素，能够明确节能途径，从而探索如何改进处理工艺和优化控制技术的应用。

2.1 机电设备性能及其控制模式

在活性污泥法处理工艺流程中，曝气和污泥处理环节均依靠水泵等动力设备维持系统运转，所以设备的性能和控制模式直接决定了能耗水平。首先，污水进入不同处理环节需要依靠电机驱动水泵完成，设备的额定功率和控制方式决定了节能水平，具有变频调速功能的水泵可以让设备在高效状态下运行[3];其次，在曝气系统中有多种大功率用电设备，鼓风机、空气压缩机需要根据曝气池底的溶解氧浓度等参数调节工况，以保障污泥活性、出水水质。而控制参数采集、传输的准确性和实效性决定了曝气系统运行的经济性。

2.2 自动化控制系统的功能

自动化控制系统的应用是达到节能目标的最有效途径，而建立起污水处理环节关键参数和设备运行能耗之间的联系，是精确控制提升泵等设备运行参数的前提[4]。首先，控制参数需要结合工艺原理进行设置，沉淀池等构筑物内的液位、水质评价和表征生化反应条件的指标都可以作为调控设备运行的参数。通常情况下，不同污水处理设备应基于多个目标实现自动化控制，通过构建数学模型把对应的参数和出水水质关联起来，才能够起到理想的节能效果;其次，自动化控制系统的运行需要传感、通信、计算机等技术的支撑，系统的软硬件性能决定了节能效果。

3 优化措施

为了有效降低城市环境污水处理的成本并提升出水水质，应针对影响设备运行能耗的因素探索节能措施，优化设备选型、改进控制系统功能、运用人工智能技术强化对重点工艺流程的控制。

3.1 优化污水处理设施的设计和设备控制模式

在城市环境污水处理设施的规划设计中，首先，应通过构建分析模型优化建筑物和机电设备安装的布局，将设备运行的能耗作为设计方案优化的指标之一，通过降低污水提升距离、选择具有变频调速与自动化控制功能的设备等途径，降低污水处理过程的能耗和生产成本[5];其次，对于运行中的污水处理设施，应评估现有设备的运行状态和控制模式，通过安装变频调速器或自动化的控制系统提高污水处理过程中提升泵等设备的控制精度。

3.2 改进自動化控制系统

目前多数污水处理设施的自动化控制系统都是基于单一目标调节设备运行，通过实时监测池底溶解氧浓度控制鼓风机的转速，以保障出水水质达标。所以当污水处理系统的负荷出现波动时，会出现短时间的氧气不足或过量的问题，影响污泥活性或污水处理效率，而且不利于设备节能。而通过在曝气池的进水、出水口以及中部增加传感器，采集多组混合液的硝态氮、悬浮固体和溶解氧浓度的数据，可以基于控制系统软件运行更准确的评估生化反应情况，从而提高曝气池中各种设备的控制精度和降低能耗。

3.3 基于人工智能技术优化对曝气环节的控制

人工智能技术是建立出水水质参数和设备能耗之间联系的关键，可以高效处理生化反应过程中复杂多变的数据，从中提取出精确调控设备运转所需的信息。所以，针对污水处理工艺流程中能耗比重最大的曝气环节，科研人员对研发智能化的控制系统进行了重点研究。运用神经网络系统构建污水处理系统的能耗分析模型是最常见的研究方向，其原理是基于历史数据分析水质和能耗影响因素之间的联系，在活性污泥法分析模型的基础上建立能耗和水质之间的直接关系。进而依靠预测控制技术对曝气系统控制器的控制参数实现动态优化，消除生化反应和污水处理负荷不确定性带来的影响，根据实时监测数据精准控制设备的运行。

4 结束语

虽然国内城市环境污水处理技术的研究与应用近年来有了一定进步，但在在线监测生化反应过程和自动控制设备运行方面，还有很多技术性问题有待解决，而大数据技术和人工智能技术的应用是改进污水处理过程控制方法的关键。

参考文献

[1]蒙文忠.城市环境污水处理过程节能优化控制方法探析[J].科技与创新，2018（008）：53-54.

[2]郑波.污水处理过程中的节能优化控制方法[J].城市建设理论研究（电子版），2016（013）：104-104.

[3]卢志铭.节能优化控制方法在污水处理过程中的相关研究[J].资源节约与环保，2015（003）：23.

[4]解宏端，杨雨桐，王玲，等.污水处理过程的控制与优化技术[J].科技资讯，2015，13（19）：141-141.

[5]刘扬.污水处理过程中节能优化的控制方法探微[J].中小企业管理与科技，2016（24）：244-245.

收稿日期：2020-08-03

作者简介：程光（1989-），男，汉族，本科学历，工程师，研究方向为环境工程。