摘 要：本文以某城市污水處理廠為例，介紹了智能水務管理系統(tǒng)建設的目標、工作范圍及內容、智能優(yōu)化方法及手段、系統(tǒng)架構及功能等。智能水務管理系統(tǒng)可以分為基礎數(shù)據(jù)庫、智能操作運行系統(tǒng)、專家診斷系統(tǒng)、智能仿真培訓系統(tǒng)、公共管理系統(tǒng)等幾個部分。建設智能水務，將極大提高水廠的運營管理水平，經(jīng)濟、高效地發(fā)揮好污水廠環(huán)境治理主力軍的作用。

關鍵詞：污水廠 智能水務 管理系統(tǒng)

中圖分類號：X70 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）11（a）-0144-03

隨著國家《水污染防治行動計劃》的實施，河、湖等水環(huán)境治理與保護越來越受到人們的重視。我國污水處理廠日益增多，且分布廣，傳統(tǒng)的監(jiān)管方式已無法滿足現(xiàn)在的發(fā)展，效益提高的同時運營成本也節(jié)節(jié)攀升。如何高效地監(jiān)管好各廠站，這就給水務集團管理水平提出了更高的要求[1]。

借鑒“智慧地球”的理念，在“智慧城市”的引領下，國內外相繼開展了“智慧水務”的建設實踐[2]。通過傳感器技術、網(wǎng)絡和移動系統(tǒng)與水務信息系統(tǒng)的結合，構建成全方位的智能水務管理系統(tǒng)[3]。這將極大地提高污水處理廠的運營管理水平，經(jīng)濟、高效地發(fā)揮好污水廠在水環(huán)境治理中的主力軍作用。下面以某水務集團的一個城市污水處理廠為例，介紹智能水務管理系統(tǒng)建設方案。

1 污水處理廠概況

華北地區(qū)某城市污水處理廠，當前處理規(guī)模約為5萬噸/天，分兩個序列并聯(lián)運行，遠期規(guī)劃處理能力為7萬噸/天，增加一個序列。采用“多點進水、多點回流A2/O底曝氧化溝+三級處理+輔助化學除磷”工藝，執(zhí)行國家一級A排放標準，出水指標良好。污水廠主要的處理及輔助單元包括：粗格柵、進水泵房、細格柵、旋流沉砂池、氧化溝生化反應池、二沉池、調節(jié)池及中水提升泵、高效澄清池、變孔隙濾池、以及鼓風機房、污泥泵房、污泥脫水機房、加藥間等。

2 智能水務建設目標

進行智能水務建設，首先要保證運行安全、出水水質達標，這是建設智能水廠的前提。在此基礎上，對污水處理系統(tǒng)進行全面檢視、改進、優(yōu)化，提高污水廠運行的自動化、信息化、智能化水平，減少污水廠的能耗、藥耗，降低運維人工成本，提升污水廠的經(jīng)濟、環(huán)境、社會效益，這是智能水務建設的目標。提高污水廠運行的自動化水平，可以減少人工操作，既降低了工人的勞動強度，又減少了誤操作，同時，提高了工作效率、降低了人工成本。實現(xiàn)管理的信息化，進行設備、系統(tǒng)的遠端監(jiān)視、操作，污水廠與集團總部之間通過互聯(lián)網(wǎng)進行連接，各類數(shù)據(jù)、報表、管理信息等遠程互傳，極大提高了管理效率。污水廠運行智能化，就是要盡可能減少人對污水處理系統(tǒng)運行的干預，根據(jù)進水水量、進水水質等信息，智能水務管理系統(tǒng)制定出最優(yōu)的運行策略、控制方式等，指導甚至自動控制污水處理工藝的運行，使出水水質達標、運維成本最低。

3 工作范圍及內容

對污水處理廠進行智能優(yōu)化，可以從設備、處理單元、全廠系統(tǒng)三個層面開展工作。

3.1 設備層

全面清點污水廠各類設備，包括風機、水泵、閥門等，編制設備清冊。對設備情況進行排查，一是看設備操作模式，是自動操作還是手動操作，是頻繁操作、偶爾操作，還是整定后基本不需變動；二是看設備運行情況，與原設計性能是否相符，是否有優(yōu)化空間；三是看設備在污水處理系統(tǒng)運行中發(fā)揮的作用，是主工藝關鍵設備，還是輔助設備、對全廠能耗及藥耗影響如何、對智能管理系統(tǒng)建設有哪些影響，等等。據(jù)此，可以將設備分成兩類，一類是主工藝關鍵設備、操作較頻繁、對污水廠能源及藥耗影響較大、關系到污水廠智能化運行的，另一類是對智能水務管理系統(tǒng)建設影響較小的設備。前一類設備列入智能水務建設清單，首先要實現(xiàn)設備運行的自動化，狀態(tài)參數(shù)自動采集、傳輸，設備遠端自動控制。然后看設備性能是否能進一步提升，在計算機內建立設備性能曲線。后一類設備，可以綜合考慮投入產出效益等多方面因素，決定是否進行自動化、智能化改造。

例如該城市污水處理廠，當前采用3臺多級離心變頻調速鼓風機，2用1備。3臺風機各項參數(shù)完全一致，能夠同時并聯(lián)運行或各自獨立運行，可以自動切換。通過母管向兩個并聯(lián)處理序列供氣。兩個生化池供氣干管上分別設置氣動蝶閥，進行氣量調節(jié)。鼓風機是主工藝上的關鍵設備，耗能在整個污水廠的占比非常大，直接影響智能水務建設，所以列入清單。該鼓風機已經(jīng)能夠自動運行，主要看其當前性能是否與出廠設計一致。另外，為了避免喘震停機，實際運行操作中變頻調節(jié)范圍很小，在水量較低時往往造成了過度曝氣，能源浪費。因此，對鼓風機進行性能試驗，確定其性能曲線及變頻調節(jié)范圍等，建模輸入計算機。

3.2 單元層

逐一檢視各處理單元，一是看其運行工況能否通過遠程自動控制進行調整；二是看確定其運行工況的外部輸入條件參數(shù)、描述其運行狀態(tài)的內部參數(shù)等是否能夠自動采集、傳輸；三是尋找該單元在不同外部輸入條件下，達到一定處理要求的最優(yōu)運行工況。建立單元數(shù)學模型、控制邏輯等；根據(jù)外部輸入條件參數(shù)等，確定處理單元最優(yōu)運行工況，通過遠程控制調整單元的實時運行工況；收集描述單元運行狀態(tài)的內部參數(shù)，分析其實際運行狀態(tài)；根據(jù)外部參數(shù)、內部參數(shù)及其變化情況，不斷調整單元運行工況至最優(yōu)；使處理單元能夠根據(jù)外部條件盡可能實現(xiàn)自動運行，處理效果達標，并且能耗、藥耗最低。

例如，該城市污水處理廠的氧化溝生化反應池，為多點進水、多點活性污泥回流、底曝式、A2/O工藝，各點進水量、各點活性污泥回流量可以單獨自動調節(jié)，但曝氣量只能通過干管上設置的氣動蝶閥進行總量調節(jié)，無法進行分區(qū)段調節(jié)。為了提高曝氣的可調性、精確性、智能性，在供氣支管上增設自動調節(jié)閥門，單獨控制各段曝氣量的大小。此外，在生化池的不同區(qū)段增設在線溶解氧測定儀，及時采集缺氧、厭氧、好氧各區(qū)及關鍵位置更小分段內溶解氧濃度數(shù)據(jù)，以更好地了解生化池的運行狀態(tài)。確定控制邏輯、建立數(shù)學模型。如可以根據(jù)各點溶解氧濃度數(shù)據(jù)，調整曝氣總量及分段曝氣量，進行智能曝氣。根據(jù)進水水量、進水水質、出水水質等外部條件，以及活性污泥濃度、活性污泥負荷、水力停留時間等內部參數(shù)，優(yōu)化各點進水量、各點污泥回流量等。控制邏輯、數(shù)學模型可以有多種模式，經(jīng)過計算后進行優(yōu)選，以便確定生化池的最優(yōu)運行工況，實現(xiàn)其最大程度自動控制運行。

3.3 全廠系統(tǒng)

設備層主要工作是提高設備操作的自動化水平，充分發(fā)揮出設備性能。單元層，如泵房、生化反應池、二沉池、澄清池、濾池、加藥間等，按單元逐一進行優(yōu)化，在不同水質、水量情況下，尋找其最優(yōu)運行工況，提高處理效率，降低運行能耗、藥耗等，并盡可能實現(xiàn)單元的自動化、智能化運行。各單元分別最優(yōu)，組合起來以后不一定必然帶來整體最優(yōu)。對于全廠，則要把組合后的各個單元視為一個有機整體，尋找系統(tǒng)的最優(yōu)。例如，生化反應池和二沉池的相互配合、高效澄清池和變孔隙濾池的配合、二級處理和三級處理的配合、有機物去除和氮磷去除、生物除磷和化學輔助除磷，等等。在全廠層面尋找最優(yōu)運行模式。

4 智能優(yōu)化方法及手段

在進行智能水務管理系統(tǒng)建設之前，污水廠的運行優(yōu)化主要靠人工經(jīng)驗進行。按照進水情況，根據(jù)各處理單元、設備的設計運行參數(shù)范圍，參照當前其實際運行狀態(tài)，工程師依靠理論知識及實際經(jīng)驗，設定、調整各設備、單元的運行工況，以達到出水水質要求。這種模式有其自身優(yōu)點，但優(yōu)化效果往往受限于工程師的個人能力、水平，并且其經(jīng)驗不容易傳承，調整的及時性往往不盡如人意。例如，為了達到較好的處理效果并節(jié)約能源，希望好氧區(qū)溶解氧濃度穩(wěn)定在一個較低的數(shù)值，并據(jù)此設定了鼓風機轉速和供氣管路調節(jié)閥門的開度等，但在實際運行中，溶解氧濃度波動較大，有時甚至可以達到希望值的兩三倍。建設智能水務，就是要利用計算機的輔助作用，充分發(fā)揮人工經(jīng)驗的同時盡可能克服其缺點。

進行智能優(yōu)化，對于處理設備、單元，擬合其性能曲線、建立其數(shù)學模型、確定其控制邏輯等，可以采用很多方法。一種是公式法，即可以依據(jù)理論公式、設計公式等。另一種是大數(shù)據(jù)分析法，對于已經(jīng)運行一段時間，保存有較多運行數(shù)據(jù)的污水處理廠比較適用。利用統(tǒng)計學方法，進行數(shù)據(jù)相關性分析，對多重影響因素降維確定主成分，建立相關性方程、曲線等。此外，智能水務系統(tǒng)要具有自學習功能，通過運行經(jīng)驗的積累不斷提高自身的優(yōu)化水平。還有就是要充分發(fā)揮人工經(jīng)驗的作用，將人的經(jīng)驗充分融入到智能水務系統(tǒng)中。每個設備、單元、污水廠的情況不同，可以根據(jù)實際情況采用不同的方法。

5 智能水務管理系統(tǒng)架構及功能

除了基礎數(shù)據(jù)庫以外，智能水務管理系統(tǒng)又可以分為若干個子系統(tǒng)，以實現(xiàn)不同方面的應用，如智能操作運行系統(tǒng)、專家診斷系統(tǒng)、智能仿真培訓系統(tǒng)、公共管理系統(tǒng)等。

5.1 基礎數(shù)據(jù)庫

為了便于數(shù)據(jù)的存儲、管理、使用，應建立統(tǒng)一的公共數(shù)據(jù)庫，為其他應用提供基礎數(shù)據(jù)。這個數(shù)據(jù)庫可以包含各類數(shù)據(jù)，如污水廠每日運行數(shù)據(jù)，如進水水量、進水水質、出水水量、出水水質、活性污泥濃度、外排污泥量、各種藥耗、能耗等；運行過程中設備、單元的狀態(tài)參數(shù)，壓力、阻力、開度、水位、流量、風量、溶解氧、轉速、功率等；各類設備、單元的性能參數(shù)、數(shù)學模型，設備的銘牌參數(shù)、處理構筑物的尺寸參數(shù)、性能曲線、智能優(yōu)化中建立的各類數(shù)學模型等；還有就是各類管理數(shù)據(jù)，包括各種經(jīng)過二次計算生成的數(shù)據(jù)、各類統(tǒng)計分析數(shù)據(jù)、污水廠日常管理相關的一些數(shù)據(jù)等。

5.2 智能操作運行系統(tǒng)

如前所述，智能操作運行系統(tǒng)的主要功能就是根據(jù)外部條件的變化，智能預報、自動控制、調整、優(yōu)化污水廠的運行狀態(tài)，達到安全運行、出水達標、經(jīng)濟高效的目的。每個污水處理廠，根據(jù)其自身的實際情況以及智能控制相關技術的發(fā)展水平，其所能達到的智能操控程度也會有所不同。隨著智能水務的不斷發(fā)展，污水處理廠的智能化程度會不斷提高。

5.3 專家診斷系統(tǒng)

污水處理廠日常運行過程中會出現(xiàn)一些問題，如出水懸浮物濃度超標、污泥上浮、污泥膨脹、泡沫問題等。可以將這些問題的解決方法集成到智能水務管理系統(tǒng)中。另外，工程師的人工經(jīng)驗也可以放入專家系統(tǒng)，以便查閱、使用。隨著系統(tǒng)的運行，不斷累積經(jīng)驗，又可以據(jù)此不斷完善專家診斷系統(tǒng)，逐漸發(fā)展智能診斷、智能處置功能，提高系統(tǒng)處理各類問題的能力。

5.4 智能仿真培訓系統(tǒng)

一般情況下，污水處理廠運行工程師培訓需要在現(xiàn)場進行，費用較高，而且由于正在運行的工藝不可能隨意調整工況，很難進行全面培訓，特別是不常見工況、突發(fā)狀況等。智能操作運行系統(tǒng)已經(jīng)對全廠處理工藝進行了數(shù)學建模，在此基礎上可以建立污水廠的智能仿真系統(tǒng)。通過該系統(tǒng)，可以很方便地開展日常狀態(tài)、應急狀態(tài)等各種培訓。而且，還可以將污水廠運行歷史記錄、專家知識等整合進智能仿真培訓系統(tǒng)，使其具有更全面的培訓功能。

5.5 公共管理系統(tǒng)

污水處理廠內部有很多日常管理工作，如藥品庫存、運行排班、人員調度、巡查檢修、各種報表、總結等。對于一個水務集團，污水廠和總部之間有很多數(shù)據(jù)、信息需要傳遞。此外，污水廠還有外部客戶、公共關系需要維護，如中水用戶、政府等。因此，可以建立一個公共管理系統(tǒng)，提高效率。

6 結語

當前，人工智能興起，計算機程序已經(jīng)戰(zhàn)勝了人類最好的圍棋手，自動駕駛汽車技術日趨成熟，等等。伴隨著技術的進步，將其引入水處理行業(yè)，進行智能水務建設，將極大提高水廠運行的自動化、信息化、智能化水平，使水廠的運營管理能力提升到一個新的高度，使其能夠更加經(jīng)濟、高效地發(fā)揮好環(huán)境效益，為社會發(fā)展做出更大貢獻。

參考文獻

[1]王軍.智慧水務在污水處理中的設計與應用[J].科技創(chuàng)新導報，2015（30）：166-167.

[2]田雨，蔣云鐘，楊明祥.智慧水務建設的基礎及發(fā)展戰(zhàn)略研究[J].中國水利，2014（20）：14-17.

[3]張世濱.智慧水務構想[J].城鎮(zhèn)供水，2014（4）：56-60.

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