基于網(wǎng)絡技術的過程控制在污水處理中的應用和發(fā)展

北京安恒測試技術有限公司 （北京，100048）

龐洪濤 謝峰 萬眾華

關鍵詞：ICA技術 過程控制 網(wǎng)絡技術

1、引言

隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展和人民生活水平的提高，環(huán)境負荷日益加重，水環(huán)境污染的形勢十分嚴峻。為了控制水環(huán)境污染，實現(xiàn)污水資源化，我國的城鎮(zhèn)污水處理廠建設正以的速度發(fā)展。截至2009年 10月，已建設污水處理廠數(shù)量達到1817座，總處理能力為9958萬m³/d，目前在建的污水處理廠還有1986座，設計規(guī)模達5530萬m³/d。我國已建和在建污水處理項目的總處理能力將接近1.6億m³/d，這與美國整個國家的污水處理能力相當。與發(fā)達國家相比，我國在污水處理的基本理論、工藝流程和工程設計等方面并不明顯落后，但在運行管理和自動控制方面卻存在著較大差距。國際水質(zhì)協(xié)會（IAWQ）在七十年代提出了ICA技術的概念，即水處理的儀器化（Instrumentation）、控制化（Control）和自動化（Automation），ICA的技術核心是檢測儀器、數(shù)學模型和過程控制系統(tǒng)。ICA的概念從提出到現(xiàn)在已有四十多年，實踐證明，應用ICA技術的污水處理工程設施比單純由人工操作的系統(tǒng)具有很大優(yōu)勢。這種優(yōu)勢體現(xiàn)在系統(tǒng)反應更為快捷，操作更為精確，可以有效地節(jié)省能源和藥劑，減輕沖擊負荷對處理系統(tǒng)的危害，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。通過對污水處理工藝進行過程控制，優(yōu)化污水廠的運行管理，降低運營成本，將為我國的水污染控制帶來巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

2、污水處理中過程控制的目的

污水生物處理的過程十分復雜，污染物質(zhì)的多樣性和水質(zhì)水量的多變性導致了生物處理過程中許多因素的模糊與不確定性，污水生物處理系統(tǒng)中微生物的巨大緩沖能力導致了廢水生物處理系統(tǒng)成為多因素、大滯后的復雜體系。污水處理廠的設計基本上是按照穩(wěn)態(tài)運行考慮的，一般對于非穩(wěn)態(tài)現(xiàn)象的影響是通過適當增加反應器的容積來解決的，對于單純?nèi)コ袡C碳的活性污泥系統(tǒng)，這種方法可以解決部分問題，但是對于具有硝化、脫氮和除磷功能的系統(tǒng)效果就很差。因此，利用過程控制解決好非穩(wěn)態(tài)問題不僅可以保證污水處理廠的正常運行，還能為節(jié)能降耗創(chuàng)造條件。對城市污水處理廠進行過程控制有以下目的：①協(xié)調(diào)穩(wěn)態(tài)設計與動態(tài)運行的矛盾；②預測水質(zhì)水量變化對系統(tǒng)的影響；③提高單位反應器的處理能力；④保證出水水質(zhì)；⑤降低運行成本。

為了滿足逐漸嚴格的污水排放標準，過程控制技術在新建、改擴建污水廠的應用方面具有顯著優(yōu)勢。如果污水廠的進水量增加，應用過程控制技術可能無需擴建即能滿足出水水質(zhì)要求，從而大大節(jié)約系統(tǒng)的基建費用和運行費用。當前普遍認為儀表是污水廠實施過程控制的弱環(huán)節(jié)，隨著科學技術的發(fā)展，在線儀表的性能和可靠性大大提高，可以直接應用在許多控制程序中。此外，應用過程控制技術可以降低污水廠設計的安全系數(shù)，提高污水廠的運行效率和控制靈活性。

3、過程控制在國內(nèi)外污水處理中的應用

目前，我國的中小型污水處理廠由于資金、技術等原因，只配置了最基本的監(jiān)測儀器，其中大部分是國產(chǎn)的離線儀表，由于這些儀表的準確性差且非連續(xù)性監(jiān)測，故設備運行狀態(tài)的調(diào)整滯后，常常導致出水水質(zhì)不穩(wěn)定。一些大型污水處理廠為了實現(xiàn)自動化控制、保證出水水質(zhì)達標，在關鍵點位配置*的在線監(jiān)測儀器，采用集中與現(xiàn)場分級的自動控制系統(tǒng)，使系統(tǒng)能夠連續(xù)、穩(wěn)定地運行，并能保證出水水質(zhì)達標。但上述運行未考慮系統(tǒng)的控制優(yōu)化和節(jié)能降耗，僅僅保證了連續(xù)運行這一最基本要求，對出水水質(zhì)的達標是基于足夠大的反應器或較高的曝氣量，這就造成國內(nèi)污水處理廠運行和管理費用的浪費，并且大部分已建污水處理廠仍處于人工操作狀態(tài)，至今未考慮其過程控制和運行優(yōu)化。污水處理廠*儀表和設備的大量應用對控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性提出了越來越高的要求，我國傳統(tǒng)的人工手動操作已遠遠不能獲得良好的控制效果。

在歐洲，人口當量大于1萬人的污水處理廠必須配置SCADA（監(jiān)控和數(shù)據(jù)獲?。┫到y(tǒng)，但也僅僅用于數(shù)據(jù)獲取而不是控制優(yōu)化。歐洲各國的污水廠基本都配備了傳統(tǒng)的在線傳感器，如溫度計、水位計、流量計和DO測定儀，pH計、氣量計和SS儀的應用也很普遍。丹麥、德國、荷蘭、瑞典和瑞士應用高級在線傳感器較多，常用的主要是營養(yǎng)物傳感器，如氨氮和硝酸氮在線傳感器。但這些價格昂貴和維護繁瑣的在線傳感器僅用于檢測，并未充分應用到高級控制策略中，還沒有真正發(fā)揮其功能。應用ICA技術的污水廠數(shù)量可以作為一個國家污水處理水平高低的標準，調(diào)查結(jié)果表明，當前普遍應用的控制策略是控制好氧區(qū)和不同類型的流量控制，基于污水處理廠所有單元的控制或綜合性控制（包括污水管網(wǎng)）則很少見。前饋控制的應用也很有限，僅用于污水流量的控制（如控制污泥回流比恒定），表明實現(xiàn)污水廠的過程控制還有很長的路要走。

4、網(wǎng)絡技術在污水處理中的應用前景

隨著計算機和網(wǎng)絡技術的飛速發(fā)展，污水處理中的許多問題可以借助網(wǎng)絡得到更好地解決。在醫(yī)療中，出現(xiàn)了“專家遠程診斷”，同樣也可以用于污水處理廠的故障專家診斷中。王征等提出了建立基于Web瀏覽器/服務器(B/S)架構(gòu)的城市污水廠決策支持中心，用戶可以通過Web瀏覽器登錄決策中心，決策支持中心為用戶與專家、用戶與用戶、專家與專家之間創(chuàng)建一個信息交流和資源共享的平臺，并為進一步科學研究奠定基礎。通過技術交流，少數(shù)專家可以為多家污水廠進行決策分析指導和技術咨詢，幫助污水廠技術人員分析和理解決策支持系統(tǒng)的運行結(jié)果；專家可以對多家使用決策支持網(wǎng)站進行決策分析的污水處理廠的運行數(shù)據(jù)和決策分析結(jié)果進行分析；專家之間可以進行交流，共同分析解決問題，實現(xiàn)群決策支持的思想。

污水處理廠的網(wǎng)絡決策支持中心是一種新的理念，也是對ICA技術的延續(xù)和發(fā)展，為了實現(xiàn)實際應用還需要從以下三個方面進行開展工作：①信息收集與處理。管理信息系統(tǒng)是進行評價和決策的基礎。目前，環(huán)境監(jiān)測網(wǎng)絡已經(jīng)比較普及和完善，各地的環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)能夠得到申報、審計和交流。但是作為污水處理廠的運行與管理數(shù)據(jù)，還不能實現(xiàn)收集和處理，這對于提高污水處理廠的處理能力是不利的。②技術支持與咨詢。建立污水處理廠運行技術支持網(wǎng)絡，在信息收集和處理的基礎上，專家能夠通過分析各種軟件提供的模擬和預測結(jié)果，結(jié)合經(jīng)驗知識，對污水處理廠的故障診斷和改善運行提供支持。③網(wǎng)絡服務與開發(fā)。為了完善污水處理廠的技術支持服務，網(wǎng)絡還需要提供大量的物流信息和技術信息，并且還必須提供很好地培訓方式。

在污水處理行業(yè)中，北京安恒公司有十多年水質(zhì)分析儀器的銷售和技術維護經(jīng)驗，擁有一支技術過硬的專業(yè)技術隊伍和高水平的研發(fā)隊伍，自主開發(fā)了一種基于龍芯芯片及嵌入式Linux系統(tǒng)的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，擁有自主知識產(chǎn)權。安恒公司的這套遠程監(jiān)測系統(tǒng)與現(xiàn)有的其他技術相比較，具有以下五大優(yōu)勢：①新型遠程監(jiān)測系統(tǒng)使用龍芯芯片，能耗降低。②新型遠程監(jiān)測系統(tǒng)使用了Linux操作系統(tǒng)，系統(tǒng)成本降低。③新型遠程監(jiān)測系統(tǒng)使用的虛擬專用網(wǎng)絡(VPN)建立在互聯(lián)網(wǎng)(Internet)上并以超文本傳輸協(xié)議(HTTP)相連接，使得數(shù)據(jù)傳輸能力得到提高。④新型遠程監(jiān)測系統(tǒng)使用互聯(lián)網(wǎng)(Internet)傳輸，傳輸設備直接使用現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)設備，系統(tǒng)成本降低。⑤新型遠程監(jiān)測系統(tǒng)各模塊之間使用虛擬專用網(wǎng)絡(VPN)相連接，使得數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩蕴岣摺?/span>

安恒公司在開發(fā)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的同時還積極與國內(nèi)污水處理行業(yè)的專家合作，使用專業(yè)的污水處理仿真軟件，為客戶提供污水處理廠優(yōu)化運行服務。服務通過生化單元的精確曝氣控制系統(tǒng)減少曝氣能耗；通過化學除磷智能控制系統(tǒng)節(jié)省藥劑使用量；通過城市污水處理廠運行決策支持系統(tǒng)，集運行指導和報警、故障診斷和識別、過程模擬和預測以及培訓等多種功能于一體，幫助和指導污水廠的日常運行控制。安恒公司正在廣泛征詢相關污水處理企業(yè)的的具體需求，和他們展開了積極的合作，將會有一批污水處理企業(yè)能夠共同分享到安恒公司技術成果，為污水處理企業(yè)在減排績效考評下優(yōu)化運行提供可靠的技術支撐。

5、結(jié)語

基于現(xiàn)代網(wǎng)絡技術的污水處理系統(tǒng)的ICA技術近年來發(fā)展很快，國外專家普遍認為監(jiān)控和污水廠處理系統(tǒng)的綜合性控制將是ICA技術在2010年以后的主要應用方向。對于*的過程控制技術，最重要的是運行操作人員理解創(chuàng)新性的控制策略以后并在實際中得到廣泛應用。大量小型污水處理廠安裝遠距離監(jiān)測和控制系統(tǒng)后，不再需要運行人員，通過基于現(xiàn)代互聯(lián)網(wǎng)遙測就可實現(xiàn)污水廠的控制，未來的城市污水處理廠還可以將進水的變化和運行參數(shù)實時地通過網(wǎng)絡送到區(qū)域性污水處理廠運行技術支持網(wǎng)絡的中心站，得到中心站的技術支持和監(jiān)控。過程控制技術和網(wǎng)絡化將成為城市污水處理廠未來發(fā)展的重點，并為中國的水污染控制帶來巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。