污水處理廠運(yùn)行維護(hù)與管理控制模式：模型模擬
發(fā)布日期：2018-03-02 點(diǎn)擊：948
隨著管理水平的不斷提升，我國(guó)大型城市污水處理廠的管理正有向信息化、智能化發(fā)展的趨勢(shì)，因此對(duì)于各類模型工具日將益依賴。成熟的模型工具不僅可以準(zhǔn)確模擬污水廠進(jìn)出水水質(zhì)的變化規(guī)律，為污水廠的提標(biāo)改造及工藝優(yōu)化提供依據(jù)，還能提升污水廠日常運(yùn)行的管理水平，為實(shí)現(xiàn)提效降耗助力。本期欄目精選若干個(gè)國(guó)外成功運(yùn)用的模型進(jìn)行簡(jiǎn)述，共同行參考。
隨著城市化進(jìn)程的加快，新建工業(yè)區(qū)、住宅區(qū)等不斷地涌現(xiàn)和擴(kuò)張，配套的污水處理廠也面臨著不斷增長(zhǎng)的污水處理需求：越來越大的處理水量、越來越復(fù)雜的處理水質(zhì)以及越來越嚴(yán)苛的排放標(biāo)準(zhǔn)。為此，一方面對(duì)于現(xiàn)有的處理設(shè)備設(shè)施，需要不斷進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和工藝優(yōu)化，在提高處理效率的同時(shí)努力將能耗最小化;另一方面，在掌握現(xiàn)有實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)和規(guī)劃，引入新的技術(shù)手段，對(duì)污水處理廠進(jìn)行適時(shí)的擴(kuò)建和工藝改造;另外，對(duì)于日常的人員管理、設(shè)備維護(hù)等方面的經(jīng)營(yíng)理念，也要不斷進(jìn)行更新和完善，在維持出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的前提下，始終將“提效降耗”作為發(fā)展的目標(biāo)。這其中，模型模擬作為一種輔助手段，在數(shù)據(jù)分析、效果評(píng)估、水質(zhì)預(yù)測(cè)等方面具有不可替代的重要作用。本文在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，整理匯編了目前較為前沿的模型模擬及其在污水處理廠中的應(yīng)用，包括用于補(bǔ)足進(jìn)水缺失數(shù)據(jù)、性能評(píng)估、能耗估算及進(jìn)水水質(zhì)預(yù)測(cè)等各方面的模型，以期為行業(yè)相關(guān)人員提供參考。
1 用于生成污水處理廠進(jìn)水缺失數(shù)據(jù)的黑箱模型
污水處理廠得到的數(shù)據(jù)集合大致可分為兩類：一類是自動(dòng)測(cè)得的數(shù)據(jù)，如流量計(jì)測(cè)得的流量數(shù)據(jù)等，它們大部分為定量數(shù)據(jù)，通常具有很高的記錄頻率，轉(zhuǎn)化為不同的時(shí)間尺度進(jìn)行處理;另一類是通過分析得到的數(shù)據(jù)，如進(jìn)出水的水質(zhì)參數(shù)等，大部分為定性數(shù)據(jù)，一般由24 h內(nèi)的隨機(jī)樣或者混合樣決定，時(shí)間分辨率(time resolution)較低。后者是進(jìn)出水水質(zhì)情況分析以及工藝控制優(yōu)化的基礎(chǔ)資料。這些數(shù)據(jù)不僅可作為污水處理廠擴(kuò)建設(shè)計(jì)和整體布局的參考依據(jù)，也可用于構(gòu)建污水處理廠模型，進(jìn)行動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期模擬來預(yù)測(cè)和驗(yàn)證多年海量數(shù)據(jù)的合理性與準(zhǔn)確性。但是，對(duì)水質(zhì)的模擬分析通常需要連續(xù)的進(jìn)出水水質(zhì)定性數(shù)據(jù)作為支持，這與一些污水廠常規(guī)的低頻數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)模式相悖，尤其是對(duì)于一些小型污水處理廠。為此需要采取一些合理的方法，替換和補(bǔ)充一部分遺漏的監(jiān)測(cè)值來提高數(shù)據(jù)的時(shí)間分辨率。
針對(duì)現(xiàn)有的一座常規(guī)定性數(shù)據(jù)密度較低、存在定性數(shù)據(jù)丟失的污水處理廠，Ahnert等基于威布爾分布(Weibull distribution)，根據(jù)時(shí)間分辨率較高的定量數(shù)據(jù)(流量)，采用一種簡(jiǎn)單而直接的方法來生成連續(xù)的進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)值。該方法所需若干年內(nèi)的原始數(shù)據(jù)包括：(a)進(jìn)水流量的日均值(最好為合流制排水系統(tǒng)，分流制的進(jìn)水流量范圍較小);(b)24 h混合樣的有效COD值;(c)24 h混合樣的有效總氮值(Ntot)和有效總磷值(Ptot);(d)研究水域內(nèi)Ntot/COD和Ptot/COD的實(shí)際比值，一般可通過文獻(xiàn)調(diào)研得到。方法步驟如下：
(1)對(duì)于不同的進(jìn)水流量，根據(jù)有效COD濃度值，計(jì)算威布爾分布的形式(shape)和規(guī)模(scale)參數(shù)：(a)根據(jù)流量范圍，將原始數(shù)據(jù)歸成若干組;(b)計(jì)算每一組數(shù)據(jù)的威布爾分布特征參數(shù);(c)生成威布爾分布的形式指數(shù)方程和規(guī)模指數(shù)方程。
(2)基于進(jìn)水流量，根據(jù)威布爾分布的特征參數(shù)隨機(jī)生成COD濃度：(a)：計(jì)算某一給定進(jìn)水流量的威布爾特征參數(shù);(b)根據(jù)特征參數(shù)生成一個(gè)符合威布爾分布的隨機(jī)數(shù)字，作為隨機(jī)生成COD數(shù)據(jù)的一部分;
(3)根據(jù)得到的Ntot/COD和Ptot/COD實(shí)際比值，計(jì)算缺失的Ntot和Ptot值;或者根據(jù)現(xiàn)有的Ntot/COD和Ptot/COD比值分布，分別生成符合正態(tài)分布的隨機(jī)Ntot和Ptot值。
得到的隨機(jī)數(shù)值具有和測(cè)得的實(shí)際數(shù)據(jù)值一樣的特征和變化規(guī)律，可用于需要使用到連續(xù)進(jìn)水水質(zhì)數(shù)據(jù)的工藝模型構(gòu)建，從而進(jìn)行工藝優(yōu)化、能耗分析(結(jié)合能量模型)、以及控制策略的改進(jìn)或者總體處理能力的分析。
2 用于對(duì)污水處理廠績(jī)效進(jìn)行評(píng)估的PDCA模型
維持污水處理廠高質(zhì)量的運(yùn)行和服務(wù)，需要對(duì)技術(shù)工藝、環(huán)境影響以及經(jīng)濟(jì)效益等多方面的性能表現(xiàn)進(jìn)行持續(xù)評(píng)估。為此，國(guó)際水協(xié)基準(zhǔn)和績(jī)效評(píng)估專家組(specialist group of Benchmarking and Performance Assessment of the International Water Association)提出了一種基準(zhǔn)化評(píng)價(jià)法來評(píng)估污水廠的績(jī)效，依照“計(jì)劃-執(zhí)行-核對(duì)-改進(jìn)(Plan-Do-Check-Act，PDCA)”的循環(huán)例程(如圖1所示)，通過系統(tǒng)搜索和關(guān)鍵因素改進(jìn)來提升污水廠的性能。
圖1 適于污水處理廠基準(zhǔn)化的PDCA模型
在此基礎(chǔ)上，葡萄牙國(guó)家市政工程實(shí)驗(yàn)室(Portuguese National Civil Engineering Laboratory)開發(fā)了一套基于績(jī)效指標(biāo)(performance indicators，PIs)和績(jī)效指數(shù)(performance indices，PXs)的績(jī)效評(píng)估體系(PAS)，應(yīng)用于葡萄牙17座污水處理廠的基準(zhǔn)化評(píng)價(jià)和工作性能改進(jìn)。
該污水廠績(jī)效評(píng)估體系主要包括兩方面：(a)PIs體系，以年為單位整體評(píng)估污水處理廠在出水水質(zhì)、設(shè)備效率和穩(wěn)定性、自然資源及原料使用(重點(diǎn)關(guān)注能源)、副產(chǎn)物管理、安全管理、人員管理、財(cái)政資源使用以及設(shè)計(jì)規(guī)劃方面的表現(xiàn);(b)PXs體系，以天為單位評(píng)估污水處理廠在出水水質(zhì)、污染物去除率以及運(yùn)行條件等方面的具體表現(xiàn)。PXs體系是PIs體系的補(bǔ)充，后者用來評(píng)估污水處理廠在某一給定時(shí)期內(nèi)的整體表現(xiàn)，而前者用來評(píng)估污水處理廠的性能同預(yù)設(shè)目標(biāo)之間的差距，并給出得出各檔績(jī)效(“不滿意”、“可接受”、“良好”和“優(yōu)秀”)結(jié)果的依據(jù)(時(shí)間、位置以及原因)。通過綜合分析PIs和PXs，就能找到提升污水處理廠性能表現(xiàn)的突破口。
針對(duì)葡萄牙南部阿爾加維地區(qū)一座采用氧化溝和紫外消毒工藝的污水處理廠，Silva等應(yīng)用該套績(jī)效評(píng)估體系，選擇了七項(xiàng)PXs指標(biāo)(水質(zhì)檢測(cè)執(zhí)行率、水質(zhì)指標(biāo)分析率、水質(zhì)指標(biāo)達(dá)標(biāo)率、污水處理體積率、處理單位水量能耗、處理單位BOD5能耗等)和四項(xiàng)PIs指數(shù)(COD、BOD5、TSS和大腸桿菌)，依照前期研究得出的參考值，對(duì)2013~2015年間污水處理廠各工藝段的性能進(jìn)行了評(píng)估計(jì)算。結(jié)果表明該污水處理廠的氧化溝工藝較為有效，而紫外消毒工藝的整體評(píng)定等級(jí)為“不滿意”，相比之下缺乏可靠性。因此建議污水廠工藝提升的重心為紫外燈的維護(hù)、紫外光劑量的優(yōu)化以及微孔篩網(wǎng)(UV工藝進(jìn)水)的重新檢驗(yàn)。
處理能耗的表現(xiàn)隨著污水處理體積的增大而越佳，且與污水廠的產(chǎn)能利用率(capacity utilization)有關(guān)。處理水量越接近污水處理廠的設(shè)計(jì)能力，工藝單元處理能耗的表現(xiàn)就越好;而當(dāng)產(chǎn)能利用率低于50%時(shí)，能耗表現(xiàn)為“不滿意”。氧化溝工藝曝氣環(huán)節(jié)的能耗占了總能耗的38%，總體表現(xiàn)為“不滿意”;針對(duì)該結(jié)果，建議通過季節(jié)性調(diào)整進(jìn)水曝氣、溫度以及濃度以降低能耗和提高經(jīng)濟(jì)效率。事實(shí)上，在該污水處理廠，由于COD、BOD5、TSS等指標(biāo)的評(píng)定結(jié)果已為“良好”甚至“優(yōu)秀”，因此處理能耗的表現(xiàn)存在一定的提升空間;可適當(dāng)降低氧化溝工藝的能量和經(jīng)濟(jì)投入，重新校驗(yàn)水質(zhì)指標(biāo)的評(píng)定結(jié)果是否仍高于“可接受”至“良好”的水平，從而將氧化溝工藝的能耗表現(xiàn)提升至“可接受”至“良好”的水平。
需要指出的是，完整的PI體系和PX體系所涵蓋的指標(biāo)種類非常廣，需要根據(jù)給定的污水處理廠和年限，結(jié)合評(píng)估目標(biāo)，有針對(duì)性地挑選出一組合理的PIs指標(biāo)和PXs指數(shù)。
3 用于考察設(shè)備老化對(duì)污水處理廠能源成本影響的能耗模型
污水處理廠的能量消費(fèi)模式與當(dāng)?shù)丨h(huán)境條件、處理的水量和水質(zhì)、廠區(qū)規(guī)模大小、選擇工藝類型、設(shè)備服務(wù)年限等因素有關(guān)。目前，削減能源消耗已成為污水處理廠運(yùn)行優(yōu)化的重要目標(biāo)之一。隨著人口和經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)、水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)更加嚴(yán)苛以及處理設(shè)施性能逐漸下降，污水處理廠的能源消耗會(huì)繼續(xù)增長(zhǎng)，其中設(shè)備老化引起的能源損耗和處理效率下降的問題已經(jīng)引起了人們的重視。設(shè)備老化不僅會(huì)提高處理工藝所需的能源投入，也會(huì)增加運(yùn)行維護(hù)所需的人力、試劑等成本，盡管它們之間存在一定的相關(guān)性，但很難定量。
Castellet-Viciano等從能耗角度考察了設(shè)備運(yùn)行時(shí)間對(duì)西班牙瓦倫西亞地區(qū)322座污水處理廠的影響。研究收集了該地區(qū)污水處理廠2010年至2012年間的處理工藝代表性變量指標(biāo)，并采用Kruskal-Wallis檢驗(yàn)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析;然后根據(jù)設(shè)備年限采用模型逐年進(jìn)行模擬，并預(yù)測(cè)下一年的能耗成本。研究結(jié)果表明，含曝氣系統(tǒng)的二級(jí)生物處理單元，如活性污泥法和延時(shí)曝氣法，其能源消耗隨設(shè)備年限呈現(xiàn)出較大差異;這是由于曝氣系統(tǒng)多由微孔擴(kuò)散裝置組成，由于結(jié)垢等造成的微孔阻塞會(huì)造成一部分的能量損失，而這一現(xiàn)象隨時(shí)間推移愈發(fā)明顯。此外，研究還發(fā)現(xiàn)，處理水量在275 000 m3/年以下的小型污水處理廠，設(shè)施年限對(duì)能源消耗的影響更為明顯;大型污水廠由于大部分存在熱電共生系統(tǒng)(cogeneration system)，在能源供給方面能夠?qū)崿F(xiàn)自給自足，因此設(shè)備年限對(duì)能源消耗的影響并不顯著。
研究得到的能量損耗預(yù)測(cè)值可作為評(píng)估污水廠處理設(shè)施機(jī)電設(shè)備的老化狀態(tài)的一個(gè)重要指標(biāo)，幫助污水處理廠的管理者決定是否需要進(jìn)行設(shè)備更替或者相關(guān)的維護(hù)工作。
4 用于預(yù)測(cè)進(jìn)水BOD5濃度大小的MCDA模型
軟傳感器(soft sensor)測(cè)量法以及基于快速可得信息和歷史數(shù)據(jù)的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析法，為污水處理廠實(shí)時(shí)信息報(bào)告和未來信息預(yù)測(cè)提供了一種簡(jiǎn)單有效的途徑。Zhu等在早先的研究中闡述了采用軟傳感器測(cè)量法預(yù)測(cè)污水處理廠進(jìn)水情況的諸多優(yōu)勢(shì)，包括預(yù)測(cè)結(jié)果可靠以及靈活性較好等，但方法預(yù)測(cè)的是目標(biāo)變量的均值，當(dāng)進(jìn)水的BOD5偏高時(shí)，實(shí)際值和預(yù)測(cè)值之間的偏差可能較大，使得出水水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)增大;過量曝氣可降低該風(fēng)險(xiǎn)，但也會(huì)產(chǎn)生不必要的能量消耗。
為此，Zhu等針對(duì)芝加哥一座污水處理廠，在前面研究的基礎(chǔ)上繼續(xù)開發(fā)了一種整合了軟傳感器測(cè)量法與多標(biāo)準(zhǔn)決策分析(multi-criteria decision analysis，MCDA)技術(shù)的多層級(jí)混合方法，在進(jìn)水含碳BOD5(CBOD5)的預(yù)報(bào)工作中更好地平衡能耗需求和出水超標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)。該方法采用MCDA技術(shù)之一的折衷規(guī)劃法(compromise programming)，確定了一個(gè)將進(jìn)水CBOD5分為高低濃度的關(guān)鍵濃度值，對(duì)于低濃度的CBOD5，采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(artificial neural network，ANN)來準(zhǔn)確預(yù)測(cè)，以尋求能耗需求的最小化;對(duì)于高濃度的CBOD5，將多元線性回歸置信水平的置信上限設(shè)為95%進(jìn)行高估，從而使得進(jìn)水處理不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)最小化。
研究結(jié)果表明：(1)當(dāng)安全因子和預(yù)測(cè)精度采用相同的權(quán)重(0.5)時(shí)，根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)集，CBOD5閾值的最優(yōu)選擇為87.5 mg/L;(2)與訓(xùn)練數(shù)據(jù)集相比，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)集的預(yù)測(cè)精度較低，而安全因子的范圍更廣，兩種數(shù)據(jù)集均能得出同樣的最優(yōu)CBOD5閾值，表明決策過程的正確性;(3)與單一應(yīng)用ANN方法相比，該混合方法可以顯著降低較高的CBOD5進(jìn)水濃度被低估情況所占的比例，而預(yù)測(cè)誤差僅略微增長(zhǎng);(4)該混合方法具有很高的靈活性，可以使用不同的置信區(qū)間或納入更高級(jí)的算法進(jìn)行修正，以預(yù)測(cè)進(jìn)水中的其他成分并針對(duì)不同污水處理廠的當(dāng)?shù)貤l件作出調(diào)整，如出水要求、能源成本、處理工藝、天氣條件、控制靈活性等，通過調(diào)整安全因子和預(yù)測(cè)精度的權(quán)重，得到更符合地方實(shí)際的應(yīng)用模型。
