2 活性污泥工藝高級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)

近年來(lái)，借助模型預(yù)測(cè)控制(MPC，model predictive control)工具、多元統(tǒng)計(jì)過程控制(MSPC，multivariate statistical process control)工具等實(shí)時(shí)自動(dòng)化控制技術(shù)，污水處理廠正朝著更高效安全的運(yùn)行、更高品質(zhì)的出水以及更加優(yōu)化的運(yùn)行成本的方向發(fā)展。Mulas等在芬蘭東南部的Mussalo污水處理廠的活性污泥工藝(ASP，activated sludge process)安設(shè)了一套集成了MPC和MSPC策略的高級(jí)控制系統(tǒng)(ACS，advanced control system)包，并對(duì)其連續(xù)六個(gè)月的運(yùn)行結(jié)果進(jìn)行了追蹤分析。該污水處理廠的生物處理單元由四條ASP工藝線組成，每條工藝線由缺氧區(qū)Z1(通入預(yù)沉污水、二沉池回流污泥及排氣池內(nèi)循環(huán)流)、缺氧區(qū)Z2和Z3(進(jìn)一步完成反硝化或硝化過程)、好氧區(qū)Z4~Z6(底部微孔曝氣，完成硝化過程)及排氣脫氣區(qū)D(混合液脫氣)構(gòu)成，工藝流程如圖4所示。

ACS可對(duì)污水處理廠運(yùn)行過程中的關(guān)鍵工藝參數(shù)和能耗進(jìn)行控制和監(jiān)管，范圍小至某一工藝單元，大至整個(gè)污水廠，在優(yōu)化污水廠運(yùn)行成本的同時(shí)，保證出水水質(zhì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。其主要通過兩個(gè)模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制——最優(yōu)過程控制模塊(OPCM，optimal process control module)和統(tǒng)計(jì)過程控制模塊(SPCM，statistical process control module)。對(duì)于Mussalo污水處理廠，OPCM主要用于控制生物反應(yīng)器出水中氨的濃度，同時(shí)最小化運(yùn)行成本;而SPCM主要用于對(duì)污水廠的數(shù)據(jù)和信息進(jìn)行預(yù)處理、選擇和補(bǔ)充，在其從內(nèi)部傳輸至OPCM之前。在Mussalo污水處理廠的ACS初步部署工程中，兩個(gè)模塊獨(dú)立工作。

Mussalo污水處理廠活性污泥工藝線的OPCM控制結(jié)構(gòu)主要包含一個(gè)控制變量(工藝線尾端的氨濃度)以及三個(gè)操縱變量(缺氧區(qū)Z2和Z3中的溶解氧設(shè)定值、內(nèi)回流流量)。為確保出水達(dá)標(biāo)，控制變量被設(shè)定為1 mg/L。由于OPCM具有模塊性，其結(jié)構(gòu)可繼續(xù)擴(kuò)充，以進(jìn)一步提高出水水質(zhì)和減少運(yùn)行費(fèi)用，例如好氧區(qū)(Z4~Z6)的溶解氧濃度以及外回流流量也可被列為操縱變量，成為控制結(jié)構(gòu)的一部分;若能測(cè)定懸浮性固體以及硝酸鹽濃度的值，則它們也能成為控制變量。在眾多MPC策略中，動(dòng)態(tài)矩陣控制(DMC，dynamic matrix control)算法可簡(jiǎn)單直接地解決最優(yōu)化問題，對(duì)于其應(yīng)用至整個(gè)污水處理廠更具可行性。DMC的主要原理同所有預(yù)測(cè)控制算法一樣，是在每一個(gè)控制環(huán)節(jié)計(jì)算出一個(gè)控制序列，使得某一目標(biāo)函數(shù)最小化，而控制程序是根據(jù)工藝簡(jiǎn)化模型以及實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)計(jì)算得到的。

SPCM則根據(jù)主成分分析(PCA，principle component analysis)模型殘差(residual)得到的兩個(gè)擬合度量(measure of fit)——霍特林T2統(tǒng)計(jì)量(Hotelling’s T2 statistic)和Q統(tǒng)計(jì)量(Q statistic)，從而篩檢出失控的觀測(cè)數(shù)據(jù)。前者主要測(cè)算目標(biāo)觀測(cè)值與其原來(lái)所在子空間之間的歸一化距離(normalized distance);后者主要測(cè)算目標(biāo)觀測(cè)值與其在主成分子空間的重建之間的正交距離(orthogonal distance)。通過兩個(gè)臨界值(cut-off value)Tlim2和Qlim，對(duì)這兩個(gè)距離在適當(dāng)?shù)牧考?jí)范圍內(nèi)進(jìn)行量化，以實(shí)現(xiàn)控制的目的。根據(jù)這兩個(gè)臨界值，異常的觀測(cè)值可被檢出，相應(yīng)的樣品可被標(biāo)為失控。SPCM主要獲取以下原始測(cè)量數(shù)值：進(jìn)水流量、內(nèi)回流流量、外回流流量、Z2~Z6的DO含量、Z1~Z6的氣流流量、pH、懸浮性固體以及反應(yīng)器出口的氨濃度。

對(duì)ACS部署前后該污水廠生物處理單元的性能進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)應(yīng)用ACS后，工藝的總曝氣量消耗減少了3%，其中Z2、Z3和Z6的曝氣量消耗減少了14%;出水中的氨略有提升，但仍低于排放限值;Z2和Z3中的DO分別減少了33%和11%，而Z4、Z5和Z6中的DO與設(shè)定值(1 mg/L)接近，分別為3、2.5、2 mg/L;內(nèi)回流流量減少了5%;出水中硝酸鹽的濃度降低了15%，磷含量降低了9%，而濁度提高了9%。

3 溶氣氣浮實(shí)時(shí)藥劑投加優(yōu)化控制系統(tǒng)

溶氣氣浮(DAF，dissolved air floatation)工藝常用來(lái)去除食品加工廢水中的懸浮性固體、油脂及難溶性COD。首先在廢水中投加氯化鐵等金屬鹽，在水中形成小顆粒，然后調(diào)節(jié)pH并投加聚合物，使得小顆粒物質(zhì)絮凝形成絮狀體，最后通過DAF將其去除。在實(shí)際應(yīng)用中，化學(xué)藥劑投加以及生成污泥處置產(chǎn)生的費(fèi)用占了很大一部分工藝運(yùn)行成本。平衡池中的COD在生產(chǎn)加工階段不斷上升，在清洗階段又持續(xù)下降，化學(xué)藥劑的設(shè)計(jì)投加量一般就根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)日的峰值COD負(fù)荷確定，以確保出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo);然而由于進(jìn)水COD存在實(shí)時(shí)波動(dòng)，該投加方法并不利于達(dá)到節(jié)能降耗的目標(biāo)。另外，過量的金屬鹽投加會(huì)使得工藝產(chǎn)生的污泥量增大，污泥中無(wú)機(jī)物的含量增大，進(jìn)一步提高運(yùn)行成本。因此，Long等通過一套i-DOSE藥劑在線投加系統(tǒng)來(lái)實(shí)時(shí)控制化學(xué)試劑(氯化鐵和NaOH)的投加量，使得混凝、絮凝及pH調(diào)節(jié)的藥劑成本大大降低，并通過計(jì)算DAF產(chǎn)生的污泥量，降低曝氣系統(tǒng)的能耗。

通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)水的COD負(fù)荷，不僅可以優(yōu)化每個(gè)生產(chǎn)日不同階段的藥劑投加量，還可以計(jì)算出DAF系統(tǒng)的氣固比(A/S，air to solids ratio)，以確定所需的曝氣量或氣壓。通過特制的TOC分析儀測(cè)定廢水的TOC值，然后根據(jù)經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析得出的不同產(chǎn)品處理廢水的TOC/COD比值，確定相應(yīng)的COD值，實(shí)現(xiàn)COD負(fù)荷的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);然后通過正反饋控制系統(tǒng)，即可根據(jù)COD負(fù)荷實(shí)時(shí)優(yōu)化絮凝劑、pH調(diào)節(jié)劑及聚合物的投加量。圖5和圖6分別為i-DOSE系統(tǒng)的組織構(gòu)架以及DAF處理系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)圖。

圖7為i-DOSE系統(tǒng)應(yīng)用前后藥劑(氯化鐵和NaOH)的投加量變化情況。由圖可知，在i-DOSE系統(tǒng)的控制下，氯化鐵和NaOH的投加量在生產(chǎn)啟動(dòng)階段逐漸增大，在清洗階段又逐漸減小;藥劑投加量隨進(jìn)水COD負(fù)荷實(shí)時(shí)變化情況下，投加總量顯著低于投加量固定的情況。與此同時(shí)，實(shí)時(shí)優(yōu)化投加藥劑的出水平均COD水平與固定量投加藥劑相當(dāng)。

編輯：汪茵