1 污水厂自控现状

污水处理系统是一种典型的复杂动态生物反应工程系统，具有非线性、时变性、随机性和不确定性的特点，城市污水处理厂长期稳定运行时十分困难的，在一些污水处理厂中，处理效果不佳、运行费用高和污染环境等现象常常是由于运行问题引起的。为保证污水处理过程的良好运行，提高出水水质，控制策略的精心设计就显得尤为重要。鉴于污水处理系统自身的特性，在污水处理过程系统中应用过程控制主要存在以下难点：

（1）反应过程复杂。整个处理系统由初沉池、曝气池、缺氧池、二沉池、污泥消化等多个单元组成，在同一单元内又发生多个性质完全不同的化学反应、物理反应和生物反应。

（2）水力学特征。流动状态不同使物料在反应器内的停留时间不同、混合状况不同，从而造成温度、浓度等局部环境的差异。水力学特征对生物反应过程速率、达到给定转化率所需的反应器体积和反应选择性都有影响。

（3）许多影响系统特性的参数难以控制。如瞬间流量、有机物浓度变化、有毒物质的输入和进水的温度等。

（4）系统高度动态化，并且很少在稳态情况下运行，有效和精确描述过程动态的数学模型为满足自动控制的要求需要进行适当简化和修正。

（5）污水处理系统的目标是使出水水质达到国家排放标准的前提下尽量降低成本和环境影响，而不像其它工业控制中给出一个精确的控制目标值。

（6）多数信息非数字化和量化。定性的指标如出水的气味和颜色、微生物质量等等对于操作人员至关重要信息不能在常规的控制技术中使用。

正是由于以上的原因，目前国内外污水处理自动控制水平比较落后。国内污水处理自动化系统大部分处于顺序逻辑控制水平，例如，时间程序控制和流量程序控制。弊端就是不能根据废水的实际水质水量变化情况对反应时间实现计算机在线控制，由此而引发出水不达标、运行费用高以及污泥膨胀等异常现象。

发达国家在二级处理普及以后投入大量资金和科研力量加强污水处理设施的监测、运行和管理，实现了计算机控制、报警、计算和瞬时记录。美国在20世纪70年代中期开始实现污水处理厂的自动控制，目前主要污水处理厂已实现了工艺流程中主要参数的自动测试和控制。

与发达国家相比，我国在污水处理的基本理论和工艺流程等方面并不明显落后，但是在运行管理与自动控制方面却存在着较大的差距。我国污水处理厂的自动控制和管理没有得到足够的重视，“重建设、轻管理”的思想导致污水处理厂的运行模式比较粗放、过程管理不够精细。污水处理自动化控制起步较晚，进入90年代以后污水处理厂才开始引入自动控制系统，但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制系统在污水处理厂应用很少。长期以来，运行管理人员往往根据多年的积累经验对污水处理厂进行管理。传统的污水处理过程控制系统需要专业人员到现场进行手工的操作和监视，导致对系统的意外事故反应较慢，而无法对水质的变化作出精确的反应和调整，从而限制了污水处理的稳定性和处理质量，造成处理系统不稳定和处理过程能耗物耗高等问题。

虽然我国也引进了外国的一些污水处理厂的自动化控制和管理系统，应用了自动化程度较高的检测仪表，各种新工艺，新设备也大量出现并得到应用，但在全国范围来看，即使在一些自动化程度较高的污水处理厂也仍然存在很多问题，如：

（1）各种类型不同等级的系统控制方式并存，仍然存在很多人工就地方式。

（2）污水处理在线监测是控制系统的重要组成部分和基础，自动控制系统中所采用的一些国产自动化检测设备、仪表的功能目前还很不完善，性能不稳定，进口仪器仪表价格较和维护费用高，售后服务不及时等。

（3）即使采用进口的可靠性高的，维护简便的各种检测仪表和在线水质分析仪表，但由于污水处理厂控制系统的监控和通讯功能在硬件和软件开发利用方面存在极大的不足，并没有有效使用在线仪表的大量监测数据，妨碍了处理过程的高效经济运行。

（4）许多控制系统的设计和实际工艺不相符，污水处理厂的过程控制和污水处理厂的管理系统脱离，导致缺乏准确及时的原始数据和情况分析，准确性差，对现场运行指导意义不强。

上述现象发生的根源在于，我国在污水处理和自动控制方面缺乏核心技术，缺乏适合中国国情的污水处理厂全流程控制系统，特别是基于全流程控制思想的控制软件技术，导致污水处理厂即使拥有较为完备的硬件设备，也不能充分发挥硬件的作用，造成污水处理厂管理水平和运行水平较低，污水处理厂的运行成本很高。

2 智能软件开发的目的

系统优化分为技术优化和经济优化，技术优化是经济优化的前提和基础，也是处理系统优化的核心。技术优化以往国内外普遍采用系统分析的方法。随着计算技术的发展和计算机的普遍使用，系统智能技术已成为国内外近年来技术优化的主要手段。

本项目智能软件主要功能与特点如下：

1) 具有敏感性分析模块和模型校正及参数估值优化模块，能实现污水处理过程的稳态模拟和动态模拟，根据收集大数据，完善及校正模型，预估出水参数；

2) 智能软件中针对不同规模的水厂，不同处理工艺的水厂，选择不同的模型及输入参数的可测性；

3) 实现污水处理工艺内循环，外循环，曝气控制的智能控制，并向员工提供水厂运行决策的建议；

4) 智能软件能与国内污水处理厂目前拥有的各种离线、在线仪器直接进行数据传递，模拟软件应与现场总线系统有数据交互的友好性；

5) 进行在线自动实时监控，对工艺过程实行自动检查、警告和自动校正、传感器探错、过程检错及预测等功能。

6) 通过水厂主要工艺的智能控制提高能源效率。

3智能水厂几大功能模块

3.1根据阶梯电价实施的智能运行系统

水量调节可以通过储水池和定时操作泵站的运行应用于给水和配水中。水量调节有利于采用分时电价的电力系统。在分时电价下，一天中的某个时段电费较高的。在高电费时段开始前用泵充满储水池是减少电费的一个方法。

3.2基于精准曝气及内外回流的节能智能控制系统

大多数污水处理厂，曝气系统电耗在总的能耗中占有很大比重，改进曝气系统的运行是降低污水处理厂能耗费用最佳途径之一。活性污泥工艺的需氧量随处理水量和污水的有机负荷变化而变化。通常在污水处理厂日流量变化中，每天早上随着污水流量和供氧量需求也同时增加。相反地，夜间流量减少时，供气量也应减少。提高溶解氧，以及内外回流的自控控制水平可以比手动控制节约10%-35%的能量。

基于进水流量计，进水COD，进水氨氮，TP/TN,出水COD，出水氨氮,出水TP/TN；曝气风机的变频控制；曝气风管上设置调节阀，出口压力，出口气体流量计；曝气池好氧区的溶解氧，液位，温度等参数，基于以上参数的曝气池DO,内外回流的设定值的寻优，在不同的进水水质，利用数据模型预测出水参数值作为反馈信号，动态调整与进水水质对应的优化DO及内外回流设定值，利用神经网络逆控制器逆跟踪此DO以及内外回流设定值，从而实现对控制系统的优化控制，在保证出水水质指标稳定的约束条件下，获得最佳曝气量以及内外回流，从而减少电能消耗，使运行费用最少。

3.3 大数据收集

通过提取生产管理中的一手数据，结合水厂其它财务数据，进行综合对比分析，辅助管理者进行收支情况的分析和经营决策。

4智能水厂效益

4.1经济效益

90KW鼓风机二用一备计算，电价按0.65元/KW.H核算

月电费：180×24×30×0.65=84240元

年电费：84240×12=1010880元

精准曝气可控制鼓风机运行频率在35%~45%之间，预计电耗节约10%~20%，按最少10%计算，年可节约电费约10万元。