污水處理廠運行維護與管理控制模式：模型模擬

時間：2018-03-01 來源：凈水技術 作者：曹徐齊 阮辰旼

隨著管理水平的不斷提升，我國大型城市污水處理廠的管理正有向信息化、智能化發展的趨勢，因此對于各類模型工具日將益依賴。成熟的模型工具不僅可以準確模擬污水廠進出水水質的變化規律，為污水廠的提標改造及工藝優化提供依據，還能提升污水廠日常運行的管理水平，為實現提效降耗助力。本期欄目精選若干個國外成功運用的模型進行簡述，共同行參考。

隨著城市化進程的加快，新建工業區、住宅區等不斷地涌現和擴張，配套的污水處理廠也面臨著不斷增長的污水處理需求：越來越大的處理水量、越來越復雜的處理水質以及越來越嚴苛的排放標準。為此，一方面對于現有的處理設備設施，需要不斷進行參數調整和工藝優化，在提高處理效率的同時努力將能耗最小化;另一方面，在掌握現有實際運行數據的基礎上，需要進行合理的設計和規劃，引入新的技術手段，對污水處理廠進行適時的擴建和工藝改造;另外，對于日常的人員管理、設備維護等方面的經營理念，也要不斷進行更新和完善，在維持出水水質穩定達標的前提下，始終將“提效降耗”作為發展的目標。這其中，模型模擬作為一種輔助手段，在數據分析、效果評估、水質預測等方面具有不可替代的重要作用。本文在文獻調研的基礎上，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用，包括用于補足進水缺失數據、性能評估、能耗估算及進水水質預測等各方面的模型，以期為行業相關人員提供參考。

1 用于生成污水處理廠進水缺失數據的黑箱模型

污水處理廠得到的數據集合大致可分為兩類：一類是自動測得的數據，如流量計測得的流量數據等，它們大部分為定量數據，通常具有很高的記錄頻率，轉化為不同的時間尺度進行處理;另一類是通過分析得到的數據，如進出水的水質參數等，大部分為定性數據，一般由24 h內的隨機樣或者混合樣決定，時間分辨率(time resolution)較低。后者是進出水水質情況分析以及工藝控制優化的基礎資料。這些數據不僅可作為污水處理廠擴建設計和整體布局的參考依據，也可用于構建污水處理廠模型，進行動態長期模擬來預測和驗證多年海量數據的合理性與準確性。但是，對水質的模擬分析通常需要連續的進出水水質定性數據作為支持，這與一些污水廠常規的低頻數據監測模式相悖，尤其是對于一些小型污水處理廠。為此需要采取一些合理的方法，替換和補充一部分遺漏的監測值來提高數據的時間分辨率。

針對現有的一座常規定性數據密度較低、存在定性數據丟失的污水處理廠，Ahnert等基于威布爾分布(Weibull distribution)，根據時間分辨率較高的定量數據(流量)，采用一種簡單而直接的方法來生成連續的進水水質數據值。該方法所需若干年內的原始數據包括：(a)進水流量的日均值(最好為合流制排水系統，分流制的進水流量范圍較小);(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Ntot/COD和Ptot/COD的實際比值，一般可通過文獻調研得到。方法步驟如下：

(1)對于不同的進水流量，根據有效COD濃度值，計算威布爾分布的形式(shape)和規模(scale)參數：(a)根據流量范圍，將原始數據歸成若干組;(b)計算每一組數據的威布爾分布特征參數;(c)生成威布爾分布的形式指數方程和規模指數方程。

(2)基于進水流量，根據威布爾分布的特征參數隨機生成COD濃度：(a)：計算某一給定進水流量的威布爾特征參數;(b)根據特征參數生成一個符合威布爾分布的隨機數字，作為隨機生成COD數據的一部分;

(3)根據得到的Ntot/COD和Ptot/COD實際比值，計算缺失的Ntot和Ptot值;或者根據現有的Ntot/COD和Ptot/COD比值分布，分別生成符合正態分布的隨機Ntot和Ptot值。

得到的隨機數值具有和測得的實際數據值一樣的特征和變化規律，可用于需要使用到連續進水水質數據的工藝模型構建，從而進行工藝優化、能耗分析(結合能量模型)、以及控制策略的改進或者總體處理能力的分析。

2 用于對污水處理廠績效進行評估的PDCA模型

維持污水處理廠高質量的運行和服務，需要對技術工藝、環境影響以及經濟效益等多方面的性能表現進行持續評估。為此，國際水協基準和績效評估專家組(specialist group of Benchmarking and Performance Assessment of the International Water Association)提出了一種基準化評價法來評估污水廠的績效，依照“計劃-執行-核對-改進(Plan-Do-Check-Act，PDCA)”的循環例程(如圖1所示)，通過系統搜索和關鍵因素改進來提升污水廠的性能。

圖1 適于污水處理廠基準化的PDCA模型

在此基礎上，葡萄牙國家市政工程實驗室(Portuguese National Civil Engineering Laboratory)開發了一套基于績效指標(performance indicators，PIs)和績效指數(performance indices，PXs)的績效評估體系(PAS)，應用于葡萄牙17座污水處理廠的基準化評價和工作性能改進。

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