張克乾

（中交三公局華中建設(shè)有限責(zé)任公司）

1 引言

水處理是城市環(huán)境衛(wèi)生維護與水資源高效利用的重要環(huán)節(jié)，城市日常運行產(chǎn)生的龐大污水量給水處理的效率與質(zhì)量提出了較高的要求[1]。智能化水處理是依托傳感器技術(shù)、自動控制技術(shù)等現(xiàn)代信息技術(shù)對水處理過程進行智能化改造，提高水處理效率與處理效果，切實降低水處理的能耗，實現(xiàn)水處理過程的自動化、智能化控制。

2 智能化水處理系統(tǒng)

2.1 智能化水處理系統(tǒng)的構(gòu)成

2.1.1 設(shè)備工藝系統(tǒng)

設(shè)備工藝系統(tǒng)是智能化水處理系統(tǒng)中用于過濾、凈化污水的設(shè)備裝置，常見的設(shè)備工藝系統(tǒng)包括活性炭、高壓泵、消毒設(shè)備、閥門等，設(shè)備工藝系統(tǒng)的凈水或濾水裝置設(shè)備需根據(jù)污水情況以及處理目標加以優(yōu)化設(shè)計確定，是污水處理廠或污水處理站中處理污水的核心系統(tǒng)。

2.1.2 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)是智能化水處理系統(tǒng)中用于控制處理設(shè)備運行與處理工藝實施過程的設(shè)備裝置，其基本構(gòu)成包括可進行編程的管理控制器、變頻器，在可進行編程的管理控制器中嵌入開發(fā)模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)、專家系統(tǒng)等，用于智能化控制與決策設(shè)備工藝系統(tǒng)中各類凈水、濾水設(shè)備的工作狀態(tài)與工作參數(shù)，實現(xiàn)對水處理過程的智能化控制。

2.1.3 信號收集系統(tǒng)

信號收集系統(tǒng)是智能化水處理系統(tǒng)中用于采集各類凈水、濾水設(shè)備工作參數(shù)以及污水水質(zhì)、流量等數(shù)據(jù)的系統(tǒng)裝置，信號收集系統(tǒng)實時在線采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸至控制系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)挖掘與分析，以便控制系統(tǒng)根據(jù)水質(zhì)情況、水泵工作頻率等數(shù)據(jù)智能化調(diào)整水處理工藝與設(shè)備運行狀態(tài)[2]。

2.1.4 保護系統(tǒng)

保護系統(tǒng)是智能化水處理系統(tǒng)中的重要構(gòu)成，是處理與應(yīng)對水處理系統(tǒng)異常工況頻發(fā)的重要環(huán)節(jié)。智能化水處理系統(tǒng)依托信號收集系統(tǒng)在線收集水處理系統(tǒng)的運行參數(shù)，一旦水處理系統(tǒng)出現(xiàn)故障、運行參數(shù)出現(xiàn)異常，保護系統(tǒng)可啟動工作控制凈水介質(zhì)排放，有效保護智能化水處理系統(tǒng)不受異常工況影響而出現(xiàn)故障損壞問題[3]。

2.1.5 人機交互系統(tǒng)

人機交互系統(tǒng)是面向用戶的終端系統(tǒng)，用于遠程連接用戶與水處理過程，污水處理廠工作人員可依托人機交互系統(tǒng)對水處理設(shè)備工藝系統(tǒng)進行遠程控制，提高水處理效率與質(zhì)量。

2.2 智能化水處理系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 PLC

PLC 為可編程邏輯控制器，是控制系統(tǒng)嵌入式開發(fā)的重要技術(shù)，通過模塊化設(shè)計將模糊控制算法、專家經(jīng)驗知識、推理機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等嵌入到控制系統(tǒng)中，根據(jù)信號采集系統(tǒng)實時在線收集的水質(zhì)參數(shù)、水泵工作參數(shù)等，優(yōu)化控制系統(tǒng)的控制策略，智能化調(diào)動設(shè)備工藝系統(tǒng)運行。相較于布線控制邏輯，PLC 可擴展性更優(yōu)，穩(wěn)定性與可靠性良好，因可編程性可對控制邏輯進行靈活調(diào)整，滿足日益復(fù)雜的水處理設(shè)備工藝系統(tǒng)控制需要[4]。

2.2.2 變頻器

變頻器高度集成微電子技術(shù)、計算機技術(shù)，是智能化水處理系統(tǒng)中保護系統(tǒng)的重要技術(shù)。作為反滲透設(shè)備的水泵開啟設(shè)備，變頻器可根據(jù)工作人員在人機交互系統(tǒng)中設(shè)置的指令調(diào)節(jié)與控制設(shè)備工藝系統(tǒng)的運行狀態(tài)與工作參數(shù)，如膜的壓力提升速率，配合控制系統(tǒng)的控制指令優(yōu)化智能化水處理過程。

2.2.3 人工智能技術(shù)

人工智能技術(shù)是在信號采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，依托各類智能化算法如模糊控制算法、專家推理機、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等對實時采集的水質(zhì)、流量、流速、溫度等數(shù)據(jù)進行智能化分析與推演，綜合處理成效、處理成本等給出更加適宜的水處理工藝控制策略，自動調(diào)節(jié)與控制設(shè)備工藝系統(tǒng)中各類設(shè)備裝置的運行參數(shù)，如回流比、曝氣量、投加劑量等，以更低的處理能耗與處理成本提高出水質(zhì)量。

3 智能化水處理過程中自動化控制策略

3.1 在線監(jiān)測

在線監(jiān)測是智能化水處理系統(tǒng)的信息采集模塊，通過在智能化水處理系統(tǒng)的各類凈水設(shè)備裝置、進水口、出水口等部位布設(shè)傳感器或監(jiān)測儀器，實現(xiàn)對進出水口水質(zhì)參數(shù)如溫度、流量、溶解氧、總磷、氨氮、pH 值以及各類凈水設(shè)備裝置運行狀態(tài)如開啟、關(guān)閉、曝氣量、回流比、投加劑量等的實時在線監(jiān)測，為控制策略優(yōu)化與智能決策、智能化水處理系統(tǒng)優(yōu)化管理提供數(shù)據(jù)支持。

3.2 智能控制與優(yōu)化

智能控制與優(yōu)化是在信號采集系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，對實時在線采集的進出口水質(zhì)數(shù)據(jù)、凈水裝置運行狀態(tài)數(shù)據(jù)等進行分析，利用遺傳算法、模糊控制系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、專家推理機等對不同場景（設(shè)備工藝系統(tǒng)工作狀態(tài)）下污水處理情況進行模擬、分析、評價、優(yōu)化，優(yōu)選最佳的污水處理方案以及設(shè)備工藝系統(tǒng)中各設(shè)備裝置的最優(yōu)工作組合作為智能決策結(jié)果，基于此結(jié)果控制污水處理系統(tǒng)各設(shè)備裝置執(zhí)行操作指令，提高出水質(zhì)量達標率，降低水處理能源消耗與處理成本。

1）模糊控制系統(tǒng)

模糊控制系統(tǒng)是當(dāng)前智能化水處理系統(tǒng)中常見的智能控制優(yōu)化方法，其本質(zhì)是以模糊數(shù)學(xué)、模糊語言形式的知識表示和模糊邏輯的規(guī)則推理為理論基礎(chǔ)，采用計算機控制技術(shù)構(gòu)成的一種具有反饋通道的閉環(huán)結(jié)構(gòu)的數(shù)字控制系統(tǒng)。將模糊控制系統(tǒng)應(yīng)用于智能化水處理自動控制策略優(yōu)化中，利用模糊算法模擬水處理系統(tǒng)各變量之間的復(fù)雜線性關(guān)系，構(gòu)建系統(tǒng)變量與水處理結(jié)果的模糊關(guān)系模型，基于模糊關(guān)系模型分析不同水處理工藝方案下的水處理結(jié)果，經(jīng)反復(fù)模擬與推演給出最優(yōu)水處理控制方案，使得水處理結(jié)果（水處理成本、水處理質(zhì)量等）達到最優(yōu)狀態(tài)[6]。例如，對于污水處理廠中常用的生物電極法，可應(yīng)用模糊控制系統(tǒng)對此工藝進行自動化控制測量優(yōu)化改進，將生物電極法中的藥劑投放量等作為處理工藝的可控變量，將污水脫氮指標等作為表達水處理質(zhì)量的變量，根據(jù)可控變量與結(jié)果變量的非模糊化處理結(jié)果構(gòu)建模糊控制規(guī)則，以此規(guī)則分析并推演出自可控變量至結(jié)果變量的計算公式，分析不同藥劑投放量下的污水脫氮指標變化情況，得到最優(yōu)結(jié)果變量下的藥劑投放量數(shù)據(jù)，保證在脫氮指標達標前提下盡可能減少藥劑投放量，降低生物電極法處理污水的成本。

2）專業(yè)系統(tǒng)控制

專業(yè)系統(tǒng)控制是一種依托專家經(jīng)驗知識進行過程推理與智能決策的系統(tǒng)，其將行業(yè)領(lǐng)域?qū)＜业慕?jīng)驗知識進行結(jié)構(gòu)化與規(guī)則化處理與轉(zhuǎn)換，構(gòu)建智能化水處理自動控制策略優(yōu)化推理機。將信號采集系統(tǒng)在線采集的進出口水質(zhì)數(shù)據(jù)、凈水裝置運行狀態(tài)數(shù)據(jù)等輸入到推理機中，利用推理機中的專家知識與思考決策模式推演出最佳的水處理工藝方案[7]。專業(yè)控制系統(tǒng)高度集成專家經(jīng)驗知識，同時深度學(xué)習(xí)以往的污水處理工藝方案，提煉有價值的污水處理控制策略信息，提高推理機推理的合理性與科學(xué)性。通過將專家知識與實際案例映射為專家推理機中結(jié)構(gòu)化的知識規(guī)則，可以切實提高推理機的智能化水平，有效解決傳統(tǒng)污水處理中存在的專家經(jīng)驗與歷史做法缺失的問題。

3）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型控制

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型控制是在水處理控制系統(tǒng)中嵌入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對復(fù)雜非線性問題強大的處理與分析能力推演得到特定水質(zhì)條件與設(shè)備工藝系統(tǒng)工況下的最優(yōu)水處理工藝方案。當(dāng)前，智能化水處理系統(tǒng)中常見的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型包括卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、遺傳算法、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型等，上述算法通過對大量歷史數(shù)據(jù)的學(xué)習(xí)與挖掘，提煉出水質(zhì)數(shù)據(jù)、工況數(shù)據(jù)與污水處理結(jié)果數(shù)據(jù)之間的關(guān)系，并基于訓(xùn)練模型實現(xiàn)污水處理工藝最優(yōu)方案輸出。例如，某智能化水處理系統(tǒng)采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型作為控制優(yōu)化系統(tǒng)，將信號采集系統(tǒng)在線采集的污水溶解氧、混合液懸浮固體濃度、氨氮、有機磷等數(shù)據(jù)作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練樣本，利用訓(xùn)練樣本集模擬不同設(shè)備工藝系統(tǒng)工藝工況下的污水處理結(jié)果（出水口水質(zhì)、曝氣量大小等），待卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練收斂后，構(gòu)建用于反演水質(zhì)參數(shù)、工況數(shù)據(jù)與出水口處理結(jié)果數(shù)據(jù)之間關(guān)系的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，精準擬合不同工藝組合場景下的出水水質(zhì)情況，為設(shè)備工藝系統(tǒng)控制優(yōu)化提供決策支持[8]。

4）厭氧系統(tǒng)控制

厭氧系統(tǒng)控制需要掌握厭氧消化池的基本情況，對系統(tǒng)中污水含量(主要包括有機碳和揮發(fā)性濃酸度物質(zhì)等)采用軟測量方式進行正確的測量，對產(chǎn)生堿度的事物和總堿度事物間的總比例進行協(xié)調(diào)，并控制好該系統(tǒng)內(nèi)部有機負荷的波動，進而確保智能控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，成立專業(yè)生產(chǎn)操作系統(tǒng)，建立相應(yīng)的模糊邏輯診斷控制模型，準確估算污水厭氧發(fā)酵狀況，從而確保整個智能化系統(tǒng)的有效控制[9]。

4 結(jié)語

傳統(tǒng)的控制技術(shù)將模型控制作為基礎(chǔ)，通過建立已知模型、利用辨識得到污水處理控制策略。但是，污水處理系統(tǒng)是一個非常不穩(wěn)定性、實時變化、非線性的動態(tài)系統(tǒng)，僅僅利用傳統(tǒng)控制技術(shù)難以達到低能耗、高效能處理的目標。智能控制技術(shù)的應(yīng)用，可以帶來人工成本降低、運營水平的改善、節(jié)能降耗、提高能源自給率，全方位提高污水處理廠的運營管理效率。此外在全球能源危機、氣候變化和資源緊缺背景下，發(fā)展低能耗、低物耗，在穩(wěn)定達標前提下能源化、資源化、精細化的管理及控制的污水處理新模式，將已有技術(shù)和各種新技術(shù)，包括智能控制技術(shù)不斷融入污水處理工程中，未來污水處理的發(fā)展方向。