关键词:
模型预测控制
PID控制
软测量实时监测技术
脱氮除磷
污水处理过程控制
摘要:
污水处理厂作为重要的城市基础设施,在城市水环境改善和公共卫生安全方面发挥着不可替代的作用。污水处理厂常面临原水碳源不足的问题,这将影响反硝化脱氮效率,实际运行中通常采用投加外碳源有机物的方式提高生物脱氮效果。目前,我国城镇污水处理厂生物脱氮工艺中碳源投加控制系统自动化程度低,无法根据运行过程中的脱氮要求动态调整投药量,造成外碳源实时需求量与投加量不符的情况时常发生。这不仅会造成污水处理厂运行成本的升高,甚至可能会因为碳源的过量投加影响后续的硝化反应进行。
在线监测仪表对于污水处理厂正常运行至关重要:一方面,在线监测仪表可以实时监测影响污水处理的各种因素,指导工程师有针对性的及时调整各工艺参数;另一方面,运行中的在线监测仪表会产生大量的监测数据,这些数据为污水处理厂自动化运行创造了前提。由于恶劣的运行环境影响,在线监测仪表出现故障的情况时有发生,这就造成所收集的监测数据可靠性难以保证。同时,由于技术、资金等方面的影响,一些水质指标尚无法做到实时监测。
在此背景下,本研究通过小试试验构建了三种污水处理厂软测量实时监测模型,设计了两种不同的碳源投加控制策略,整定出用于比例积分微分(PID,Proportion Integration Differentiation)控制的各类系数,通过小试试验确定模型预测控制(MPC,Model Predictive Control)的各参数,将建立的两套碳源自动投加控制系统用于生产性试验。主要研究结果如下:
(1)针对污水处理厂进水各水质指标之间相关性不明确的问题,本研究利用R studio软件对ISCO 24h取样器收集的进水数据进行相关性分析,进一步揭示原水中各指标之间的相关性。分析结果表明:溶解性化学需氧量(SCOD,soluble chemical oxygen demand)与氨氮、磷酸盐、SS、电导率和pH值之间有较高的正相关性,其中SCOD与SS的相关性最高(r=0.81),可在相关性较高的SS、氨氮、磷酸盐三个水质指标间选择较容易实现测量的SS指标作为模型输入;氨氮与SCOD、SS、电导率、磷酸盐成较强正相关性,与SS呈现最强相关性(r=0.62);磷酸盐与其他各类水质指标均呈现较强正相关性,与SCOD相关性最高(r=0.53)。以上结果表明,不同进水指标之间相关性明显不同,通过相关性分析明确各进水指标间具体相关性,为后续构建软测量实时监测模型提供科学依据。
(2)针对污水处理厂某些进水指标不能实现实时监测的问题,本研究利用Unscrambler软件对前期收集到的水样数据进行多元线性回归分析,构建软测量实时监测模型。模型结果表明:进水SCOD多元线性回归模型调整后的R2为0.74,RMSE小于20;进水磷酸盐多元线性回归模型调整后的R2为0.69;进水C/N多元线性回归模型调整后的R2为0.81。虽然采用多元线性回归方法构建的软测量实时监测模型R2均不高,但对于应用在自动控制系统中的软测量实时监测模型而言,采用线性方法构建比采用非线性方法构建具有更好的可解释性和可靠性。该试验中的RMSE可以代表测量值与预测值之间的误差,经过计算三种软测量实时监测模型的测量误差均不超过15%,比对在线监测仪表运行规范来看,三种软测量实时监测模型的误差均在可接受的范围内。以上结果表明,选择多元线性回归方法构建软测量实时监测模型解决某些进水指标不能实时在线监测的问题这一方法是可行的。对在线监测仪表与软测量实时监测模型进行组合,解决污水处理厂现存监控缺陷的同时为污水处理厂自动化升级改造创造条件。
(3)针对污水处理厂碳源投加控制系统自动化程度低,无法根据运行过程中的实时脱氮要求动态调整投药量的问题。将前期设计好的两套碳源投加控制系统进行生产性试验,试验结果表明:A、B生物池吨水药耗量均明显下降,碳源投加量月平均降幅为17.08%,综合吨水药耗为0.079 L SAS/m3,综合吨水药耗相比系统运行前同期降低28.2%,平均每月为污水处理厂节省约10.8万的药剂成本;系统运行后生物池月均总氮去除量为93.08 t,相比于运行前同期高出约28.25%,B生物池吨水药耗相比A生物池吨水药耗减少约14.12%;系统运行后去除每吨总氮所需的乙酸钠量远低于运行前,月均降幅约为48.77%,对外碳源精准投加而降低的药耗并不是以牺牲生物池总氮去除量为代价,证明了以往按照人工经验投加会产生药剂浪费的问题,也证明了精准投加外碳源是可以提升碳源的利用效率;运行期间生物池出水硝氮浓度稳定在8 mg/L附近,总氮去除率为81.08%;系统运行前后出水硝氮平均降低约4 mg/L左右,展示了碳源投加控制系统具备可降低出水污染物浓度的潜力。以上结果表明,两套控制系统均可实现自动投加外碳源的目标,克服人工控制碳源投加存在的过量加