张宇龙++霍利++徐志成
摘 要：本文以某城市污水处理厂为例，介绍了智能水务管理系统建设的目标、工作范围及内容、智能优化方法及手段、系统架构及功能等。智能水务管理系统可以分为基础数据库、智能操作运行系统、专家诊断系统、智能仿真培训系统、公共管理系统等几个部分。建设智能水务，将极大提高水厂的运营管理水平，经济、高效地发挥好污水厂环境治理主力军的作用。
关键词：污水厂 智能水务 管理系统
中图分类号：X70 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）11（a）-0144-03
随着国家《水污染防治行动计划》的实施，河、湖等水环境治理与保护越来越受到人们的重视。我国污水处理厂日益增多，且分布广，传统的监管方式已无法满足现在的发展，效益提高的同时运营成本也节节攀升。如何高效地监管好各厂站，这就给水务集团管理水平提出了更高的要求[1]。
借鉴“智慧地球”的理念，在“智慧城市”的引领下，国内外相继开展了“智慧水务”的建设实践[2]。通过传感器技术、网络和移动系统与水务信息系统的结合，构建成全方位的智能水务管理系统[3]。这将极大地提高污水处理厂的运营管理水平，经济、高效地发挥好污水厂在水环境治理中的主力军作用。下面以某水务集团的一个城市污水处理厂为例，介绍智能水务管理系统建设方案。
1 污水处理厂概况
华北地区某城市污水处理厂，当前处理规模约为5万吨/天，分两个序列并联运行，远期规划处理能力为7万吨/天，增加一个序列。采用“多点进水、多点回流A2/O底曝氧化沟+三级处理+辅助化学除磷”工艺，执行国家一级A排放标准，出水指标良好。污水厂主要的处理及辅助单元包括：粗格栅、进水泵房、细格栅、旋流沉砂池、氧化沟生化反应池、二沉池、调节池及中水提升泵、高效澄清池、变孔隙滤池、以及鼓风机房、污泥泵房、污泥脱水机房、加药间等。
2 智能水务建设目标
进行智能水务建设，首先要保证运行安全、出水水质达标，这是建设智能水厂的前提。在此基础上，对污水处理系统进行全面检视、改进、优化，提高污水厂运行的自动化、信息化、智能化水平，减少污水厂的能耗、药耗，降低运维人工成本，提升污水厂的经济、环境、社会效益，这是智能水务建设的目标。提高污水厂运行的自动化水平，可以减少人工操作，既降低了工人的劳动强度，又减少了误操作，同时，提高了工作效率、降低了人工成本。实现管理的信息化，进行设备、系统的远端监视、操作，污水厂与集团总部之间通过互联网进行连接，各类数据、报表、管理信息等远程互传，极大提高了管理效率。污水厂运行智能化，就是要尽可能减少人对污水处理系统运行的干预，根据进水水量、进水水质等信息，智能水务管理系统制定出最优的运行策略、控制方式等，指导甚至自动控制污水处理工艺的运行，使出水水质达标、运维成本最低。
3 工作范围及内容
对污水处理厂进行智能优化，可以从设备、处理单元、全厂系统三个层面开展工作。
3.1 设备层
全面清点污水厂各类设备，包括风机、水泵、阀门等，编制设备清册。对设备情况进行排查，一是看设备操作模式，是自动操作还是手动操作，是频繁操作、偶尔操作，还是整定后基本不需变动；二是看设备运行情况，与原设计性能是否相符，是否有优化空间；三是看设备在污水处理系统运行中发挥的作用，是主工艺关键设备，还是辅助设备、对全厂能耗及药耗影响如何、对智能管理系统建设有哪些影响，等等。据此，可以将设备分成两类，一类是主工艺关键设备、操作较频繁、对污水厂能源及药耗影响较大、关系到污水厂智能化运行的，另一类是对智能水务管理系统建设影响较小的设备。前一类设备列入智能水务建设清单，首先要实现设备运行的自动化，状态参数自动采集、传输，设备远端自动控制。然后看设备性能是否能进一步提升，在计算机内建立设备性能曲线。后一类设备，可以综合考虑投入产出效益等多方面因素，决定是否进行自动化、智能化改造。
例如该城市污水处理厂，当前采用3台多级离心变频调速鼓风机，2用1备。3台风机各项参数完全一致，能够同时并联运行或各自独立运行，可以自动切换。通过母管向两个并联处理序列供气。两个生化池供气干管上分别设置气动蝶阀，进行气量调节。鼓风机是主工艺上的关键设备，耗能在整个污水厂的占比非常大，直接影响智能水务建设，所以列入清单。该鼓风机已经能够自动运行，主要看其当前性能是否与出厂设计一致。另外，为了避免喘震停機，实际运行操作中变频调节范围很小，在水量较低时往往造成了过度曝气，能源浪费。因此，对鼓风机进行性能试验，确定其性能曲线及变频调节范围等，建模输入计算机。
3.2 单元层
逐一检视各处理单元，一是看其运行工况能否通过远程自动控制进行调整；二是看确定其运行工况的外部输入条件参数、描述其运行状态的内部参数等是否能够自动采集、传输；三是寻找该单元在不同外部输入条件下，达到一定处理要求的最优运行工况。建立单元数学模型、控制逻辑等；根据外部输入条件参数等，确定处理单元最优运行工况，通过远程控制调整单元的实时运行工况；收集描述单元运行状态的内部参数，分析其实际运行状态；根据外部参数、内部参数及其变化情况，不断调整单元运行工况至最优；使处理单元能够根据外部条件尽可能实现自动运行，处理效果达标，并且能耗、药耗最低。
例如，该城市污水处理厂的氧化沟生化反应池，为多点进水、多点活性污泥回流、底曝式、A2/O工艺，各点进水量、各点活性污泥回流量可以单独自动调节，但曝气量只能通过干管上设置的气动蝶阀进行总量调节，无法进行分区段调节。为了提高曝气的可调性、精确性、智能性，在供气支管上增设自动调节阀门，单独控制各段曝气量的大小。此外，在生化池的不同区段增设在线溶解氧测定仪，及时采集缺氧、厌氧、好氧各区及关键位置更小分段内溶解氧浓度数据，以更好地了解生化池的运行状态。确定控制逻辑、建立数学模型。如可以根据各点溶解氧浓度数据，调整曝气总量及分段曝气量，进行智能曝气。根据进水水量、进水水质、出水水质等外部条件，以及活性污泥浓度、活性污泥负荷、水力停留时间等内部参数，优化各点进水量、各点污泥回流量等。控制逻辑、数学模型可以有多种模式，经过计算后进行优选，以便确定生化池的最优运行工况，实现其最大程度自动控制运行。endprint
3.3 全厂系统
设备层主要工作是提高设备操作的自动化水平，充分发挥出设备性能。单元层，如泵房、生化反应池、二沉池、澄清池、滤池、加药间等，按单元逐一进行优化，在不同水质、水量情况下，寻找其最优运行工况，提高处理效率，降低运行能耗、药耗等，并尽可能实现单元的自动化、智能化运行。各单元分别最优，组合起来以后不一定必然带来整体最优。对于全厂，则要把组合后的各个单元视为一个有机整体，寻找系统的最优。例如，生化反应池和二沉池的相互配合、高效澄清池和变孔隙滤池的配合、二级处理和三级处理的配合、有机物去除和氮磷去除、生物除磷和化学辅助除磷，等等。在全厂层面寻找最优运行模式。
4 智能优化方法及手段
在进行智能水务管理系统建设之前，污水厂的运行优化主要靠人工经验进行。按照进水情况，根据各处理单元、设备的设计运行参数范围，参照当前其实际运行状态，工程师依靠理论知识及实际经验，设定、调整各设备、单元的运行工况，以达到出水水质要求。这种模式有其自身优点，但优化效果往往受限于工程师的个人能力、水平，并且其经验不容易传承，调整的及时性往往不尽如人意。例如，为了达到较好的处理效果并节约能源，希望好氧区溶解氧浓度稳定在一个较低的数值，并据此设定了鼓风机转速和供气管路调节阀门的开度等，但在实际运行中，溶解氧浓度波动较大，有时甚至可以达到希望值的两三倍。建设智能水务，就是要利用计算机的辅助作用，充分发挥人工经验的同时尽可能克服其缺点。
进行智能优化，对于处理设备、单元，拟合其性能曲线、建立其数学模型、确定其控制逻辑等，可以采用很多方法。一种是公式法，即可以依据理论公式、设计公式等。另一种是大数据分析法，对于已经运行一段时间，保存有较多运行数据的污水处理厂比较适用。利用统计学方法，进行数据相关性分析，对多重影响因素降维确定主成分，建立相关性方程、曲线等。此外，智能水务系统要具有自学习功能，通过运行经验的积累不断提高自身的优化水平。还有就是要充分发挥人工经验的作用，将人的经验充分融入到智能水务系统中。每个设备、单元、污水厂的情况不同，可以根据实际情况采用不同的方法。
5 智能水务管理系统架构及功能
除了基础数据库以外，智能水务管理系统又可以分为若干个子系统，以实现不同方面的应用，如智能操作运行系统、专家诊断系统、智能仿真培训系统、公共管理系统等。
5.1 基础数据库
为了便于数据的存储、管理、使用，应建立统一的公共数据库，为其他应用提供基础数据。这个数据库可以包含各类数据，如污水厂每日运行数据，如进水水量、进水水质、出水水量、出水水质、活性污泥浓度、外排污泥量、各种药耗、能耗等；运行过程中设备、单元的状态参数，压力、阻力、开度、水位、流量、风量、溶解氧、转速、功率等；各类设备、单元的性能参数、数学模型，设备的铭牌参数、处理构筑物的尺寸参数、性能曲线、智能优化中建立的各类数学模型等；还有就是各类管理数据，包括各种经过二次计算生成的数据、各类统计分析数据、污水厂日常管理相关的一些数据等。
5.2 智能操作运行系统
如前所述，智能操作运行系统的主要功能就是根据外部条件的变化，智能预报、自动控制、调整、优化污水厂的运行状态，达到安全运行、出水达标、经济高效的目的。每个污水处理厂，根据其自身的实际情况以及智能控制相关技术的发展水平，其所能达到的智能操控程度也会有所不同。随着智能水务的不断发展，污水处理厂的智能化程度会不断提高。
5.3 专家诊断系统
污水处理厂日常运行过程中会出现一些问题，如出水悬浮物浓度超标、污泥上浮、污泥膨胀、泡沫问题等。可以将这些问题的解决方法集成到智能水务管理系统中。另外，工程师的人工经验也可以放入专家系统，以便查阅、使用。随着系统的运行，不断累积经验，又可以据此不断完善专家诊断系统，逐渐发展智能诊断、智能处置功能，提高系统处理各类问题的能力。
5.4 智能仿真培训系统
一般情况下，污水處理厂运行工程师培训需要在现场进行，费用较高，而且由于正在运行的工艺不可能随意调整工况，很难进行全面培训，特别是不常见工况、突发状况等。智能操作运行系统已经对全厂处理工艺进行了数学建模，在此基础上可以建立污水厂的智能仿真系统。通过该系统，可以很方便地开展日常状态、应急状态等各种培训。而且，还可以将污水厂运行历史记录、专家知识等整合进智能仿真培训系统，使其具有更全面的培训功能。
5.5 公共管理系统
污水处理厂内部有很多日常管理工作，如药品库存、运行排班、人员调度、巡查检修、各种报表、总结等。对于一个水务集团，污水厂和总部之间有很多数据、信息需要传递。此外，污水厂还有外部客户、公共关系需要维护，如中水用户、政府等。因此，可以建立一个公共管理系统，提高效率。
6 结语
当前，人工智能兴起，计算机程序已经战胜了人类最好的围棋手，自动驾驶汽车技术日趋成熟，等等。伴随着技术的进步，将其引入水处理行业，进行智能水务建设，将极大提高水厂运行的自动化、信息化、智能化水平，使水厂的运营管理能力提升到一个新的高度，使其能够更加经济、高效地发挥好环境效益，为社会发展做出更大贡献。
参考文献
[1]王军.智慧水务在污水处理中的设计与应用[J].科技创新导报，2015（30）：166-167.
[2]田雨，蒋云钟，杨明祥.智慧水务建设的基础及发展战略研究[J].中国水利，2014（20）：14-17.
[3]张世滨.智慧水务构想[J].城镇供水，2014（4）：56-60.endprint
