污水处理厂运行维护与管理控制模式：模型模拟

时间：2018-03-01 来源：净水技术 作者：曹徐齐 阮辰旼

随着管理水平的不断提升，我国大型城市污水处理厂的管理正有向信息化、智能化发展的趋势，因此对于各类模型工具日将益依赖。成熟的模型工具不仅可以准确模拟污水厂进出水水质的变化规律，为污水厂的提标改造及工艺优化提供依据，还能提升污水厂日常运行的管理水平，为实现提效降耗助力。本期栏目精选若干个国外成功运用的模型进行简述，共同行参考。

随着城市化进程的加快，新建工业区、住宅区等不断地涌现和扩张，配套的污水处理厂也面临着不断增长的污水处理需求：越来越大的处理水量、越来越复杂的处理水质以及越来越严苛的排放标准。为此，一方面对于现有的处理设备设施，需要不断进行参数调整和工艺优化，在提高处理效率的同时努力将能耗最小化;另一方面，在掌握现有实际运行数据的基础上，需要进行合理的设计和规划，引入新的技术手段，对污水处理厂进行适时的扩建和工艺改造;另外，对于日常的人员管理、设备维护等方面的经营理念，也要不断进行更新和完善，在维持出水水质稳定达标的前提下，始终将“提效降耗”作为发展的目标。这其中，模型模拟作为一种辅助手段，在数据分析、效果评估、水质预测等方面具有不可替代的重要作用。本文在文献调研的基础上，整理汇编了目前较为前沿的模型模拟及其在污水处理厂中的应用，包括用于补足进水缺失数据、性能评估、能耗估算及进水水质预测等各方面的模型，以期为行业相关人员提供参考。

1 用于生成污水处理厂进水缺失数据的黑箱模型

污水处理厂得到的数据集合大致可分为两类：一类是自动测得的数据，如流量计测得的流量数据等，它们大部分为定量数据，通常具有很高的记录频率，转化为不同的时间尺度进行处理;另一类是通过分析得到的数据，如进出水的水质参数等，大部分为定性数据，一般由24 h内的随机样或者混合样决定，时间分辨率(time resolution)较低。后者是进出水水质情况分析以及工艺控制优化的基础资料。这些数据不仅可作为污水处理厂扩建设计和整体布局的参考依据，也可用于构建污水处理厂模型，进行动态长期模拟来预测和验证多年海量数据的合理性与准确性。但是，对水质的模拟分析通常需要连续的进出水水质定性数据作为支持，这与一些污水厂常规的低频数据监测模式相悖，尤其是对于一些小型污水处理厂。为此需要采取一些合理的方法，替换和补充一部分遗漏的监测值来提高数据的时间分辨率。

针对现有的一座常规定性数据密度较低、存在定性数据丢失的污水处理厂，Ahnert等基于威布尔分布(Weibull distribution)，根据时间分辨率较高的定量数据(流量)，采用一种简单而直接的方法来生成连续的进水水质数据值。该方法所需若干年内的原始数据包括：(a)进水流量的日均值(最好为合流制排水系统，分流制的进水流量范围较小);(b)24 h混合样的有效COD值;(c)24 h混合样的有效总氮值(Ntot)和有效总磷值(Ptot);(d)研究水域内Ntot/COD和Ptot/COD的实际比值，一般可通过文献调研得到。方法步骤如下：

(1)对于不同的进水流量，根据有效COD浓度值，计算威布尔分布的形式(shape)和规模(scale)参数：(a)根据流量范围，将原始数据归成若干组;(b)计算每一组数据的威布尔分布特征参数;(c)生成威布尔分布的形式指数方程和规模指数方程。

(2)基于进水流量，根据威布尔分布的特征参数随机生成COD浓度：(a)：计算某一给定进水流量的威布尔特征参数;(b)根据特征参数生成一个符合威布尔分布的随机数字，作为随机生成COD数据的一部分;

(3)根据得到的Ntot/COD和Ptot/COD实际比值，计算缺失的Ntot和Ptot值;或者根据现有的Ntot/COD和Ptot/COD比值分布，分别生成符合正态分布的随机Ntot和Ptot值。

得到的随机数值具有和测得的实际数据值一样的特征和变化规律，可用于需要使用到连续进水水质数据的工艺模型构建，从而进行工艺优化、能耗分析(结合能量模型)、以及控制策略的改进或者总体处理能力的分析。

2 用于对污水处理厂绩效进行评估的PDCA模型

维持污水处理厂高质量的运行和服务，需要对技术工艺、环境影响以及经济效益等多方面的性能表现进行持续评估。为此，国际水协基准和绩效评估专家组(specialist group of Benchmarking and Performance Assessment of the International Water Association)提出了一种基准化评价法来评估污水厂的绩效，依照“计划-执行-核对-改进(Plan-Do-Check-Act，PDCA)”的循环例程(如图1所示)，通过系统搜索和关键因素改进来提升污水厂的性能。

图1 适于污水处理厂基准化的PDCA模型

在此基础上，葡萄牙国家市政工程实验室(Portuguese National Civil Engineering Laboratory)开发了一套基于绩效指标(performance indicators，PIs)和绩效指数(performance indices，PXs)的绩效评估体系(PAS)，应用于葡萄牙17座污水处理厂的基准化评价和工作性能改进。

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