基于网络技术的过程控制在污水处理中的应用和发展
北京安恒测试技术有限公司 （北京，100048）
庞洪涛 谢峰 万众华
关键词：ICA技术 过程控制 网络技术
1、引言
随着我国经济的高速发展和人民生活水平的提高，环境负荷日益加重，水环境污染的形势十分严峻。为了控制水环境污染，实现污水资源化，我国的城镇污水处理厂建设正以前所未有的速度发展。截至2009年 10月，已建设污水处理厂数量达到1817座，总处理能力为9958万m3/d，目前在建的污水处理厂还有1986座，设计规模达5530万m3/d。我国已建和在建污水处理项目的总处理能力将接近1.6亿m3/d，这与美国整个国家的污水处理能力相当。与发达国家相比，我国在污水处理的基本理论、工艺流程和工程设计等方面并不明显落后，但在运行管理和自动控制方面却存在着较大差距。国际水质协会（IAWQ）在七十年代提出了ICA技术的概念，即水处理的仪器化（Instrumentation）、控制化（Control）和自动化（Automation），ICA的技术核心是检测仪器、数学模型和过程控制系统。ICA的概念从提出到现在已有四十多年，实践证明，应用ICA技术的污水处理工程设施比单纯由人工操作的系统具有很大优势。这种优势体现在系统反应更为快捷，操作更为精确，可以有效地节省能源和药剂，减轻冲击负荷对处理系统的危害，提高系统运行的稳定性。通过对污水处理工艺进行过程控制，优化污水厂的运行管理，降低运营成本，将为我国的水污染控制带来巨大的环境效益和经济效益。
2、污水处理中过程控制的目的
污水生物处理的过程十分复杂，污染物质的多样性和水质水量的多变性导致了生物处理过程中许多因素的模糊与不确定性，污水生物处理系统中微生物的巨大缓冲能力导致了废水生物处理系统成为多因素、大滞后的复杂体系。污水处理厂的设计基本上是按照稳态运行考虑的，一般对于非稳态现象的影响是通过适当增加反应器的容积来解决的，对于单纯去除有机碳的活性污泥系统，这种方法可以解决部分问题，但是对于具有硝化、脱氮和除磷功能的系统效果就很差。因此，利用过程控制解决好非稳态问题不仅可以保证污水处理厂的正常运行，还能为节能降耗创造条件。对城市污水处理厂进行过程控制有以下目的：①协调稳态设计与动态运行的矛盾；②预测水质水量变化对系统的影响；③提高单位反应器的处理能力；④保证出水水质；⑤降低运行成本。
为了满足逐渐严格的污水排放标准，过程控制技术在新建、改扩建污水厂的应用方面具有显著优势。如果污水厂的进水量增加，应用过程控制技术可能无需扩建即能满足出水水质要求，从而大大节约系统的基建费用和运行费用。当前普遍认为仪表是污水厂实施过程控制的最薄弱环节，随着科学技术的发展，在线仪表的性能和可靠性大大提高，可以直接应用在许多控制程序中。此外，应用过程控制技术可以降低污水厂设计的安全系数，提高污水厂的运行效率和控制灵活性。
3、过程控制在国内外污水处理中的应用
目前，我国的中小型污水处理厂由于资金、技术等原因，只配置了最基本的监测仪器，其中大部分是国产的离线仪表，由于这些仪表的准确性差且非连续性监测，故设备运行状态的调整滞后，常常导致出水水质不稳定。一些大型污水处理厂为了实现自动化控制、保证出水水质达标，在关键点位配置先进的在线监测仪器，采用集中与现场分级的自动控制系统，使系统能够连续、稳定地运行，并能保证出水水质达标。但上述运行未考虑系统的控制优化和节能降耗，仅仅保证了连续运行这一最基本要求，对出水水质的达标是基于足够大的反应器或较高的曝气量，这就造成国内污水处理厂运行和管理费用的浪费，并且大部分已建污水处理厂仍处于人工操作状态，至今未考虑其过程控制和运行优化。污水处理厂先进仪表和设备的大量应用对控制系统的稳定性和可靠性提出了越来越高的要求，我国传统的人工手动操作已远远不能获得良好的控制效果。
在欧洲，人口当量大于1万人的污水处理厂必须配置SCADA（监控和数据获取）系统，但也仅仅用于数据获取而不是控制优化。欧洲各国的污水厂基本都配备了传统的在线传感器，如温度计、水位计、流量计和DO测定仪，pH计、气量计和SS仪的应用也很普遍。丹麦、德国、荷兰、瑞典和瑞士应用高级在线传感器较多，常用的主要是营养物传感器，如氨氮和硝酸氮在线传感器。但这些价格昂贵和维护繁琐的在线传感器仅用于检测，并未充分应用到高级控制策略中，还没有真正发挥其功能。应用ICA技术的污水厂数量可以作为一个国家污水处理水平高低的标准，调查结果表明，当前普遍应用的控制策略是控制好氧区和不同类型的流量控制，基于污水处理厂所有单元的控制或综合性控制（包括污水管网）则很少见。前馈控制的应用也很有限，仅用于污水流量的控制（如控制污泥回流比恒定），表明实现污水厂的过程控制还有很长的路要走。
4、网络技术在污水处理中的应用前景
随着计算机和网络技术的飞速发展，污水处理中的许多问题可以借助网络得到更好地解决。在医疗中，出现了“专家远程诊断”，同样也可以用于污水处理厂的故障专家诊断中。王征等提出了建立基于Web浏览器/服务器(B/S)架构的城市污水厂决策支持中心，用户可以通过Web浏览器登录决策中心，决策支持中心为用户与专家、用户与用户、专家与专家之间创建一个信息交流和资源共享的平台，并为进一步科学研究奠定基础。通过技术交流，少数专家可以为多家污水厂进行决策分析指导和技术咨询，帮助污水厂技术人员分析和理解决策支持系统的运行结果；专家可以对多家使用决策支持网站进行决策分析的污水处理厂的运行数据和决策分析结果进行分析；专家之间可以进行交流，共同分析解决问题，实现群决策支持的思想。
污水处理厂的网络决策支持中心是一种新的理念，也是对ICA技术的延续和发展，为了实现实际应用还需要从以下三个方面进行开展工作：①信息收集与处理。管理信息系统是进行评价和决策的基础。目前，环境监测网络已经比较普及和完善，各地的环境监测数据能够得到申报、审计和交流。但是作为污水处理厂的运行与管理数据，还不能实现收集和处理，这对于提高污水处理厂的处理能力是不利的。②技术支持与咨询。建立污水处理厂运行技术支持网络，在信息收集和处理的基础上，专家能够通过分析各种软件提供的模拟和预测结果，结合经验知识，对污水处理厂的故障诊断和改善运行提供支持。③网络服务与开发。为了完善污水处理厂的技术支持服务，网络还需要提供大量的物流信息和技术信息，并且还必须提供很好地培训方式。
在污水处理行业中，北京安恒公司有十多年水质分析仪器的销售和技术维护经验，拥有一支技术过硬的专业技术队伍和高水平的研发队伍，自主开发了一种基于龙芯芯片及嵌入式Linux系统的远程监测系统，拥有自主知识产权。安恒公司的这套远程监测系统与现有的其他技术相比较，具有以下五大优势：①新型远程监测系统使用龙芯芯片，能耗降低。②新型远程监测系统使用了Linux操作系统，系统成本降低。③新型远程监测系统使用的虚拟专用网络(VPN)建立在互联网(Internet)上并以超文本传输协议(HTTP)相连接，使得数据传输能力得到提高。④新型远程监测系统使用互联网(Internet)传输，传输设备直接使用现有的互联网设备，系统成本降低。⑤新型远程监测系统各模块之间使用虚拟专用网络(VPN)相连接，使得数据传输的安全性提高。
安恒公司在开发远程监控系统的同时还积极与国内知名污水处理行业的专家合作，使用专业的污水处理仿真软件，为客户提供污水处理厂优化运行服务。服务通过生化单元的精确曝气控制系统减少曝气能耗；通过化学除磷智能控制系统节省药剂使用量；通过城市污水处理厂运行决策支持系统，集运行指导和报警、故障诊断和识别、过程模拟和预测以及培训等多种功能于一体，帮助和指导污水厂的日常运行控制。安恒公司正在广泛征询相关污水处理企业的的具体需求，和他们展开了积极的合作，将会有一批污水处理企业能够共同分享到安恒公司技术成果，为污水处理企业在减排绩效考评下优化运行提供可靠的技术支撑。
5、结语
基于现代网络技术的污水处理系统的ICA技术近年来发展很快，国外专家普遍认为监控和污水厂处理系统的综合性控制将是ICA技术在2010年以后的主要应用方向。对于先进的过程控制技术，最重要的是运行操作人员理解创新性的控制策略以后并在实际中得到广泛应用。大量小型污水处理厂安装远距离监测和控制系统后，不再需要运行人员，通过基于现代互联网遥测就可实现污水厂的控制，未来的城市污水处理厂还可以将进水的变化和运行参数实时地通过网络送到区域性污水处理厂运行技术支持网络的中心站，得到中心站的技术支持和监控。过程控制技术和网络化将成为城市污水处理厂未来发展的重点，并为中国的水污染控制带来巨大的环境效益和经济效益。