导 语
污水处理工艺自动化的范围很广，涉及了设备仪表和自动化的控制技术以及信息数据平台的构建三个主要内容，其中，智能传感及控制技术对于污水处理工艺的优化与完善起着十分重要的作用，是未来污水处理工艺的主要发展方向。
污水处理行业发展趋势
整体规划
污水处理行业发展趋势是从提高处理率到稳定达标，最后到实现自动化、节能降耗、能量回收的高层次目标。在行业当前的发展过程中，实现最终目标其中涉及到了一些新的处理工艺，应用较多的是好氧颗粒污泥和厌氧氨氧化的技术，但是这类技术距离真正商业化的运行和大规模的普及还需要很长时间。我国污水处理行业整体处于第一阶段到第二阶段，第三阶段相对较少。
这是我国污水处理的整体规划，第一，从“十三五”末到2020年，处理率要达到较高的标准，当达到这样的处理率后，继续提高处理率的难度较大。第二，近些年来新建的污水厂已经越来越少，特别是大型水务公司主要在进行提标改造，一个重要的前瞻性发展方向是实现无人值守，如果能够实现无人值守的话，就能对污水处理厂进行集中统一的管理、调度，是今后污水处理行业发展的趋势。
污水厂自动化
污水处理厂对工艺运行的控制的自动化发展分为三个阶段，第一阶段是手动控制阶段，第二阶段是自动控制阶段，第三阶段是无人值守阶段。
我国早期的污水厂多数早期采用手动控制，现在虽然有所改进，虽可以在一定程度上提高工作效率,但是实际的运行程序是将控制信号全部传到上位机操作系统上，在上位机上操作系统的控制界面上还仍需要人工进行开关与调节，与现场操控没有本质的区别。这样的控制过程有很多弊端，从实际值守角度考虑，半夜调试设备存在很大困难。
接下来到自动控制，目前国内如华北院、天津院、上海院等各大设计院普遍都开始对新建的污水处理厂设计了的自动化控制系统进行研究。自动化控制需要要求实现设备的自动运行以及构建数据信息平台，而不仅仅只是单个设备的自动化的简单运行。
智能传感器和工艺控制
智能传感器首先要求仪器的智能化，现在哈希公司和国外的一些仪表公司都在研究传感器智能化，仪器的智能化最根本的要求是实现对仪器状态信息的诊断，可以随时获取传感器状态提示和报警，实现掌上远程维护。
其次是工艺控制自动化，污水厂的自动控制由于要契合工艺，因此与常规的自动控制不同，现代仪表的发展趋势是与移动通讯结合起来，实现智能传感器与移动技术的集成应用，指的是通过移动技术安装APP，每一个仪表都有一个验证码或标识码，输入进去就可以接入这个仪表，仪表结构、状态信息都能够显示出来，同时还能实现对仪表的简单维护，比如当出现报警信息时，可以直接远程消掉就可以了，为仪器维护提供很大的便利。
自动控制还要求能够实现对仪表整体状态的识别，即能够实时查看仪器状态，在自动化的过程中过程分析仪表是非常关键的设备。由于现在的技术还不够发达，过程分析仪表的稳定性其实还远远不及常规过程的仪表，稳定性也相对较差，所以能够实现过程分析仪表的提示报警功能还是非常重要的。
最后是大数据的应用，每一次的实验室分析和在线的数据全部上传到云端，能够将信息完整保存下来，实现对大数据的应用。
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当前污水处理厂的运营现状
存在的主要问题
运营集成化管理程度较低，操作人员素质水平普遍不高，无法充分发挥现有设备的能力。单位运营成本与能耗较高，有效的自动化技术没有应用到生产过程中。粗放式运行管理，注重出水达标而忽视优化运行。
产生问题的原因
产生这些问题的主要原因在于：
行业发展时间短。国外是从1914年开始进行污水处理研究，而我国是80年代末才开始，人员素质、管理运营等问题很难在短时间内发展好。污水处理存在一定的波动和滞后，进水特别是水量存在一定的波动，滞后是指污水从进厂到出厂的仪表检测时间在十小时左右，不能做到实时反馈难以建立数学模型，变量参数越多，模型可实现性越差。不同的污水处理厂存在不同的问题，呈现模块化的状态。
解决方案
应该通过应用先进实时过程控制理念;采用标准化、集成化系统，无需现场编程;以在线仪表实时数据为依据调节输出，发展这些方法来解决这些问题。
污水处理行业自动化前景
污水处理自动化的特点
需要与工艺运行相结合，而非单纯的自动化。间接指标代替直接指标。如氨氮、总磷、总氮在处理过程中不可能一步就完成控制，特别是总氮不能直接来控制，在处理过程中要分两步，只能一边控制氨氮，一边控制硝化氮，将氨氮与硝化氮都控制在一定的浓度内，从而实现对总氮的控制过程。这些都包含了一些间接的指标。过程浓度代替进排口浓度。由于进排口浓度存在一定的滞后性，很难准确表达当前工艺段的浓度情况，因此需要以过程浓度作为代替。
污水处理过程自动化控制的价值
每一项技术都有价值，污水处理过程自动化控制的价值在于稳定的工艺运行、平稳的出水指标、自动化运行与无人值守、节能降耗，降低运行费用等等，这些条件是相互平衡的过程，协同发展实现自动化控制的价值。
污水处理面临的三大挑战及优化控制方案
化学除磷优化控制
污水处理核心挑战之一是化学除磷优化控制问题。我国大部分污水处理厂进行化学加药除磷优化控制的控制原理是采用反馈闭环控制，以过程磷酸盐浓度和处理水量为主要过程变量，以过程控制为主，并以最终排口总磷浓度为辅修正加药量。过去由于出水浓度要求不严格，比如出水总磷标准1.0mg/L，可无需设置排口浓度反馈控制，总磷调节可用的范围较大，但现在出水总磷标准为0.5mg/L，甚至更低，可调节可用的范围非常小，所以排口浓度的反馈显得尤为重要了，加药量与磷浓度和水量有关。
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除磷药剂的投加单元有两个，一是计量投加泵单元，另外一个是变频控制。自动化加药过程比较简单，主要应用加药泵进行加药。
这是北京某个污水处理厂的一个项目，只有一个过程控制，没有排口浓度的辅助修正。采用同步化学除磷，闭环反馈数学模型控制，药剂投加点位于四组反应池的曝气池末端出水渠，共一个投加点。PO4-P测量点位于二沉池进水配水井，距药剂投加点水力停留时间约5-10分钟，除磷药剂为聚合氯化铝(PAFC)。
从工程实际运行的角度出发，要考虑出水浓度达标，工艺运行稳定性，以及经济效益。介入运行前，出水TP有不达标现象，介入运行后，运行效果良好，达标率100%，投药量从平均每天417L/h(约12.5t/d)减少为300L/h(约9t/d)，每天节约药剂3.5t/d，节药比率达28%;每年节省药剂费用约57万元，化学除磷改造总投资回报年限小于2年。
曝气池的溶氧优化与除氮的优化
绝大部分污水厂内都应用鼓风机进行曝气。鼓风机成本贵，耗电量大多。当曝气池内DO过高时，会增加鼓风机能耗，且内内回流携带过多DO进入缺氧池，消耗额外碳源;当曝气池内DO过低时，出水氨氮浓度可能会升高，且生物反应池有可能出现污泥丝状膨胀，二沉池中也可能会出现反硝化浮泥和污泥丝状膨胀。因此，对曝气池进行溶氧优化控制是十分有必要重要的。
曝气池实际需要的溶氧浓度系统简单，可通过采用水质模型和实时反馈相结合的方法进行计算和溶氧优化，曝气池除了好氧吸磷外，主要去除COD和氨氮污染物，由于异养菌反应速度较快，一般对COD浓度不需要进行溶氧的优化控制，而是基于氨氮负荷计算和优化溶氧只需要控制氨氮。通过采用活性污泥1号模型，并只选取了进出口氨氮浓度、溶氧、污泥浓度、温度等几个主要参数，计算曝气池的实时需要的平均的溶氧值。通常认为，如果曝气池只装一个溶氧探头的话，应该在位于沿曝气池池厂水流方向二分之一到三分之二的地方进行安装，此位置大体上代表了曝气池的平均的溶氧浓度情况。
曝气池溶氧的控制分为三个阶段曝气优化主要通过三种方式：
恒定风量，根据出水水质进行调节，主要是氨氮。实时溶氧，基于进水氨氮负荷和出水氨氮浓度计算出曝气池实时需要的溶解氧。精准曝气，基于计算得到的实时设定需要溶氧，计算出的曝气量并自动调节以使曝气池的溶解氧维持在设定范围内。
整个曝气池溶氧的优化控制除了在线监测仪表，如溶氧、污泥浓度、氨氮外之外，还要进行优化的主要是氨氮度，氨氮控制的仪表组成结构及各自功能如下图。如果污水厂的运营管理水平非常高，可以采用探头式的仪表控制器，稳定性较高，它的维护标准要求较高。还涉及此外还有到鼓风机、自动阀门、空气流量计等是三个自动控制的主要设备。
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进行氨氮控制之后，由于还有反硝化过程，需要对硝化氮进行优化控制。
生物反硝化影响因素主要有碳源种类、碳源投加量、内回流量、回流液溶氧情况等。其中回流液和碳源影响较大，涉及到这两个维度的变量可以进行优化，原则上应以控制内回流量优先，以缺氧池和曝气池两端分别作为控制点，通过前置反硝化优先调节内回流量，如果进行回流优化后，硝氮还是难以达到设定值，则还需要再加入外部碳源作为补充。
以上示意图就是整个生物脱氮硝化与反硝化的优化控制系统原理，目前大规模污水处理厂通常采用这个控制系统进行优化，进行优化控制后，确保二级生物处理工艺发挥最大的作用，进行后续深度时无需考虑氨氮、磷和硝酸盐的问题影响，只需去除关注其它指标，如总磷、难降解有机物、悬浮固定等其他达标就可以了，为深度处理提供便利。
这是哈希公司在国外做的项目案例，实现了曝气池的气量的节省，节省了大概20%的曝气控制量气量和能源，同时也实现了前置缺氧池外加碳源的节省，使甲醇投加量显著降低。
污泥优化
污泥处理过程中的主要问题在于污泥的浓缩，脱水过程的主要问题在于投加合适的脱水剂。对于污泥浓缩过程优化(ST—RTC)，重在工艺运行优化，可以通过优化脱水剂的投加量，浓缩污泥组分，有效防止进泥泵阻塞，降低脱水剂消耗，实现稳定的脱水后含固率，提高后续的污泥厌氧消化效率提高产气量等方式进行优化;对于污泥脱水过程的优化(SD—RTC)，重在降低运行成本，在获得需要的含固率前提下，可以通过降低脱水剂消耗，减少污泥外送成本来实现。
脱水剂较为昂贵，投加后还存在着实时控制的过程。污泥处理优化刚刚在我国发展起来，当前污水处理行业主要关注污水问题，对于污泥浓缩/脱水的优化过程还没有广泛应用，而欧洲某些国家对于污泥优化已经普遍开展了，哈希公司也在进行几个污泥浓度/脱水的项目，期待未来能够发展的越来越好。
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原标题：雷斌：智能传感以及控制技术助力污水工艺优化
