污水處理廠運(yùn)營(yíng)管理論文范文

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1國(guó)內(nèi)外污水處理廠評(píng)價(jià)管理

1．1早期動(dòng)力學(xué)階段國(guó)內(nèi)外對(duì)WWTPs的評(píng)價(jià)管理，早期重點(diǎn)通過(guò)活性污泥模型法(ActivatedSludgeModel，簡(jiǎn)稱ASM)預(yù)測(cè)水質(zhì)并間接實(shí)現(xiàn)對(duì)WWTPs的評(píng)價(jià)管理。此模型主要通過(guò)研究微生物生化反應(yīng)機(jī)理，建立微生物對(duì)生化需氧量(BOD)、化學(xué)需氧量(COD)等指標(biāo)的去除率方程并確定參數(shù)，通過(guò)方程實(shí)現(xiàn)對(duì)出水水質(zhì)指標(biāo)的預(yù)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)WWTPs進(jìn)行評(píng)價(jià)管理。ASM的發(fā)展經(jīng)歷了四個(gè)主要階段:(1)AMS1［2］主要基于生物動(dòng)力學(xué)基礎(chǔ)，通過(guò)相關(guān)參數(shù)研究建立ASM1模型對(duì)WWTPs進(jìn)行管理評(píng)價(jià)，但是由于研究處于初級(jí)階段，且機(jī)理較為復(fù)雜，因此研究過(guò)程并不涉及生物脫氮和除磷;(2)AMS2［3］擴(kuò)展了AMS1，增加了脫氮除磷的研究和預(yù)測(cè)，在一定程度上改善了ASM1模型的性能;(3)AMS2d，在AMS2的基礎(chǔ)上稍作改進(jìn)，通過(guò)調(diào)整參數(shù)、模型改進(jìn)，減少了模型的根方均誤差(RootMeanSquareError，簡(jiǎn)稱AMSE)，提高了預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度;(4)AMS3［4］為了簡(jiǎn)化評(píng)價(jià)模型，引入了生物的可選擇性，使模型適用范圍有所改善，同時(shí)也增加了模型的復(fù)雜程度。盡管ASM具有一定的使用價(jià)值，但是對(duì)于實(shí)際WWTPs的評(píng)價(jià)管理，模型存在較大的局限性(1)不能準(zhǔn)確把水廠故障原因與結(jié)果很好的結(jié)合起來(lái)，對(duì)水廠的評(píng)估和預(yù)測(cè)效果比較差;(2)需要大量的動(dòng)力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)參數(shù)的計(jì)算，許多參數(shù)測(cè)量難度較大。(3)不同處理過(guò)程、不同運(yùn)行條件都需要大量的參數(shù)驗(yàn)證，因此任務(wù)繁重，在一定程度上浪費(fèi)時(shí)間和精力［5］。出現(xiàn)這些問(wèn)題的主要原因是，對(duì)于一個(gè)實(shí)際污水處理廠，存在較復(fù)雜的生物反應(yīng)以及水量、水質(zhì)、PH等高度變化的隨機(jī)因子，而ASM參數(shù)的確定主要基于穩(wěn)定的運(yùn)行條件，當(dāng)運(yùn)行條件波動(dòng)較大時(shí)模型偏差較大，因此模型的適應(yīng)度較差。

1．2統(tǒng)計(jì)分析階段面對(duì)WWTPs復(fù)雜的生物反應(yīng)、高度變化的隨機(jī)因子，動(dòng)力學(xué)模型已經(jīng)漸漸失去優(yōu)勢(shì)，人們將目標(biāo)轉(zhuǎn)向了用數(shù)學(xué)方法處理數(shù)據(jù)并建立擬合模型的領(lǐng)域。為減少運(yùn)算復(fù)雜程度，此階段的模型形式較為簡(jiǎn)單，通常為低階線性模型，但模型可靠性、適用性卻大大提高。通常環(huán)境效益、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)都可以考慮進(jìn)去，豐富了WWTPs的評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。其中，最常用的模型為最小二乘法回歸分析(PartialLeastSquaresModel，簡(jiǎn)稱PLSR)、多項(xiàng)式回歸法(Polyno-mialRegressionModel，簡(jiǎn)稱PRM)、多項(xiàng)偏最小二乘法回歸(NumberofPartialLeastSquaresRegression，簡(jiǎn)稱N－PLSR)、平行因子分析法(ParallelFactorA-nalysis，簡(jiǎn)稱PARAFAC)。PLSR、PRM、N－PLSR、PARAFAC等模型所給出的評(píng)價(jià)分值和權(quán)重矩陣是合理的，應(yīng)用于WWTPs的評(píng)價(jià)管理中也是適用的。但是由于此類評(píng)價(jià)方法多局限于水質(zhì)指標(biāo)［6］，而對(duì)并不存在明確線性關(guān)系的環(huán)境效益指標(biāo)如:資源回用量等并未考慮，因此對(duì)WWTPs的評(píng)價(jià)比較片面，通常適用于WWTPs水質(zhì)指標(biāo)的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)或者評(píng)價(jià)要求精度適中的WWTPs。

1．3數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模階段基于自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的提高以及環(huán)境效益指標(biāo)數(shù)據(jù)的獲取，利用系統(tǒng)中的軟件傳感數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)建模成為WWTPS運(yùn)行管理評(píng)價(jià)的主要方法。在目前的傳感模型中，黑箱子傳感模型使用較多，此模型會(huì)自動(dòng)捕捉到系統(tǒng)的主要過(guò)程，并且自動(dòng)把輸入輸出數(shù)據(jù)連接起來(lái)［7］。DDM中最常用的方法是:神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、熵權(quán)物元法、自組織映射以及隨機(jī)預(yù)測(cè)等方法［7］。這類模型主要基于歷史數(shù)據(jù)，如果歷史數(shù)據(jù)缺失或者出現(xiàn)錯(cuò)誤，那么此類方法將不能使用，存在一定風(fēng)險(xiǎn)，因此需要經(jīng)過(guò)反復(fù)的驗(yàn)證以及專業(yè)人士仔細(xì)推敲才能確定模型是否適用，通常在滿足條件的情況下，模型越簡(jiǎn)單越好。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)［8］很強(qiáng)的非線性擬合能力、可映射任意復(fù)雜的非線性關(guān)系、學(xué)習(xí)規(guī)則簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型通常用于一些復(fù)雜的動(dòng)態(tài)模型中，尤其是動(dòng)態(tài)的環(huán)境評(píng)價(jià)管理中，它是一種對(duì)變量較多的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行評(píng)估與管理中比較有優(yōu)勢(shì)的方法。但是ANN模型存在以下問(wèn)題:(1)不能解釋本身的推理過(guò)程和推理依據(jù)。(2)主要基于歷史數(shù)據(jù)，當(dāng)數(shù)據(jù)不充分時(shí)就無(wú)法正常工作。(3)把問(wèn)題的特征轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字，把推理轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)值計(jì)算，造成部分信息丟失。因此，在使用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)前需要收集足夠的歷史數(shù)據(jù)、人為將某些問(wèn)題轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)，進(jìn)而降低模型本身帶來(lái)的缺陷，此外，由于本身較強(qiáng)的自運(yùn)算能力，在一定程度上可以給出合理的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)。因此，這種方法是目前WWTPs運(yùn)營(yíng)管理評(píng)價(jià)中最流行的方法。熵權(quán)物元法可用于評(píng)價(jià)計(jì)算多重指數(shù)、模糊問(wèn)題以及差異性問(wèn)題，該方法具有簡(jiǎn)單的計(jì)算方法、清晰的原則以及客觀的權(quán)重等特點(diǎn)。基于這些特點(diǎn)，熵權(quán)物元法可以用于評(píng)價(jià)污水資源和容量，水環(huán)境質(zhì)量，生態(tài)承載力等。到目前為止，該方法首次應(yīng)用于WWTPs的綜合評(píng)價(jià)，是一種極具潛力的評(píng)價(jià)方法。

2工程應(yīng)用

工程實(shí)例①，SinghK．P．［9］采用PLSR(PLS1R、PLS2R、PLS2R－A)、PRM、ANN等三種模型對(duì)印度WWTPs進(jìn)行預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)管理。采用上述三種模型、使用進(jìn)水指標(biāo)BOD、COD、TKN、氨氮等數(shù)據(jù)資料實(shí)現(xiàn)對(duì)出水指標(biāo)BOD和COD的預(yù)測(cè)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)WWTPs的評(píng)價(jià)管理。實(shí)驗(yàn)中采用一年144組數(shù)據(jù)，72組數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練，36組數(shù)據(jù)用于驗(yàn)證，36組數(shù)據(jù)用于預(yù)測(cè)。結(jié)果表明，三種模型均能滿足要求，且神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型優(yōu)于多項(xiàng)式回歸分析，多項(xiàng)式回歸分析優(yōu)于偏最小二乘法，最優(yōu)模型為ANN模型，各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)均比較理想。最終得出ANN是目前WWTPs評(píng)價(jià)管理中最好的方法。綜合分析上述案例，PLSR、PRM屬于低階線性模型，而ANN模型屬于復(fù)雜的非線性模型，可以擬合較復(fù)雜的動(dòng)態(tài)過(guò)程，因此PLSR、PRM在模型精度上不及ANN模型，成為印度污水處理廠的最優(yōu)評(píng)價(jià)模型;此工程實(shí)例僅僅以主要的水質(zhì)指標(biāo)作為WWTPs的評(píng)價(jià)指標(biāo)，模型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系比較片面;此工程實(shí)例中PLSR、PRM不能計(jì)算權(quán)重，沒(méi)有辦法給出評(píng)價(jià)指標(biāo)對(duì)WWTPs的影響程度，因此不利于對(duì)WWTPs運(yùn)營(yíng)管理的評(píng)價(jià)。工程實(shí)例②，David［10］使用熵權(quán)物元法從以下三個(gè)方面對(duì)WWTPs進(jìn)行評(píng)價(jià):水質(zhì)指標(biāo)、操作成本以及環(huán)境效益。熵權(quán)物元法對(duì)WWTPs的預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)主要通過(guò)權(quán)重計(jì)算以及歐式貼近度來(lái)體現(xiàn)。當(dāng)環(huán)境效益評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重越大、運(yùn)行成本評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重越小，WWTPs評(píng)價(jià)指數(shù)就越高。David由模糊數(shù)學(xué)計(jì)算最優(yōu)從屬度物元矩陣，分析了不同因素對(duì)水廠運(yùn)營(yíng)質(zhì)量的權(quán)重，結(jié)果表明總氮的去除率與污泥餅產(chǎn)生量對(duì)污水處理廠的運(yùn)營(yíng)管理影響比較大，從而間接證明硝化反硝化微生物、脫水設(shè)備、脫水藥劑以及工藝條件對(duì)WWTPs的運(yùn)營(yíng)管理有比較大的影響。歐式貼近度(通常用Rph表示)用來(lái)表述評(píng)價(jià)結(jié)果，貼近度越大，表示結(jié)果越好。由于歐式貼近度由模糊物元平方法以及指標(biāo)權(quán)重法計(jì)算而得，因此，歐式貼近度可以反映污水處理廠的綜合評(píng)價(jià)。在文獻(xiàn)［10］中，根據(jù)不同水廠歐式貼近度計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了排序，篩選出了最優(yōu)和最差的污水處理廠。但熵權(quán)物元法評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際運(yùn)行結(jié)果存在一定的偏差，因此，采用歐式貼近度作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，可靠性尚存在一定的問(wèn)題。此外，盡管此模型有較好的適用性以及相對(duì)的準(zhǔn)確性，但是現(xiàn)有模型沒(méi)有考慮到污水處理廠的規(guī)模以及處理水量等問(wèn)題，而這些指標(biāo)對(duì)WWTPs的評(píng)價(jià)管理具有決定性的意義，其他如資源回用量、環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)等對(duì)環(huán)境效益有較大影響的環(huán)境效益指標(biāo)，也未曾考慮，因此，模型有待進(jìn)一步完善。由于此模型是首次應(yīng)用于WWTPs的評(píng)價(jià)與管理中，其模型是否存在其他方面的問(wèn)題有待進(jìn)一步商榷。

3展望

通過(guò)研究國(guó)內(nèi)外WWTPs的評(píng)價(jià)管理狀況，所適用的主要分為三類:(1)動(dòng)力學(xué)階段:ASM機(jī)理模型;(2)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)階段:PLSR、PRM、N－PLSR、PARAFAC等模型;(3)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)階段:熵權(quán)物元法和ANN模型。由于ASM機(jī)理模型對(duì)水質(zhì)波動(dòng)的適應(yīng)性較差，PLSR、PRM、N－PLSR、PARAFAC模型精度有限，因此目前比較好的評(píng)價(jià)方法是熵權(quán)物元法和ANN模型。熵權(quán)物元法作為一種新方法首次用于WWTPs的評(píng)價(jià)管理，應(yīng)用前景比較廣泛，但同時(shí)所存在的問(wèn)題尚不明確，因此有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)研究。而ANN模型則是一種比較成熟的模型，無(wú)論是現(xiàn)在以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)中，都是WWTPs評(píng)價(jià)管理中必不可少的研究方法。雖然現(xiàn)有WWTPs環(huán)境管理工作考慮到了運(yùn)行效率、環(huán)境效益等方面，并且在一定程度上能夠?qū)λ|(zhì)改善起到一定的作用，促進(jìn)WWTPs運(yùn)營(yíng)管理效率的提高，但是對(duì)于WWTPs的評(píng)價(jià)相當(dāng)?shù)钠?對(duì)于運(yùn)行效率，只是停留在耗電量、絮凝劑的投加量等確切指標(biāo)上，沒(méi)將人員比例、運(yùn)行負(fù)荷、安全事故發(fā)生比例考慮進(jìn)去，使其難以準(zhǔn)確對(duì)WWTPs進(jìn)行評(píng)價(jià)管理;除此之外，對(duì)于環(huán)境效益，國(guó)內(nèi)外WWTPs的評(píng)價(jià)管理都把重點(diǎn)放在了改善出水水質(zhì)上，沒(méi)有將資源回用量、對(duì)周圍環(huán)境的影響、民眾的滿意度等考慮進(jìn)去，因此，評(píng)價(jià)過(guò)于狹隘片面。存在這種狀況的主要原因是(1)主要水質(zhì)指標(biāo)之間存在比較明確的關(guān)系，易于建立模型;(2)現(xiàn)在環(huán)境管理者對(duì)水質(zhì)指標(biāo)之外其它指標(biāo)關(guān)注較少;(3)隨著指標(biāo)數(shù)量的增加，會(huì)增加模型的復(fù)雜程度;(4)出水水質(zhì)指標(biāo)直接反應(yīng)污水處理廠對(duì)周圍河道等的影響，效果比較明顯。這樣的評(píng)價(jià)體系帶來(lái)的直接后果是使WWTPs的管理者只重視出水水質(zhì)，而忽略了運(yùn)行成本如耗電量、絮凝劑添加量，甚至忽略了WWTPs是否有資源回用等狀況，直接造成資源的浪費(fèi)。基于上述問(wèn)題，我們要綜合考慮WWTPs的成本、運(yùn)行效率和環(huán)境效益等方面，改變中國(guó)污水處理廠運(yùn)行成本高、運(yùn)營(yíng)效率低、管理體系不完善等問(wèn)題。因此，現(xiàn)階段以及未來(lái)對(duì)WWTPs評(píng)價(jià)管理的首要任務(wù)是完善評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，尋找準(zhǔn)確有效的WWTPs評(píng)價(jià)模型。

4總結(jié)

隨著環(huán)境質(zhì)量的日益惡化，WWTPs的管理評(píng)價(jià)變得越來(lái)越突出。目前存在較多的模型用于WWTPs的評(píng)價(jià)管理，每一模型都有優(yōu)點(diǎn)和缺陷，因此，在使用各種模型之間必須要明確它的適用范圍。綜合比較各個(gè)模型，目前WWTPs管理評(píng)價(jià)最有潛力的模型是熵權(quán)物元法，最常用的模型是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，最需要完成的任務(wù)是健全和完善指標(biāo)體系，并將其應(yīng)用于模型中，實(shí)現(xiàn)WWTPs相關(guān)指標(biāo)的合理預(yù)測(cè)，優(yōu)化WWTPs的評(píng)價(jià)管理。

作者：商巧巧董曉清李朝林單位：哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院環(huán)境科學(xué)與工程研究中心深圳信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院