自來水廠后臭氧投加工藝的重要性

       隨著中國飲用水水源受到日趨廣泛的污染，以去除渾濁度和病原微生物為主要目標的常規(guī)處理工藝已經(jīng)不能滿足保障飲用水水質(zhì)安全的需求。 因此，以預(yù)臭氧氧化(預(yù)處理)，特別是臭氧－生物活性炭等為代表的深度處理工藝發(fā)展迅速，在國內(nèi)的飲用水處理中推廣應(yīng)用日益廣泛． 臭氧－生物活性炭深度處理過程的“臭氧”，也叫“后臭氧”，后臭氧化工藝能夠消毒和部分降解有機物，并將大分子有機物轉(zhuǎn)化為小分子有機物，以利于后續(xù)生物活性炭單元的生物降解。 后臭氧投加量的不足，可能造成接觸氧化的不充分，使生物活性炭生物降解有機物效果不佳;而過量投加一方面會直接導(dǎo)致水廠運行成本的增加，另一方面不利于生物活性炭的吸附，以及影響生物活性炭的使用壽命。 更重要的是，隨著臭氧投加量的增加，容易帶來溴酸鹽等臭氧化副產(chǎn)物． 因此，在含溴水的臭氧化過程中，既要保證臭氧化效能，也要限制溴酸鹽生成，后臭氧投加面臨如何優(yōu)化控制的問題．

       目前后臭氧投加控制主要采用水流量比例前饋和出水余臭氧質(zhì)量濃度 PID 反饋復(fù)合控制方法．水流量比例前饋控制根據(jù)進水流量的變化調(diào)整臭氧投加量。 出水余臭氧質(zhì)量濃度 PID 反饋控制根據(jù)出水余臭氧質(zhì)量濃度的偏差調(diào)整臭氧投加量． 但是，當進水水質(zhì)變化時，PID 反饋控制由于控制響應(yīng)過慢而無法快速調(diào)整臭氧投加量，極易引起出水水質(zhì)的波動。 模型預(yù)測控制(model predictive control，MPC)因?qū)^程未來動態(tài)有預(yù)測功能而被視作處理大時滯、大慣性和非線性控制問題的有效方法． 鑒于后臭氧化工藝大時滯、大慣性和非線性的特點，將MPC 用于后臭氧投加的反饋控制．前饋控制根據(jù)干擾的測量值對實際干擾進行補償設(shè)計，是很直接很主動的干擾抑制方法． 然而實際被控過程很多干擾是不可測或很難測，干擾觀測器(disturbance observer，DOB)作為一種有效的干擾估計技術(shù)廣泛應(yīng)用于前饋控制中． 鑒于后臭氧接觸池進水水質(zhì)和水流量變化對后臭氧化工藝的影響，以及 DOB 的優(yōu)越性，將 DOB 估計結(jié)果用于后臭氧投加的前饋控制。

       CT(即 C 和 T 的乘積，C 為水中余臭氧質(zhì)量濃度，T 為臭氧與水接觸時間)值是控制臭氧化效能的重要指標，將 CT 值保持在理想值能夠有效地控制臭氧化效果和溴酸鹽生成量． CT 值計算方法有出口法、幾何平均法和擴展 CSTＲ 法等． 在實際工程應(yīng)用中，為便于測量和計算，常采用出口法，即出口余臭氧質(zhì)量濃度 C 和臭氧與水接觸時間 T 的乘積。 本文以臭氧化 CT 值為控制目標，在水流量比例控制的基礎(chǔ)上，提出一種基于 DOB 和 MPC 的后臭氧投加復(fù)合控制方法． 其中 MPC 用于后臭氧投加的反饋控制，DOB 用于估計進水水質(zhì)和水流量變化對后臭氧化工藝產(chǎn)生的模型失配和外部干擾，并將估計結(jié)果用于后臭氧投加的前饋控制中，提高后臭氧化工藝應(yīng)對進水水質(zhì)和水流量變化的能力。

1、后臭氧投加過程

       某水廠的后臭氧化工藝由兩個并行的后臭氧接觸池組成，如圖 1 所示． 由于后臭氧接觸池復(fù)雜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和水流類型，臭氧在水中的停留時間分布非常不均勻． 后臭氧接觸池的內(nèi)部由阻礙墻體將其分 6 個單元，水流受到阻礙墻體的阻礙作用在后臭氧接觸池內(nèi)部上下翻滾，一定程度地保證了臭氧在后臭氧接觸池內(nèi)部的停留時間，使臭氧能夠與水充分接觸． 為了提高臭氧的利用效率和降低臭氧化副產(chǎn)物———溴酸鹽的生成，一般采用三級投加(研究對象水廠的三級投加比為 3∶ 1∶ 1)的微孔曝氣投加方式． 水中余臭氧質(zhì)量濃度在線檢測儀表由圖 1 中的 A、B 和 C 3 個采樣點采集水樣并實施余臭氧質(zhì)量濃度在線檢測． 由于阻礙墻體的作用，隨著水流速的下降和臭氧的消耗，采樣點 C 的水中余臭氧質(zhì)量濃度在線檢測值波動相對比較平緩，被用作后臭氧接觸池出水余臭氧質(zhì)量濃度的近似值．

式中:V 為臭氧接觸池內(nèi)的水體積，f 為臭氧接觸池的進水流量．

由于 T10隨著進水流量變化而變化，為了將 CT10控制在理想值，C 的設(shè)定值也隨之變化． 因此，以 CT值為控制目標的臭氧投加控制問題轉(zhuǎn)變成了 C 設(shè)定值的動態(tài)跟蹤控制問題．

2 、DOB-MPC 復(fù)合控制方案

       后臭氧化工藝運行中，臭氧消耗一般經(jīng)歷快速消耗和緩慢衰減兩個階段［14］． 快速消耗階段在臭氧與水接觸的很短時間內(nèi)完成，在后臭氧化工藝中難以測量，緩慢衰減階段可近似描述為動力學(xué)一階過程． 因此，以出水余臭氧質(zhì)量濃度為被控變量，臭氧投加量為控制變量，可以用一階加時滯( first orderplus time delay，F(xiàn)OPTD) 的形式表示后臭氧投加控制模型［15］，其傳遞函數(shù)可以表示為

式中:gm (s)為很小相位部分，e － τs為時滯部分．

放大系數(shù) K 和時間系數(shù) T 與實時變化的水質(zhì)指標和水流量直接相關(guān)，可采用多元線性回歸的方法進行辨識;時滯時間常數(shù) τ 與變化的水流量直接相關(guān)，可通過線性插值的方法獲得［15］． 因此，后臭氧投加控制模型Gm (s)是隨著進水水質(zhì)和水流量變化而動態(tài)變化的．

3、結(jié)論
       本文以 CT 值為控制目標，在水流量比例控制的基礎(chǔ)上，提出了一種基于擾動觀測器和模型預(yù)測控制的后臭氧投加復(fù)合控制方法． 通過模型預(yù)測控制實現(xiàn)臭氧投加的反饋控制，通過采用擾動觀測器對進水水質(zhì)和水流量變化引起的模型失配和外部干擾進行前饋補償． 仿真和實驗驗證結(jié)果表明，該方法能夠有效提高后臭氧化工藝應(yīng)對進水水質(zhì)和水流量變化的能力，穩(wěn)定和提高了深度處理工藝的出水水質(zhì)．

本文摘自第 51 卷 第 2 期2 0 1 9 年 2 月哈 爾 濱 工 業(yè) 大 學(xué) 學(xué) 報