一等奖

获奖项目

城镇污水处理厂动态精准节能降耗关键技术及智能控制系统

主要完成单位

广东省广业环保产业集团有限公司

中山大学

广州市扬新技术研究有限责任公司

山东新日电气设备有限公司

广东省工程技术研究所有限公司

深圳中善慧环境科技有限公司

主要完成人

于怀星   宋   平   袁   丁

袁维芳   周   华   姚   创

何梓灏   郭俊康   祝新哲

邓欢忠   韩燕东   王常海

侯延进   周   奕   魏玉芹

项目简介

本项目由广东省广业环保产业集团有限公司牵头，中山大学、广州市扬新技术研究有限责任公司、山东新日电气设备有限公司、广东省工程技术研究所有限公司、深圳中善慧环境科技有限公司合作共同实施。本研究致力于对污水厂运营关键技术的工艺模型进行短程建模，以城市污水处理厂关键工序控制为研究对象，优化研发了针对电耗的AI精准曝气技术、精准污泥控制技术以及针对药耗的精准加药除磷技术、精准碳源补充技术等城市污水处理厂节能降耗关键技术的算法模型，并结合AI算法工具，形成了城市污水厂智能化运营管理系统。该系统具有响应快速、操作简单、高效智慧等特点，可实现各项水质指标持续稳定达标，保持运行工况的安全稳定，同时降低成本、减少能耗、提高环境效益。

自2020年-2022年三年以来，该技术在超过30个生活污水处理厂得到了工程应用，近三年实现新增产值279541.76万元，新增节支总额14196.32万元，产生显著的经济效益。污水厂智能化节能降耗关键技术在5万t/d及以上规模污水厂推广实施以来，34个厂污水处理合计节省48508吨除磷剂，7474万度电，1357吨碳源，人工成本1269万元，三年累计带动投资35.64亿元。

技术创新点

本系统为短程工段建模，反馈时间短、反应迅速，排除大量非线性干扰值、具有较好的普适性。其表现在以下方面：

1.  创新性地以生化池混合污泥的总磷、氨氮、总氮作为新的关键锚定值，以生化池、化学反应池为曝气、除磷、碳源、污泥直接反应的建模环节建立短程数学模型，研发了控气、控药、控泥的全自动数据采集与控制的工艺模型算法及成套设备。

2. 用在线检测仪表即可获得真实准确数据，使得模型的数据全部无需人工检测弥补，可实现完全自主机采数据，使得创新点1的短程算法模型具备了全自动采集与控制的条件，同时缩短了前馈、反馈数据的时间间距，使得反应、控制的效果大大提升。

3. 创新性引入梯度提升树（GBDT）算法和单神经元自适用PID控制策略及智能分段计算，通过“前馈取值+短程削减模型计算+后馈修正”的控制方式，使得创新点1的短程算法模型及系统具备了自我修正、自我成长的功能。

技术应用情况

一、AI精准曝气技术工程化应用

（1）项目背景

南澳污水处理厂设计规模为1.2万吨/天，采用A2/O微曝氧化沟+滤布滤池工艺，进水水质基本为生活污水，人员架构配置齐全，项目运行状况较为稳定，其实验数据结果，对于生活污水处理工艺项目有较强代表性。

南澳污水处理厂

（2）实施效果

总还原物质氧当量-风量对比图

如图，以COD与总凯氏氮综合成总还原物质的实际削减所需氧当量（即：[1.47*（COD进*a-COD出*b）+4.57*（进水总氮-出水氨氮）]*Q/1000）及对应的鼓风机风量散点图进行统计分析，从中位数看，自动运行过程当鼓风机风量为17.4m³/min时，可实现85.4kg/h的还原物质氧当量供给，人工控制过程的中位数为鼓风机风量为17.7m³/min，可实现77.9kg/h的还原物质氧当量供给，说明同等条件下，自动运行后工艺能耗控制使得氧利用效率更高、更精准，效率提高约11.72%。

如下图，综合对比了人工曝气控制与AI精准曝气控制下的出水控制指标分布情况，在人工控制（2020.1-2021.5）的时间段内，以出水氨氮对比值，存在分布无序且过量曝气为其典型控制习惯，其中0-0.35mg/L区间占总体序列的31.3%，0.35-0.7mg/L区间占总体序列的13.3%，并存在5mg/L-13mg/L的不稳定情况（占总体序列的6.55%）；智能控制以后，以出水氨氮设定值为1.5、2mg/L的条件下，基本集中于0-4mg/L的区间内，均为达标。大量分布于0.7-2.8mg/L（占总体序列的88.72%），其精准性及达标率大大提高。

 人工曝气控制与AI精准曝气控制下的出水控制指标分布图

二、精准加药除磷技术工程化应用

（1）项目背景

峡山污水处理厂一、二期总设计建设规模7.5万吨/天，其中一期规模3万吨/天，采用A2/O微曝氧化沟工艺；二期规模4.5万吨/天，采用A2/O微曝氧化沟+反硝化滤池工艺。出水采用二氧化氯消毒。本项目实验场地为项目一期。

峡山污水处理厂加药装置

（2）实施效果

从图中可见，根据算法模型中的启停控制系数k2，精准加药除磷精准控制系统在好氧池出水总磷小于二沉池目标值0.25mg/L时，系统停止加药，此区间为本系统的最优省药区间；当好氧池出水总磷大于0.25mg/L时，系统开始根据模型算法智能计算投药量并进行加药，而好氧池出水总磷处于[0.25,0.40] mg/L时，投药量呈较好的线性，符合算法模型中的基础加药量曲线，此区间为本系统的正常省药区间，而当好氧池出水总磷处于[0.40,1.60] mg/L时，本系统的投药量因为加速度的投药量修正，曲线发生部分离散，且投药量较人工控制高，但总体仍呈线性，此区间优先保障出水达标。

自动控制阶段除磷剂投加量-总磷散点图

从图可见，自动运行实验期间，二沉池出水总磷能精准控制在二沉池出水目标值（TP二设）0.25±0.05mg/L的范围内，证明了精准加药除磷控制系统的精准性。

另从图可见，基础加药量随着好氧池出水总磷的变化而变化，趋势一致，证明算法模型的基础投药量部分能有效跟随好氧池出水总磷的实时变化进行合理投药；另，加速度投药量随着二沉池出水总磷的变化而变化，趋势一致，证明算法模型的加速度投药量部分能有效跟随对二沉池出水总磷的偏离进行实时纠偏。

二沉池出水总磷情况曲线

全自动运行曲线

三、精准碳源补充技术工程化应用

（1）项目背景

聊城某污水处理厂建设规模为：5 万m³/d，半地上式。污水处理工艺采用“AO氧化沟+磁混凝沉淀池+反硝化深床滤池（新建）+纤维滤池+消毒”；污泥处理工艺采用直接压缩脱水后外运至污泥处理中心处置。

   

聊城某污水处理厂

（2）项目实施效果

通过分析氧化沟结构，可知好氧区部分氧化的污水经混合液回流泵5#、6#回流至缺氧区（回流比100%），因进水总氮较高、碳氮比失调，为调节碳氮比、提高脱氮效率，在缺氧区进水口设置碳源投加点1#、2#，根据进水流量、进水COD浓度及进水总氮浓度计算总氮负荷和碳源补充量；充分氧化后的污水经混合液回流泵1# ~ 4#回流至缺氧区（回流比200%），此时有机物大部分被氧化、硝氮浓度升高，需要外加碳源保障氧化沟脱氮效率，因此设置碳源投加点3#、4#，在A、B处设置硝酸盐在线监测仪，作为3#、4#碳源投加的反馈数据。每个投加点有独立的投加泵、流量计，能够独立监测和控制该点的碳源投加量，实现碳源投加的有效控制。

氧化沟碳源投加系统及仪表布置示意图

四、精准污泥控制技术工程化应用

（1）项目背景南澳污水处理厂设计规模为1.2万吨/天，采用A2/O微曝氧化沟+滤布滤池工艺，进水水质基本为生活污水，人员架构配置齐全，项目运行状况较为稳定，其实验数据结果，对于生活污水处理工艺项目有较强代表性。

（2）实施效果

精准污泥控制技术实施基于污染物去除优化精准控制思路，使得厂部原本的生化系统有了更高效的提升，优化整体生化系统的脱氮除磷效果，乙酸钠目前一年节省28吨左右；除磷剂目前一年节省112吨左右；自来水每月约节省100吨，折合一年节省约1200吨左右；工作人员的工艺调控经验日渐成熟，在工艺持续稳定的基础上，适当降低项目设备的监测频次，改为每2小时监测一次，每年可减少约0.78吨左右的废液量

广东省环境保护科学技术奖

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