城市污水处理过程模型研究

刘玉良

摘 要：城市污水处理工作的数字化是当前环保领域的重要方向，是高效率、高质量、低能耗进行城市污水处理的重要基础。研究从城市污水处理的实际出发，描述了城市污水处理的基本流程，阐述了城市污水处理的基本特点，探讨了城市污水处理过程建模存在的意义和遇到的问题，提供了等方法和措施，为做好城市污水处理工作，加速城市污水处理智能化、数字化建设进行了深入思考。

关键词：城市污水处理；流程；特点；建模；数字化

中图分类号：X703 文献标志码：A

1 城市污水处理的流程

1.1 城市污水一级处理

一级处理是对城市污水的物理处理，是通过物理沉降、格栅和流速的体系和控制实现污染物的分离。一级处理在城市污水处理环节中处于第一个环节，一般由各种口径的格栅控制污水的流速，起到沉淀、气浮的作用，达到对城市污水中油脂、漂浮物、砾石、固体废物的分离和截留的作用。

1.2 城市污水二级处理

如果说一级处理是物理处理城市污水，那么二级处理就是对城市污水的化学处理，COD（化学需氧量）是城市污水二级处理的重要综合性参量和指标。在城市污水二级处理过程中通过气密、曝氧、加碳等过程和步骤，以微生物、化学制剂等生化作用，在发生厌氧、需氧反应后去除污水中可降解有机物、不可沉降悬浮物、有害气体、固体中间物。经过二级处理可以有效降低COD（化学需氧量），有效控制污水中还原物质含量，实现污染水的进一步处理。

1.3 城市污水三级处理

城市污水三级处理是整个处理的关键环节，主要针对城市污水中富含的氮磷化物、无机污染物、小分子有机物需要在三级处理中加以分离和去除，在三级处理中以添加氯气、添加活性炭、添加交换离子、紫外线照射等方式实现对污水的深度处理。

2 城市污水处理的特点

城市污水处理过程中物理、生物、化学作用种类众多、环节复杂，具有5个特点：一是，城市污水处理生化反应时间长，并随时间的推移而出现动态、实时地变化，这导致城市污水处理过程时间跨度大。二是，城市污水处理中各种微生物在生物反应中由于外环境的变化而出现生存条件的转变，因此生物反应中表现出不同的特点、性质和特色，在规律和特点上具有不确定性。三是，城市污水处理过程中污染物具有种类、数量、含量上很大的差别，在进水方式、流量控制各不相同的情况下处理表现出不同的特点。四是，城市污水处理中厌氧、需氧的生化反应种类众多，必须通过不同的体系进行环境和外部因素的控制，这样才能有效提升城市污水处理的效率。五是，城市污水处理存在条件上的制约，特别在温度、pH值、降水等因素影响下会出现生物固体废物和有机污染物分离困难。

3 建立城市污水处理过程模型

3.1 城市污水处理过程模型建模的意义

首先城市污水处理模型建模可以将处理过程数字化，可以将不同过程、不同分组、不同类别的数据进行全面记录和系统加工，这不但有利于提升对城市污水处理过程的系统认识，对于把握城市污水处理中的现象，掌握城市污水处理中的规律有着重要的理论意义，对于城市污水处理过程的数字化建设有着重要的保障功能。其次，有了城市污水处理的数字化模型可以有效地针对各种指标、参数进行实时监控和科学预测，对于城市污水处理过程量、参量的变化有着精确、细致的调控功能，对于提升城市污水处理的效果，提高出水水质，减少污染物超标排放，预防环境污染有着重要的支撑作用。最后，城市污水处理模型的建设有利于实现城市污水处理的智能化，对于降低城市污水处理的成本、提升城市污水处理的效率有着保障作用，对城市污水治理的数字化建设起着基础、方法和体系上的构建功能。

3.2 城市污水处理过程建模存在的障碍

首先，在城市污水处理过程中各种变量和参量有着时间上的调整和过程上的动态等特点，各变量和参量存在相互耦合、互相制约的基本特征，这给城市污水处理建模带来了基础性的难题，产生建模系统复杂、分类混乱、变量和参量难于控制等问题。其次，在理论界和科学界对城市污水处理的过程、反应、生化作用的反应还没有完全认知和系统辨识，特别是微生物生存条件、催化剂使用量、环境因素控制方法还有很大的不足，这导致城市污水处理质量和效率产生波动。最后，城市污水处理过程中污染物、水质在组成、含量上存在较大的差距，这就导致固液分离、有机物降解难于数字化，产生城市污水处理建模的困难。

4 城市污水处理过程建模的要点

4.1 建立城市污水处理全流程的模型体系

要建立城市污水处理全流程的数字化模型，通过模型数字化地反映城市污水处理中各类反应和作用，以精确的模型准确描述城市污水处理的全过程，做到对关键步骤和环节的系统辨识，解决城市污水处理模型中对流程划分不清晰的问题，提升城市污水处理全流程的信息化水平，提高城市污水处理节能和降耗的层次，在推进城市污水处理数字化的前提下确保工作向可持续、可量化、可控制的方向发展。

4.2 建立模型的动态优化系统

城市污水处理过程中污水指標、环境因素处于连续变化的状态，诸多的变量和系统的目标需要在城市污水处理建模中设置动态和优化的机制和系统，准确描述城市污水处理的过程量和动态水平，改变传统静态城市污水处理模型中对时间、变量、参数发生变化时功能不足和描述不准确的问题，建立动态的系统保障城市污水处理模型功能性，以便在城市污水处理过程中实现动态优化、运行调整、功能强化的作用。

4.3 建立城市污水处理模型的加工系统

城市污水处理模型收集和记录着数据、信息，特别对城市污水进水量、污水组分、污染物浓度、气候条件有着广泛地接收和记录的功能，这些记录的信息是对生化反应、微生物活动的全面描述，与城市污水的pH值、COD值、种群数量等关键参数有着直接的联系，也关联着城市污水处理的速度与质量。因此要在模型中建立数字和信息的加工系统，通过大数据技术和专业元件做到对数据特征的提取、处理机理的分析、处理过程的记录，这样才能挖掘城市污水处理模型收集和记录信息的潜在价值，有利于做出城市污水处理的科学结论和决策，在进一步优化城市污水处理模型的同时丰富城市污水处理的数据库和信息资源。

4.4 建立城市污水处理模型的局部功能体系

在城市污水处理模型建立和优化的过程中，在局部和子系统要重点利用神经网络、贝叶斯网络等方法实现局部功能的强化，在子系统中深度挖掘关键参数、重要信息的价值，同时形成专家决策功能体系，采取深度学习和人工智能的方式对水质、水量、参数进行系统监测，进而实现城市污水处理模型整体上的自主诊断、自动评价和科学决策等重要功能，将局部和子系统真正整合在城市污水处理模型体系之中以确保模型对城市污水处理实际的监督、管理作用。在模型和系统内部建立起预防城市污水超标、处理设备故障等相关功能，在稳定城市污水处理质量和效率的同时，做到对各种情况的实时调整，进而做到不断优化城市污水处理运行的目标。

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