一种城市污水厂网一体化的控制方法及系统

摘要

本发明公开了一种城市污水厂网一体化的控制方法及系统，属于污水处理技术领域，所属方法以“总量控制、持续提升”为核心理念，针对城市排水系统，提出“平台构建、雨污分流同步、厂网协同”的运营方法，实现排水系统减排效益提升和提质增效。包括：建立统一监控平台，实现数据采集、诊断及调度；建立基于物料守恒的混接比评估模型，快速诊断混接程度和区域，提高雨污分流效率；建立基于综合污染指数总量削减目标的线性模型，根据系统最大水力负荷、最不利点液位控制以及单污染因子超标限值，作为限定条件，完成泵站提升量优化配置，提升降雨期污染削减能力；建立基于泵站水质水量前反馈的(56)对比文件桂丽娟，张辉等.巢湖流域某城区降雨期合流制溢流污染特征分析及治理对策研究.工业用水与废水.2022,第53卷(第06期),第38-42页.徐祖信;王诗婧;尹海龙;李怀正.污水管网中雨水混接来源的高效诊断方法.同济大学学报(自然科学版).2017,第45卷(第03期),第384-390页.

权利要求

1.一种城市污水厂网一体化的控制方法，其特征在于，包括以下步骤，S1、建立厂站网一体化远程控制平台以及污水厂服务范围污水管网、泵站空间数据库；

S2、在污水泵站前池、管网重要节点布设液位及水质在线监测仪表，监测实时水质和液位；

S3、基于物料守恒混接比评估模型，依据泵站及管网重要节点在线水质和液位数据，评估雨污混接程度，诊断重点混接区域，进行雨污分流；

S4、降雨前，降低污水管网充满度，腾出管网容积，提高管网降雨初期混流污水调蓄能力；

S5、基于综合污染指数总量削减目标的降雨期泵站协同调度，以系统最大水力负荷、最不利点液位控制以及单污染因子排放超标限值确定约束条件，并建立模型，结合泵站监测水质，求得最优解，优化配置降雨期泵站提升量，降低雨季溢流污染负荷；

S6、基于泵站提升水质水量前反馈污水厂曝气量控制模型，优化污水厂生化单元曝气量控制，使污水厂提前响应服务系统内污染负荷，提升抗冲击负荷能力，降低能耗。

2.如权利要求1所述的城市污水厂网一体化的控制方法，其特征在于，所述的步骤S3，物料守恒混接比评估模型具体为：其中， 为降雨期管网或泵站节点i处收集范围雨污混接比； 为管网或泵站节点i处旱季平均氨氮浓度，mg/l； 为服务范围内平均径流氨氮浓度，mg/l， 为降雨期管网或泵站节点i处平均氨氮浓度，mg/l。

3.如权利要求1所述的城市污水厂网一体化的控制方法，其特征在于，所述的步骤S5，模型具体为：其中， 为降雨期t时段内污水管网系统收集污水综合污染指数； 为t时段内第i个泵3

站的提升流量，m/h； 为t时段内第i个泵站处第j种污染物平均浓度，mg/l； 为污水处3

理厂第j种污染物排放限值，mg/l； 厂网系统最大处理流量，m/h； 保障第i个泵站服3

务范围内管网最不利点位高液位限值的泵站最小流量，m/h； 泵站工作泵组对应最大3

提升流量，m/h； 为第i个泵站服务范围内雨污混接比； 为第i个泵站服务范围内旱季3

污水平均流量，m/h； 为厂站网系统对应受纳水体水功能要求第j种污染物基准值，mg/l； 降雨期第j种污染物溢流污染超标比例限值。

4.如权利要求1所述的城市污水厂网一体化的控制方法，其特征在于，所述的步骤S6，污水厂曝气量前馈控制模型具体为：

3 3

其中， 为t时段内污水厂平均供气量m/h； 为t时段内第i个泵站的提升流量，m/h；

为t时段内第i个泵站处第j种污染物平均浓度，mg/l； 为第j种污染物在管网中沿程削减系数，mg/l/m； 为第i个泵站与污水厂间的管网长度，m； 第j种污染物需氧量，kgO2/3

kg； 污水厂曝气器氧的利用率，0.28为标准状态下每立方米空气中的含氧量kgO2/m。

5.一种计算机可读存储系统，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至4中任一项所述方法的步骤。

说明书

一种城市污水厂网一体化的控制方法及系统

技术领域

[0001] 本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种污水厂网一体化的控制方法。

背景技术

[0002] 随着我国城镇化进程不断加快，城市水环境问题形势严峻，排水系统系统普遍存在着管网雨污分流不彻底、污水厂进水浓度偏低、能耗高，雨季合流制溢流污染严重等问题。现阶段，打破排水系统涉水要素分割治理，实施厂站网系统协同运营，是提高城市污水收集处理效能，保障城市水安全和流域水质达标的关键。

[0003] 目前城市污水设施在协调运行调度方面存在许多问题，污水管网、污水泵站与污水处理厂大都独立运行，缺乏统一的目标和联动协同。现有管网雨污分流过程中，主要通过人工检测和管道机器人探查等手段，判断雨污混接程度和点位，该方法往往投入强度大，周期长，但仍无法有效进行管网的雨污分流。污水泵站的运行，控制对象多以单个泵站的人工控制为主，自动化控制为辅，其中自控逻辑主要是以泵站前的集水池液位为依据，高液位启泵，低液位停泵，这种逻辑控制方式忽略了各泵站收集污水的水质差异，难以有效提升污水管网收集污水的水质浓度，尤其是降雨期在系统处理能力有限的情况下，难以高效收集高浓度污水，发挥系统的效能，削减溢流污染。而污水厂曝气量等运行控制模式主要以污水厂进水水质水量为反馈依据，这种模式主要是以被动响应为主，且反馈时间短，难以实现污水厂曝气量的精准控制，也降低了污水厂的运行效能。

[0004] 城市污水系统是受多因素影响，相互关联的复杂系统，具有动态性和多目标特征，传统运行调度模式无法获得最优的整体环境效益，站在总量控制角度，以排水信息化为基础，构建污水系统动态评估及调度模型，实施厂网一体化运营，是发挥厂站网系统整体效益的重要途径。

发明内容

[0005] 本发明的目的在于提供一种污水厂网一体化的控制方法，以提高污水系统整体减排效益和效能。8

[0006] 为实现以上目的，本发明采用的技术方案为：提供一种污水厂网一体化的运营方法，包括：

[0007] S1、建立厂站网一体化远程控制平台以及污水厂服务范围污水管网、泵站空间数据库；

[0008] S2、在污水泵站前池、管网重要节点布设液位及水质在线监测仪表，监测实时水质和液位；

[0009] S3、基于物料守恒混接比评估模型，依据泵站及管网重要节点在线水质和液位数据，评估雨污混接程度，诊断重点混接区域，进行雨污分流；

[0010] S4、降雨前，降低污水管网充满度，腾出管网容积，提高管网降雨初期混流污水调蓄能力；

[0011] S5、基于综合污染指数总量削减目标的降雨期泵站协同调度，以系统最大水力负荷、最不利点液位控制以及单污染因子排放超标限值确定约束条件，并建立模型，结合泵站监测水质，求得最优解，优化配置降雨期泵站提升量，降低雨季溢流污染负荷；

[0012] S6、基于泵站提升水质水量前反馈污水厂曝气量控制模型，优化污水厂生化单元曝气量控制，使污水厂提前响应服务系统内污染负荷，提升抗冲击负荷能力，降低能耗。

[0013] 进一步的，其中步骤S3，物料守恒混接比评估模型具体为：

[0014]

[0015] 为降雨期管网或泵站节点i处收集范围雨污混接比； 为管网或泵站节点i处旱季平均氨氮浓度，mg/l； 为服务范围内平均径流氨氮浓度，mg/l， 为降雨期管网或泵站节点i处平均氨氮浓度，mg/l。

[0016] 进一步的，步骤S5，模型具体为：

[0017]

[0018] 其中， 为降雨期t时段内污水管网系统收集污水综合污染指数； 为t时段内第i3
个泵站的提升流量，m/h； 为t时段内第i个泵站处第j种污染物平均浓度，mg/l； 为污
3
水处理厂第j种污染物排放限值，mg/l； 厂网系统最大处理流量，m/h； 保障第i个泵
3
站服务范围内管网最不利点位高液位限值的泵站最小流量，m /h； 泵站工作泵组对应
3
最大提升流量，m/h； 为第i个泵站服务范围内雨污混接比； 为第i个泵站服务范围内
3
旱季污水平均流量，m/h； 为厂站网系统对应受纳水体水功能要求第j种污染物基准值，mg/l； 降雨期第j种污染物溢流污染超标比例限值。

[0019] 进一步的，步骤S6，污水厂曝气量前馈控制模型具体为：

[0020]

[0021] 其中， 为t时段内污水厂平均供气量m3/h； 为t时段内第i个泵站的提升流量，3
m/h； 为t时段内第i个泵站处第j种污染物平均浓度，mg/l； 为第j种污染物在管网中沿程削减系数，mg/l/m； 为第i个泵站与污水厂间的管网长度，m； 第j种污染物需氧量，kgO2/kg； 污水厂曝气器氧的利用率，0.28为标准状态下每立方米空气中的含氧量kgO2/
3
m。

[0022] 另一方面，本发明还公开一种计算机可读存储系统，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。

[0023] 与现有技术相比，本发明存在以下技术效果：

[0024] 本发明基于污水管网系统中氨氮总量守恒，提出并建立管网雨污混接比评估模型，通过在线监测水质反馈，全周期动态评估雨污混接区域和程度，提高雨污分流效率；在此基础上，以污水系统多目标总量控制为基础，综合考虑污染时空分布差异，提出并建立污水泵站群多目标优化调度模型，优化配置降雨期泵站提升量，提高系统弹性，减少污水系统排入河道的污染负荷量。结合污水厂站的联合调控，实施厂网一体化的运营，进而提高污水系统整体减排效能。

附图说明

[0025] 下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述：

[0026] 图1是本发明中城市污水厂网一体化运营方法的流程示意图；

[0027] 图2是本发明中应用实例污水厂站分布及水质监测点位设置示意图。

具体实施方式

[0028] 为了更进一步说明本发明的特征，请参阅以下有关本发明的详细说明与附图。所附图仅供参考与说明之用，并非用来对本发明的保护范围加以限制。

[0029] 首先需要说明的是，本实施例中厂网系统指污水处理厂及其服务范围内的污水管网及污水泵站，监测指标以污水处理厂主要水质控制指标化学需氧量（CODcr）、氨氮、总磷（TP）为主。

[0030] 如图1所示，本实施例公开了一种城市污水厂网一体化运营方法，包括如下步骤S1至S6：

[0031] S1、建立厂站网一体化远程控制平台以及污水厂服务范围污水管网、泵站空间数据库；

[0032] 远程控制平台具备接收系统在线监测数据，显示系统各单元运行实时状态并对污水厂站动态反馈控制功能。

[0033] S2、在污水泵站前池、管网重要节点布设液位及水质在线监测仪表，监测实时水质和液位；图2所示为本实例的厂站分布与监测点位布置图；

[0034] 具体地，在实际应用中，在旱季时监测各点位水质，监测频次为每隔2h一次，监测周期为24h。

[0035] 降雨期监测各点位水质，从降雨起始时刻开始监测，在降雨历时t时段内，监测频次每隔20min一次。

[0036] S3、基于物料守恒混接比评估模型，依据泵站及管网重要节点在线水质和液位数据，评估雨污混接程度，诊断重点混接区域，进行雨污分流；

[0037] 物料守恒混接比评估模型具体为：

[0038]

[0039] 为降雨期管网或泵站节点i处收集范围雨污混接比； 为管网或泵站节点i处旱季平均氨氮浓度，mg/l； 为服务范围内平均径流氨氮浓度，mg/l， 为降雨期管网或泵站节点i处平均氨氮浓度，mg/l。

[0040] 具体地，本实施例中将步骤S2的部分监测结果带入S3评估模型，其中服务范围内平均径流氨氮浓度，取硬化路面、绿地以及小区地表径流的氨氮浓度的平均值，计算评估不同区域和管网节点的雨污混接程度，指导雨污分流。

[0041] S4、降雨前，降低污水管网充满度，腾出管网容积，提高管网降雨初期混流污水调蓄能力；

[0042] 具体地，该步骤具体为：根据天气预报信息，在降雨前提高污水厂及泵站提升量，降低污水管网充满度，以提高降雨初期污水管网收集系统调蓄能力，提升系统的纳污能力。

[0043] S5、基于综合污染指数总量削减目标的降雨期泵站协同调度，以系统最大水力负荷、最不利点液位控制以及单污染因子排放超标限值确定约束条件，并建立模型，结合泵站监测水质，求得最优解，优化配置降雨期泵站提升量，降低雨季溢流污染负荷；

[0044] 该模型具体为：

[0045]

[0046] 其中， 为降雨期t时段内污水管网系统收集污水综合污染指数； 为t时段内第i3
个泵站的提升流量，m/h； 为t时段内第i个泵站处第j种污染物平均浓度，mg/l； 为污
3
水处理厂第j种污染物排放限值，mg/l； 厂网系统最大处理流量，m/h； 保障第i个泵
3
站服务范围内管网最不利点位高液位限值的泵站最小流量，m /h； 泵站工作泵组对应
3
最大提升流量，m/h； 为第i个泵站服务范围内雨污混接比； 为第i个泵站服务范围内
3
旱季污水平均流量，m/h； 为厂站网系统对应受纳水体水功能要求第j种污染物基准值，mg/l； 降雨期第j种污染物溢流污染超标比例限值。

[0047] 具体地，本实施例中将步骤S2的监测结果带入S5模型，通过MATLAB软件线性规划函数求解模型，得出降雨期泵站提升流量的最优配置，提高污水管网系统污水收集效能，降低系统雨季溢流入河污染负荷。

[0048] S6、基于泵站提升水质水量前反馈污水厂曝气量控制模型，优化污水厂生化单元曝气量控制，使污水厂提前响应服务系统内污染负荷，提升抗冲击负荷能力，降低能耗。

[0049] 污水厂曝气量前馈控制模型具体为：

[0050]3

[0051] 其中， 为t时段内污水厂平均供气量m/h； 为t时段内第i个泵站的提升流量，3
m/h； 为t时段内第i个泵站处第j种污染物平均浓度，mg/l； 为第j种污染物在管网中沿程削减系数，mg/l/m； 为第i个泵站与污水厂间的管网长度，m； 第j种污染物需氧量，kgO2/kg； 污水厂曝气器氧的利用率，0.28为标准状态下每立方米空气中的含氧量kgO2/
3
m。

[0052] 具体地，该处依据S5步骤求得的泵站提升流量的最优配置，将泵站提升量及水质监测数据带入S6污水厂曝气量前馈控制模型，得出污水厂实际需要的供气量，实现污水厂曝气的前反馈控制，提升污水厂抗冲击负荷能力，并降低能耗。

[0053] 具体地，以选取的某城市污水处理厂及其服务范围，服务范围类共有四座污水提升泵站，各泵站间为并联关系，对本实施例中的城市污水厂网一体化运营方法进行说明：

[0054] 1）通过设置在泵站前池监测点位监测各泵站旱季氨氮平均浓度和平均流量,雨季氨氮平均浓度：

[0055] 设第i个泵站处旱季氨氮平均浓度 ，雨季氨氮平均浓度 ，系统服务范围内降雨地表径流氨氮平均浓度 ；

[0056] 实测数据如表1所示：

[0057] 表1

[0058]

[0059] 监测结果带入S3评估模型可得各泵站服务区域的混接比如表2所示：

[0060] 表2

[0061]

[0062] 评估结果显示各座泵站服务区域均存在一定程度雨污混流情况，其中泵站4服务范围管网混接程度最严重，是雨污混接改造的重点区域，在该泵站前端管网重要节点处采用同样方法监测评估，即可进一步聚焦混接区域，指导雨污分流。

[0063] 2）通过设置在泵站前池监测点位监测各泵站主要污染物降雨期平均浓度：

[0064] 各泵站旱季平均污水流量、降雨期最小及最大提升流量、降雨期主要污染物平均浓度见表3：

[0065] 表3

[0066]

[0067] 主要污染物对应污水厂排放限值及服务区域受纳水体功能基准值见表4：

[0068] 表4

[0069]CODcr 氨氮 TP
污水厂排放限值(mg/l) 30 2 0.3
受纳水体功能基准值(mg/l) 30 2.5 0.5
溢流污染超标比例限值 2.5 3.5 2

[0070] 设4座泵站降雨期提升流量分别为Q1、Q2、Q3、Q4，将已知条件带入步骤s5所属模型可得：

[0071]

[0072] 应用MATLAB软件线性规划函数求解上述模型，得出降雨期泵站提升流量的最优配3 3 3 3
置为Q1=0.52m/s、Q2=0.14m/s、Q3=0.18m /s、Q4=0.55m/s。各提升泵站在此工况下运行，在保障主要污染物溢流污染满足超标限值前提下，实现污水管网系统污水收集综合效能最优，应用所属方法进行反馈控制后，较泵站原有运行模式时对应系统收集的污水综合污染指数提高20%，发挥了系统最大减排效益。

[0073] 2）依据上述步骤得到的泵站提升流量的最优配置，将泵站实际提升量、水质监测数据以及相关参数带入S6污水厂曝气量前馈控制模型；其中主要污染物的需氧量及沿程降解系数见表5：

[0074] 表5

[0075]CODcr 氨氮
需氧量(kg/kg) 1.47 4.57
沿程降解系数（mg/l/km） 10 0

[0076] 各泵站距离污水厂管网长度见表6：

[0077]

[0078] 污水厂曝气器氧利用率取25%，得污水厂t时段内平均供气量为：

[0079] Gt=20233m3/h

[0080] 本实施例提供的方法能够快速高效评估雨污混接区域和程度，提高雨污分流效率；能够优化配置降雨期泵站提升量，提高污水系统收集效能和整体污染减排效益。同时能够提升污水厂抗冲击负荷能力，降低能耗，为污水厂网一体化运营提供科学依据。

[0081] 又一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一方法的步骤。

[0082] 再一方面，本发明还公开一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一方法的步骤。

[0083] 在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一方法的步骤。

[0084] 可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。

[0085] 本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。

[0086] 以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

[0087] 以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。