自来水厂后臭氧投加工艺的重要性

       随着中国饮用水水源受到日趋广泛的污染，以去除浑浊度和病原微生物为主要目标的常规处理工艺已经不能满足保障饮用水水质安全的需求。 因此，以预臭氧氧化(预处理)，特别是臭氧－生物活性炭等为代表的深度处理工艺发展迅速，在国内的饮用水处理中推广应用日益广泛． 臭氧－生物活性炭深度处理过程的“臭氧”，也叫“后臭氧”，后臭氧化工艺能够消毒和部分降解有机物，并将大分子有机物转化为小分子有机物，以利于后续生物活性炭单元的生物降解。 后臭氧投加量的不足，可能造成接触氧化的不充分，使生物活性炭生物降解有机物效果不佳;而过量投加一方面会直接导致水厂运行成本的增加，另一方面不利于生物活性炭的吸附，以及影响生物活性炭的使用寿命。 更重要的是，随着臭氧投加量的增加，容易带来溴酸盐等臭氧化副产物． 因此，在含溴水的臭氧化过程中，既要保证臭氧化效能，也要限制溴酸盐生成，后臭氧投加面临如何优化控制的问题．

       目前后臭氧投加控制主要采用水流量比例前馈和出水余臭氧质量浓度 PID 反馈复合控制方法．水流量比例前馈控制根据进水流量的变化调整臭氧投加量。 出水余臭氧质量浓度 PID 反馈控制根据出水余臭氧质量浓度的偏差调整臭氧投加量． 但是，当进水水质变化时，PID 反馈控制由于控制响应过慢而无法快速调整臭氧投加量，极易引起出水水质的波动。 模型预测控制(model predictive control，MPC)因对过程未来动态有预测功能而被视作处理大时滞、大惯性和非线性控制问题的有效方法． 鉴于后臭氧化工艺大时滞、大惯性和非线性的特点，将MPC 用于后臭氧投加的反馈控制．前馈控制根据干扰的测量值对实际干扰进行补偿设计，是很直接很主动的干扰抑制方法． 然而实际被控过程很多干扰是不可测或很难测，干扰观测器(disturbance observer，DOB)作为一种有效的干扰估计技术广泛应用于前馈控制中． 鉴于后臭氧接触池进水水质和水流量变化对后臭氧化工艺的影响，以及 DOB 的优越性，将 DOB 估计结果用于后臭氧投加的前馈控制。

       CT(即 C 和 T 的乘积，C 为水中余臭氧质量浓度，T 为臭氧与水接触时间)值是控制臭氧化效能的重要指标，将 CT 值保持在理想值能够有效地控制臭氧化效果和溴酸盐生成量． CT 值计算方法有出口法、几何平均法和扩展 CSTＲ 法等． 在实际工程应用中，为便于测量和计算，常采用出口法，即出口余臭氧质量浓度 C 和臭氧与水接触时间 T 的乘积。 本文以臭氧化 CT 值为控制目标，在水流量比例控制的基础上，提出一种基于 DOB 和 MPC 的后臭氧投加复合控制方法． 其中 MPC 用于后臭氧投加的反馈控制，DOB 用于估计进水水质和水流量变化对后臭氧化工艺产生的模型失配和外部干扰，并将估计结果用于后臭氧投加的前馈控制中，提高后臭氧化工艺应对进水水质和水流量变化的能力。

1、后臭氧投加过程

       某水厂的后臭氧化工艺由两个并行的后臭氧接触池组成，如图 1 所示． 由于后臭氧接触池复杂的内部结构和水流类型，臭氧在水中的停留时间分布非常不均匀． 后臭氧接触池的内部由阻碍墙体将其分 6 个单元，水流受到阻碍墙体的阻碍作用在后臭氧接触池内部上下翻滚，一定程度地保证了臭氧在后臭氧接触池内部的停留时间，使臭氧能够与水充分接触． 为了提高臭氧的利用效率和降低臭氧化副产物———溴酸盐的生成，一般采用三级投加(研究对象水厂的三级投加比为 3∶ 1∶ 1)的微孔曝气投加方式． 水中余臭氧质量浓度在线检测仪表由图 1 中的 A、B 和 C 3 个采样点采集水样并实施余臭氧质量浓度在线检测． 由于阻碍墙体的作用，随着水流速的下降和臭氧的消耗，采样点 C 的水中余臭氧质量浓度在线检测值波动相对比较平缓，被用作后臭氧接触池出水余臭氧质量浓度的近似值．

式中:V 为臭氧接触池内的水体积，f 为臭氧接触池的进水流量．

由于 T10随着进水流量变化而变化，为了将 CT10控制在理想值，C 的设定值也随之变化． 因此，以 CT值为控制目标的臭氧投加控制问题转变成了 C 设定值的动态跟踪控制问题．

2 、DOB-MPC 复合控制方案

       后臭氧化工艺运行中，臭氧消耗一般经历快速消耗和缓慢衰减两个阶段［14］． 快速消耗阶段在臭氧与水接触的很短时间内完成，在后臭氧化工艺中难以测量，缓慢衰减阶段可近似描述为动力学一阶过程． 因此，以出水余臭氧质量浓度为被控变量，臭氧投加量为控制变量，可以用一阶加时滞( first orderplus time delay，FOPTD) 的形式表示后臭氧投加控制模型［15］，其传递函数可以表示为

式中:gm (s)为很小相位部分，e － τs为时滞部分．

放大系数 K 和时间系数 T 与实时变化的水质指标和水流量直接相关，可采用多元线性回归的方法进行辨识;时滞时间常数 τ 与变化的水流量直接相关，可通过线性插值的方法获得［15］． 因此，后臭氧投加控制模型Gm (s)是随着进水水质和水流量变化而动态变化的．

3、结论        本文以 CT 值为控制目标，在水流量比例控制的基础上，提出了一种基于扰动观测器和模型预测控制的后臭氧投加复合控制方法． 通过模型预测控制实现臭氧投加的反馈控制，通过采用扰动观测器对进水水质和水流量变化引起的模型失配和外部干扰进行前馈补偿． 仿真和实验验证结果表明，该方法能够有效提高后臭氧化工艺应对进水水质和水流量变化的能力，稳定和提高了深度处理工艺的出水水质．

本文摘自第 51 卷 第 2 期2 0 1 9 年 2 月哈 尔 滨 工 业 大 学 学 报

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