（化学工程专业论文）污水处理过程建模与控制.pdf

浙江工业大学硕士学位论文 摘要 随着污水处理工艺水平的迅猛发展，对污水处理自动化的要求也 越来越高。由于污水处理过程具有多变量、非线性和大滞后等特点， 因此难以对污水处理过程进行精确建模，导致了当前污水处理过程自 动化水平相对落后的现状。针对当前我国严峻的水污染现实和大多数 污水处理厂处理效率较低的现状，本文进行了污水处理过程建模与控 制研究，并此基础上实现了嘉兴污水处理厂的全厂控制系统。 首先简单叙述了相关的控制理论和控制系统概念，对当前国内外 污水处理过程自动控制现状进行了综述，并在此基础上介绍了各种污 水处理工艺，其中着重介绍了活性污泥处理工艺。 根据嘉兴污水处理厂的污水处理工艺和工厂实际运行情况，在活 性污泥数学l 号模型( a c t i v a t e ds l u d g em o d e l ，a s m l ) 基础上，建立了 简化活性污泥数学模型，并采用污水处理厂的原始数据对数学模型进 行了校正。根据污水处理厂的水质数据，对污水处理厂的曝气池运行 状况进行了预测研究。 进行了基于神经网络的污水处理厂曝气池预测研究。通过采集污 水处理厂的实际运行数据建立了训练数据集，采用训练数据集进行神 经网络训练，最后建立了神经网络预测模型，并采用测试数据集测试 了神经网络的预测性能，其中所采用的测试数据集与活性污泥预测研 究中是相同的。通过比较神经网络预测模型和活性污泥数学模型的预 t 浙江工业大学硕士学位论文 测结果，表明神经网络预测模型具有更佳的预测性能。 实现了嘉兴污水处理厂的全厂控制系统，并全面介绍了自动控制 系统的控制策略和控制方案。针对目前污水处理厂控制系统的现状， 指出了在控制系统运行过程中所存在的一些问题，提出了相应的解决 方案，并针对全厂自动控制系统提出了一些切实可行的优化策略。 最后对全文研究内容进行了总结，并展望了未来污水处理过程自 动化控制技术的发展方向。 关键词：污水处理，神经网络，模型，预测，控制 浙江工业大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g y , t h e r e q u e s to ft h ea u t o m a t i cc o n t r o lh a sb e e nh i g h e ra n dh i g h e r a st h e w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s sh a st h ec h a r a c t e r i s t i co fm u l t i v a r i a b l e ， n o n - l i n e a r , h u g e - l a g ，a n dd i f f i c u l tt oe s t a b l i s hp r e c i s em o d e l ，t h ep r o c e s s a u t o m a t i cc o n t r o ll e v e lc o m p a r a t i v e l yh a n g sb e h i n d ，w h i c hr e s u l t i n t o u g h e nu pt h es y s t e mb e e nw e l lc o n t r o l l e d a i ma tt h es e r i o u sw a t e r p o l l u t i o n c o n d i t i o ni no u rc o u n t r yn o w a d a y s ，w i t hl o wt r e a t m e n t e f f i c i e n c y a tm o s t l yw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ，t h et h e s i se x e c u t e m o d e l i n go fj i a x i n gw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t ，a n dr e a l i z et h ew h o l e p l a n ta u t o m a t i cc o n t r 0 1 b a s e do nb r i e fs t a t e m e n to ft h ec o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o ls y s t e m c o n c e p t i o n ，t h ea u t h o rs u m m a r i z e si n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n to ft h e a d v a n c e dc o n t r o ls t r a t e g yc u r r e n t l y , a n dt h e ni n t r o d u c e st h ew a s t e w a t e r t r e a t m e n tp r o c e s s ，e s p e c i a l l yt h ea c t i v a t e ds l u d g et r e a t m e n tp r o c e s s d e p e n d e do nj i a x i n g u n i t e dw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n tp r o c e s s t e c h n o l o g ya n dr u nc o n d i t i o n , t a k e st h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e la st h e f o u n d a t i o n ，e s t a b l i s h e st h es i m p l i f i e dm o d e lo ft h ep l a n t ，a n dp r o o f r e a d s i tw i t ht h eo r i g i n a ld a t a a c c o r d i n ga si n c o m i n gw a s t e w a t e rq u a l i t y , t h e m o d e lc o u l dp r e d i c tt h ed oc o n c e n t r a t i o ni na e r a t i o nt a n k i l l 浙江工业大学硕士学位论文 a tt h em e a nt i m e t h ea u t h o rr e s e a r c h e st h en e u r a ln e t w o r k s 幻 p r e d i c tt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n ta e r a t i o nt a n k ，a n dm a k e su s eo ft h e c o l l e c t e dd a t at o 订a i l lt h en e u r a ln e t w o r k st og e tt h eb a n a u s i cp r e d i c t i n g n e u r a lm o d e l a d o p t i n gt h es a m er a wd a t aa 8t h ea c t i v a t e ds l u d g em o d e l u s e d ，v i at h en e u r a ln e t w o r k sp r e d i c t i o nm o d e lt og e tt h ep r e d i c t i o n r e s u l t s b yc o m p a r i n gt h er e s u l t so ft h et w om o d e l s ，s h o wt h a tt h en e u r a l n e t w o r k sm o d e lh a sb e t t e re f f e c t t h ea u t h o ra l s oi n t r o d u c e st h es t r a t e g ya n ds c h e m eo ft h ep l a n s a u t o m a t i cc o n t r o ls y s t e m ，a n dc o n c l u d e st h ep o t e n t i a lp r o b l e m so ft h e l o n g d i s t a n c es u p e r v i s i o na n dm a n a g e m e n t ，a n db r i n g sf o r w a r dt h es e t t l e m e t h o do f t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e m f i n a l l yt h ea u t h o rp u to u tt h eg e n e r a lc o m m e n to ft h et h e s i s ，a n d m a k e st h ee x p e c t a t i o no fa u t o m a t i cc o n t r o lt e c h n o l o g yd e v e l o p m e n ti n t h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s k e yw o r d s w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ，n e u r a ln e t w o r k s ，m o d e l ，p r e d i c t i o n ， c o n t r o l 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行 研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文 不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙 江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作 出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明 的法律责任。 作者签名：叶资亍 日期：如咕年 胃z 。日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存 和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囱。 ( 请在以上相应方框内打“、，”) 作者签名：叶於于 导师签名：捧客欠j lo v7 日期：2 0 蜱y 月2 - 日 日期：q - 巾广月扣曰 浙江工业大学硕士学位论文 第一章前言 1 1 水污染与污水处理现状 水资源的可持续利用和水环境的有效治理，已关系到我国能否在新世纪实现 经济、社会和环境的可持续发展。二十世纪以来，随着我国工农业迅速发展，城 市人口快速增长，生产和生活的用水量也随之剧增。大量工业废水和生活污水排 入江河湖泊，渗入到地下，造成了地下水源的严重污染，并直接威胁到所有生物 的生存。严重的水污染问题已经弓l 起社会各界的高度重视，水污染防治和水环境 保护已成为我国环境保护工作的当务之急。 我国的废水、污水排放总量约占世界的3 ，单位产值废水排放量为世界平 均值的3 倍。近几年我国工业废水和生活污水的排放量如表1 - 1 所示。 表1 1我国近4 年工业废水和生活污水排放量( 亿吨) 【1 年度排放总量工业废水排放量生活污水排放量 2 0 0 04 1 5 01 9 4 02 2 1 o 2 0 0 14 2 8 o2 0 1 02 2 8 0 2 0 0 24 3 9 52 0 7 ，22 3 2 3 2 0 0 34 6 0 02 1 2 42 4 7 6 由于城市居民所产生的生活污水、各工业企业在生产过程中产生的工业废水 或经过初步处理后的工业废水，往往都排入城市排水系统，因此在本文中把以上 这部分污水称为城市污水【2 。 2 0 0 3 年，我国城市污水处理率仅为2 5 8 1 3 】，至2 0 0 4 年，城市污水处理率 增加至4 2 ，全年城市污水日处理能力达7 4 0 2 万立方米，比上年增长1 1 7 【4 】。 虽然污水的处理总量有了很大提高，但是仍有大量城市污水未经过处理而直接摊 浙江工业大学硕士学位论文 放，成为了二次污染源。 目前我国的污水处理厂普遍存在处理率低、处理成本高、生产管理落后、自 动控制水平低等问题。2 0 0 4 年6 月，全国环境监察系统对全国城市污水处理厂 运行情况开展了专项检查，环保总局等六部门公布了检查结果：接受检查的5 3 2 座污水处理厂，2 7 5 座非正常运行，占5 1 7 。非正常运行的污水厂中，基本没 有正常运行4 3 座，占8 1 ：运行负荷不足3 0 的有1 2 1 座，占2 2 7 ；出水水 质超标的1 1 1 座，占2 0 9 ，平均超标天数为1 5 2 天。年设计处理总量为1 4 5 6 亿吨，而实际处理量仅为9 5 9 亿吨，仅为设计处理能力的6 5 9 ，远远满足不了 待处理的污水量需求 5 1 。特别是些小型的污水处理厂由于资金不足，技术力量 薄弱，缺乏具有专用传感器的检测仪表，很多重要状态参数都靠人工取样、离线 检测分析得到，单靠人工经验来调整设备的运行状态，常常会导致出水水质的不 稳定，因此严重制约了污水处理技术水平的发展。 为防治水污染和保障天然水体的水质，国家环保局于1 9 8 8 年颁发了污水 综合排放标准( g b8 9 7 8 - - 8 8 ) ，又于1 9 9 6 年重新对该标准进行了修订( g b8 9 7 8 1 9 9 6 ) 。2 0 0 0 年3 月，国家还颁布了中华人民共和国水污染防治法实施细则， 加强对地表水和地下水污染的防治以及水污染防治的监督管理等。建设部、科技 部和国家环保总局2 0 0 0 年联合发布了城市污水处理及污染防治技术政策，要 求到2 0 1 0 年，城镇污水处理率不低于5 0 ，设市城市不低于6 0 ，重点城市不 低于7 0 的目标。未来1 0 年，联合国工业发展组织将在中国投资3 0 0 亿美元用 于大城市的污水治理；世界银行也将在中国投资2 0 亿美元，用于援助援助1 5 个治污项目。 1 2 污水处理过程自动控制的意义 污水处理厂运行期间会受到很多外部干扰，如进水量突变、污染物负荷改变、 天气变化和工业废水带入有毒有害物质等。许多污水处理厂还存在着许多内部干 扰，如浓缩池上清液的回流对初沉池产生的干扰和水泵运行工况对整个生产的干 扰。由于污水处理厂运行过程中是众多干扰作用的动态过程6 1 。这便要求污水处 理厂能够及时快速地调整运行条件，以适应工厂运行状况的变化，保证出水水质 2 浙江工业大学硕士学位论文 的达标。由于氧从气相传递到液相并溶解于其中需要1 5 3 0 m i n 时间，曝气量的 变化并不会很快地影响反应器中的d o 浓度，因此必须对系统进行提前预报以改 变运行条件。如果污水处理厂不具备较强的抗干扰能力，其出水水质便会不达标， 为此将在一定的时期内花费大量的人力和物力进行补偿，这在各方面都是得不偿 失的。在污水处理厂自动化控制方面，发达国家投入了大量资金和科研力量来加 强污水处理设施的监测、运行和管理，实现了污水处理过程的计算机控制、报警、 计算和瞬时记录等功能。 美国在2 0 世纪7 0 年代中期开始进行对污水处理厂自动控制研究，目前主要 污水处理厂均已实现了工艺流程中主要参数的自动测试和控制。与国外相比，我 国污水处理自动控制研究起步较晚，进入9 0 年代以后才开始在污水处理厂引入 自动控制系统，但大多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制系统在污水 处理厂的应用还较少；对污水处理工艺设旎的工艺开发、工程设计和运行管理中 还未普遍采用系统仿真和控制技术，在污水处理操作单元自动控制的研究和开发 方面仍远远落后于发达国家，控制系统软件方面的落后也限制了污水处理厂自动 控制技术的应用。 污水处理的运行费用是庞大的、长期的，其发展趋势必然是由粗放型向集约 型转变。改进污水处理工艺，并采用先进的自动化设施和控制策略可以大大降低 能耗、物耗，提高出水水质，因此在污水处理过程中采用自动控制技术便存在着 一个潜在的市场，如何开发这个潜在市场将具有重要的经济意义和社会意义。 1 3 研究内容和论文结构 曝气池溶解氧的预测系统，可以最大限度地适应被控对象的复杂性，具有控 制精度高、响应快、超调小和控制规律简单等优点，可以大幅度提高污水处理效 率，确保出水水质的稳定并达标排放。通过对自动控制系统进行优化，可以提高 工艺指标及自动化程度，减轻操作人员的劳动强度，特别在当前电力紧张的情况 下，可以达到节电降耗，降低污水处理的成本的目的。 本文结构如下： 第一章：首先简单介绍了水污染处理现状和污水处理过程先进控制的意义， 浙江工业大学硕士学位论文 并简述了论文的研究内容： 第二章：简述了控制理论的相关概念和控制系统的发展历程，并对污水处理 过程先进控制现状进行了综述； 第三章：简单介绍了污水处理过程工艺和污水处理厂的运行情况； 第四章：在活性污泥1 号数学模型的基础上，建立了简化的活性污泥数学模 型，并根据污水处理厂的运行情况对数学模型进行了校正，根据进水水质条件对 曝气池运行状况进行了预测研究； 第五章：建立了活性污泥的神经网络预测模型，首先用污水厂运行数据进行 训练，并用污泥数学模型的同组数据进行神经网络预测研究，通过与活性污泥数 学模型的预测结果进行比较，证明神经网络模型具有更佳的预测性能； 第六章：介绍了污水处理厂的自动控制系统结构，并指出了污水处理过程中 自动控制系统所存在的问题，提出了全厂控制系统的优化策略； 第七章：对论文内容进行总结，并展望了今后发展的方向。 4 浙江工业大学硕士学位论文 第二章污水处理过程先进控制技术 2 1 控制系统简介 自动控制技术的深入发展和广泛应用，给工业界带来了革命性的变化。到目 前为止，几乎每个行业的发展都离不开自动控制技术的应用。 传统自动控制技术普遍采用的是p i d 控制，大约有8 0 的控制回路都是采 用p i d 控制。p i d 控制技术运用时域分析法和频率法对控制系统进行描述、分析 和设计，半个世纪以来在工业过程控制中发挥了重要作用，并解决了生产过程中 许多控制问题。 现代控制技术利用现代控制理论与计算机的最新技术进行系统设计，与常规 控制技术相比，它适用于系统的综合与解析设计，更适于多输入多输出和多回路 的复杂系统设计，受到工程界越来越多的重视，著得到了广泛应用。现代控制理 论包括线性系统理论、系统辨识、最优控制和自适应控制等，它从理论上解决了 系统的可控性、稳定性问题以及许多复杂系统的控制问题。 经典控制理论和现代控制理论仍存在着不少遗留问题，在实际应用中仍存在 不少困难。由于大多工业过程为具有大时滞、非线性、强耦合和多干扰等特点的 非线性控制对象，因此难以对其建立精确的数学模型，而且即使付出了高昂的代 价建立了精确模型，也会由于对象结构和参数的变化，使根据该数学模型所建立 的最优控制策略无实际应用价值。智能控制理论和集成控制理论正在此背景下应 运而生的，它们根据生产过程的动态特性建立相应的动态数学模型，并通过计算 机完成复杂运算来实现控制策略，以满足生产过程中被控对象的复杂控制要求。 控制理论的发展大致分为5 个阶段，如表2 - 1 所剥”。 系统参数是指整个系统中在一定时期内为定值的参数，包括操作变量、干扰 变量、状态变量和输出变量。就污水处理系统而言，主要的系统参数有生化反应 器容积、氧总转移系数、沉淀池体积和生化反应动力学参数等。 浙江工业大学硕士学位论文 表2 - 1 控制理论发展阶段 时间 理论实际应用背景 5 0 一6 0 年代单变量控制理论( 经典控制理论)单机自动化 6 0 一7 0 年代多变量控制理论( 现代控制理论)机组自动化 7 0 8 0 年代大系统理论控制管理综合自动化 8 0 9 0 年代智能控制理论智能自动化 9 0 年代2 l 世纪集成控制理论网络控制自动化 污水处理过程的操作变量有曝气池的空气流速、曝气时间、进水量，沉淀池 的污泥循环比和剩余污泥排放量等。 干扰变量主要是指系统外部或者系统本身的不确定因素，不容易对其进行预 测和控制，但它能干扰整个系统的稳定运行。污水处理过程的干扰变量包括污水 流量、污染物负荷、水温和污水水质变化等。 状态变量是指决定过程状态的变量，主要包括质量组分、能量和动力要素等， 但这些变量在实际过程中很难测量得到。污水处理系统的状态变量主要有活性污 泥生长状况和系统稳定性等。 输出变量也称为被控变量，其与过程状态变量在一定程度上有关联，如生化 反应器中的d o 、出水的c o d 、d o 和m l s s 等。 在污水处理过程控制系统系统设计重，如何选择合适的输入变量作为操作变 量是一个关键问题，可遵循的指导原则如下【8 】： ( 1 ) 应该选择对被控变量影响比较大的那些输入变量作为操纵变量，即操作 变量至被控变量之间的控制通道的增益选得比较大： ( 2 ) 应选择对被控变量作用速度比较快的那些输入变量作为操作变量，这样 可以使控制的动态响应比较快； ( 3 ) 应选择变化范围较大的输入变量，这样可以比较容易地控制被控变量【9 】。 就污水处理过程自动控制系统而言，充分考虑到系统参数的情况，预测干扰 变量对系统造成的干扰，并及时改变操作变量，使输出变量稳定在合理的范围内 是其主要的控制目标。 6 浙江工业大学硕士学位论文 早在= 十世纪中叶，人们就开始将p i d 控制策略应用于工业过程中，并实现 了基地式仪表控制系统。经过几代科学家的努力，控制系统的形式取得了飞速发 展，控制系统的发展历程如表2 - 2 所示。 表2 - 2 控制系统的发展历程 年代发展历程 1 9 4 0 1 9 5 0 单回路p i d 控制系统 基地式仪表控制系统 1 9 5 1 9 6 0 电动单元组合式模拟仪表控制系统 1 9 6 0 1 9 7 0可编程逻辑控制器 高密度单回路控制器 1 9 7 1 9 8 0 中央控制室，电子化仪表，改进仪表供电系统 c r t 操作的分散控制系统 1 9 8 0 1 9 9 0数字计算机控制广泛使用 复杂数字仪表装置 生产过程优化控制 可编程控制器 1 9 9 0 现在在线分析仪器 污水处理过程控制系统的控制目标主要有以下几点 ( 1 ) 保持合适的生物数量； ( 2 ) 保持良好的混合； ( 3 ) 保证足够的负荷和溶解氧浓度； “) 保持曝气池不受非正常水力冲击； ( 5 ) 保持良好的分离特性； ( 6 ) 保持合适的水力停留时间和污泥回流量。 7 浙江工业大学硕士学位论文 2 2 各工段先进控制的应用 自2 0 世纪8 0 年代以来，模糊理论和神经网络在厌氧消化过程自动控制研究 中得到了成功应用，而且模糊神经网络模型在污水处理过程仿真、预测和控制等 方面研究中均表现出较大优势。污水生物处理系统的控制变量( 即控制系统的输 出) 主要有曝气池的曝气量、气量的空间分布、各阶段停留时间、污泥回流比和 剩余污泥的排放量等。 下面就近几年来国内外自动控制技术在主要污水处理工段的应用情况进行 综述。 2 2 1p h 控制 通常待处理的污水进水p h 变化很大，为保证废水处理效果，特别是鉴于后 续物理化学处理过程或生物处理过程的需要，必须将废水的p h 值调整到一定范 围内。近几年来，污水处理过程的p h 控制已得到越来越多研究者的关注，并纷 纷采用各种先进控制理论和控制方式来解决这一难题，针对不同的应用场合和工 艺条件均已取得了较好的控制效果1 0 1 。 吴建辉等采取仿人智能模糊控制策略对酸性废水进行了p h 控制研究，以 p h 偏差e 和p h 偏差变化率e 作为控制系统的输入，以碱液阀门开度增量u 为控制变量，按最大隶属度原则得到实际的阀门开度u 。实际应用结果表明，该 模糊控制策略所取得的控制效果远优于常规的p i d 控制效果。 石红瑞1 2 1 等采取模糊控制算法进行炼油厂待处理污水的p h 控制研究，在二 曝池前、后段分别投入应用，p 8 控制精度可达到士o 2 ，满足了污水处理的工艺 要求。 根据p h 对象的特性曲线，何小其等设计了一种非线性增益补偿方法，对 p h 静态增益的变化进行补偿，同时运用了抑制p h 超调的前馈加反馈非线性控 制模型，顺利实现了p h 的闭环控制，最后成功实现了p h 的精确控制。 h u r o w i t z 1 4 1 等设计了污水中和处理过程的双反应物有序注入p h 控制器，利 用该双反应物有序注入结构可以估计出过程的一级正时滞模型放大系数。根据 h a a l m a n 转换规则，利用比例积分控制策略对一级正时滞模型进行转换，估计出 浙江工业大学硕士学位论文 污水中和处理过程的时间滞后和时间常数。 另外，李辉、张庆岚等在污水处理过程的p h 控制策略研究上都作了许 多研究，对制药、化工等行业具有极其重要的现实意义，也具有很广的应用前景。 2 2 2 曝气池控制 曝气池是按照微生物的生活特性所设计的生化反应池，有机污染物质的降解 能力主要取决于微生物的实际需氧量和所供给微生物溶解氧量的接近程度。根据 微生物的耗氧代谢过程，通过合理的曝气手段将氧供给微生物，实现微生物的良 好生长。在污水生物处理系统中，曝气池是最大的耗能单元，曝气池的最优控制 对节约能源具有很重要的经济意义【l ”。 好氧处理是污水处理过程的一项重要工艺方法，当废水与曝气池中已驯化的 活性污泥混合时，易降解有机物立即被“吸附”，这些有机物被贮存在细胞内而 用于后续的氧化反应。随着曝气过程的进行，剩余有机物的去除将持续发生，好 氧速率会随被吸附有机物的降解而发生变化。根据微生物的耗氧代谢过程，通过 合理的曝气手段和最低的能耗使微生物处在最佳状态。 近年来国内外研究者纷纷采用先进控制策略来实现曝气量的最优控制。曾薇 等【1 8 】根据溶解氧浓度及变化情况预测进水有机物的浓度，实现了以污水处理过 程的曝气量模糊控制。以在线检测得到的反应初始阶段d o 值( d o o e ) 作为被控制 变量，曝气量为控制变量来设计模糊控制系统。在设计模糊控制系统过程中，以 在线检测d o o f r 与设定d o 标准浓度0 s ) 的偏差e i 作为模糊控制器的一个输入 变量，采样周期为l m i n ，将采样周期后该偏差e i 的变化量c e i 作为模糊控制器 的另一个输入变量。在试验基础上，通过分析d o 与有机物降解及曝气量之间的 关系，建立了以模糊语言表示的模糊控制推理合成规则和模糊控制规则。 t z e n g 1 9 1 建立了富氧活性污泥过程的动态数学模型，对各种操作条件下的氧 传递速率进行了仿真研究，结果表明该优化控制系统比传统控制系统能减少1 8 的充氧量，从而节省了3 0 的曝气能耗。 r i e s c o 等 2 0 1 提出了应用于生物处理过程的自适应专家控制系统，对溶解氧进 行精确控制并对操作程序实现了优化。 欧林林等【2 1 1 采用模糊控制算法来控制污水处理过程中的溶解氧，并设计了溶 浙江工业大学硕士学位论文 解氧模糊闭环反馈控制系统，并将其应用在多元模块化组合式系列污水处理设备 中，实现了曝气池溶解氧的计算机在线控制，取得很好的控制效果，显示出强大 的优越性，而且这也是将来污水处理过程控制形式的一种发展趋势。溶解氧浓度 和鼓风机风量控制示意图如图2 1 所示。 图2 1 溶解氧浓度和鼓风机风量控制示意图 2 2 3 厌氧过程控制 厌氧消化适用于处理有机负荷较高的废水，是一种有效、经济的废水处理技 术。在密闭反应器的厌氧发酵条件下，废水中的有机底物( b o d ) 与微生物( 甲烷 菌) 接触，底物被微生物降解去除，同时产生沼气。由于废水的组成、浓度等都 会随时间而变化，反应过程在较宽的范围波动，采用传统控制理论和控制方式对 其进行控制的效果并不理想，于是国内外研究者纷纷采用先进控制理论和控制方 式对其进行控制，结果表明各种先进控制理论和控制方式可以对污水处理系统进 行有效控制吲。 b e r n a r d 等【2 3 针对厌氧消化池的动态特性，对有机碳、碱度和挥发性脂肪酸 的浓度实现了软测量，传感器的预测行为接近于实际的离线测量值，模型的自适 应线性控制器和模糊控制器可以将中间产物的碱度与总碱度的比率控制在0 3 内，从而保持系统的稳定，并避免了v f a 的过量积累。通过对系统进行相应调 整，控制效果表明即使存在较大的有机物负荷波动，控制器也可以很好地保持 l o 浙江工业大学硕士学位论文 t a 和p a 的比率低于0 _ 3 。 f l o r e s 等 2 4 1 建立了基于半定量知识的单元操作生产规则专家系统，通过对操 作条件进行自动修正，可以保证生物处理过程的稳定性。 t a y 等2 5 1 建立了厌氧处理系统的神经模糊模型，可提前1 小时预测出高效厌 氧系统的有机负荷扰动，在各种系统结构和操作条件下均具有很好的自适应能 力。 c a r r a s c o 掣2 6 1 建立了基于专家知识的模糊逻辑诊断系统，根据系统输入对污 水处理厌氧发酵过程状态进行预测，取得了很好的预测效果。 s i m e o n o v 【2 7 】、m a i l l e r e t 28 1 、m e n d e z 2 9 】和m u r n l e i t n e r t 3 0 1 都对厌氧消化过程的 智能控制进行了大量的研究，不断推动着先进控制技术在污水处理过程中的应 用。 2 2 4 混凝剂投加控制 混凝技术可以使水中分散的胶体物质聚集成为相当大的颗粒而除去，其机理 比较复杂，制约混凝效果的影响因素众多，不能通过简单的分析方法来分析混凝 效果。传统的控制方法很难分析各个因素之间的影响关系，控制效果较差，而采 用先进控制技术可以实现混凝剂投加的自动控制。 宋启斟3 1 1 等研究了混凝荆加注量的自动控制，在挣水过程中，通过计算机 实时采集和定量分析絮凝池中絮体图像，算出絮体沉淀“等效直径”作为控制混 凝剂加注率的目标值，通过沉淀水浊度反馈来自动调整设定值，每隔3 0 m i n 将沉 淀水浊度的测量值与目标值之差加上s m i t h 预估修正项，经p i d 运算后改变絮体 等效直径的设定值。实验数据表明，该方法能适应水质和其他因素的变化，自动 调整加注量，达到稳定沉淀水浊度的目的。 s y u 等3 2 1 建立了污水处理过程中的化学氧化模型，分析了p h 和吸附剂对混 凝效果的影响，应用反馈神经网络对污水处理系统实施在线自适应控制，并运用 现场操作数据对神经网络控制器进行训练，训练结果证明了该模型具有较好的控 制效果。 白桦等3 3 】运用神经网络建立了净水厂的混凝剂投加量预测模型，以进水浊 度、p h 、色度、温度和流量为神经网络的输入，以混凝剂的投加量为神经网络 浙江工业大学硕士学位论文 的输出，实际运行结果表明该模型具有良好的预测效果。该先进控制方式还可以 推广到污水处理过程以外的其他行业中，具有广大的实际应用前景。 2 2 5 其他工段控制 先进控制理论在污水处理过程中的应用研究已日趋深入，b o n g a r d s 掣3 卅论述 了高有机负荷和高氮化物的污水处理过程排泥方法，提出了可以提前1 小时预测 出水水质的神经网络算法，并采用模糊控制器控制加药量。在除磷剂投加控制中， 施汉昌阁等建立了表示进水b o d 5 、水量、污泥浓度与除磷速率之间关系的简单 经验模型，并用于估计生物除磷量，计算得到化学除磷所需的药剂量。在污水处 理的其他工段，众多控制理论界专家和污水处理专家在水量预测f 3 6 、机泵优化 节能【3 7 1 、排泥【3 8 j 和系统优化3 明等方面都作了大量的研究，并已经取得了很好的 应用效果。 2 - 3 小结 先进控制理技术的应用可以改变污水处理厂人工调节操作处理不及时、效率 低的现状，降低污水处理成本，提高处理效率。其中智能控制技术在污水处理中 应用较跪( 只是近2 0 年才逐渐得到应用) ，而且大多数仍停留在实验室研究阶段， 很多地方还很不完善 4 0 1 。 目前污水处理过程的先进控制存在着以下问题： ( 1 ) 采用传统控制理论建立的污水处理自动控制系统在实际工程应用上存在 出水水质波动较大等问题； ( 2 1 虽然可以采用o r p 和d o 值作为控制参数来控制出水水质和减小曝气 量，但是这些参数本身的测定存在一些不准确性； ( 3 1 污水处理自动控制系统需要大量阀门、泵、鼓风机、吸( 刮) 泥机和搅拌器 等机械设备，但是目前我国生产的许多设备存在一些质量问题，使用寿命较短， 因此严重影响了自动控制效果。 由于先进控制技术应用到实际的污水处理过程中可以取得十分理想的控制 效果，因此通过加强城市污水处理系统的智能控制研究，以提高污水处理控制效 率、降低污染物质的处理费用将具有十分重要的现实意义。 浙江工业大学硕士学位论文 第三章污水处理过程生产工艺 3 1 污水处理工艺概述 污水中的污染物可根据化学性质和物理形态不同进行分类：按化学性质可分 为有机性物质和无机性物质；按物理形态可分为固体悬浮物( 即呈颗粒状的污染 物质) 、胶体污染物质和溶解性污染物质；根据微生物队有机污染物的降解性可 以将有机污染物分药可降解有机污染物、南生物降解有机污染物和不可生物降解 有机污染物 4 i j 。 污水处理技术按其原理不同可分为物理处理法、化学处理法和生物化学处理 法三大类。物理处理法是利用物理作用分离污水中呈悬浮状态的固体污染物质， 包括沉淀法、气浮法、过滤法等：化学处理法是利用化学反应的作用，回收污水 中处于各种形态的( 悬浮、溶解、胶体等) 污染物质，包括中和、混凝、电解、氧 化还原等；生物化学处理法是利用微生物的代谢作用，使污水中呈溶解、胶体状 态的有机污染物转化为稳定的无害物质，包括好氧氧化法和厌氧还原法。有机物 的种类很多，其共性是在微生物的作用下被降解时，都要消耗水中的溶解氧。由 于生活污水和工业污水中的污染物成分复杂，往往需要通过由几种处理方法的组 合，才能达到处理的要求。 污水处理过程非常复杂，按处理深度不同可分为一级处理、二级处理和深度 处理。 ( 1 ) 一级处理过程：废水进入污水处理厂后进行最简单的物理处理，主要用 以去除水中泥砂、悬浮物和胶体物质，并具有中和或调和功能。常用的构筑物或 设施有格栅( 或筛网) 、沉砂池、气浮调节池、沉淀池( 或隔油池) 、过滤设备和离 心机等。有些高浓度废水在进行净化处理前往往先回收水中的有用物质，这种预 处理过程也列入一级处理； ( 2 ) 二级处理过程；大幅度地去除污水中悬浮物和可生物降解有机物( 即 浙江工业大学硕士学位论文 b o d 物质) ，去除百分率可达9 0 以上。二级处理方法包括化学处理法、好氧生 物处理法、活性污泥法、生物膜法和厌氧生物法； g 1 污水的深度处理；进一步去除二级处理出水中的残余污染物，所使用的 主要处理构筑物或设施有混凝沉淀池、砂滤池、活性炭吸附塔、生物曝气池、离 子交换柱等。通过消除臭味和色度可以大大提高出水的稳定性，防止受纳水体的 富营养化。下表3 1 给出了污水处理的些主要方法。 表3 - 1 污水处理主要方法 处理级别处理方法主要工艺 一级处理沉淀法沉淀、过滤 初次沉淀 生物膜法生物膜法 二级处理二次沉淀 初次沉淀 活性污泥法曝气 二次沉淀 氯化法 臭氧氧化法 生物化学法化学沉淀法 离子交换法 深度处理简化吹脱法 反渗透 物理法膜处理 活性炭吸附 超滤法 1 4 堑婆王些盔堂堡圭主垡丝塞 工业发达国家的城市污水处理开始得较早，一般以一级处理为预处理，二级 处理为主体工艺，深度处理使用得相对较少。 国内外对污水处理技术方面进行了很多研究，新近发展的水处理技术主要有 改良活性污泥法、细菌处理法、超临界水氧化法、光催化氧化、超声声化学氧化 法、电化学氧化法、湿式氧化法、焚烧法、药剂催化法、生物絮凝法、电絮凝法、 磁絮凝法和磁分离法等【4 m 。 污水生化处理属于二级处理，它以去除不可沉降物质和溶解性可生物降解有 机物，促进有机物在自然界循环中的无机化过程为主要目的。污水的生化处理工 艺构成多种多样，可分成活性污泥法、生物膜法、生物稳定塘法和土地处理法等 四大类，目前大多数城市污水处理厂都采用活性污泥法。二级处理主要是生物处 理，其原理是通过生物化学的作用，尤其是微生物的作用，完成有机物的分解和 生物体的合成，将有机污染物转变成无害的气体产物( c 0 2 ) 、液体产物( 水) 以及富 含有机物的固体产物( 微生物群体或称生物污泥) ，多余的生物污泥在沉淀池中经 沉淀池固液分离，从净化后的污水中除去【4 ”。 污水处理工艺主要根据废水特性、处理规模、处理程度及当地具体条件等进 行选择，其中具体处理工艺应具有较强的针对性，符合处理废水的要求，且具有 较强的适应性，能适应不同负荷变化，造价合理，管理方便，运行稳定，维修方 便，并节省能耗】。 3 2 活性污泥法 活性污泥法在城市污水中，特别是在规模较大的场合，占有极大优势，成为 目前应用得最多的污水生物处理方法。污水进入处理厂，首先由格栅将粒径较大 的固体从污水中隔除，通过总泵房将污水泵入曝气沉砂池除去砂石，然后污水到 达初沉池进一步沉淀，沉淀后的混合液进入曝气池，经过活性污泥处理后的混合 液进入二沉池，进行固液分离，通过沉淀将活性污泥与水分离，澄清后排出处理 系统。经过沉淀浓缩的污泥从沉淀池底部排出，其中一部分作为接种污泥回流到 曝气池，多余的一部分则作为剩余污泥排出系统。其处理过程的典型流程如下图 3 1 所示【4 5 1 。 浙江工业大学硕士学位论文 图3 - 1 活性污泥典型工艺流程 溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n ，d o ) 是指溶解在生活污水或其他液体中的分子氧， 是鱼类和好氧菌生存和繁殖所必需的物质。当水源被有机物污染后，水中好氧菌 利用水中的溶解氧氧化有机质，该过程使水中溶解氧不断减少，甚至接近于零， 这种情况下厌氧菌就会大量繁殖，使有机物腐败，水变黑发臭。有机物被氧化可 以用生化需氧量( b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ，b o d ) 来衡量，b o d 即指水中有 机物质在微生物的作用下，进行氧化分解所消耗的溶解氧量，水中有机物愈多， 水的b o d 就愈高，从而溶解氧减少，因此水中溶解氧含量可作为判断水体是否 受到有机物污染的一个重要指标。污水中溶解氧浓度极低，在水处理过程中污水 的自然复氧速度慢，不能满足微生物( 主要为细菌) 对溶解氧的需求量，因此必须 用机械方法向污水中补充溶解氧。 活性污泥法是以活性污泥为主体，融合生物、化学、物理及生物化学等反应 过程的水处理技术。活性污泥反应器曝气池作为核心处理设备，其它设备还 有二沉池、污泥回流系统和空气扩散系统等【】。 活性污泥法处理污水过程大体分为三个过程：曝气池中有机污染物与活性污 泥形成混合液，通过人工曝气向水中增加溶解氧并使污水中的有机物分散均匀， 污水中呈悬浮和胶体状态的有机物被吸附到具有极大表面积的生物絮体表面；生 存在污泥絮体上的各种细菌利用胞内酶或胞外酶使废水中的有机物被水中溶解 浙江工业大学硕士学位论文 氧氧化成较小分子，该过程消耗污水中的溶解氧，并生成c 0 2 和n 2 0 等稳定物 质，同时产生供自身生长、繁殖的能量；微生物也将污水中部分有机物合成新的 细胞物质。有机物好氧生物降解模式如图3 - 2 所示。 图3 2 有机物好氧生物降解模式 从有机物好氧生物降解模式图中可以看出，微生物在有氧的条件下，为了维 持自身的生长繁殖而进行的新陈代谢活动可包括以下三个部分，并同时存在。 ( 1 ) 部分底物被微生物作为食料消耗并被用来合成新的微生物细胞，即合成 ( 同化过程) 。 c o h n s ( 有机物) + 0 2 + 细菌+ 能量 c 5 h 7 n 0 2 ( 新生细菌细胞) 3 1 r 2 ) 底物的另一部分通过氧化转为无机物质( c 0 2 等) ，其产生的能量供细胞作 为维持它正常技能所需的能量，例如合成、繁殖和变异( 异化过程) 。 c o h n s ( 有机物) + 0 2 + 细胞 c 0 2 + h n a + 其他最终产物+ 能量 3 - 2 ( 3 ) 细胞物质自身的代谢，部分细胞物质转化为无机物，即内源呼吸( 自身氧 化作用) 。 c 5 h 7 n 0 2 + 0 2 5 c 0 2 小m 3 + 2 h 2 0 + 能量 3 3 以上各反应式中，c o h n s 代表废水中有机物，c 5 h 7 n 0 2 代表细胞组织。 水中溶解氧浓度大小对污水处理的运行有很大影响：曝气量过大，不但会浪 费动力，增加运行成本，还会破坏污泥曝气池中的活性污泥絮体的凝聚，使细菌 1 7 浙江工业大学硕士学位论文 的处理能力降低，还可能会造成污泥膨胀等问题；曝气量过小，水中微生物供氧 不足而缺乏活性，对有机物的分解能力降低，使处理水出水水质达不到处理要求。 若曝气池内混合强度不够，或需要考虑污泥絮体内部的d o 浓度梯度，则曝气池 的d o 浓度需要更高。曝气系统工作时间与曝气池内的溶解氧浓度成正比，d o 浓度直接关系到曝气装置的运行时间，从而涉及能耗和系统运行费用。 活性污泥法污水处理大致有如下三个过程： ( 1 ) 除碳：栖息在活性污泥上的微生物群体利用水中的溶解氧，通过其自身 的新陈代谢将污水中的有机污染物转化为稳定的无机物质，并从液体中分离出 去： ( 2 ) 除氮：污水中存在着有机氮、氨态氮及少量硝态氮。脱氮过程由三部分 组成：氨