论文部分内容阅读
【摘 要】从系统控制的角度对污水生物处理系统的特点进行了分析，并分析智能控制技术发展迅速并且应用领域遍及污水生物处理的各个层面，且取得了良好的效果。
【关键词】污水生物处理；智能控制
Application and development trend of urban sewage treatment Intelligent Control System
Wang Jun-wei
（Handan Perry Energy Saving Control Technology Co.， Ltd Handan Hebei 056000）
【Abstract】From the perspective of system control features of biological wastewater treatment systems were analyzed and analyzes the rapid development of intelligent control technology and applications across all levels of biological wastewater treatment， and achieved good results.
【Key words】Biological wastewater treatment；Intelligent Control
1. 污水生物处理系统中的智能控制
1.1 模糊控制。
（1）Tong R.M.首次将模糊控制应用于污水处理巾.可采用的局部控制措施有三类：调节曝气池D0浓度、调节污泥回流比、改变剩余污泥排放量.步骤是：将出水BOD、SS、曝气池MLSS、D0及出水氨氮浓度、回流污泥量等的监测数据作为输人变量输入该系统，“模糊化”以后再与规则集进行匹配，随即确定可用规则和相应控制手段。
（2）Mark T.Yin研究了四种模糊逻辑控制系统，结果表明，在正常条件下，模糊控制比常规的反馈控制系统更节约能源，减少D0波动，稳定进水流量以及出气流速.为了解决暴雨来临的情况还开发一种自适应模糊逻辑控制系统，这种系统可以在进水流速有很大的变化的时候自动将系统调整至一个新的状态。
（3）Manesis s.A.提出了一个可以嵌入商业PLc的污水处理厂智能控制系统.提出的智能控制器以A/o工艺为基础，输人参数包括反应器中的N-N嘎、N-N0；D0、温度、MLSS以及原污水与二沉池出水的BOD之差等6个变量；控制变量包括好氧段的供氧量、从反应器曝气段到缺氧段的混合液回流比和从二沉池到生物反应器的污泥回流比.对输人和输出参数进行了模糊化和清晰化；控制规则来自专家操作员和管理人员，由IF-THEN语句表达.在希腊佩特雷市污水处理厂进行仿真，在各种运行条件下检测其性能，表明与人工操作员相比有很大优势。
（4）污水处理过程中，预曝气、脱氮、好氧眄泥消化等消耗大量能源，约占整个污水处理厂能源消耗的50%，因此对曝气过程进行控制具有重大实际意义。Ferrer J开发了模糊逻辑控制系统并将其应用于中试规模的BARDENPH0工艺的主曝气区.试验结果表明采用模糊逻辑控制系统的曝气系统节省能源40%，且稳定性提高60%，具有较好的应用前景。
（5）Emst Mumleitner等运用模糊逻辑系统对工业厌氧废水处理进行模糊控制，使系统在底物浓度和进水最有较大变化的情况下仍然良好运行。模糊控制系统采用氢气和甲烷气体浓度、产气率、pH值和酸化缓冲罐的注水水位作为输入变量.控制变量为酸化缓冲罐注入甲烷发生器的水量、两反应器（酸化罐和甲烷发生器）的温度、甲烷发生器的循环比、甲烷发生器回流至酸化罐的水量和酸化罐的进水量。输出变量采用重心法进行解模糊。该系统成功的对两段厌氧工艺处理不同工业废水进行了仿真，还作了系统在闲置数天后在COD为100g/L冲击下的重新启动试验均取得了成功。
1.2 神经网络控制。
（1）Boger根据污水处理厂两年中的每日运行数据库，开发了一个高度仪表化的计算机控制大型污水处理厂的人工神经网络模型。输入变量为86个仪器检测和实验室分析的原污水水质指针结果以及处理厂内部运行参数，输出为19种出水污染物浓度。得到的模型精确的预测r处理厂出水中氨浓度.人工神经网络分析的结果认为15个输入对于输出有意义，用简化的输入集台重新训练增加了模型的准确性识别出的有效人工神经网络模型的简化输入集合符合污水处理厂的生物工艺理论。
（2）Yu Ruey-Fang等将人工神经网络与实时控制联合起来对连续流sBR系统进行控制以提高控制系统的性能.控制系统联合ORP和pH的在线监测与BP神经网络模型，对连续流sBR系统脱氮过程中每一阶段的水力停留时间进行控制以提高脱氮效率。实时控制单元用于判定ORP和pH的突跃点.BP神经网络因能有效地表述复杂系统输入和输出变量间的关系，故用于预测处理系统不稳定状态下ORP和pH的控制点。该控制系统由于引入人工神经网络技术对实时控制参数进行校正，使实时控制系统的稳定性大大增强，并将脱氮过程较好的维持在短程硝化反硝化水平，具有较好的应用前景。
（3）对于生物处理工艺缺乏有效可靠的在线传感器的问题，Dong-Jin choi将复合人工神经网络作为软件传感器对凯氏氮浓度进行推算.其主旨是基于水质参数之间的关系，由已知参数来预测目标参数值.系统采用较易测定的温度、pH值和Tss作为输入值预测，将主要元分析作为资料预处理与人工神经网络结合，组成复合人工神经网络，并与多元回归法和神经网络进行了对比，结果表明由于主要元对资料进行预处理使神经网络的预测准确度大大提高，达到实际应用的水准.应用实际结果表明复合神经网络技术能够从噪音资料中提取信息以及描述复杂污水处理工艺非线性问题，具有较好的应用价值。 1.3 专家系统。
（1）Sung等对处理水质水量变化较大的食品废水处理厂应用在线综合控制系统，主要目标是使出水C0Dcr较地方标准低50%。并且尽量减少曝气费用.此控制系统由两层组成，管理层和程控层。程控层由六个独立的控制环和四个程控变量：进水流速、pH、DO、和MISS组成.在管理层中应用基于规则的专家系统为程控层提供最优控制点.此控制系统已经成功地运行了2年，与不实行控制之前相比，出水C0D。，浓度降低50%，节能约50%。
（2）OhIsuki T.发展了污水处理过程的智能控制系统并且大规模高效率地应用于活污泥程控。在此控制系统中，通过使用其模拟方法及存储在集中数据库中的资料来模拟目标系统的多种软件代表称为“黑箱”。被称作“专家模式”的软件代表包括模糊专家系统、模糊控制器、活性污泥理论模型及通过包括溶解氧测定仪在内的各种在线检测器获得的原始资料的评估。同时提供了应用于处理BOD和人类排泄物中的氮的高效活性污泥法的模型研究。
（3）FLORES设计了一个智能化系统来运行和管理废水处理多级厌氧系统，这个厌氧系统由各自的控制器控制，而这些控制器又通过宽带网与中央管理器相联。每一个厌氧单元控制系统都有一个混合结构，这个结构包括进行数据采集、信号预处理、运行参数计算的算法程序和基于规则的专家系统，这些规则包含各个单元运行的非精确和半定量知识。该专家系统具有模块化结构，容易修改和版本升级，并且系统启动比人工操作要快。
（4）Paul-A应用专家系统对厌氧废水处理进行监测和诊断，系统软件部分的编写由三种语言完成：visual Basic 5 o用于通信和图像处理；Ac-cess7.0用于数据处理；Matlab 5.0用于科学计算.采用可编程控制器PLC进行数据采集并过滤以控制系统鲁棒性.试验采用UASB+UAF厌氧处理工艺处理纤维板工业废水。处理量1.1m5/d。将专家系统应用于该混合工艺进行监测和诊断。试验完成了在不同废水浓度、有机负荷和水力停留时间条件下对控制系统的测试.试验结果表明控制系统能够迅速地做出诊断，并能给出相应的解决措施，从而使废水处理系统在较短时间内恢复到正常状态，制止了恶化的趋势。
2. 国内应用现状及发展趋势
2.1 模糊控制。
（1）彭永臻[1]对硝态氮污染水脱氮处理的新方法——生物电极法采用模糊控制，也能取得较好的控制效果.这项研究根据生物电极脱氮法在线模糊控制系统的组成与基本思想，系统的介绍了输入变景的非模糊化处理和输出变量的非模糊化处理的计算方法，控制变量变化量的换算与计算方法，模糊控制器的设计及其计算机算法，其中包括模糊规则的建立，模糊控制计算机算法及其程序框图等.这种在线模糊控制器具有构造简单，可行性好，可靠性高和稳定性好，对进水硝态氮负荷变化的适应性强等优点，有利于避免过量投加有机物并尽可能节省运行费用。
（2）彭永臻、曾薇等[2～3]采用SBR法处理石油化工废水，根据反应器内有机物降解与溶解氧浓度Do的相关性，提出了以DO作为SBR法的模糊控制参数。通过大量试验，总结出反应初始阶段（8～10min）溶解氧浓度不仅能够间接地反映进水有机物浓度C0D，而且对整个反应过程都有重要影响。溶解氧的高低主要受曝气量大小控制，因此可根据初始阶段溶解氧的浓度及变化情况预测进水有机物浓度，进而实现对曝气量的模糊控制.同时，还发现当有机物不再被降解时，DO迅速大幅度升高，可根据D0变化这一特点实现对反应时间的模糊控制。
2.2 人工神经网络。
郭劲松等[4]根据人工神经网络理论和方法，针对活性污泥间歇曝气系统的特点，提出了活性污泥间歇曝气系统的BP人工神经网络水质模型.通过对模型预测结果与实测值的比较表明：其具有精度高，适应性强，使用方便的特点。这种模型的建立，为活性污泥工艺实现在线智能化控制提供了一条简便的途径。
2.3 专家系统。
施汉昌等[5]开发了用于诊断城市污水处理厂日常运行故障的专家系统。系统采用了正反向混合推理机制，并采用故障树的形式将知识库中的知识组织形式向用户公开，便于用户使用和对系统的维护，本专家系统主要功能为：故障诊断功能；故障检索功能：对污水处理厂运行中经常出现的问题，采用故障列表的形式进行检索，对具体的故障给出原因和解决策略的详细分析；活性污泥法的培训功能：充分利用计算机多媒体的优势，运用文字、图形等多种方式向用户介绍活性污泥法的有关知识，对污水处理厂的职工进行培训.该专家系统在北京某污水处理厂的运用中已取得实际效果。
3. 结论
（1）与国外技术相比，活性污泥污水处理系统的智能控制技术的研究在我国尚处于起步阶段。由于我国能源短缺、污水处理专业人才缺乏加强污水处理系统智能控制技术的研究是当务之急，也是解决目前我国污水处理所采用的自动控制系统引进国外设备的有效方法。随着计算机技术的飞速发展，无论从硬件还是从软件都给发展智能控制带来了机遇。因此，建议国内有关部门多投入一一些人力、物力和财力进行该项工作的研究，使我国污水处理自动化技术赶超世界先进水平。
（2）污水处理设施设计工艺千差万别，污水水质水量差异巨大，即使是同一系统在不同的出水水质要求以及不同的运行阶段其控制要求也不尽相同，应根据具体的情况开发出各自合适的控制系统，增添自适应，自学习功能，综台利HJ模糊控制、人工神经元网络控制和专家系统等智能控制技术的优点，取其之长相互补充，进行混合智能控制系统的研究达到最终的控制目标。
参考文献
[1] 彭永臻.生物电极脱氮法的在线模糊控制Ⅱ模糊控制器的设计及其计算机算法[J].中国给水排水，1999，15（3）：5～10.
[2] 曾薇，彭永臻.以溶解氧浓度作为sBR法模糊控制参数[J]中国给水排水，2000，16（4）：5～10.
[3] 郭劲松，龙腾锐.问歇曝气活性污泥系统神经网络水质模型[J]中国给水排水，2000，16（11）：15～18.
[4] 冯玉强，潘启树.基于神圣网络与专家系统结合的模型自动选择[J].哈尔滨工业大学学报，2001，33（1）：24～27.
[5] 施汉昌，王玉珏污水处理厂故障诊断专家系统[J]给水排水，2001，27（8）：88～90.
【关键词】污水生物处理；智能控制
Application and development trend of urban sewage treatment Intelligent Control System
Wang Jun-wei
（Handan Perry Energy Saving Control Technology Co.， Ltd Handan Hebei 056000）
【Abstract】From the perspective of system control features of biological wastewater treatment systems were analyzed and analyzes the rapid development of intelligent control technology and applications across all levels of biological wastewater treatment， and achieved good results.
【Key words】Biological wastewater treatment；Intelligent Control
1. 污水生物处理系统中的智能控制
1.1 模糊控制。
（1）Tong R.M.首次将模糊控制应用于污水处理巾.可采用的局部控制措施有三类：调节曝气池D0浓度、调节污泥回流比、改变剩余污泥排放量.步骤是：将出水BOD、SS、曝气池MLSS、D0及出水氨氮浓度、回流污泥量等的监测数据作为输人变量输入该系统，“模糊化”以后再与规则集进行匹配，随即确定可用规则和相应控制手段。
（2）Mark T.Yin研究了四种模糊逻辑控制系统，结果表明，在正常条件下，模糊控制比常规的反馈控制系统更节约能源，减少D0波动，稳定进水流量以及出气流速.为了解决暴雨来临的情况还开发一种自适应模糊逻辑控制系统，这种系统可以在进水流速有很大的变化的时候自动将系统调整至一个新的状态。
（3）Manesis s.A.提出了一个可以嵌入商业PLc的污水处理厂智能控制系统.提出的智能控制器以A/o工艺为基础，输人参数包括反应器中的N-N嘎、N-N0；D0、温度、MLSS以及原污水与二沉池出水的BOD之差等6个变量；控制变量包括好氧段的供氧量、从反应器曝气段到缺氧段的混合液回流比和从二沉池到生物反应器的污泥回流比.对输人和输出参数进行了模糊化和清晰化；控制规则来自专家操作员和管理人员，由IF-THEN语句表达.在希腊佩特雷市污水处理厂进行仿真，在各种运行条件下检测其性能，表明与人工操作员相比有很大优势。
（4）污水处理过程中，预曝气、脱氮、好氧眄泥消化等消耗大量能源，约占整个污水处理厂能源消耗的50%，因此对曝气过程进行控制具有重大实际意义。Ferrer J开发了模糊逻辑控制系统并将其应用于中试规模的BARDENPH0工艺的主曝气区.试验结果表明采用模糊逻辑控制系统的曝气系统节省能源40%，且稳定性提高60%，具有较好的应用前景。
（5）Emst Mumleitner等运用模糊逻辑系统对工业厌氧废水处理进行模糊控制，使系统在底物浓度和进水最有较大变化的情况下仍然良好运行。模糊控制系统采用氢气和甲烷气体浓度、产气率、pH值和酸化缓冲罐的注水水位作为输入变量.控制变量为酸化缓冲罐注入甲烷发生器的水量、两反应器（酸化罐和甲烷发生器）的温度、甲烷发生器的循环比、甲烷发生器回流至酸化罐的水量和酸化罐的进水量。输出变量采用重心法进行解模糊。该系统成功的对两段厌氧工艺处理不同工业废水进行了仿真，还作了系统在闲置数天后在COD为100g/L冲击下的重新启动试验均取得了成功。
1.2 神经网络控制。
（1）Boger根据污水处理厂两年中的每日运行数据库，开发了一个高度仪表化的计算机控制大型污水处理厂的人工神经网络模型。输入变量为86个仪器检测和实验室分析的原污水水质指针结果以及处理厂内部运行参数，输出为19种出水污染物浓度。得到的模型精确的预测r处理厂出水中氨浓度.人工神经网络分析的结果认为15个输入对于输出有意义，用简化的输入集台重新训练增加了模型的准确性识别出的有效人工神经网络模型的简化输入集合符合污水处理厂的生物工艺理论。
（2）Yu Ruey-Fang等将人工神经网络与实时控制联合起来对连续流sBR系统进行控制以提高控制系统的性能.控制系统联合ORP和pH的在线监测与BP神经网络模型，对连续流sBR系统脱氮过程中每一阶段的水力停留时间进行控制以提高脱氮效率。实时控制单元用于判定ORP和pH的突跃点.BP神经网络因能有效地表述复杂系统输入和输出变量间的关系，故用于预测处理系统不稳定状态下ORP和pH的控制点。该控制系统由于引入人工神经网络技术对实时控制参数进行校正，使实时控制系统的稳定性大大增强，并将脱氮过程较好的维持在短程硝化反硝化水平，具有较好的应用前景。
（3）对于生物处理工艺缺乏有效可靠的在线传感器的问题，Dong-Jin choi将复合人工神经网络作为软件传感器对凯氏氮浓度进行推算.其主旨是基于水质参数之间的关系，由已知参数来预测目标参数值.系统采用较易测定的温度、pH值和Tss作为输入值预测，将主要元分析作为资料预处理与人工神经网络结合，组成复合人工神经网络，并与多元回归法和神经网络进行了对比，结果表明由于主要元对资料进行预处理使神经网络的预测准确度大大提高，达到实际应用的水准.应用实际结果表明复合神经网络技术能够从噪音资料中提取信息以及描述复杂污水处理工艺非线性问题，具有较好的应用价值。 1.3 专家系统。
（1）Sung等对处理水质水量变化较大的食品废水处理厂应用在线综合控制系统，主要目标是使出水C0Dcr较地方标准低50%。并且尽量减少曝气费用.此控制系统由两层组成，管理层和程控层。程控层由六个独立的控制环和四个程控变量：进水流速、pH、DO、和MISS组成.在管理层中应用基于规则的专家系统为程控层提供最优控制点.此控制系统已经成功地运行了2年，与不实行控制之前相比，出水C0D。，浓度降低50%，节能约50%。
（2）OhIsuki T.发展了污水处理过程的智能控制系统并且大规模高效率地应用于活污泥程控。在此控制系统中，通过使用其模拟方法及存储在集中数据库中的资料来模拟目标系统的多种软件代表称为“黑箱”。被称作“专家模式”的软件代表包括模糊专家系统、模糊控制器、活性污泥理论模型及通过包括溶解氧测定仪在内的各种在线检测器获得的原始资料的评估。同时提供了应用于处理BOD和人类排泄物中的氮的高效活性污泥法的模型研究。
（3）FLORES设计了一个智能化系统来运行和管理废水处理多级厌氧系统，这个厌氧系统由各自的控制器控制，而这些控制器又通过宽带网与中央管理器相联。每一个厌氧单元控制系统都有一个混合结构，这个结构包括进行数据采集、信号预处理、运行参数计算的算法程序和基于规则的专家系统，这些规则包含各个单元运行的非精确和半定量知识。该专家系统具有模块化结构，容易修改和版本升级，并且系统启动比人工操作要快。
（4）Paul-A应用专家系统对厌氧废水处理进行监测和诊断，系统软件部分的编写由三种语言完成：visual Basic 5 o用于通信和图像处理；Ac-cess7.0用于数据处理；Matlab 5.0用于科学计算.采用可编程控制器PLC进行数据采集并过滤以控制系统鲁棒性.试验采用UASB+UAF厌氧处理工艺处理纤维板工业废水。处理量1.1m5/d。将专家系统应用于该混合工艺进行监测和诊断。试验完成了在不同废水浓度、有机负荷和水力停留时间条件下对控制系统的测试.试验结果表明控制系统能够迅速地做出诊断，并能给出相应的解决措施，从而使废水处理系统在较短时间内恢复到正常状态，制止了恶化的趋势。
2. 国内应用现状及发展趋势
2.1 模糊控制。
（1）彭永臻[1]对硝态氮污染水脱氮处理的新方法——生物电极法采用模糊控制，也能取得较好的控制效果.这项研究根据生物电极脱氮法在线模糊控制系统的组成与基本思想，系统的介绍了输入变景的非模糊化处理和输出变量的非模糊化处理的计算方法，控制变量变化量的换算与计算方法，模糊控制器的设计及其计算机算法，其中包括模糊规则的建立，模糊控制计算机算法及其程序框图等.这种在线模糊控制器具有构造简单，可行性好，可靠性高和稳定性好，对进水硝态氮负荷变化的适应性强等优点，有利于避免过量投加有机物并尽可能节省运行费用。
（2）彭永臻、曾薇等[2～3]采用SBR法处理石油化工废水，根据反应器内有机物降解与溶解氧浓度Do的相关性，提出了以DO作为SBR法的模糊控制参数。通过大量试验，总结出反应初始阶段（8～10min）溶解氧浓度不仅能够间接地反映进水有机物浓度C0D，而且对整个反应过程都有重要影响。溶解氧的高低主要受曝气量大小控制，因此可根据初始阶段溶解氧的浓度及变化情况预测进水有机物浓度，进而实现对曝气量的模糊控制.同时，还发现当有机物不再被降解时，DO迅速大幅度升高，可根据D0变化这一特点实现对反应时间的模糊控制。
2.2 人工神经网络。
郭劲松等[4]根据人工神经网络理论和方法，针对活性污泥间歇曝气系统的特点，提出了活性污泥间歇曝气系统的BP人工神经网络水质模型.通过对模型预测结果与实测值的比较表明：其具有精度高，适应性强，使用方便的特点。这种模型的建立，为活性污泥工艺实现在线智能化控制提供了一条简便的途径。
2.3 专家系统。
施汉昌等[5]开发了用于诊断城市污水处理厂日常运行故障的专家系统。系统采用了正反向混合推理机制，并采用故障树的形式将知识库中的知识组织形式向用户公开，便于用户使用和对系统的维护，本专家系统主要功能为：故障诊断功能；故障检索功能：对污水处理厂运行中经常出现的问题，采用故障列表的形式进行检索，对具体的故障给出原因和解决策略的详细分析；活性污泥法的培训功能：充分利用计算机多媒体的优势，运用文字、图形等多种方式向用户介绍活性污泥法的有关知识，对污水处理厂的职工进行培训.该专家系统在北京某污水处理厂的运用中已取得实际效果。
3. 结论
（1）与国外技术相比，活性污泥污水处理系统的智能控制技术的研究在我国尚处于起步阶段。由于我国能源短缺、污水处理专业人才缺乏加强污水处理系统智能控制技术的研究是当务之急，也是解决目前我国污水处理所采用的自动控制系统引进国外设备的有效方法。随着计算机技术的飞速发展，无论从硬件还是从软件都给发展智能控制带来了机遇。因此，建议国内有关部门多投入一一些人力、物力和财力进行该项工作的研究，使我国污水处理自动化技术赶超世界先进水平。
（2）污水处理设施设计工艺千差万别，污水水质水量差异巨大，即使是同一系统在不同的出水水质要求以及不同的运行阶段其控制要求也不尽相同，应根据具体的情况开发出各自合适的控制系统，增添自适应，自学习功能，综台利HJ模糊控制、人工神经元网络控制和专家系统等智能控制技术的优点，取其之长相互补充，进行混合智能控制系统的研究达到最终的控制目标。
参考文献
[1] 彭永臻.生物电极脱氮法的在线模糊控制Ⅱ模糊控制器的设计及其计算机算法[J].中国给水排水，1999，15（3）：5～10.
[2] 曾薇，彭永臻.以溶解氧浓度作为sBR法模糊控制参数[J]中国给水排水，2000，16（4）：5～10.
[3] 郭劲松，龙腾锐.问歇曝气活性污泥系统神经网络水质模型[J]中国给水排水，2000，16（11）：15～18.
[4] 冯玉强，潘启树.基于神圣网络与专家系统结合的模型自动选择[J].哈尔滨工业大学学报，2001，33（1）：24～27.
[5] 施汉昌，王玉珏污水处理厂故障诊断专家系统[J]给水排水，2001，27（8）：88～90.