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   摘  要：污水生化处理是利用微生物清除污水中有机污染物的一种有效方法，是当前处理工业有机污水和城市生活污水的主要手段。本文就污水生化处理过程的控制与优化方面论述了目前国内外技术的发展概况，指出了国内在技术方面存在的问题和提出今后的研究方向与具体研究内容。

   关键词：污水处理过程；控制；节能；优化

    据2008《中国水业市场统计分析》统计，截至2008年6月，中国已建成的污水处理厂约有1400座，在建的污水处理厂达1004座，预计到2010年底，中国污水处理厂将达到3000座。

    我国城市污水年排放量大约在420亿吨，但是城市污水的处理率仅为30%，二级处理率为15%。大量城市污水未经任何有效的收集处理就直接排放到附近的水体，使得原本具有泄洪和美化景观作用的河渠变成了污水渠。

    随着我国经济的发展和城市化进程的加快，城市污水排放量迅速增长，大量未经处理的城市污水排放到地表水系，造成水环境的严重污染，危害居民身体健康。城市污水处理涉及到环境和资源的可持续发展，是节能减排的重要组成部分。

    污水也是一种资源，是可以再生和利用的水资源。污水资源化是发展循环经济的要求，是实现水资源优化配置的重要环节，我国大中型城市立足于本地自有水源，最大限度地实现污水的再生利用，将污水处理回用作为城市用水的第二水源，可以在一定程度上缓解缺水问题，有效减少城市水污染，提高城市供水可靠性，创造出更多的经济效益和环境效益。

    与国外污水处理行业相对比，我国的污水处理系统主要存在以下问题：

    （1）在资金投入方面，我国在污水处理领域的投入严重不足。目前，污水处理投入约占我国GDP的0.02-0.03%，污水处理行业落后，污水处理率低。美国平均1万人拥有一座污水处理厂，瑞典和法国每5000人有一座污水处理厂，英国和德国每7000-8000人有一座污水处理厂，新加坡和瑞典在1989年城市污水处理率就已经达到100%。

    （2）相对于国外的污水处理厂，我国的污水处理厂管理水平低。在我国，处理过程中的主要工艺参数与设备运行参数靠人工经验设定。而国外发达国家污水处理厂的运行管理自动控制水平高，从大型污水厂到小型氧化塘，大多实现了计算机自动控制，遥控和闭路电视监控等，现代化手段被广泛应用。如英国的泰晤士河的威特尼伊污水处理厂早在1980年就安装了自动化仪表设备，从而使污水处理过程完全由计算机进行自动控制，全厂只需两个人值班操纵管理。

    （3）检测仪表与成套设备研发相对落后。由于国内起步晚、技术落后，国产检测仪表精度较差，可靠性不高，种类少。国内许多污水处理厂目前仍采用国外进口的设备与仪表，价格昂贵，后期维护费用高。而且，就算使用国外检测仪表，目前对于污水处理过程而言，品种还是远远偏少。

    （4）对于污水处理全过程的建模、控制与优化缺乏深入研究与实践。我国大部分污水处理厂检测与控制水平低，多为人工操作，凭经验设置工艺和控制参数。以曝气环节为例，大部分污水处理厂的曝气过程多采用人工控制，经常过量曝气导致能源浪费严重，还远远谈不上对污水处理过程中的生化过程的精确建模和优化控制。

    为了改变这一落后状况，我国第十一个五年计划（2006年—2010年）中的“十一五”环境保护重点工程中提到：

    污水处理工程：新增城镇污水处理规模4500万吨/日，改造和完善现有污水处理厂及配套管网，配套污泥安全处置和再生水利用。

    加快城市污水处理与再生利用工程建设：到2010年，所有城市都要建设污水处理设施，城市污水处理率不低于70%，全国城市污水处理能力达到1亿吨/日。加强污水处理厂的监管，所有污水处理厂全部安装在线监测装置，实现对污水处理厂运行和排放的实时监控。不断提高城镇污水收集的能力和污水处理设施的运行效率，保证污水处理厂投入运行后的实际处理负荷，在一年内不低于设计能力的60%，三年内不低于设计能力的75%。

   （1）污水处理全流程的检测、控制与优化技术是实现节能减排总体目标的迫切需要

    截至2008年3月份统计数据，我国共有污水处理厂1321座，总处理能力为8043万m³/d，投资总规模为1615.4亿元，平均负荷率为63.74%，平均达标率为91.35%。到2010年将建成污水处理厂3000座，估计处理率为60%。

    美国拥有18000座污水处理厂，污水处理率达90%以上，我国污水处理厂运行费用庞大，吨水耗电是发达国家的两倍，完全可以通过改进控制与优化策略，提高负荷率，极大的节约能源。

    以千吨电耗120～180度电计算，规划到2010年污水处理1亿吨/日，根据目前的研究表明，采用全流程建模、控制与优化策略，保守估计有10%左右的节电空间，以上述数据估算，污水处理领域普遍提高控制水平，每天将节电0.12～0.18亿度电，年节约用电44～66亿度电能。国外发达国家非常重视通过先进控制技术节约能源，例如DO的合理控制能节省运行费用，保证出水水质，瑞典Kallby污水处理厂，通过DO设定值优化，曝气能耗降低32%。

    （2）污水处理全流程的检测、控制与优化是实现节约投资，提高运营效率的迫切需要

    我国的污水处理行业，由于缺少对于处理水质的精确建模和处理过程的优化控制，为了在最恶劣的入水水质情况下，也能保证出水水质，一般会采取加大处理设施的容量的方法，使得建厂成本加大，且日常运营能量消耗增加。对于已建厂，通常也会通过加大各工艺变量的安全裕量，“保守运行”，造成处理能力和能源的浪费。通过控制与优化技术，可以极大提高污水处理厂的处理能力，例如丹麦Aars市污水处理厂，通过控制和优化提高了15%的处理能力。我国在加大污水处理领域投入的同时，非常有必要对已有的管网和污水处理厂挖掘潜力，利用先进的建模与控制技术，配合污水处理工艺的选择，提高处理能力。

    （3）污水处理全流程的检测、控制与优化是实现出水水质稳定达标的需要

    随着全社会对于环境保护的日益重视，国家对于污水处理系统的出水水质必将提出越来越严格的要求，而目前我国大部分的污水处理企业仍然停留在人工控制或者简单PID控制的阶段，很难保证污水处理全流程的稳定运行，使出水水质经常不能不达标、污泥膨胀等生产事故时有发生。污水处理厂的工艺人员迫切需要与控制工程师相结合，对于污水的入水水质、生化反应过程、出水水质波动等各种在线、离线检测数据进行科学分析，结合智能检测、诊断与控制技术开展全流程的综合控制与优化，以保证在各种干扰条件下出水水质稳定达标。例如：采用“前馈+反馈+控制模型”组合控制技术，以污水处理厂进水区的进水流量、进水水质检测值为前馈信号、生化处理池中溶解氧检测仪、氨氮检测仪、污泥浓度计、液位计、温度、pH、出水水质检测值等作为反馈信号、设定最佳DO值，控制鼓风系统，实时计算为了维持当前的好氧生化环境所需的供气量，不仅可使运行过程能耗与实际需求匹配，而且能够更好的保证出水水质稳定达标。

    （4）污水处理过程的检测技术与控制设备研发是确保污水处理事业自主健康发展的需要

    长期以来，我国的污水处理技术研究以单项优势为主，偏重于工艺性能的研究，缺乏对不同处理系统的综合评价，也缺乏系统性的比较研究和技术经济评价体系，因此长期以来国外的新技术和新产品不断冲击国内市场，国产产品无法在市场上占有一席之地。

    今后污水处理设备国产化工作要加大力度向前推进，并要调整科技关的思路，将工艺研究，设备开发与自动控制密切结合，在推广应用先进工艺技术的同时推出高质量的检测仪表，成套设备与先进控制系统，为水工业工程建设和技术改造提供全面的技术支持。

    （1）污水生化处理过程智能建模与预测方法

    污水生化处理是一个十分复杂的非线性的生化反应过程，有着严重的不确定性，难以建立精确的数学模型。复杂的数学模型包括许多生化反应过程，由于一些测量数据的不足，很难获得未知动力学参数的可靠估计，不能反映真实的污水生化处理过程。智能算法的出现使复杂系统建模成为可能。Andrea等采用多层前馈神经网络（BP）建模方法建立污水处理系统模型。余颖等采用自适应模糊神经网络（ANFIS）建立活性污泥法污水处理过程模型，其收敛速度较快、样本需要量较少。Wan将人工神经网络（ANN）与GA结合，用于污水厂出水水质预报及控制参数优化，建成的模型具有自组织、自学习能力，对出水水质预报准确率达到了70%。

    （2）污水生化处理过程的优化控制研究

    国外在风量优化控制方面进行了一些研究，常用的方法主要是基于溶解氧目标值的PID控制，但是，由于污水生化处理过程的非线性、时滞及溶解氧目标值时变性，使PID控制很难跟踪溶解氧目标值。在PID控制基础上发展了变增益的PID控制、模糊PD控制，这些方法仍然不能解决过程不确定性问题。为此，有人采用神经网络自动诊断、模糊专家控制等智能控制方法，但是，对于复杂的污水生化处理过程，学习样本有限和专家知识不足，使这些方法的效果不明显。日本东芝公司提出的分层最小成本优化控制是目前较好的解决方法，但是，该方法只是局部最优，没有考虑全局最优问题。因此，在污水生化处理的节能优化控制方面还有很多问题有待深入研究。

    国内的污水处理过程的自动化水平仍相当落后，大多数只停留在数据采集和简单控制（如提升泵、污泥回流泵、鼓风机的开关控制）的水平上。污水处理过程建模和控制方面的研究刚起步，杜树新对污水生化处理过程建模与控制的国外研究状况进行了综述，刘超彬等对污水处理过程中溶解氧采用模糊神经网络控制方法，并进行了仿真研究。范昕炜等采用支持向量机在污水生化处理的建模方面做了一些研究工作。丛秋梅等提出了一种基于活性污泥过程机理的递阶神经网络建模方法。杨志、范石美、袁德成等人在溶解氧的控制方面采用了仿人智能、自适应、专家知识等方法。目前，这些控制方法暂时还不能适应污水生化处理的非线性、时变、时滞和不确定性，有限的专家知识库也不能完全反映污水生化处理过程。并且这些研究基本上都限于溶解氧的单变量建模与控制，实际污水处理过程中，仅靠溶解氧一个指标是不能够判断污水处理质量的，氨的含量也是影响污水处理质量的一个重要指标，所以说在污水处理中要考虑到溶解氧、氨等多个变量因素，有关污水生化处理过程的多变量的建模与节能优化控制的研究论文报道很少见。

    （3）污水生化处理过程的诊断模型研究

    在污泥活性诊断模型研究方面，研究工作主要集中于：

    ①各反应阶段的优势菌群及其生长特性；

    ②污泥浓度和污泥龄的控制。

    虽然国内外针对优势菌群的反应机理和生长特性的研究比较深入，但是如何通过污水处理厂的控制手段实现生物种群的优化还处于起步阶段。大多根据工艺机理与工艺人员的经验，采用控制污泥浓度、污泥龄以及污水生化反应的溶解氧浓度、pH值等手段实现。在活性污泥异常情况研究方面，大部分的研究集中在污泥膨胀方面，在污泥膨胀的可能原因和生化机理方面取得了一些理论成果，但是还没有建立控制污泥膨胀的通用数学模型，相应的决策专家系统多根据工艺机理和管理人员的经验搭建而成，具有主观性和不完整性，缺少对定性数据的严格分析。世界各地的污水处理厂仍然经常发生原因不明的污泥膨胀，严重影响污水处理厂的正常运行。

    （4）软测量技术及特殊生物传感器的研究与应用

    生产过程中的最重要的一些工艺参数的在线测量仪表缺乏，虽然在90年代末期到本世纪初一些发达国家先后研制出来了一些能自动测量的仪器（如BOD、COD自动测量仪等），但普遍存在的问题是价格特别昂贵、维护困难、检测周期长（15～30分钟）、稳定性不好、重复性差。因此，国内外有不少专家，学者为解决上述问题进行了软测量技术的研究。

    成套的人工智能软测量软件（包括BOD、COD、TN、TP等工艺参数的软测量），目前国内外市场上还没有现成的产品。在一些环境保护和自动控制的专业杂志上出现过一些有关论文，都是针对某种工艺的实验室研究课题，暂时还没有中试和形成产品的报道。因此，软测量技术在污水处理过程的应用还要进行大量、深入的研究，使其早日产品化。

    此外，工业污水的排放对城市污水处理厂的稳定运行带来安全隐患。目前还没有针对污水入水的生物毒性检测仪表，相关研究具有广阔的应用前景。此外，可以有效测定具有某些特定功能的微生物数量（如硝化细菌、反硝化细菌、聚磷菌）的生物量传感器也是急需研发的传感器。

    （1）整体性

    污水处理的技术发展需要考虑整个供水、管网、污水处理、中水回用与污泥处理。从污水处理工艺的选择到污水处理厂的前期建设、污水处理过程的建模、控制与优化以及日常维护都需要系统规划，为了实现污水处理系统的高效运行，需要将排水管网、泵站和污水处理系统作为整体考虑。

    （2）适用性

    污水处理过程控制具有显著的非线性、大滞后、多变量、时变性的特点，且核心处理单元为生化反应过程，特别对于连续型工艺，必需保证污水处理厂的良好运行，使得收集的污水得到及时有效处理，为此，需要研究专门的，适用于污水处理过程的先进控制策略、可靠的生化检测仪表与专用设备。

    （3）模型化

    为了更好的进行控制与优化，更好对污水处理过程的工况进行预测与诊断，必需为污水处理过程建立模型。模型的建立除了参考国际水协的数学模型，还应根据工厂的具体情况进行模型设计与优化，除了生化反应过程的有机物去除、脱氮除磷数学模型，还要为二沉池、曝气系统、污泥处置等环节建立有效的数学模型。

    （4）智能化

    污水处理过程中的有效信息有一大部分属于感官与经验描述，例如生化反应池池面的气味、颜色、气泡情况等，考虑到各种干扰的情况以及在线传感器经常发生检测偏差，对污水处理这种复杂的动态系统进行人工智能控制成为重要的发展趋势。国内外已有大量人工智能控制方法，包括神经网络、模糊控制、专家系统等用于污水处理过程的建模、控制与诊断，取得很多研究成果，但是距离实际工程应用还有很大距离。此外，将感官信息和图像信息与数据信息一起进行反馈，组成智能反馈控制系统也将是一个十分值得研究的方向。

    （5）集成化

    将先进的污水处理厂工艺过程控制系统集成到专用硬件平台，为污水处理厂集成控制系统提供专门的集成控制器，控制器的输入例如美国美生公司的生物池工艺智能优化系统（BIOS）。

    （1）工艺目标值设定的最优化

    研究不同工艺条件下的污水处理过程的代价函数，综合考虑排放水质成本（BOD、COD、TN、TP）以及运行成本（鼓风机耗电量、泵耗电量、污泥处理成本、药剂成本等），建立评价函数，并采用最优化理论和方法，确定使得代价函数取最优值情况下的工艺设定值（氨氮、硝酸铵、磷酸盐、溶解氧）以及操作量目标值（回流量、排泥量等），从而对污水处理过程参数进行优化设定。

 

    （2）曝气量智能控制

    污水生化处理的好氧反应是重要的反应阶段，目前国内外的污水生化处理的加氧工作都是采用大功率的鼓风机实现的，需要消耗大量的电能，如何实现节能控制，降低成本，是目前国内外需要认真考虑的问题。污水中的微生物对氧的需求量是一定的，少了会降低水质，多了不仅不能保证水质，而且还浪费能源，通常以溶解氧的含量来判断某个时候供氧量是否合适。但是，所需要的溶解氧不应该是一个定值，它是随着污水的浓度、天气、气温、时间变化的函数。为此，需要研究在不同工况条件下，溶解氧设定值的优化。这建立污水生化处理过程的溶解氧变化的模型，并依据该模型对鼓风量进行低能耗的优化控制。

    建立能适应环境变化的基于污水生化处理过程的动态多变量模型，模拟污水生化处理中送氧鼓风量与溶解氧的变化，辅助污泥龄的控制（通过回流与排泥量控制），对溶解氧进行优化和控制。

    建议需要重点研发的曝气量优化控制系统为：①以出水氨氮为控制目标的串级控制系统，内环的被控制变量可以是DO；②优化DO给定值的智能控制系统，达到节能的目的。

 

    （3）污泥回流与排放控制

    根据代价函数的优化目标值，进行污泥回流控制，进水稳定时，根据工艺要求采用定回流量QR控制或定回流比R控制；水量发生变化时，采用定回流比R控制、定MLSS（污泥浓度）控制、定F/M（污泥负荷）控制。

    排放的活性污泥是污水处理厂的主要排放污染物，由于含水率很高，且有大量病毒、重金属等物质，目前多采用填埋方式，且剩余污泥的处理费用占污水处理厂运营费用的一半以上，为了减少污水处理的二次污染，在满足工艺要求的前提下，根据工艺要求的SRT（污泥龄）和MLSS（污泥浓度）对污泥排放量进行控制，同时通过物理工艺粉碎或者化学工艺处理后回流来减少排放量。

    （1）基于推理网络的污泥活性诊断模型

    针对活性污泥法污水处理过程特点，研究基于推理网络的生化反应污泥活性诊断模型，对生化反应池污泥活性进行诊断分析及异常状况的预警。首先需要对模型的输入数据进行预处理，研究异构变量集（线检测数据、离线化验数据、工艺人员经验和专家知识）的关系和条件概率表述；然后研究适用于非平稳随机过程的变结构模型结构学习算法，探索推理网络的结构寻优机制；将模糊推理、趋势分析方法与隐马尔科夫（HMM）相结合，研究低复杂度推理算法。最后针对诊断模型结果的数据解释问题，研究解释机制和可视化方法，为工艺操作人员提供决策支持。

    （2）建立污水生化处理过程的诊断专家系统

    研究污水处理全流程的专家知识库与推理系统框架，建立适用于污水处理厂需要的诊断专家系统，包括水质的趋势分析，活性污泥系统评价、工艺过程的异常情况（污泥膨胀、污泥解体、污泥腐化等）的分析判断。

    （1）生物毒性在线检测仪

    我国的城市污水中经常会混有工业废水，工业废水来自造纸、石化、印染、化工、冶炼、制革、制药、制糖、酿造等各种企业，其中往往含有各种急、慢毒素，如有毒有机物、有毒无机物和重金属等。如果进水没有预警监测和保护措施，一旦有一定量的毒素进入曝气池中，活性污泥中的微生物将被毒死或抑制，使得污水处理系统的活性污泥失活或活性降低。而更换一池活性污泥耗时耗资很大，而且造成停产数天，将给污水处理厂造成严重的经济损失和新的环境污染。

    本项目研制的生物毒性在线监测仪，是基于毒性物质抑制生物呼吸引起水样中溶解氧变化这一基本原理来测量生物毒性。可以预先检测污水处理厂入水的水质情况，对可能发生的污泥中毒提供预警，该在线检测仪表的潜在应用前景十分可观。

     （2）新型检测仪表的国产化

    如呼吸仪，营养物在线传感器，硝化反应在线传感器等。上述新型仪表的成熟产品均为国外品牌，迫切需要国产开展国产化研制工作。

    对于BOD₅、毒物等测量困难或者不能测量的工艺参数，可以通过生化工艺中的可测参数如MLVSS、DO、风量、F/M、SR、SS以及温度T、流量等经过神经网络建模后以软测量的方式来得到。通过建模，可以结合进水水质预测出出水水质的各项指标，并依此适当调整工艺参数，增加对突发事件的反应速度和应对能力。目前，遇到的技术困难是建立的软测量模型往往还不太可靠，估计精度较差，距离实用还比较远。

    总体目标：以小型DCS为硬件平台，将上述研究、开发成果以软件形式嵌入至DCS的上位机中，使国内的污水处理全过程实现自动检测、模型建立、先进控制、优化运行、故障诊断，以达到节能、减排、降耗的目的。并使我国主要城市的污水处理厂的检测、控制与优化运行达到国际先进水平。

    本文就污水处理过程的控制与优化方面论述了目前国内外技术的发展概况，指出了国内在技术方面存在的问题和提出来今后的研究方向和研究内容。这些研究不仅能够提高污水处理的效率和效益，促进我国污水处理行业的发展，有利于污水处理运营体系的完善；促进城市水资源的合理规划，提高城市供水、管网、污水处理的科学决策能力；还能够提高我国污水处理的工艺水平与自动化水平，提高污水处理过程的工艺稳定性、提高出水水质、降低能耗，有利于水资源的循环利用与环境保护。因此，这些研究适应了我国环境保护与可持续发展的需求，对于提高污水处理的能力和质量、促进行业发展、保护环境、节约能源具有重大的经济和社会效益。而上述关键、共性技术的研究，开发与实施需要在有关部门的领导下，组织我国高校，研究单位，企业进行“官产学研”的联合研究，并在较短的时间内赶超世界先进水平。


                                                                ——转自《自动化博览》