2006东北大学硕士论文--污水处理控制系统设计及智能方法的应用研究.pdf

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1、东北大学硕士学 位论文摘要污水处理控制系统设计及智能方法的应用研究摘要 本文讨论了国内 外污水处理行业的发展现状，对污水处理厂自 动 控制系 统的历史和发 展情况 进行了全面、系统的阐述;结合污水处理厂的土艺 特点及 其对控制系统的具体要求，总结了现阶段国内 城市污水处理厂计算 机系 统的总体设计原则和具体设计方法:对系统构 成、设备选型 和计算机系统的 软、硬件设 计作了比较详尽的论述。针 对宁 夏石嘴山 污水处理厂奥贝尔氧化沟的 特殊工艺特点，本文对污水处理中主要工艺环 节的 单元控制方 法进行了深入的研究;对 污水提升泵站提出了 采用逻辑控制和联锁 控 制 相 结 合的 控制 方 法，对

2、 泵 站 水 泵 进 行均 衡 运 行 和自 动 轮 值 控 制 从 而 提 高了 提升 泵工作效率。本文对奥贝 尔氧 化沟关键控制量 溶解氧的控制方法进行了 研究，通过现场测量获得溶解氧控制过程的 主要控制参数，采 用了P I D控制，在实际运行中取得了一定的控制效果。本文还以 现场实际为背景，系统分析了 P L C控制系统的电 磁兼容性问题，并有针对性地 提出了有效地解决方案与措施。污水处理系统的处理效果与污水的流量、浓 度、温度等因数有关，具有多变量、大时滞、强干 扰、强非线性的 特征，与此相应 溶解 氧浓度控制也具有一 定不确定性、大惯性、纯滞后的特点，因此，一 常规控制方法 达到的

3、控制效果不太理想。本文将 现代检测技术、计算机控制技术和模糊控制理论相结合，设计和实现了 模糊控制器对奥贝尔氧化沟溶解氧的 控制。最后，利用 Ma t l a b对溶解氧的智能控制进行仿真实验，仿真结果 验证了 模糊控制策略的鲁棒性和有效性，具有推广应用价值。关 键词:奥贝尔氧化沟;污水处理;电 磁兼容性;活性污泥模型;模糊控制东北大学 硕士学位论文T h e D e s i g n o f C o n t r o l S y s t e ms a n d D e v e l o p me n t o f I n t e l l i g e n t Co n t r o l f o r Wa

4、s t e wa t e r Tr e a t me n t P r o c e s sAbs t r a c t T h i s p a p e r h a v e d i s c u s s e d t h e d e v e l o p me n t o f w a s t e w a t e r t r e a t me n t i n t h e w o r l d,d e s c r i b e d t h e h i s t o r y a n d d e v e l o p m e n t o f c o n t r o l s y s t e m i n W a s t e

5、W a t e r T r e a t m e n t P l a n t a l lr o u n d.A c c o r d i n g c h a r a c t e r i s t i c o f w a s t e wa t e r t r e a t me n t a n d i t s c o n t r o l s p e c i a l t i e s,i t s u ms-u pt h e p r i ma r y p r i n c i p l e a n d t e c h n i q u e i n d e s i g n c o mp u t e r s y s t

6、 e m o f Wa s t e Wa t e r T r e a t me n tP l a n t.S y s t e m C o n f i g u r a t i o n,e q u i p m e n t s e l e c t i n g,t h e d e s i g n o f s o f t w a r e a n d h a r d w a r e o f t h i sc o mp u t e r s y s t e m h a v e b e e n d i s s e rt a t e d i n d e t a i l.A i m i n g a t t h e

7、t e c h n i c a l s p e c i a l t i e s o f O r b a l o x i d a t i o n d i t c h i n t h e S h i Z u i S h a n W a s t eW a t e r T r e a t m e n t P l a n t,t h i s p a p e r h a s s t u d i e d c o n t r o l m e t h o d o f s o m e i m p o rt a n t t a c h e s i nd e p t h.T h e p r o p o rt i o

8、n a l r u n a n d a u t o m a t i c s p e l l c o n t r o l o f s e v e r a l h i g h-p o w e r e d w a t e r p u m pmo t o r s b a s e d o n l o g i c c o n t r o l a n d i n t e r l o c k t e c h n i q u e h a v e b e e n b r i n g f o r w a r d a n d h a v e b e e np r o v e d w i t h r e ma r k

9、a b l e e f f e c t t o i m p r o v e e f fi c i e n c y o f p u m p a t t h e w a s t e w a t e p u m p i n gs t a t i o n.S i m i l a r l y,i t h a s s t u d i e d P I D c o n t r o l o f t h e d i s s o l v e d o x i d a t i o n c o n t r o l.G e t t i n g t h ei m p o rt a n t p a r a m e t e r

10、b y p r a c t i c e,w e s e l e c t a P I D c o n t r o l m e t h o d t o i m p r o v e t h e e ff i c i e n c y,a n d o b t a i n e d a r e s o l u t i o n i n p r a c t i c e.T h e e l e c t r o m a g n e t i c c o m p a t i b i l i t y o f P L C c o n t r o ls y s t e m i s a n a l y z e d a n d

11、d e s i g n e d s y s t e m a t i c a l l y o n t h e g r o u n d o f t h e e n g i n e e r i n g p r a c t i c e,a n d c o r r e s p o n d i n g a n t i d o t e s a n d m e a s u r e s a r e p u t f o r w a r d e f f e c t i v e l y.T h e e f f e c t o f wa s t e w a t e r t r e a t m e n t p r o c

12、 e s s e s i s r e l a t e d w i t h t h e w a s t e w a t e r f l o w,c o n c e n t r a t i o n,t e m p e r a t u r e,a n d e t c.B e c a u s e h a v i n g t h e c h a r a c t e r i s t i c o f m u l t i-v a r i a b l e s,b i gl a g,s t r o n g i n t e r f e r e,a n d n o n-l i n e a r i t y,t h i

13、s p r o c e s s c a n t b e c o n t r o l l e d e f f e c t i v e l y wi t hc o n v e n t i o n a l l i n e a r c o n t r o l me t h o d.C o r r e s p o n d i n g l y,t h e d i s s o l v e d o x i d a t i o n c o n t r o l a l s o h a st h e c h a r a c t e r i s t i c o f u n c e r t a i n t y,b i

14、g i n e rt i a,p u r e l a g.S o c o m b i n e d w i t h m o d e m t e c h n o l o g y,c o m p u t e r c o n t r o l t e c h n o l o g y,a n d f u z z y c o n t r o l t e c h n o l o g y,t h e O r b a l o x i d a t i o n d i t c hd i s s o lv e d o x y g e n c o n tr o l u s i n g f u z z y c o n tr

15、 ol le r w a s d e s ig n e d a n d a c c o m p li s h e d.A t l a s t,i t s i mu l a t e d t h e d e s i g n mo d e l w i t h S i m u l i n k i n Ma t l a b a n d g i v e s t h e s i m u l a t i o nr e s u l t s a n d a n a l y s e s.T h e e x p e r i me n t s a r e m a d e t o s h o w th e e f f e

16、 c t i v e a n d r o b u s t n e s s o f t h ep r o p o s e d m e t h o d.K e y w o r d s:O r b a l o x i d a t i o n d i t c h;w a s t e w a t e r t r e a t m e n t;a c t i v a t e d s l u d g e m o d e l;f u z z yc o n t r o l独创声明 本人声明 所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得的 研究成果除加以 标注和致谢的 地方外，不包含其他人已 经发表或撰写过的

17、 研究成果，也不包括本人为获得其他学 位而使 用过的材料。与 我一同 工作的同志 对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示诚挚的谢意。学位论文作者签名:签 字 日 期:咐祛,?,e v 6.2.祝学位论文版权使用授权书 本学 位论文作者和指导教师完 全了 解东北大学有关保留、使用学位论文的规定:即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同 意东北 大学可以 将学位论文的全部或部 分内 容编入有关数据库进行检索、交流。(如作者 和导师同 意网 上交流，请在下方签名:否则视为不同 意)学位论文作者签名:导 师 签 名:签 字日 期:签 字

18、日 期:东 北大学 硕士学 位论文第一章 绪论第一章 绪论 城市生活污水处理是环境 保护领域的一个重要课题，生化方法在这方面得到了 广泛的 应用。废水生 物处理的基本思想就是利用微生 物的新陈代谢作用将废水中能危 害环境的 有害 物质吸收并转化掉。采用生物处理法进行废水的无害化处理，比 较经济，而且处理效率高，技术也比 较成熟。氧化沟工艺 是生 物处理方法的典 型代表，在城市污水处理中占有重要地位。1.1 污水处理概述 城市污水、生活污水、生 产污水或经过工业企业局 部处理后的生产污水，往 往都排入 城市排水系统，故把生活污水和生产污水的 混合污水叫做城市污水。这些污水除 含有碳水化合物、蛋白

19、质、氨基 酸、动植物脂肪、尿素、氨、肥皂和合成洗涤剂等物质外，还含有细菌、病毒等使人致病的微生物。经处理后的污水，最后出路有三种:(1)排放水体;(2)灌 溉田 地;(3)重 复 使 用。氧 化 沟 I 艺出 水B O D,(B io-c h e m i c a l O x y g e n D e m a n d，生 化 需氧 量)一 般 为iO m g/1左 右，被普遍认为是一种工艺流程简单、运 行管理方便、处理效果稳定、基建投资和 运行费用较低且具有较强竞争力的 二级处理工艺。污水污染物可根据化学性质和物理形态进行不同的分类。按化学性质，污水中的污染物质可分为:无机性物质:有机性物质，其化

20、学元素以C,N,P 为主。按物理形态，污水中的污染物质可分为:(1)固 体悬浮物，即 呈颗粒状的 污染物质;(2)胶体污染物质;(3)溶解性污 染物质。好氧有机污染物的性质极稳定，在微生物的作用下，借助微生物的新陈代谢功能而降 解为 无 机 物，如C O,H,O，H N O,等 稳 定 的 无 机 物。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，所以在工程实际中，采用以下的几个综合污染指标来表述:东业大学 硕士学 位论文第一章 绪论 (1)生 物 化学 需 氧 量 或 生 化 需 氧 量(B io-c h e m i c a l O x y g e

21、n D e m a n d,B O D),m g/L。表示在有氧条件下，好氧微生物氧化分解单位体积水中有机物所消耗的 游离态氧的 数量，常用单位为 m g(L。一般常用生化需氧量来表示有机物的含量。生物需氧量的 测定一般定为2 0 0 C，以 五天作为测定的标准时间，其 测定结果为五日生 化需氧量，用B O D 5 表示。(2)化 学 需 氧 量(C h e m ic a l O x y g e n D e m a n d.C O D),m g/L。化 学需 氧 量(C O D)表 示 用化学 氧化剂氧化单位体积水所消耗的氧量，常用单位为m g/L。化学需氧量不能象B O D那样表示出微生物氧

22、化的有机物量，但 B O D与 C O D的比值是衡量污水可生化性的一项主要指标，比 值越高，可生化性越好。(3)悬 浮 物(S u s p e n d e d S o li d s,S S)是 指 不能 通 过过 滤器(滤纸 或 滤膜)的 固 体物 质。污水及水体中 悬浮物由水面的漂浮物质、沉于水底的可沉物质和悬浮于水中的 悬浮 物质三部分组成。悬浮物采用过滤法测定，单位为m g/L.()浊度是对水的 光传导性能的一种测量，其值可表征废水中 胶体和悬浮物的 含量。(5)P H值。酸 碱 污 染物 主 要由 工业 废水 排 放的 酸 碱以 及酸 雨带 来，水 质 标准 中以P H值来反映其 含

23、量水平。酸碱污染物使水体的P H值发生 变化，破坏自 然缓冲作用，抑制微生物生长，妨碍水体 自 净，使水质恶化，土壤酸化。工业废水 P H值一般控制在6-9的范围内。(6)温 度。废 水 温 度过 高 而 引 起的 危 害叫 做热 污 染，废 水 温度 过高，使 水 体 溶 解氧浓度降低，相应含氧量随 之减少，另 一方面，水温升高 会导 致生 物耗氧 速度 加快，促使水体中溶 解氧更快耗尽，水质迅速恶 化，造成鱼类和小生 物因 缺氧而死亡。因此对废水的 温度必须控制，一般废水温度控制在3 5 以内。总 有 机 碳(T o t a l O r g a n ic C a r b o n,T O C

24、),m g/L;总需氧量(T o t a l O x y g e n D e m a n d,T O D),m g/L;虽然B O D 2 0 有激精确地描述污水的生 化需 氧量，但其测定的 时间太长需 2 0 天。在2 0 0C 温度下，污水五日 生化需氧量(B O D 5)，约占B O D Z。的7 0-8 0%，因此把 B O D。作为衡量污染水的有机物浓度指标。虽然化学需氧量(C O 功的 特点能 够精确的 表示污水中 有机物的 含量，并且测定时 间短，但它不能像 B O D那样表示出微生物氧化的有机物量。1.2国内外城市污水处理发展现状 城市污水处理设施是现代化城市经济发展和水资源保

25、护不可或缺的组成部分。城市 东北大学 硕士学 位论文第一章 绪 论污水处理厂在发达国家己 有较成熟的 经验。如英国、德国、芬兰、荷兰等欧 洲国家均己投巨资 对因 工业革命和经济发展带 来的 城市水污染进行治理，日 本、新加坡、美国、澳大利亚等国 家也对城市 污水处理给予了 较大投资，特别是新加坡并没有走先 污染后治理的道路，而是采取经济与环境协调发展的 政策，使该国不仅在经济上进入了 发达国 家的行列，而且还是一个绿树成荫、蓝天碧水、环境优美的国 家。我国城市污水处理技术发展起步较晚，2 0 世纪5 0 年代前还停留在水体自 净阶段;6 0年代进入农田 利用阶段;7 0 年代，许多 城市开 始

26、注意城市污水处理问 题并采取了一定的措 施，但重点放在工业污 染源的 分散治理上，污水处理进入了分散治理阶段;进入8 0 年代后，污水处理 进展较快，进入了水污染的 综合防 治阶段。我国 第一座大型 城市污水处理厂 天 津市纪庄子污水处理厂于 1 9 8 4 年4 月2 8 日 竣工投产运行，处理规模为2 1 6 x 1 0 5 m 3/d。在此成功经 验的带 动下，北京、上海、广东、广西、陕西、山 西、河北、江苏、浙江、湖北、湖南等省 市根据各自 的具体情况分别建设了不同规模的污水处理厂几十座。到 2 0 0 0 年底，全国己 建设城市污水处理厂4 2 7 座，其中二级处理厂2 8 2 座，

27、这些污水处理设施对遏止水环境污 染加剧的趋势起到了 重要作用。但是，不容乐观的是，我国 的 城 市 污 水 处 理 率目 前 还 不 到2 0%1 1 0 污水处理所采用的 工艺技 术是 污水处理厂的核心部分。污水处理采取的工艺与很多因素有关，如进水水质、出水 要求、处理量、投资 大小等，甚至还与气 候条 件有关。虽然污水处 理的 工艺多 种多样，但活性污泥法仍是国外污水处理厂采用的主体工艺，其它一些低成本的 处理方法，如土地处理和氧化塘法也有所应用。污水处理的 等级己 经从二级处理向 三级处理过渡，特别是随 着水资 源的日 趋短缺，城市污水回 用技术越来越受到各国的重视。也就是说现代化的污

28、水处理厂应具有双重功能，一方面是要消除城市排水的污染问 题，另一方面还要担负解决城市水资源紧张的 任务。采用活性污泥法处理生活和工业污水在国 外已 有悠久的历史，同时还衍生出了 多种多样的 活性污 泥法技 术。除普通活性污泥法外，还有氧化沟工艺、A/。工艺，A z/。工艺 等。活性污泥 法作为城市污水处理的主体方法近 3 0 年来没有太大变化。如 1 9 8 8 年，芬兰全国有 5 7 0 座城市污水处理厂在运行，处理工艺主要是生物处理，占 8 6%，而且多采用活性污泥法。1 9 8 8年日 本有7 3 6 座污水处理 厂投入运行，其中处理方式为标准活性污泥法的占7 4%.然而，利用常规技术处

29、理废水耗电能多、费 用高，如普遍采用和推广，不要说在第三世界国家难以实现，就是在经济发达国家也非易事。土地处理法和氧化塘法由于其低投资、低能 耗以 及与生态处理相结合具有深度处理的功能，越来越受到美国、加拿大等 东 北大学 硕士学位论文第一章 绪论国家的 欢迎，在这些国 家这类污水处理厂的数目 有望超过活性污泥法和生物滤池法。国外科技人员己 得出 可以 应用人工湿地生态系统净 化处理中小型城市排放废水的结论，人工湿地生态系统建立的基本建设投资、运行和管理费用仅为一般常规处理方法的一半。目 前，我国城市污水 处理新兴工艺层出不 穷，并以国 外引入的 工艺技术为主导潮流。城市污水处理主 要采用生物

30、活性污泥法。生物活 性污泥法有多种处理工艺，城市二 级污水处理厂常用的 工艺方法有:普通曝 气法、A-B法(二段曝气法)、周O除磷工艺、周。脱 氮 工艺、劝。除 磷 脱 氮工 艺、氧 化 沟 工 艺、S B R 工艺 等。按 照 构 筑 物的 组 成形式.运行性能以 及运行操作方式的不同，己有的生 物除磷脱氮工艺可分成A/O系列、氧化 沟 系列 和 序 批 式反 应 器(S B R)系 列 等。随 着 各 个 系 列 不断 地发 展和改 进，形 成了 目 前的较典型的 工艺，如A/O工艺、U C T 工艺、改良U C T 工艺、V I P 工艺、劝。工艺、改良A Z/O、倒置A 。工艺、O R

31、 B E L 氧化沟工艺、C A R R O U S E L-2 0 0 0 氧化沟工艺.I C E A S工艺、C A S T工艺、百乐克工艺 等 2 1 在污水处理工艺中，活 性污 泥法是当前污水生物处理最成熟的、最主要的 污水处 理方法。氧化沟工艺是一种污水在沟渠中做循环运动的、通过曝气转刷或转盘进行曝气的一种活性污泥工艺。除具有一般活性污泥法的优点外，还具有许多独特的 特性:(1)流 程 简 化，一 般不 需 设 初 沉 池 氧化 沟 水 力 停留 时 间 和 污泥龄 较长，有 机 物 去除较为彻底，剩余污泥高度稳定，污泥一般不需 厌氧消化。(2)氧 化 沟具 有 推 流 特 性，因

32、此 沿池 长 方向 具 有 溶 解 氧 梯 度，分别 形 成 好 氧、缺 氧和厌氧区。通过合理设计和控制可使N和P 得到 较好地去除。(3)操控灵活，如曝气强度可以 通过调节转速或通过出 水溢流堰来改变曝气机的 淹没深 度;交替式氧化沟各沟间 交替运行的动态控制等。经过几十年的发展和工艺改进，目 前在我国工程应用中技术相对成熟、处理效果较好的 氧化沟主要有卡鲁塞尔型、奥贝尔 型、一体化氧化沟 及T型、D E型 氧化 沟等几种。奥贝尔氧化沟污水处理工艺由 南非的R u i s m a n 设想开发，后转让给美国的E n v i r e x公司。该 工艺除具 有普 通氧化沟流程简单、管理方便、出

33、水水质稳定、耐 冲击负荷等优点外，更凭 借其良 好的节能效果，在污水处理 领域得到广泛应用，目 前 世界上已 有 5 0 0多座奥贝尔氧化沟在正常运行。我国于二十世纪 8 0年代引进该工艺，近年来，随着北京大兴污水处理厂、山东莱 西污水处理厂、温州市污水处 理厂、廊坊市东方污水处理厂、台州市污水处理厂、无锡市城北污水处理厂等的建成运行，充分显现了该工艺良好的技术性能 3 1东北 大学 硕士学 位论文第一章 绪论 目 前，国内 采用氧化沟处理工艺的 污水处 理厂在逐渐增多，氧化沟 技术发展的一个重要方向 是利用最合理的时空安排达到 所要求的处理目 标。因此，合理 选择氧化沟的 设计工艺，研究氧化

34、沟 污水处理新技术，对提高污水处理能 力、节省投资 和降 低运行费用均具 有重要意义。1.3污水处理厂自动控制系统现状 随 着城市污水处理厂的 大规模兴建，污水处理工艺的不断完善和复 杂化，国 外污水处理厂自 动控制水平也迅速提高。特别 是近二 十年间，计算机和网 络控制 技术的快速发展使污水处 理厂的自 动控制水平也相应地发生了 本质变化。瑞典歌德堡R y a 污水处理厂，1 9 7 2 年投入运行，采用计算机系统控制操作。在夜间、周末可进行无人操作运行，采用便携式计算机和移动电 话，通过 I n t e rn e t 辅助操作人员可在任何时候进行监视和控制。该厂设 有在线式计算机模拟装置，

35、可提前6 小时预测系统进 流 量，对 系 统 工 艺 进 行 调整。R y a 还 计 划 使 用在 线 式 计 算 机 模、拟装 置 对 主 泵 站 进行控制，并采用气象雷达对污水厂的运行作长期预测。而香港赤柱污水处理 厂则 通过香港电话网络在总厂与六个提升泵站间通讯，充分利用了 现有通讯资源。我国污水处理厂自 动控制系统起步较晚，七十年代开始应用集中巡检采用热 工仪表，八 十年代应用分析仪表和 D C S系统，至九十年代，随 着一大批利用国 际贷款的大型污水处理厂在我国 建成，使我国 污水处 理控制系统的自 动化水平有了很大提高。从国内引进污水厂的自 动控制系统现状来看，己 广泛采用集散式

36、计算机监控系统，应用了自动化程度较高的 检测仪表，各种新工艺、新设备也大量出现并得到应用，其中几个大型污水处理厂如天津东郊污水处理厂、沈阳北部污水处理厂采用法国全套工艺 和设 备，在系统运行和工艺过程控制等方面都达到了相当的水准。但就全国范围现状来看，即使在自 动化 程度较高的处理厂也仍然存在许多问 题。综合来 看，我国城市污水处 理厂自 动控制系统有以下的特点和不足:(1)各种类型、不同等级的控制系统 和控制方式并 存。大 部分新建污水 厂开始 采用计算机集散式控制系统，但在大量的 现有和改造的污水厂中 控制系统仍然延续着巡检不 人工方式。(2)开始大量采用可靠性高、维 护简便的各种检测仪表

37、和在线水质分析仪表，为进一步提高污水厂自 动控制水平提供了 基础条件。但目 前 使用的 大多是进口 仪器、仪表在使用和维护方面仍存在许多问题。一 5 一东北大学 硕士学位论文第一章 绪 论 (3)各种新的 污水处理工艺 不断出 现，单元控制系统，如混凝剂投加控制、生 物滤池控制、曝气控制，己 逐渐开 始采用自 动控制方式，各种 控制理论开始得到广泛应用。(4)污水处理厂控制系统的监控 和通讯功能 在硬件和软 件开发利用方面存 在极大不足，妨碍了处理过程的高 效、经济运行。许多 控制系统的 设计和实际工艺不相符，软件汉化比 较差，给系统正常运行造成困 难。(5)国 产自 控系统、仪表、设备的 质

38、量、成套和系列化急需进一步提高，特别是国内 一些复杂高效新工艺的出现，对相应的自 动控制设备提出了 更高的要求。从国内城市污水处理厂计算 机控制 系统的现状来 看，目 前还没有能够实 现工艺 过程全部自 动控制的范例。造成这种情况的原因一方面因为国内 污水处理工艺 和生产管 理水平不高。另一 方面是由 于控制系统完全进口，在软件修改、计算机联网上存在困难，影响了 系统的合理性和统一性。由 于软 件和控制系统全面引进，也使工艺改进无法实施。自控系统越运行范围越小，自 动改手动，手动改人工，严重影响了处理工艺的正常运行。因 此，设计和开发适合我国国情的 大、中型城市污水处理厂计算机控制系统，在吸收

39、国外先进经验和充分了 解工艺过程的基础上，研制性能价 格比 较高的污水处理厂计 算机自动控制系统产品已是一个迫切的问题。在本次系统设计中，基于对控制系统供应商水处理业绩和控制系统功能的多方考察，我们选择性能价格比 较高的，由S i e m e n s 公司生产的自 动 化系列产品 来实现污水处理过程的 控制 功能，同时 致力于开发高性能的控制系 统应用软件。1.4污水处理的控制策略 在污水处理系统中采用控制技术，不仅可以 提高系统的性能、产率、可靠性，而且还可以 增加系统的稳定性、降 低操作成本、加快启动过程等。人工控制策略在污水处理过程中的 应用已经有比较长的历史，早在2 0 世纪3 0 年

40、代，芝 加哥就已 经使用了常规的控制技术来控制污泥回流比。随后，最优控制策略逐步在污水处理过程控制中得到应用;智能控制策略目 前虽 然还以理论研究为主，但由于其独有的智能 化优势，它 势必将 成为今后污水处理的过程控制策略中的主要方向。1.4.1常规控制策略常规的控制策略，其控制手段主要有 P I D控制、比例控制、开关控制、最优控制等。就控制量而言，主要可以分为以下几种:东北大学硕士学 位论文第一章 绪论 (1)进 水 流 量 控制。进水 流 量 大 小 决 定 了 有 机 污水 在系 统 中 的 平 均 滞留 时 间 的 长 短，而有机污水同曝气池中微生物之间的 新陈代谢活动，主要 在水力

41、滞留时间内 发生，即 水力滞留时间很大程度上决定了 曝气池中 反应进行的程度，故进水量的 变化往往会使系统中 所有的变量都受到影响;另外，细菌对污水中底物的 浓度阶跃变化非常敏感。因 此，为了缓和曝 气池中进水量的变化而使细菌有一个适应的过程，需要采用一定的 策略对进水流量进行控制。(2)p H 值 控 制。曝 气 池中 好 氧 菌的 繁 殖 对p H 值大 小 有 一 定的 要 求，同 时p H值 也会影 响 污 水 中 氧化 分 解 反 应的 速 度。一 般 要 求p H 值的 范 围 保持 在7.5 -9.0 左 右。(3)溶 解 氧(d i s s o lv e d o x y g e

42、 n，D O)浓 度 控 制。曝 气 池 中 氧 气 不 足和 过 量 都 会 导 致 污泥生 存环境的 恶化。当氧气不足时，一方面由于曝气池中 丝状菌会大量繁殖，最终产生污泥 膨胀;另一方面由于 其他细菌的生长 速率降低而引 起的出水水质下降。而当氧气过量(即过量曝气)则会引起由于絮凝剂遭到破坏而导致悬浮固体沉降性变差，同时使能耗过高。D O控制目的 主要是通过对输 入的空气量(或氧 气量)的控制，使曝 气池中的D O浓度保持 在一定的范围之内。(4)二沉 池中污泥高 度控制。对二沉池中污泥高 度控制的作用有两个，一是通过污泥回流保持 曝气池中生物固 体浓度在一定范围内:二是防 止其过高产生

43、溢出，使出水中的由S S 产生的有机物含量增加，导致B O D(C O D)浓度增 加使水质下降。1.4.2智能控制策略 智能 控制就是利用计算机模拟人脑的思维进行控制，它是人工智能 和控制论的交叉。2 0 世纪 8 0 年代以后，智能控制理论与应用得到迅猛发展。各种智能决策、专家控制、学习控 制、模糊控制、神经网络控 制、主动视觉控制、智能规划、和故障诊断系统等已被应用于各类工业过程控制系统、智能机器人系统和智能化生产制造系统。这也是因为随着科技的发展，许多工程系统于 过程变得越来越复 杂，其共同 特点是多变量、非线性、时变性和随机性。这样的 过程变化使系统具有高度的不稳定性和模糊性，以致难

44、于建立精确的 数学模型，因 而也无法根据传统的控制理论进行有效的控制。应用到污水生物处理系统的人工智能技术主要有模糊逻辑、专家系统、神经网络和知识库推理等 4 1 (1)模糊控制 模糊控制(F u z z y C o n t r o l)能 将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言 变量描述东 e 大学 硕士学 位论文第一章 绪论的控制规则，然后用这些规则去控制系统。因此，模糊控制特别适用于数学模型未知的、复杂的非线性系统的 控制。正是基于模糊控制这些特点，近年来它已 成为污水处理系统的研究热点。1 9 8 0 年T o n g 等 首 次将 模 糊 控 制 应 用 到 污 水 处 理中，将

45、出 水B O D,S S,曝 气 池M L S S,D O及出 水氨氮浓度、回流污泥量等监测数据作为输入变量输入该系统，“模糊化”以后再与“规则集”进行匹配，随 后确定相 应的控制手段，最后通过反模糊化得到量化的具体信号来实 施控制1 5 1 7.F e r r e r 等采用模糊逻辑控制对曝气过程的节能进行了 研究，开发出 一种基于模糊逻辑 的 曝 气 控 制系 统 61，并 在中 试 规 模 的B A R D E N P H O 工 艺中 的 主 曝 气 池 进 行了 试 验，与普通的控制器相比可节省能量 4 0%.M a n e s i s 等人7 l 对一个前置反硝化污水处理厂进行了

46、模糊控制系统 研究。他们以反应器中氨氮、硝态氮、D O,温度、ML S S和二沉池进出水 B O D的差值作为模糊控制系统的输入 变量，以 曝气区 供氧速率、好氧区向 缺氧区的回 流速率以 及二沉 池向反应器的污泥回流速率作为输出变量，以处理厂操作人员的经验建立模糊控制规则，并在希腊P a t r a s 污水处理厂进行了仿真，取得了较好的结果。彭永臻 等$.9 对生物电 极脱氮法应用模糊控制，取得了 较好的控制效果。在生 物电极脱氮反应器中，既有电化学反应，又有微生物推进的生 化反应，很难应用传统的 控制理论进行有效 地控制。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

47、水 硝态氮负 荷变化的适应性强等优点，有利于避免过量的投加有机 物并尽可能节省运行费用。高 景峰等研究了S B R法的在线模糊控制系统，总结了S B R法在去除有 机物、脱氮除磷过程中的D O,O R P 和p H 值变化 规律，并在此基础上建立了S B R 法去除 有机物和脱氮的模糊控制器1 1 0 1 陆杰研究了模糊控制在三沟式 氧化沟中的应用，主 要对转刷电 机进行间 歇式和组合控制，以 此来改变三沟中的 充氧量，另外还建立了 模糊控制专家系统 1 1 1 吴建辉 研究了仿人智能 模糊控制在污水处理中的应用 1 2 1，指出该系统具 有较强的 鲁棒性和自 适 应性等 优点，但总控制表要经

48、过严格的实践检验并反复修改 才会有满意的控制效果，否则将呈现典型的棒棒控制效果，系统难以稳定。(2)神经网络控制 人工神 经网 络(A rt i f i c i a l N e u r a l N e t w o r k s(A N N s)是一个并行和分布式的 信息处理网 东 北大学 硕士学 位论文第一章 绪论络结构，一 般由多个神经元组成，每个神经元有单一的 输出，可以 连接到很多其他的 神经元，其输入有多 个连接通路，每 个连接 通路 对应一个连接权系数。A N N s 主要是从功能上对生物神经网 络的一种模拟和近似，从本质上看A N N s 是一种不依赖于 模型的自 适应函数估计器，具

49、有很好的适应能 力和学习 能力，并具 有识别和控制等功能。它的主要优点1 13 1，可以 充分逼 近任意复杂的非线性关系，给复杂系统的建模带 来了一 种新的、非 传统的表达工具;有很强的 鲁棒性和容错性;采用并行分布处理方法，使得快速进行大量运算成为可能;固 有的 学习 能力降 低了不确定性，增 加了适应环境变化的 泛化能 力:能够同时处理定量、定性 数据，使其能 够利 用连接主义的结构与传统控制方法及符号主义的人工智能相结合。近年 来在开发新的更精确、实用的活性污泥数学模型的同时，很多学者开始致力于用神经网络模拟和控制污水处理过程的 研究，并取得了 一些成果。如We n C h i e n

50、s i e n 1 4 1开发了一种曝气池神经网络模型。这种模型同专家系统互取各 自所需要的数据，二者结合对整个污水 处理厂实行智能控制。具体方法是:专家系统从各种传感器和检测器获得信号后检查系 统的 状态，并推测出一 个污泥回流比，然后将该值送与神经网 络;神经网络把从专 家系 统获得的当前状态值与通过网 络预测得到的值进行比 较，分析该值是应该增加还是减少或是维持不变;专家系统根据当前的 B O D和 I v II SS 值以及神经网络预测的 曝气池状态判断是否采用这 个污泥回流比。如果专家系统想增加曝气池内 的 B O D浓度，它在向 神经网络模型传输 数据时 就在当前B O D浓度上加