技術(shù)研制報(bào)告

1、污水處理過程節(jié)能增效優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)二、技術(shù)研制報(bào)告中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所二零一零年十二月污水處理過程節(jié)能增效優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)技術(shù)研制報(bào)告1. 前言該技術(shù)是完成單位多年積累形成的成套技術(shù)，由國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目和企業(yè)委托項(xiàng)目支持。本項(xiàng)目在對(duì)我國(guó)污水處理行業(yè)充分調(diào)研的基礎(chǔ)上，針對(duì)污水處理過程能耗高、工藝與設(shè)備過于依賴進(jìn)口、管理水平和運(yùn)行效率低等問題，結(jié)合我國(guó)污水處理行業(yè)儀表配置不全、儀表檢測(cè)能力弱和入水水質(zhì)與流量波動(dòng)頻繁等具體特點(diǎn)，以出水穩(wěn)定達(dá)標(biāo)為約束條件，以節(jié)能增效（兩高一低：提高處理能力，提高出水排放標(biāo)準(zhǔn)，降低處理能耗）和提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性與安全性為目標(biāo)，集中自動(dòng)化和環(huán)境工程兩

2、個(gè)專業(yè)的科研人員，從工藝、設(shè)備、控制與管理四個(gè)方面研究和開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的污水處理過程節(jié)能增效優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)。項(xiàng)目組以遼寧省海城污水處理廠為試驗(yàn)場(chǎng)地，從小試、中試到大試分步實(shí)施，取得了滿意的應(yīng)用效果。為提高技術(shù)應(yīng)用的規(guī)范性和可移植性，項(xiàng)目組不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，編制形成了工程技術(shù)應(yīng)用規(guī)范與污水處理廠管理運(yùn)營(yíng)規(guī)范。2. 項(xiàng)目來源該技術(shù)是完成單位多年積累形成的成套技術(shù)，由以下國(guó)家和企業(yè)項(xiàng)目支持：（1） 國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目：污水處理過程智能優(yōu)化控制關(guān)鍵技術(shù)與系統(tǒng)集成（2009AA04Z155）（2） 國(guó)家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目：基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的污水處理過程污泥膨脹預(yù)測(cè)與控制（61004051）（3） 國(guó)家自然科學(xué)

3、基金重點(diǎn)項(xiàng)目：城市污水處理過程優(yōu)化控制理論與關(guān)鍵技術(shù)研究（61034008）（4） 國(guó)家863計(jì)劃項(xiàng)目：基于FF、Profibus等通信技術(shù)的智能化模塊和儀表的研究和開發(fā)（5） 沈陽市科技攻關(guān)項(xiàng)目：高性能數(shù)字化智能模塊及儀表關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目合同書（6） 企業(yè)委托項(xiàng)目：海城污水處理廠優(yōu)化運(yùn)行項(xiàng)目（7） 企業(yè)委托項(xiàng)目：大連長(zhǎng)興島臨港工業(yè)區(qū)南部及北部污水處理廠電氣自動(dòng)化設(shè)備供貨與安裝項(xiàng)目合同書（8） 企業(yè)委托項(xiàng)目：遼寧省組織建設(shè)縣級(jí)污水處理廠自動(dòng)化控制控制系統(tǒng)（北鎮(zhèn)、大洼、溝幫子、盤山、臺(tái)安、義縣、黑山、法庫(kù)、開原、彰武等18個(gè)縣級(jí)污水處理廠）（9） 企業(yè)委托項(xiàng)目：廣州市番禺區(qū)大崗污水處理工程溶解氧

4、閉環(huán)控制系統(tǒng)軟件開發(fā)3. 項(xiàng)目背景（1） 我國(guó)正面臨著水資源危機(jī)，污水治理任務(wù)緊迫而艱巨當(dāng)前我國(guó)正面臨著淡水資源少、水污染嚴(yán)重、污水排放多三大水資源危機(jī)。我國(guó)每年由水質(zhì)污染造成的損失有500億元之多，而且這一數(shù)字仍在快速增長(zhǎng)。如表1所示2009年我國(guó)污水排放總量已高達(dá)589.2億噸，污水治理已經(jīng)成為當(dāng)前政府緊迫而艱巨的任務(wù)。一方面加大建設(shè)城市污水處理廠，另一方面實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有污水處理廠的節(jié)能增效，最大限度地保護(hù)水環(huán)境，實(shí)現(xiàn)淡水資源持續(xù)利用和良性循環(huán)，已經(jīng)成為我國(guó)政府水資源綜合利用的戰(zhàn)略舉措。表1 全國(guó)廢水和主要污染物排放量年際變化（2006-2009）（2） 我國(guó)污水處理廠運(yùn)行狀況不佳，能耗過高是制

5、約污水處理行業(yè)發(fā)展的重要瓶頸近年來國(guó)家投入巨資建設(shè)運(yùn)營(yíng)了大量的污水處理廠，據(jù)中國(guó)水網(wǎng)中國(guó)污泥處理處置市場(chǎng)報(bào)告（2010版）最新數(shù)據(jù)顯示，截至2009年底，我國(guó)已經(jīng)建成的污水處理廠有1993座，總處理能力超過1億立方米/日，但這些污水處理廠的運(yùn)營(yíng)狀況卻不容樂觀，許多污水處理廠不能正常運(yùn)行。能耗過高是導(dǎo)致“建得起，養(yǎng)不起”的主要原因。2009年污水處理的耗電量約占全國(guó)總用電量的0.4%, 耗電量超過152億度。根據(jù)清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系系統(tǒng)分析研究所對(duì)我國(guó)559座城鎮(zhèn)污水處理廠2006年能耗狀況的統(tǒng)計(jì)分析，目前我國(guó)城市污水處理廠的噸水耗電量約為0.29千瓦時(shí)，約為發(fā)達(dá)國(guó)家城市污水處理廠的噸水耗電

6、量的2倍，而運(yùn)行管理人員數(shù)是其若干倍，造成了污水處理運(yùn)行成本過高?？梢灶A(yù)見，今后能耗問題仍將是制約城市污水處理發(fā)展的重要瓶頸。因此，尋求污水處理過程的優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效是當(dāng)前亟待解決的問題。（3） 運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)我國(guó)污水處理過程節(jié)能增效、提高其運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性的重要因素目前國(guó)內(nèi)污水處理廠的工藝和設(shè)備基本從國(guó)外引進(jìn)，也基本實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)自動(dòng)化控制，具備了運(yùn)行優(yōu)化的條件。國(guó)外專家對(duì)運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)從工藝改進(jìn)、設(shè)備改造、優(yōu)化控制和優(yōu)化管理方面做了很多有益的研究和應(yīng)用，而當(dāng)前國(guó)內(nèi)的注意力仍集中于污水處理廠的基礎(chǔ)建設(shè)上，對(duì)運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)研究不多，更多的是停留在論文階段，實(shí)際應(yīng)用很少。通過運(yùn)行優(yōu)化技術(shù)

7、可以降低污水處理過程能耗，提高系統(tǒng)出水水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)和系統(tǒng)處理能力，提高其運(yùn)行的穩(wěn)定性和安全性。根據(jù)對(duì)污水處理廠的實(shí)際運(yùn)行情況調(diào)查，通過工藝改進(jìn)、設(shè)備改造、優(yōu)化控制和優(yōu)化管理實(shí)現(xiàn)節(jié)能增效的潛力巨大。例如：對(duì)溶解氧（曝氣量）實(shí)施最優(yōu)控制可以節(jié)約風(fēng)機(jī)耗能（約占污水處理廠總電能消耗量的50%）；通過提高污水處理過程自動(dòng)化水平，還可以有效地減少運(yùn)行管理和操作人員，降低運(yùn)行費(fèi)用。（4） 國(guó)內(nèi)污水處理過程具有儀表信息貧乏、異常工況頻繁等特點(diǎn)，運(yùn)行優(yōu)化難度更大國(guó)內(nèi)的污水處理過程具有自己的特點(diǎn)，如圖1所示，主要包括：(a) 受資金限制，我國(guó)污水處理行業(yè)儀表配置不全、儀表檢測(cè)能力弱；(b) 國(guó)內(nèi)的城市管網(wǎng)建設(shè)多采

8、用雨污合流方式，導(dǎo)致入水水質(zhì)與流量波動(dòng)頻繁，雨季時(shí)表現(xiàn)尤為明顯；(c) 國(guó)內(nèi)部分企業(yè)經(jīng)常將不達(dá)標(biāo)甚至沒有處理的工業(yè)污水直接排放，這些有毒的工業(yè)污水可毒死污水處理廠的微生物，破壞其生化系統(tǒng)。圖1 我國(guó)污水處理過程的特點(diǎn)上述特點(diǎn)決定了國(guó)內(nèi)的污水處理過程優(yōu)化運(yùn)行難度更大，不能照搬國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)和應(yīng)用污水處理優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)必須要結(jié)合我國(guó)國(guó)情。4. 關(guān)鍵技術(shù)與主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)4.1關(guān)鍵技術(shù)本項(xiàng)目的關(guān)鍵技術(shù)涵蓋了工藝、設(shè)備、控制和管理四個(gè)方面，在工藝方面提出了動(dòng)態(tài)多級(jí)AO（Anoxic Oxic，缺氧/好氧）工藝和污泥活性選擇技術(shù)，在設(shè)備方面研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的污泥回流設(shè)備行車，在控制方面研究并應(yīng)用了動(dòng)態(tài)優(yōu)

9、化設(shè)定控制技術(shù)和工業(yè)毒水診斷與應(yīng)對(duì)系統(tǒng)，在管理方面開發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷系統(tǒng)和化驗(yàn)室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。（1） 工藝l 動(dòng)態(tài)多級(jí)AO工藝為增強(qiáng)污水生化處理系統(tǒng)的氨氮去除能力，降低曝氣過程能耗和污泥產(chǎn)量，本項(xiàng)目提出動(dòng)態(tài)多級(jí)AO工藝，通過控制曝氣系統(tǒng)，在曝氣池形成多級(jí)AO配置，經(jīng)過預(yù)定的運(yùn)行周期后，缺氧區(qū)和好氧區(qū)區(qū)域互換，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多級(jí)AO。動(dòng)態(tài)多級(jí)AO工藝的運(yùn)行參數(shù)是基于污水處理過程模型和優(yōu)化計(jì)算技術(shù)自動(dòng)生成并由控制系統(tǒng)執(zhí)行，從而工藝及其模型與優(yōu)化技術(shù)成為不可分割的整體。本工藝可充分利用厭氧菌和兼氧菌的作用，形成多次硝化與反硝化過程，增強(qiáng)氨氮去除能力，以最小的曝氣量達(dá)到最佳的污水處理效果。l 污泥活性選擇

10、器污泥的生物活性直接決定著污水處理的效果和效率。本項(xiàng)目通過實(shí)驗(yàn)獲得了污泥活性與密度的關(guān)系，并以此為依據(jù)將“年老體衰”（灰分大，生物活性弱）的污泥作為剩余污泥排走，將“年輕力壯”（灰分小，生物活性強(qiáng)）的污泥回流，提高回流污泥的活性，實(shí)現(xiàn)提高污水處理效率的目的。（2） 設(shè)備污泥回流系統(tǒng)l 平行軌行車調(diào)偏行車是污泥回流系統(tǒng)的主要設(shè)備。平行軌行車橫跨在沉淀池上，兩側(cè)安裝滾輪，在沉降池兩側(cè)的導(dǎo)軌上往返運(yùn)動(dòng)，邊走邊將泥吸出。行車在導(dǎo)軌上進(jìn)行反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于物理、機(jī)械、電氣設(shè)計(jì)等因素造成的誤差，會(huì)使行車在運(yùn)動(dòng)中形成兩側(cè)滾輪速度、位移上的偏差。本項(xiàng)目通過機(jī)械和工藝原理分析，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，確定行車調(diào)偏方案，來解

11、決行車實(shí)際工作時(shí)出現(xiàn)的偏移問題。l 等流量行車吸泥口孔徑設(shè)計(jì)方法沉淀池的工藝要求潛污泵通過行車下部的吸泥管孔把沉淀池底的污泥吸出作為回流污泥使用。本項(xiàng)目通過流體力學(xué)的流道阻力特性計(jì)算，采用等流量行車吸泥口孔徑設(shè)計(jì)方法，能夠有效避免二沉池形成污泥死角，并提高回流污泥的活性。（3） 控制l 動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制技術(shù)污水生化處理過程優(yōu)化控制的核心在于維持系統(tǒng)中微生物、營(yíng)養(yǎng)、供氧三者的平衡，即維持曝氣池內(nèi)污泥濃度、入水有機(jī)物濃度及流量、供氧量的平衡，當(dāng)其中任一項(xiàng)出現(xiàn)變動(dòng)（通常是進(jìn)水水量與進(jìn)水水質(zhì)變動(dòng)），應(yīng)相應(yīng)調(diào)整另外兩項(xiàng)。本項(xiàng)目以污水處理過程模型為基礎(chǔ)，實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)污水處理過程的出水水質(zhì)，以預(yù)測(cè)值為反饋通過循環(huán)模

12、擬，實(shí)現(xiàn)主要耗能環(huán)節(jié)（風(fēng)機(jī)曝氣和污泥回流）的參數(shù)優(yōu)化設(shè)定和回路控制，使溶解氧濃度和污泥濃度適應(yīng)入水負(fù)荷的變化，在提高系統(tǒng)出水穩(wěn)定性的同時(shí)降低了系統(tǒng)能耗。l 工業(yè)毒水診斷與應(yīng)對(duì)系統(tǒng)工業(yè)毒水是由于個(gè)別企業(yè)將不達(dá)標(biāo)甚至沒有經(jīng)過預(yù)處理的工業(yè)污水偷排形成的。工業(yè)毒水一旦進(jìn)入污水生化處理系統(tǒng)，輕則使微生物中毒，降低微生物活性，重則直接導(dǎo)致系統(tǒng)崩潰。為能及早發(fā)現(xiàn)工業(yè)毒水侵入，降低工業(yè)毒水帶來的損失，本項(xiàng)目結(jié)合儀表測(cè)量數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)了工業(yè)毒水診斷與應(yīng)對(duì)系統(tǒng)，及時(shí)對(duì)工業(yè)毒水侵入給出報(bào)警，并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，最大限度的降低了工業(yè)毒水給微生物系統(tǒng)帶來的損害。（4） 管理l 遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷系統(tǒng)本項(xiàng)目開發(fā)了污水

13、處理廠遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷系統(tǒng)，將污水處理廠的運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)的映射到Internet服務(wù)器上。一方面管理者（企業(yè)運(yùn)營(yíng)者和環(huán)保局等監(jiān)察部門）能夠隨時(shí)隨地通過Internet了解污水處理廠的運(yùn)行狀況；另一方面對(duì)污水處理廠形成專家組與區(qū)域性維護(hù)中心相結(jié)合的技術(shù)管理模式，一套技術(shù)服務(wù)專家組可以同時(shí)監(jiān)控多家污水處理廠，大大的節(jié)約了人力資源，降低運(yùn)營(yíng)成本。l 化驗(yàn)室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)本項(xiàng)目開發(fā)了化驗(yàn)室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)在記錄和分析各類化驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將離線化驗(yàn)數(shù)據(jù)（如灰分、污泥體積指數(shù)SVI（Sludge Volume Index）、微生物種類等鏡檢數(shù)據(jù)等）引入控制系統(tǒng)，參與工藝過程的優(yōu)化控制。4.2主要?jiǎng)?chuàng)新

14、點(diǎn)（1） 動(dòng)態(tài)多級(jí)AO工藝動(dòng)態(tài)多級(jí)AO工藝是本項(xiàng)目的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)。與常規(guī)多級(jí)AO工藝不同，動(dòng)態(tài)多級(jí)AO工藝的缺氧區(qū)和好氧區(qū)的空間位置、區(qū)域分配比例及曝氣切換時(shí)間都不是靜止不變的，而是基于污水處理過程模型和優(yōu)化計(jì)算技術(shù)自動(dòng)生成并由控制系統(tǒng)執(zhí)行，從而工藝及其模型與優(yōu)化技術(shù)成為不可分割的整體。（2） 等流量行車吸泥口孔徑設(shè)計(jì)方法本項(xiàng)目通過流體力學(xué)的流道阻力特性計(jì)算，提出等流量吸泥孔徑設(shè)計(jì)方法，解決了由于距離吸泥泵遠(yuǎn)的吸泥孔吸力小造成的遠(yuǎn)處吸泥孔吸泥能力差、存在吸泥死角問題，避免了二沉池污泥上浮。（3） 基于污水處理過程模型的出水水質(zhì)預(yù)測(cè)方法本項(xiàng)目以活性污泥1號(hào)數(shù)學(xué)模型ASM1（Activated Sl

15、udge Model NO.1）為基礎(chǔ)，結(jié)合專家知識(shí)和系統(tǒng)辨識(shí)手段，建立了污水處理過程過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)出水水質(zhì)的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)，為污水處理過程參數(shù)優(yōu)化提供了依據(jù)。（4） 工業(yè)毒水診斷與應(yīng)對(duì)系統(tǒng)本項(xiàng)目通過統(tǒng)計(jì)分析總結(jié)了工業(yè)毒水侵入時(shí)儀表測(cè)量數(shù)據(jù)的變化特征，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)開發(fā)了工業(yè)毒水診斷與應(yīng)對(duì)系統(tǒng)，對(duì)工業(yè)毒水侵入及時(shí)給出報(bào)警，并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，最大限度的降低了工業(yè)毒水給微生物系統(tǒng)帶來的損害。5. 立項(xiàng)以來開展的主要工作5.1前期工作5.1.1工藝介紹污水生化處理過程就是利用人工培養(yǎng)的微生物群體來吸附、分解、氧化污水中可生物降解的有機(jī)物，通過生物化學(xué)反應(yīng)將這些有機(jī)物從污水中分離出來，使污水得到凈化。圖2給

16、出了海城污水處理廠活性污泥法污水生化處理工藝的流程，我國(guó)城市污水處理廠有80以上均采用活性污泥法，其工藝核心為生化反應(yīng)池。原污水經(jīng)過預(yù)處理和一級(jí)處理后，二級(jí)處理部分厭氧池的出水進(jìn)入生化反應(yīng)池。在生化反應(yīng)池活性污泥的作用下，通過好氧和厭氧生物降解，將污水中的溶解態(tài)和膠態(tài)有機(jī)物最終分解為二氧化碳和水，然后進(jìn)入二沉池進(jìn)行泥水分離，上部澄清水排入受納水體。圖2 海城污水處理廠活性污泥法污水生化處理工藝流程5.1.2入水水質(zhì)分析統(tǒng)計(jì)分析2010年1-6月每日進(jìn)水COD（Chemical Oxygen Demanded，化學(xué)需氧量）數(shù)據(jù)，如圖3所示，根據(jù)實(shí)際情況得出入水COD的變化特征和波動(dòng)范圍，為過程優(yōu)

17、化控制提供參考數(shù)據(jù)。圖3 2010年1-6月入水COD 由上圖可以看出，海城污水處理廠冬季進(jìn)水COD較為穩(wěn)定，約為500mg/l；進(jìn)入夏季后，由于用水量增大等原因，進(jìn)水COD波動(dòng)變得較大，但整體還在500mg/l上下波動(dòng)。對(duì)海城污水處理廠2010年上半年進(jìn)水COD數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析進(jìn)水變化區(qū)間及變化范圍，結(jié)果表2所示。表2 2010年1-6月進(jìn)水COD各級(jí)別天數(shù)占有情況由上表可以看出：進(jìn)水COD值主要集中在400-600mg/L區(qū)段，低于400mg/L和高于600mg/L的天數(shù)很少，因此400-600mg/L的進(jìn)水COD值區(qū)段可視為常規(guī)高頻段。5.2技術(shù)方法體系從工藝、設(shè)備、控制與管理四個(gè)方面

18、研究和開發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的污水處理過程節(jié)能增效優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)，其技術(shù)體系如圖4所示，包含工藝、設(shè)備、控制與管理四個(gè)方面，在工藝方面提出了動(dòng)態(tài)多級(jí)AO（缺氧區(qū)和好氧區(qū)）工藝和污泥活性選擇技術(shù)，在設(shè)備方面研制了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的污泥回流系統(tǒng)，在控制方面研究并應(yīng)用了動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制技術(shù)和工業(yè)毒水診斷與應(yīng)對(duì)系統(tǒng)，在管理方面開發(fā)了遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷系統(tǒng)和化驗(yàn)室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。此外，項(xiàng)目組在研究和應(yīng)用過程中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，編制形成了較為完善的工程技術(shù)應(yīng)用規(guī)范與污水處理廠管理運(yùn)營(yíng)規(guī)范，提高了技術(shù)應(yīng)用的規(guī)范性和可移植性。圖4 污水處理過程節(jié)能增效優(yōu)化運(yùn)行技術(shù)方法體系5.3工藝優(yōu)化運(yùn)行5.3.1動(dòng)態(tài)多級(jí)AO工藝為增強(qiáng)污水生化處

19、理系統(tǒng)的氨氮去除能力，降低曝氣過程能耗和污泥產(chǎn)量，本項(xiàng)目提出動(dòng)態(tài)多級(jí)AO工藝，通過控制曝氣系統(tǒng)，在曝氣池形成多級(jí)AO配置，經(jīng)過預(yù)定的運(yùn)行周期后，缺氧區(qū)和好氧區(qū)區(qū)域互換，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)多級(jí)AO。為充分發(fā)揮動(dòng)態(tài)多級(jí)AO工藝氨氮去除能力強(qiáng)、系統(tǒng)能耗和污泥產(chǎn)量低的優(yōu)點(diǎn)，在實(shí)施前需要確定好兩個(gè)工藝參數(shù)：一是缺氧區(qū)和好氧區(qū)面積分配，即要確定曝氣池中缺氧區(qū)和好氧區(qū)各占多大的面積；二是動(dòng)態(tài)多級(jí)AO工藝的運(yùn)行周期，即要確定經(jīng)過多長(zhǎng)時(shí)間缺氧區(qū)和好氧區(qū)的區(qū)域互換。本項(xiàng)目基于污水處理過程模型和優(yōu)化計(jì)算技術(shù)自動(dòng)生成動(dòng)態(tài)多級(jí)AO工藝的運(yùn)行參數(shù)并由控制系統(tǒng)執(zhí)行，從而工藝及其模型與優(yōu)化技術(shù)成為不可分割的整體。本工藝可充分利用厭氧菌

20、和兼氧菌的作用，形成多次硝化與反硝化過程，增強(qiáng)氨氮去除能力，以最小的曝氣量達(dá)到最佳的污水處理效果，經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行取得了較好的應(yīng)用效果。5.3.2污泥活性選擇器回流污泥的活性對(duì)污水處理效率起著重要作用，提高污水處理效率一個(gè)直接方法就是提高回流污泥的活性，即選擇生物活性強(qiáng)（灰分?。┑奈勰嘧鳛榛亓魇褂茫浜诵膯栴}就是什么樣污泥的生物活性最強(qiáng)。為了尋找污泥活性與污泥密度的關(guān)系，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)：利用特制的實(shí)驗(yàn)容器從二沉池回流污泥中選取低、中、高三種密度的回流污泥，加水混合調(diào)配成混合液懸浮固體濃度MLSS（Mixed Liquid Suspended Sludge）均為5000mg/L的三份等體

21、積溶液，將COD濃度和體積都相同的污水分別注入三分溶液中，充分曝氣后，通過檢測(cè)出水COD含量證明了污泥密度與生物活性之間的關(guān)系污泥密度越小，活性越高。利用這個(gè)實(shí)驗(yàn)結(jié)論，設(shè)計(jì)了能夠自動(dòng)篩選密度相對(duì)較低的污泥作為回流用污泥的“污泥活性選擇器”，從而從工藝角度提高了回流污泥的生物活性，提高了污水處理效率。5.4污水處理設(shè)備優(yōu)化運(yùn)行污泥回流系統(tǒng)5.4.1行車調(diào)偏技術(shù)行車在導(dǎo)軌上進(jìn)行反復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于物理、機(jī)械、電氣設(shè)計(jì)等因素造成的誤差，會(huì)使行車兩側(cè)的車輪在運(yùn)動(dòng)中形成速度、位移上的偏差，導(dǎo)致行車偏軌運(yùn)行。首先在開環(huán)條件下，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)行車多個(gè)運(yùn)行周期的運(yùn)行速度和位移進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示行車的速度和位移的偏差沒

22、有明顯的規(guī)律，但這種偏差的積累，會(huì)使行車偏軌運(yùn)行。通過機(jī)械和工藝原理分析，結(jié)合專家經(jīng)驗(yàn)，對(duì)產(chǎn)生行車偏移的原因和相對(duì)應(yīng)的解決方案做出總結(jié)。行車調(diào)偏方式主要針對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中速度偏差和位置偏差來設(shè)計(jì)，行車的速度偏差調(diào)節(jié)采用速度反饋PID控制，行車的位置偏差調(diào)節(jié)采用位置定點(diǎn)糾偏控制方式。通過編寫下位機(jī)程序、調(diào)整編碼器安裝位置和在導(dǎo)軌兩端加裝接近開關(guān)，使速度和位移調(diào)偏同時(shí)作用，可以有效減少行車在平行導(dǎo)軌往復(fù)運(yùn)動(dòng)過程中的偏軌問題。5.4.2等流量行車吸泥口孔徑設(shè)計(jì)方法常規(guī)的吸泥口孔徑設(shè)計(jì)方法采用等孔徑設(shè)計(jì)方法，吸泥管孔距離潛污泵越遠(yuǎn)，管孔吸力越小。這就直接導(dǎo)致了距離潛污泵越遠(yuǎn)的吸泥孔排泥效率越低，極易造成吸

23、泥死角，造成二沉池污泥上浮。沉淀池死角的污泥作為回流污泥使用導(dǎo)致生物活性較低，影響了系統(tǒng)的處理效率和出水水質(zhì)。本項(xiàng)目通過流道阻力計(jì)算采用等流量吸泥口孔徑設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出各個(gè)吸泥管孔吸力大小相同的行車，從而解決了由于距離吸泥泵遠(yuǎn)的吸泥孔吸力小造成的遠(yuǎn)處吸泥孔排泥能力差、存在吸泥死角問題，而且由于排泥及時(shí)，回流污泥的生物活性也得到了提高，從而通過關(guān)鍵設(shè)備的技術(shù)改造，在提升設(shè)備本身性能的同時(shí)，提高了污水處理效率。5.5污水處理過程動(dòng)態(tài)優(yōu)化控制技術(shù)5.5.1污水處理過程模型項(xiàng)目研究的污水處理過程模型以國(guó)際水協(xié)會(huì)IWA（Internation Water Association）活性污泥1號(hào)數(shù)學(xué)模型AS

24、M1為基礎(chǔ)，由于該模型結(jié)構(gòu)復(fù)雜、參數(shù)眾多，無法直接應(yīng)用，因此根據(jù)我國(guó)污水處理過程的特點(diǎn)，對(duì)模型的結(jié)構(gòu)和組分做了化簡(jiǎn)，得到簡(jiǎn)化的污水處理過程模型。由于目前污水處理廠的儀器儀表配置和測(cè)量能力較弱，模型組份中除了溶解氧，其余的模型組份濃度均難以進(jìn)行測(cè)量。尤其是國(guó)內(nèi)的污水處理廠，基本上只能夠測(cè)量COD、SS（Suspended Solid，固體懸浮物）、5日生化需氧量BOD5（5 days Biochemical Oxygen Demanded）等常規(guī)水質(zhì)分析指標(biāo)。針對(duì)這種情況，研究了模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換方法，實(shí)現(xiàn)難測(cè)的模型組分濃度與易測(cè)的常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)之間的實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換是非常必要的。動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)定研究發(fā)現(xiàn)，溫度

25、（尤其是水溫）對(duì)于反應(yīng)速率有著非常重要的影響，需要根據(jù)水溫的變化對(duì)模型的參數(shù)值進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。本項(xiàng)目采用Arrhenius公式校正系統(tǒng)參數(shù)，用于調(diào)整溫度對(duì)于生化反應(yīng)速率的影響。本項(xiàng)目采用以IWA提供的benchmark為仿真平臺(tái)，驗(yàn)證了該模型的正確性，其中二沉池沉淀過程采用一維固體通量模型。以該模型為基礎(chǔ)，開發(fā)了針對(duì)海城污水處理廠的模擬仿真系統(tǒng)，分別采用離線數(shù)據(jù)和在線數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真，均能對(duì)出水水質(zhì)取得較好的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)效果，為優(yōu)化控制提供了依據(jù)。5.5.2溶解氧優(yōu)化控制技術(shù)溶解氧是生化反應(yīng)過程中一個(gè)重要指示參數(shù)，能比較直觀、迅速的反映微生物的生存環(huán)境。對(duì)溶解氧的控制可以直接影響到出水水質(zhì)和系統(tǒng)能耗。

26、本項(xiàng)目通過工藝分析，確定采用溶解氧串級(jí)控制方法，通過污水處理過程模型實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)出水水質(zhì)指標(biāo)，以出水水質(zhì)預(yù)測(cè)值為反饋值，調(diào)節(jié)溶解氧濃度設(shè)定值。考慮到氧溶解氧過程是一個(gè)強(qiáng)非線性過程，傳統(tǒng)的PID控制方法無法取得令人滿意的效果，本項(xiàng)目采用仿人智能PID控制方法，通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)對(duì)溶解氧濃度的控制。5.5.3污泥濃度優(yōu)化控制技術(shù)污泥實(shí)質(zhì)上就是微生物的宏觀表現(xiàn)形式。污泥濃度直接影響污水處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)，其大小與回流污泥量、入水流量以及入水水質(zhì)有關(guān)。為了保證曝氣池的正常運(yùn)行，按長(zhǎng)期積累的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，曝氣池中的混合液濃度應(yīng)控制在1500-4000mg/L的范圍內(nèi)。目前MLSS的控制主要是通過調(diào)節(jié)回

27、流污泥量來實(shí)現(xiàn)。污泥回流量過小，缺氧池的碳源就偏少，影響反硝化反應(yīng)的進(jìn)行，從而影響污水處理效果；污泥回流量過大，意味著污泥排放量的減少，從而增加了沉淀池的水力沖擊，影響沉淀池的固液分離效果，使一些本來可沉淀在池底的顆粒性有機(jī)物隨出水一道排出。本項(xiàng)目通過工藝分析，確定采用污泥濃度前饋-串級(jí)控制，以入水負(fù)荷滑動(dòng)平均值為前饋，以基于污水處理過程模型的出水水質(zhì)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)值為反饋，實(shí)現(xiàn)污泥濃度設(shè)定值控制。通過控制回流污泥泵的運(yùn)行頻率，實(shí)現(xiàn)污泥回流量的調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)污泥濃度對(duì)設(shè)定值的跟隨。5.5.4工業(yè)毒水診斷與應(yīng)對(duì)系統(tǒng)工業(yè)毒水是由于個(gè)別企業(yè)將不達(dá)標(biāo)甚至沒有經(jīng)過預(yù)處理的工業(yè)污水直接排放形成的，是污水生化處理

28、系統(tǒng)的巨大威脅。項(xiàng)目組首先通過觀察和化驗(yàn)，確定工業(yè)毒水的特征，發(fā)現(xiàn)當(dāng)工業(yè)毒水侵入時(shí)，溶解氧濃度和入水pH值往往出現(xiàn)異常，結(jié)合儀表測(cè)量數(shù)據(jù)和專家經(jīng)驗(yàn)，確定了工業(yè)毒水應(yīng)對(duì)方法。根據(jù)總結(jié)的工業(yè)毒水特征和應(yīng)對(duì)方法，開發(fā)了工業(yè)毒水診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠及早的對(duì)侵入的工業(yè)毒水發(fā)出警報(bào)，并及時(shí)作出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，將工業(yè)毒水侵入的危害降到最低。5.6污水處理管理優(yōu)化技術(shù)5.6.1遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷技術(shù)為降低污水處理廠的維護(hù)、管理與運(yùn)營(yíng)成本，特別是一些運(yùn)營(yíng)多家污水處理廠的大型公司，本項(xiàng)目開發(fā)了污水處理廠遠(yuǎn)程監(jiān)控與診斷系統(tǒng)。在污水處理廠本地提供實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過OPC（OLE for Process Contr

29、ol，面向過程控制的OLE）接口讀入實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，以COM（Component Object Model，組件對(duì)象模型）形式嵌入網(wǎng)頁中，通過標(biāo)準(zhǔn)Http協(xié)議發(fā)布實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，并映射為Internet服務(wù)器，使得實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)能夠通過Internet被訪問；在遠(yuǎn)程，當(dāng)監(jiān)控客戶瀏覽Web服務(wù)器時(shí)，在任何位置通過Http協(xié)議直接在瀏覽器中顯示數(shù)據(jù)。本技術(shù)的應(yīng)用，使經(jīng)營(yíng)者無論在何地都可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)、運(yùn)營(yíng)情況的時(shí)時(shí)掌握，把生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)狀況同企業(yè)的經(jīng)營(yíng)管理策略緊密結(jié)合，發(fā)現(xiàn)運(yùn)行及管理中的問題，并進(jìn)行及時(shí)糾正，從而了實(shí)現(xiàn)企業(yè)的綜合自動(dòng)化，使管理者真正做到了“運(yùn)籌帷幄之中，決勝千里之外”。5.6.2化驗(yàn)室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)為了

30、擺脫傳統(tǒng)人工記錄的數(shù)據(jù)錄入形式對(duì)化驗(yàn)室工作的限制，本項(xiàng)目開發(fā)了化驗(yàn)室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)在記錄和分析各類化驗(yàn)室測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，將離線化驗(yàn)數(shù)據(jù)（如灰分、污泥體積指數(shù)SVI（Sludge Volume Index）、微生物種類等鏡檢數(shù)據(jù)等）引入控制系統(tǒng)，參與工藝過程的優(yōu)化控制。這些離線化驗(yàn)數(shù)據(jù)可以直接反映微生物的種類、活性等關(guān)鍵指標(biāo)，從而為工藝的優(yōu)化運(yùn)行提供針對(duì)性的操作指導(dǎo)。此外該系統(tǒng)還具有異常工況記錄、報(bào)警、數(shù)據(jù)分析、查詢等功能。化驗(yàn)室數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)軟件的開發(fā)，便于用戶對(duì)數(shù)據(jù)的管理與維護(hù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的系統(tǒng)管理和規(guī)范記錄，同時(shí)也方便了控制人員利用化驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)工藝參數(shù)設(shè)定與優(yōu)化。5.7污水處理專用模塊

31、庫(kù)為提高污水處理自動(dòng)化系統(tǒng)的開發(fā)效率和專業(yè)性，項(xiàng)目組建立了較為完備的污水處理專用模塊庫(kù)。項(xiàng)目組在工程經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行不斷的改進(jìn)和完善，通過將一個(gè)復(fù)雜的程序分解為多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)功能塊，以標(biāo)準(zhǔn)功能塊為基石，將調(diào)用條件作為連接件來構(gòu)造一個(gè)完整的程序，使軟件的條理性和結(jié)構(gòu)更明了。隨著工程經(jīng)驗(yàn)的積累和需要，又可將簡(jiǎn)單的功能塊搭構(gòu)成更復(fù)雜的功能塊，逐步形成標(biāo)準(zhǔn)功能塊的一個(gè)完整的體系。專用模塊庫(kù)的建立能減少軟件設(shè)計(jì)者對(duì)程序局部邏輯的思考，從而將精力轉(zhuǎn)到對(duì)整個(gè)程序結(jié)構(gòu)的構(gòu)造上，提高整個(gè)程序的易讀性和正確性，從而提高編程效率。6. 專利、版權(quán)和論文6.1發(fā)明專利1 于廣平,苑明哲,滕琳琳,王景楊. 活性污泥工藝污水處

32、理過程污泥膨脹預(yù)測(cè)方法.國(guó)家發(fā)明專利，200910013440.X；2 苑明哲,王宏,于廣平,于海斌,孫陽,滕琳琳,王景楊. 污水生化處理過程回路控制方法. 國(guó)家發(fā)明專利，200910013441.4；3 于海斌,王宏,于廣平,孫陽,苑明哲, 滕琳琳.工業(yè)毒水檢測(cè)方法. 國(guó)家發(fā)明專利，200810230105.0；4 于海斌,康凱,趙海燕.多串行總線無源背板.國(guó)家發(fā)明專利，200510046778.7；5 于海斌,王興旭,王宏,趙海燕,林躍.FF現(xiàn)場(chǎng)總線本質(zhì)安全柵.國(guó)家發(fā)明專利，200510047062.9；6 于海斌,王楷,王宏,林躍,王鵬,苗利.基于基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線高速以太網(wǎng)的可編程控制器系

33、統(tǒng)，國(guó)家發(fā)明專利，200510047088.3；7 于海斌,王宏,趙海燕,林躍.壓力數(shù)字化采集前端.國(guó)家發(fā)明專利，200610048057.4；8 于海斌,王宏,林躍,姜軍,周建輝,康凱.現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備IO參數(shù)的開放式配置方法及系統(tǒng).國(guó)家發(fā)明專利，200810012461.5；9 于海斌,王宏,趙海燕,林躍,康凱.現(xiàn)場(chǎng)總線通信卡.國(guó)家發(fā)明專利，200810228481.6；10 于海斌,王宏,趙海燕,林躍,康凱.同時(shí)支持電壓及電流激勵(lì)的電阻橋傳感器測(cè)量裝置及方法.國(guó)家發(fā)明專利，200810228801.8。6.2軟件著作權(quán)1 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)歷史數(shù)據(jù)庫(kù)軟件V1.0，2010SR040394；2 NCS

34、4000控制系統(tǒng)IO管理模塊軟件V1.0，2010SR040397；3 基于FF H1/HSE的OPC數(shù)據(jù)服務(wù)器軟件V1.00.00，2004SR04910；4 基于EPA的組態(tài)軟件 V1.0，2005SR09483；5 現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備管理軟件 V1.0，2005SR09484；6 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)組態(tài)軟件 V1.0，2005SR09485；7 基于EPA的分散控制站軟件 V1.0，2005ST09486;8 網(wǎng)絡(luò)化控制系統(tǒng)組態(tài)信息數(shù)據(jù)庫(kù)軟件 V1.0，2005SR09487；9 基于HART的智能壓力變送器軟件V1.00，2006SR16876；10 PROFIBUS PA設(shè)備開發(fā)軟件 V1.0

35、，2008SR35955；11 基金會(huì)現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備開發(fā)軟件V1.0，2008SR35956.6.3學(xué)術(shù)論文 01 Ping Zhang, Mingzhe Yuan, Hong Wang. Improvement of nitrogen removal and reduction of operating costs in an activated sludge process with feed forward-cascade control strategy. Biochemical Engineering Journal. 2008,41(8):53-58.02 Ping Zhang, M

36、ingzhe Yuan, Hong Wang. Self-Tuning PID Based on Adaptive Genetic Algorithms with the Application of Activated Sludge Aeration Process A. The 6th WCICA, Dalian, June 21-23, 2006，9327-933003 YU Guang-ping, YUAN Ming-zhe, WANG Hong. On simplified model for activated sludge wastewater treatment process

37、 and simulation based on benchmark A. Proceedings of the 26th Chinese Control Conference, CCC 2007, Proceedings of the 26th Chinese Control Conference, CCC 2007, 20071(3): 182-186.04 Ping Zhang, Mingzhe Yuan, Hong Wang, Guangping Yu. A Simulation Benchmark for Evaluating Advanced Control Strategies

38、in Wastewater Treatment Plants A. Dynamics of continuous, discrete and impulse systems,series B:Application and Algorithoms, International conference on sensing, computing and automation, Chongqing, May 8-10, 2006，115-120.05 Fan Liping, Yu Haibin, Yuan Decheng . Optimal Control of SBR based on Minim

39、al Energy Consumption. The 4th IASTED International Conference on Modeling, Simulation, and Optimization , Aug. 17-19, 2004.06 Yuan Decheng, FanLiping, Yu Haibin. Respirometry Estimations Based Monitoring of Biological Wastewater Treatment Processes. Proceedings of the international symposium on adv

40、anced control of processes, 2004.07 Fan Liping, Yu Haibin, Yuan Decheng. Bilinear Subspace Identification of Induction Motor Dynamic Characteristics. International Conference on Dynamics, Instrumentation and Control, Aug. 1820, 2004.08 Fan Liping, Yu Haibin, Yuan Decheng. Monitoring of River Quality

41、 based on Interval Observers. Proc. Of 4th Int. Conf. On Watershed Management , 2004.09 Liping Fan, Haibin Yu, Decheng Yuan. Receiving Capacity Based Real Time Control of Wastewater Outflow Discharge. Proceedings of 6th International Symposium on Systems Analysis and Integrated Assessment in Water M

42、anagement, 2004.10 樊立萍,于海斌,袁德成.SBR污水生化處理系統(tǒng)的最優(yōu)控制及改造.控制與決策,2005,20(2),237-240.11 張平,苑明哲,王宏,于廣平.污水處理廠綜合自動(dòng)化系統(tǒng)A.第六屆全球智能控制與自動(dòng)化大會(huì),大連,2006, pp: 6626-663012 于廣平,苑明哲,王宏.基于簡(jiǎn)化活性污泥數(shù)學(xué)模型的污水處理仿真研究J.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào), 2007,19(23):5366-5369.13 袁德成,于海斌.活性污泥脫氮過程的建模與控制.控制理論與應(yīng)用,2004,21(3): 483-488.14 苑明哲,于海斌.流水線型并行控制器.控制理論與應(yīng)用,2004,

43、21(4) :646-650.15 張平,苑明哲,王宏.污水處理過程的奇異攝動(dòng)模型仿真研究J. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2007, 19(14):3188-3192.16 于廣平,苑明哲,王宏.面向活性污泥1號(hào)模型應(yīng)用的軟測(cè)量技術(shù)A. 儀器儀表學(xué)報(bào), 2006,27(6):1058-1060.17 張平,苑明哲,王宏.溶解氧濃度的非線性控制研究A.儀器儀表學(xué)報(bào),2006,6:1934-193618 張平,王宏,苑明哲.污水生化處理過程中溶解氧的非線性控制.儀器儀表學(xué)報(bào). 2008,28(2): 387-391. 19 張平,苑明哲,王宏.基于干擾觀測(cè)器的污水處理過程控制研究J.計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì), 200

44、6,27(14): 2601-2602.20 張平,苑明哲,王宏.基于國(guó)際評(píng)價(jià)基準(zhǔn)的溶解氧控制方法研究J.信息與控制, 2007, 36(2):199-20321 于廣平,苑明哲,王宏.污水生化處理過程仿真及在A2O工藝改進(jìn)中的應(yīng)用J. 系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2009,21(22)：7355-7358.22 樊立萍,于海斌,袁德成.序批式反應(yīng)器污水處理工藝建模與控制研究.信息與控制,2004,33(2):202-207.23 苑明哲,于海斌,王宏.控制性能評(píng)估.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)工學(xué)版（增刊）,2004 ,34(z1):80-83.24 樊立萍,于海斌,袁德成.基于指數(shù)非線性觀測(cè)器的SBR過程軟測(cè)量.吉林大學(xué)學(xué)報(bào)工學(xué)版（增刊）,2004,34(z1):11-14.25 樊立萍,于海斌,袁德成.集成城市污水處理的建模與仿真.全球化制造高級(jí)論壇暨21世紀(jì)系統(tǒng)仿真技術(shù)研討會(huì),2004年10月18-22日.26 樊立萍,王喜陽,于海斌.基于2-D系統(tǒng)理論的變初始條件離散系統(tǒng)的迭代學(xué)習(xí)控制.系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào),2005,17(7),1708-171