污水處理自動(dòng)控制的發(fā)展歷程及趨勢

朱振羽，王 敏，王 宇

（1.城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（北京建筑工程學(xué)院），北京100044；2.北京紫光同興環(huán)保工程技術(shù)有限公司，北京100085）

1 引言

自動(dòng)控制相對人工控制概念而言，是指在無人直接參與的情況下，利用控制器操縱被控對象，使被控量自動(dòng)地按照預(yù)定的規(guī)律運(yùn)行。采用先進(jìn)的自動(dòng)控制技術(shù)，既可以優(yōu)化運(yùn)行過程，節(jié)能降耗，又能保證操作的安全，提高生產(chǎn)率，改善工作環(huán)境。在早期的污水處理廠運(yùn)行和管理中，大多根據(jù)處理經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工控制，因此運(yùn)行過程中常會(huì)產(chǎn)生較大誤差。即使是一些高效的處理系統(tǒng)，也常會(huì)因?yàn)闆]有實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化系統(tǒng)控制，而大大削減其應(yīng)有的功效［1］。雖然自動(dòng)控制系統(tǒng)的造價(jià)不菲，短期內(nèi)難以回收成本，但從長遠(yuǎn)角度看，采用自控系統(tǒng)將節(jié)省大量的人力成本及運(yùn)行費(fèi)用。綜合來看，引進(jìn)自控技術(shù)對污水處理行業(yè)來說，是提高運(yùn)行管理效率并有效降低處理成本的明智選擇。

2 傳統(tǒng)污水處理控制方式

傳統(tǒng)污水處理控制方式包括人工控制和半自動(dòng)控制。早期的污水處理廠基本上采用人工控制，其典型的控制方式為：現(xiàn)場顯示儀表＋人工調(diào)節(jié)。該方式采用檢測儀表對污水處理過程中的液位、流量、溫度、濁度、pH值、DO、BOD5、COD、MLVSS等指標(biāo)進(jìn)行在線或離線采集，再根據(jù)測量數(shù)據(jù)調(diào)整設(shè)備狀態(tài)，如閥門的開閉與開度、電機(jī)的啟停等。采用這種控制方式，工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度很大，且控制過程易出現(xiàn)滯后或易受操作人員的主觀因素影響。因此，人工控制方式很難進(jìn)行快速和有效的實(shí)時(shí)控制，往往導(dǎo)致出水水質(zhì)不穩(wěn)定。

后期出現(xiàn)的半自動(dòng)控制方式相比前者有了明顯的進(jìn)步。該方式由數(shù)據(jù)采集裝置對過程量進(jìn)行采樣并輸入到控制室，控制室內(nèi)設(shè)置有模擬顯示器，可顯示水質(zhì)參數(shù)、水泵、風(fēng)機(jī)和閥門等的運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控運(yùn)行過程。操作員可以通過模擬屏控制部分設(shè)備的啟停，而其余的設(shè)備則需要操作人員現(xiàn)場控制［2］。半自動(dòng)控制方式還是存在生產(chǎn)過程無法集中監(jiān)控的問題，自動(dòng)化程度較低。

傳統(tǒng)污水處理控制方式受制于落后的自控技術(shù)而顯現(xiàn)出上述的種種缺陷和不足，隨著自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的突飛猛進(jìn)，污水處理的自動(dòng)化水平也越來越高。

3 污水處理自動(dòng)控制技術(shù)的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀

3.1 研究現(xiàn)狀

近些年來，業(yè)內(nèi)很多專家學(xué)者對污水處理過程的自動(dòng)控制展開研究，探索實(shí)現(xiàn)出水高達(dá)標(biāo)率與單位低能耗的一系列控制方法。

Zipper等［3］設(shè)計(jì)了一套適用于小型污水廠的自控系統(tǒng)，它的核心是一臺基于ORP參數(shù)監(jiān)控的控制器。該控制器按預(yù)先設(shè)定好的程序自動(dòng)運(yùn)行，能夠在硝化與反硝化的過程中不斷進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化，從而降低了能耗。中試結(jié)果顯示，污水處理廠的實(shí)際負(fù)荷與ORP曲線變化有很強(qiáng)的相關(guān)性，采用兩點(diǎn)ORP控制保證了在增加負(fù)荷時(shí)硝化時(shí)間占運(yùn)行時(shí)間的比率也相應(yīng)增加，這些研究成果為開發(fā)制定小型污水廠控制策略奠定了基礎(chǔ)。Yu等［4］設(shè)計(jì)開發(fā)出帶有實(shí)時(shí)ORP和pH值監(jiān)控系統(tǒng)的SBR反應(yīng)器，該系統(tǒng)主要由智能儀表、計(jì)算機(jī)（人機(jī)界面）和控制、執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成。由智能儀表測量出模擬信號，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再輸入計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行采樣分析后形成控制信號傳遞到下位控制器，進(jìn)而啟動(dòng)或停止攪拌器、鼓風(fēng)機(jī)等設(shè)備。結(jié)果顯示，采用參數(shù)實(shí)時(shí)控制的SBR反應(yīng)器較之于固定時(shí)序控制反應(yīng)器，底物去除率提高5%左右，曝氣量降低了20%左右。Puznava等［5］在同步硝化／反硝化的生物濾池中引入了實(shí)時(shí)曝氣控制，建立了基于NH3－N和DO實(shí)時(shí)監(jiān)測的串聯(lián)控制。與傳統(tǒng)硝化－反硝化生物曝氣濾池法（BAF）相比，采用該控制方式達(dá)到相同處理效果時(shí)，曝氣量僅為傳統(tǒng)方法的一半，節(jié)能效果明顯。

3.2 工程應(yīng)用現(xiàn)狀

發(fā)達(dá)國家在污水二級處理普及后，投入巨資加強(qiáng)對污水處理設(shè)施的監(jiān)測、運(yùn)行和管理方面的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)控制、報(bào)警和實(shí)時(shí)記錄。美國在20世紀(jì)70年代中期開始實(shí)現(xiàn)污水處理廠的自動(dòng)控制，目前主要污水處理廠已實(shí)現(xiàn)工藝流程中主要參數(shù)的自動(dòng)監(jiān)控。

發(fā)達(dá)國家非常重視通過先進(jìn)控制技術(shù)節(jié)約能源，例如DO的合理控制能節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，保證出水水質(zhì)，瑞典Kallby污水處理廠，通過DO設(shè)定值優(yōu)化，曝氣能耗降低了32%。美國Stickney污水處理廠（303萬t／d）于1998年投入300萬美元用于建立曝氣池自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，每年可節(jié)約47萬美元電費(fèi)和72.5萬美元的人工費(fèi)，投資可在兩年半內(nèi)收回［6］。

國外應(yīng)用先進(jìn)自控系統(tǒng)的污水處理廠一般具有以下特點(diǎn)［7］：①采用分布式計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)置中央控制室和多個(gè)分控站，工作人員通過中控計(jì)算機(jī)和通訊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和維護(hù)，可實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場無人值守；②監(jiān)控系統(tǒng)采用冗余化設(shè)計(jì)，各分控站有獨(dú)立工作能力，大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性和可靠性；③采用智能化控制，可根據(jù)進(jìn)水的變化自動(dòng)對工藝過程進(jìn)行調(diào)整；④大量采用先進(jìn)的在線水質(zhì)分析儀和智能儀表，可提供高精度的檢測和準(zhǔn)確的控制數(shù)據(jù)；⑤大量采用遙測、遙控設(shè)備，有效地利用現(xiàn)有的公共信息通訊網(wǎng)絡(luò)。

相比國外，我國污水處理自動(dòng)控制起步晚，20世紀(jì)90年代后期污水處理廠才開始引進(jìn)自動(dòng)控制系統(tǒng)，但大多是直接引進(jìn)國外成套的自控設(shè)備，國產(chǎn)的自動(dòng)控制產(chǎn)品在污水處理領(lǐng)域應(yīng)用不多且集中在低端產(chǎn)品，但目前發(fā)展很迅猛。目前，國內(nèi)技術(shù)較成熟的是由中央控制室計(jì)算機(jī)和現(xiàn)場級PLC控制單元組成的集散式控制系統(tǒng)（DCS），它通過通訊網(wǎng)絡(luò)將中央級監(jiān)控總站和若干現(xiàn)場控制總站連接起來，構(gòu)成集中管理、分散控制的計(jì)算機(jī)測控管理系統(tǒng)。系統(tǒng)擴(kuò)展容易，各部分功能獨(dú)立，可根據(jù)生產(chǎn)需要增加PLC模塊，實(shí)現(xiàn)了真正的信息管理和集中調(diào)度，并且能夠?qū)⒐δ芗翱刂七M(jìn)行分散管理，中控室計(jì)算機(jī)出現(xiàn)故障，各現(xiàn)場分站仍能獨(dú)立、穩(wěn)定地工作，這從根本上提高了系統(tǒng)的可靠性［8］。河北承德市某日處理量3萬t的小型生活污水處理廠，早期為人工控制，出水COD在60mg／L水平時(shí)，電耗0.3kW·h／t，成本0.51元／t；該廠進(jìn)行自控系統(tǒng)（DCS＋PLC）升級改造后，出水COD為50mg／L時(shí)，電耗為0.22kW·h／t，成本0.45元／t，噸水降低電耗成本0.06元／t，年可節(jié)約電費(fèi)64.8萬元，同時(shí)人工費(fèi)及其他費(fèi)用也相應(yīng)降低，經(jīng)濟(jì)效益顯著［9］。

3.3 現(xiàn)階段存在的問題

（1）無法精確建模。自動(dòng)控制系統(tǒng)要求建立精確的數(shù)學(xué)模型，并且提出必須遵循一些比較苛刻的線性化假設(shè)，然而實(shí)際污水處理系統(tǒng)由于存在復(fù)雜性、非線性、時(shí)變性、不確定性和不完全性等，一般難以獲得精確的數(shù)學(xué)模型和與實(shí)際相符的假設(shè)，因此采用傳統(tǒng)控制理論建立的污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)在實(shí)際工程應(yīng)用上存在出水水質(zhì)波動(dòng)較大等問題。

（2）使用水質(zhì)間接參數(shù)給系統(tǒng)帶來風(fēng)險(xiǎn)。反映污水水質(zhì)的直接參數(shù)，如BOD、COD、SS等很難在線監(jiān)測，不少實(shí)驗(yàn)研究中采用DO、pH值和ORP等易于在線監(jiān)測的間接參數(shù)來降低曝氣量和控制出水水質(zhì)，一些污水處理廠也應(yīng)用到了工程實(shí)際中。但這些控制參數(shù)只能間接地反映污水處理生化過程，運(yùn)行過程一旦出現(xiàn)異常情況，系統(tǒng)缺乏相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，難以做出正確判斷，導(dǎo)致整個(gè)控制系統(tǒng)的癱瘓［10］。

（3）自動(dòng)化儀表、設(shè)備的性能和可靠性不強(qiáng)。污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)需要對大量閥門、泵、鼓風(fēng)機(jī)和吸（刮）泥機(jī)、曝氣池和污泥消化池內(nèi)的攪拌器等機(jī)械設(shè)備及沉淀池和消化池進(jìn)、排泥量進(jìn)行控制，因此污水處理廠需要自動(dòng)控制的開關(guān)量特別多，它們常常要根據(jù)一定時(shí)間或邏輯順序定時(shí)啟／停［11］。但當(dāng)前污水處理自動(dòng)控制系統(tǒng)中采用的自動(dòng)化檢測設(shè)備、儀表的功能還不完善，在實(shí)際監(jiān)測中往往難以實(shí)現(xiàn)預(yù)期效果、誤差很大，因此依靠這些檢測設(shè)備判斷污水處理情況并實(shí)施自動(dòng)控制，很難達(dá)到處理水質(zhì)達(dá)標(biāo)排放和節(jié)約能源的目的。此外，還存在網(wǎng)絡(luò)通信以及系統(tǒng)易受干擾等問題。

4 污水處理自動(dòng)控制的發(fā)展趨勢分析

智能控制是污水處理自動(dòng)控制的發(fā)展趨勢，它作為自動(dòng)控制發(fā)展的高級階段，是人工智能、控制論、系統(tǒng)論和信息論等多種學(xué)科的高度綜合與集成。智能控制主要包括模糊控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制、自學(xué)習(xí)控制和專家控制等。由于智能控制系統(tǒng)具有自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)和自組織功能，特別適用于復(fù)雜的污水處理動(dòng)態(tài)過程的控制，因此，近年來智能控制在歐美、日本的給水處理、污水生物處理、污水的物理化學(xué)處理中都有典型的成功應(yīng)用，正在研究與開發(fā)的項(xiàng)目更是不勝枚舉［12］。

4.1 模糊控制

模糊控制（Fuzzy Control）能將操作者或?qū)＜业目刂平?jīng)驗(yàn)和知識表達(dá)成語言變量描述的控制規(guī)則，然后用這些規(guī)則去控制系統(tǒng)。模糊控制適合用于數(shù)學(xué)模型未知的、復(fù)雜的非線性系統(tǒng)的控制，因此模糊控制方法特別適用于水處理過程，其在活性污泥法節(jié)能方面的效果顯著，并已應(yīng)用于污水處理的多個(gè)領(lǐng)域。

曾薇、彭永臻等［13］以溶解氧作為SBR法模糊控制參數(shù)，處理石化廢水。通過大量實(shí)驗(yàn)，總結(jié)出反應(yīng)初始階段（曝氣10min左右）溶解氧濃度不僅能間接反映進(jìn)水有機(jī)物濃度，而且對整個(gè)反應(yīng)過程都有重要影響。溶解氧的高低主要受曝氣量大小控制，根據(jù)初始階段溶解氧的濃度變化及變化情況預(yù)測進(jìn)水有機(jī)物濃度，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對曝氣量的模糊控制。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)COD幾乎不再降解時(shí)溶解氧值迅速大幅升高，理論上可以根據(jù)DO的這一變化特點(diǎn)對好氧曝氣時(shí)間進(jìn)行模糊控制。

張翔等［14］采用模糊自適應(yīng)PID控制方法控制SBR污水處理工藝中的DO參數(shù)，并設(shè)計(jì)了基于模糊自適應(yīng)PID的控制系統(tǒng)。仿真結(jié)果和實(shí)際應(yīng)用表明，采用模糊自適應(yīng)PID控制器后，顯示出較強(qiáng)的魯棒性，控制系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快。

4.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制

基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制 （ANN—based Control）簡稱神經(jīng)控制。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是通過模擬人腦的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和行為，由大量簡單的人工神經(jīng)元廣泛聯(lián)結(jié)而成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。它的自適應(yīng)性很強(qiáng)，并具有學(xué)習(xí)能力、非線性映射和容錯(cuò)能力，其最大的優(yōu)點(diǎn)是可以充分逼近任意復(fù)雜的非線性關(guān)系并與其他控制方法相結(jié)合。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因具備上述特點(diǎn)，備受國內(nèi)外污水處理專家矚目。近年來，一些研究人員在污水處理自控系統(tǒng)中開展人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制的研究，取得了許多很有價(jià)值的成果。常用于污水處理中的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有誤差反向傳播（BP）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、徑向基函數(shù)（RBF）神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等。

Tay等［15］在模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，為污水厭氧處理系統(tǒng)開發(fā)出快速預(yù)測神經(jīng)模糊模型來預(yù)測高速率厭氧系統(tǒng)對干擾的響應(yīng)，該系統(tǒng)可提前1h對不同系統(tǒng)的干擾進(jìn)行預(yù)測，極具應(yīng)用前景。

4.3 專家控制

專家控制（Expert Control）是智能控制的一個(gè)重要分支。其本質(zhì)是一種智能化的計(jì)算機(jī)程序系統(tǒng)，它將人類專家的知識、理論和解決問題的辦法、經(jīng)驗(yàn)編譯成計(jì)算機(jī)語言并形成數(shù)據(jù)庫，通過編制的特定程序調(diào)用數(shù)據(jù)從而來處理某些領(lǐng)域的問題。專家控制已經(jīng)在污水處理的自動(dòng)控制及故障診斷方面嶄露頭角了。

Sung等［16］采用在線綜合控制系統(tǒng)對水質(zhì)、水量變化較大的食品廢水進(jìn)行控制研究。控制目標(biāo)是使出水COD較地方標(biāo)準(zhǔn)低50%，并盡可能降低曝氣量。該控制系統(tǒng)分為兩層，即管理層和過程控制層，管理層應(yīng)用基于規(guī)則的專家系統(tǒng)為過程控制層提供最優(yōu)控制點(diǎn)。此外，為避免鼓風(fēng)機(jī)超負(fù)荷運(yùn)行，還設(shè)計(jì)了基于規(guī)則的負(fù)荷分配系統(tǒng)。此控制系統(tǒng)已成功運(yùn)行2年，與不實(shí)行專家控制方式相比，出水COD濃度降低大約50%，節(jié)能約50%，基本達(dá)到了設(shè)定目標(biāo)。

Baeza JuaIl Antonio等［17］利用專家系統(tǒng)對提高 A2／O工藝污水處理廠氮的去除效率進(jìn)行研究。中試結(jié)果顯示，氮的去除率比常規(guī)運(yùn)行條件下提高了11%，出水的氨氮和總氮分別降低了64%和49%。可見專家控制系統(tǒng)對分布控制系統(tǒng)監(jiān)管的效果很好，避免了曝氣和內(nèi)循環(huán)過程中的能源浪費(fèi)，大大提高了脫氮效率。

上述三類的智能控制系統(tǒng)各有特點(diǎn)，研究表明三種控制方式單獨(dú)應(yīng)用在污水處理中都存在較大的缺陷。但是，將智能控制與經(jīng)典自控相結(jié)合（如模糊PID控制、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制等）或者將兩種（以上）智能控制方法相結(jié)合而建立的綜合智能控制系統(tǒng)卻顯示出優(yōu)良的特性。例如，模糊控制與神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制相結(jié)合的模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制具備了兩者的優(yōu)點(diǎn)，既能利用已有的經(jīng)驗(yàn)，又具有自學(xué)習(xí)能力，極大地提高了系統(tǒng)的適應(yīng)性。因此，這種“強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合”將成為污水處理智能控制的主要研究方向。

5 結(jié)語

論述了目前國內(nèi)外污水處理自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展概況，指出了技術(shù)方面存在的問題并提出今后的研究方向和研究內(nèi)容。就污水處理自動(dòng)控制的發(fā)展方向而言，智能控制是大勢所趨，但智能控制策略的實(shí)現(xiàn)必須建立在先進(jìn)而可靠的硬件和軟件基礎(chǔ)上，只有自動(dòng)化儀表、控制器的性能足夠優(yōu)秀，監(jiān)控軟件的功能足夠強(qiáng)大，污水處理系統(tǒng)才能平穩(wěn)地運(yùn)行，從而達(dá)到理想的控制和處理效果。

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