鄭懷禮　李俊　孫強(qiáng)　趙瑞　李關(guān)俠　黃文璇　丁魏　肖偉龍

摘 要：全過(guò)程自動(dòng)化控制是未來(lái)城鎮(zhèn)污水處理廠的發(fā)展方向，但由于污水處理過(guò)程具有非線性、多變量、時(shí)變性等特點(diǎn)，自控系統(tǒng)中關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)的測(cè)量以及控制決策的制定都存在困難，目前實(shí)際應(yīng)用的系統(tǒng)大多停留在實(shí)現(xiàn)單一參數(shù)或單一反應(yīng)器控制的層面上。自動(dòng)控制策略是整個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)的頭腦，是充分發(fā)揮系統(tǒng)軟硬件效能、保證系統(tǒng)魯棒性的關(guān)鍵。總結(jié)了城鎮(zhèn)污水處理廠自動(dòng)控制方案依據(jù)的數(shù)學(xué)模型，描述了活性污泥模型（ASM）和仿真基準(zhǔn)模型（BSM）的基本特征，綜述了自動(dòng)控制策略在城鎮(zhèn)污水處理曝氣、化學(xué)除磷以及多目標(biāo)優(yōu)化控制方面的研究進(jìn)展，分析了目前研究中存在的挑戰(zhàn)和機(jī)遇，發(fā)現(xiàn)理論研究與工程實(shí)踐相結(jié)合是加快城鎮(zhèn)污水處理廠自動(dòng)化進(jìn)程的必要途徑。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)控制;活性污泥數(shù)學(xué)模型;曝氣;化學(xué)除磷;多目標(biāo)優(yōu)化

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：R 文章編號(hào)：2096-6717（2020）01-0126-09

Abstract：Urban wastewater treatment plants are oriented to the entire process control， while automatic control systems encounter many problems in parameter measurement and decision making because the wastewater treatment process is nonlinear， multivariable and time-varying. Thus most of control systems in practice are merely aimed at single parameter control or single rector control by now. Automatic control strategies are the brain of control systems， which could fulfill the potential of the hardware and software in the system and ensure the robustness of the system. Thus the mathematical models applied in the automatic control strategies of the urban wastewater treatment are introduced， and the characteristics of Activated Sludge Models （ASMs） and Benchmark Simulation Models （BSMs） are summarized. The automatic control strategies in terms of aeration， chemical phosphorus removal and multi-objective optimization control are described respectively， and the challenges and opportunities in the recent research are presented. Combining the theoretical research and the engineering practice is necessary for the automation process of the urban wastewater treatment plants.

Keywords：automatic control; activated sludge models; aeration; chemical phosphorus removal; multi-objective optimization

水污染控制是生態(tài)文明建設(shè)的重要一環(huán)，良好的水環(huán)境是美好生活的必要需求。隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，污水排放量與日俱增，污水處理行業(yè)面臨巨大挑戰(zhàn)。污水處理行業(yè)作為能源密集型產(chǎn)業(yè)，運(yùn)行成本高昂，如何在生產(chǎn)運(yùn)行中兼顧環(huán)境效益與經(jīng)濟(jì)效益成為城鎮(zhèn)污水處理廠面臨的難題[1-2]。自動(dòng)控制技術(shù)的引入有助于解決這個(gè)問(wèn)題。一方面，可靠的自動(dòng)控制系統(tǒng)可以在保證處理效果的前提下降低能耗和藥耗，節(jié)約能源和資源;另一方面，自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)可以把人從重復(fù)動(dòng)中解放出來(lái)，節(jié)省人力勞動(dòng)以降低人力成本。對(duì)污水處理自動(dòng)控制技術(shù)的研究始于20世紀(jì)七八十年代，中國(guó)在20世紀(jì)90年代以后開(kāi)始引入自動(dòng)控制系統(tǒng)，但當(dāng)時(shí)大多是引進(jìn)成套設(shè)備[3]。近年來(lái)，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)在污水處理領(lǐng)域取得了一系列進(jìn)展，自動(dòng)控制策略的制定不再只滿足于過(guò)去單變量單輸出的控制目標(biāo)，而是逐步滲透至污水處理的各個(gè)環(huán)節(jié)。目前，中國(guó)的城鎮(zhèn)污水處理廠大多采用自動(dòng)控制和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)控相結(jié)合的方式，自動(dòng)化、信息化程度相對(duì)較低，自動(dòng)控制策略的研究和實(shí)踐對(duì)于提高污水處理可靠性、降低污水處理廠運(yùn)行成本有著重要的意義。

1 活性污泥系統(tǒng)的模型

活性污泥法是城鎮(zhèn)污水處理領(lǐng)域應(yīng)用最廣泛的方法，數(shù)學(xué)模型的建立對(duì)于活性污泥系統(tǒng)的運(yùn)行分析和參數(shù)優(yōu)化有著重要的意義[4]。學(xué)者們針對(duì)活性污泥系統(tǒng)提出了一系列靜態(tài)和動(dòng)態(tài)的模型，其中最為知名且應(yīng)用最廣泛的是國(guó)際水協(xié)（IWA）推出的ASM系列模型[5]。該系列主要包括ASM1、ASM2、ASM2d及ASM3模型，它們包含的組分和涉及的反應(yīng)過(guò)程有所不同，主要特征如表1所示[6]。ASM系列模型將各種微生物反應(yīng)過(guò)程有機(jī)結(jié)合起來(lái)，細(xì)致地描述了污水中有機(jī)物和氮磷的降解過(guò)程。在ASM模型的實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，學(xué)者們從實(shí)際問(wèn)題出發(fā)，簡(jiǎn)化運(yùn)行中影響不顯著的模型組分或?yàn)槟Ｐ驮鎏硇陆M分，通過(guò)呼吸計(jì)量法、專家法、靈敏度分析法、過(guò)程工程法等方法對(duì)模型進(jìn)行參數(shù)校正，從而提高模型的精確度[7]。

學(xué)者們應(yīng)用ASM模型設(shè)計(jì)了各種控制策略，但由于不同研究中活性污泥系統(tǒng)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外部環(huán)境各異，所采用評(píng)價(jià)指數(shù)的計(jì)算方式也不盡相同，難以對(duì)這些控制策略進(jìn)行對(duì)比評(píng)價(jià)[8]。為此，IWA同歐盟科學(xué)技術(shù)合作組織一起開(kāi)發(fā)了仿真基準(zhǔn)模型（BSM），其中BSM1模型定義了污水處理的設(shè)備布局、相應(yīng)參數(shù)、污水負(fù)荷、仿真步驟以及對(duì)仿真結(jié)果的評(píng)價(jià)[9]，為控制策略的設(shè)計(jì)和評(píng)價(jià)提供了依據(jù)和準(zhǔn)則。BSM1模型的仿真時(shí)間僅為28 d，且只依據(jù)最后7 d的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算評(píng)價(jià)指標(biāo)，Rosen等[10]改進(jìn)的長(zhǎng)期模型將仿真時(shí)間擴(kuò)展至1 a，同時(shí)，豐富了模型中的干擾因素和評(píng)價(jià)指標(biāo)。針對(duì)BSM1模型僅包含了污水處理系統(tǒng)生化池和二沉池的缺陷，Jeppsson等[11]改進(jìn)的BSM2模型將污水處理廠的其他工作單元（初沉池、厭氧消化反應(yīng)器等）也包括在其中。這些模型的建立為活性污泥處理系統(tǒng)自動(dòng)控制方案的研究奠定了基礎(chǔ)，研究者們可以從不同的角度出發(fā)設(shè)計(jì)自動(dòng)控制系統(tǒng)，基于這些模型對(duì)處理系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，再按照擬定的標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果，用更好的方案來(lái)完成對(duì)控制系統(tǒng)的優(yōu)化。

2 污水處理自動(dòng)控制策略的研究

傳統(tǒng)的污水處理自動(dòng)控制模式多為線性控制，即把系統(tǒng)的整體運(yùn)行效果看作系統(tǒng)各個(gè)部分單獨(dú)運(yùn)行效果之和。時(shí)序控制是最簡(jiǎn)單的自動(dòng)控制模式，該模式通過(guò)建立適用于特定處理工藝的模型，制定出工藝流程的各個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，然后按照精確的時(shí)間流程實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)控制。比例積分微分（PID）控制是污水處理廠最常用的控制模式，該模式應(yīng)用PID模塊對(duì)系統(tǒng)誤差進(jìn)行校正，使其達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定值。PID反饋模式被廣泛地應(yīng)用于活性污泥系統(tǒng)的溶解氧（DO）、氨氮、磷酸鹽等關(guān)鍵水質(zhì)指標(biāo)的控制[12]。反饋控制模式在系統(tǒng)誤差產(chǎn)生之后才開(kāi)始響應(yīng)動(dòng)作，具有一定的滯后性，如果事先對(duì)系統(tǒng)誤差的來(lái)源及其影響范圍有所估計(jì)，則可以采用前饋方式將干擾因素的測(cè)量信息也融入進(jìn)控制法則中，從而提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

實(shí)際的污水處理過(guò)程具有非線性、多變量、時(shí)變性等特點(diǎn)[13]，傳統(tǒng)的控制模式抗干擾能力較差，已不能滿足污水處理廠日益復(fù)雜的控制需求。缺乏控制變量實(shí)時(shí)測(cè)量信息是自控系統(tǒng)運(yùn)行中需解決的難題，自適應(yīng)控制模式通過(guò)建立模型來(lái)估算系統(tǒng)中的關(guān)鍵參數(shù)[14]，模型預(yù)測(cè)控制模式則是基于模型對(duì)系統(tǒng)輸出量進(jìn)行預(yù)測(cè)[15]，這兩種模式的控制原理都是線性化處理輕微非線性的系統(tǒng)。系統(tǒng)的非線性程度很強(qiáng)時(shí)，為了提高控制效率，只能應(yīng)用非線性控制理論來(lái)設(shè)計(jì)系統(tǒng)。非線性控制模式包括幾何控制[16]、增益調(diào)度控制[17]、非線性模型預(yù)測(cè)控制[18]等，這些控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算量龐大，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的計(jì)算能力和操作者的專業(yè)水平都提出了較高的要求。

智能控制算法是高級(jí)的自動(dòng)控制策略，主要包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊算法、進(jìn)化算法等。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模擬人腦神經(jīng)系統(tǒng)，采用人工神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)來(lái)處理信息[19];模糊算法的邏輯值在0和1間變化，這種邊界平滑過(guò)渡反映了系統(tǒng)的內(nèi)在不確定性，非常適用于估計(jì)系統(tǒng)中不精確的參數(shù)[20];進(jìn)化算法由生物進(jìn)化理論發(fā)展而來(lái)，遺傳算法是其中一個(gè)較為成熟的分支，具有強(qiáng)大的檢索和全局優(yōu)化能力[21]。智能控制算法作為統(tǒng)計(jì)分析工具在污水處理系統(tǒng)中有著廣闊的應(yīng)用前景，與上述的線性和非線性控制模式相結(jié)合，有助于在復(fù)雜的污水處理系統(tǒng)中建立系統(tǒng)行為模型，從而賦予系統(tǒng)較強(qiáng)的學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力，增強(qiáng)系統(tǒng)魯棒性。

2.1 精確曝氣控制策略的研究

活性污泥法的曝氣系統(tǒng)完成了氧從氣相到液相的轉(zhuǎn)換過(guò)程，為污水中有機(jī)物的氧化過(guò)程提供電子受體[22]。曝氣量的控制對(duì)系統(tǒng)的正常運(yùn)行至關(guān)重要，曝氣量不足容易引起絲狀菌的過(guò)量繁殖，進(jìn)而導(dǎo)致污泥膨脹，過(guò)高的曝氣量則又會(huì)破壞污泥絮體，降低生化處理效率[23]。鼓風(fēng)曝氣設(shè)備在運(yùn)行中能耗量巨大，這部分費(fèi)用占污水處理廠總運(yùn)行成本的20%～40%[24]。利用數(shù)學(xué)模型對(duì)曝氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)曝氣系統(tǒng)精確的自動(dòng)控制，不僅可以降低能耗，還有助于提高系統(tǒng)的處理效果及穩(wěn)定性。

一些國(guó)家和地區(qū)的污水排放標(biāo)準(zhǔn)定義為長(zhǎng)期平均值，Amand等[25]提出的控制策略以一定范圍的水質(zhì)波動(dòng)為妥協(xié)，通過(guò)降低系統(tǒng)反饋速度來(lái)減少曝氣量，從而達(dá)到降低能耗的目的。系統(tǒng)采用離散控制器響應(yīng)進(jìn)水負(fù)荷，以出水氨氮平均濃度為控制指標(biāo)，BSM1模型的模擬結(jié)果顯示，這種控制方案比維持曝氣池內(nèi)溶解氧濃度恒定的方案節(jié)約了1%～4%的能量，比基于出水氨氮濃度快速反饋的方案節(jié)約了14%的能量。

傳統(tǒng)的控制模式有著結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)控便捷、經(jīng)驗(yàn)成熟等優(yōu)勢(shì)，在各種污水處理工藝的精確曝氣系統(tǒng)中依然應(yīng)用廣泛。Sun等[26]采用兩級(jí)串聯(lián)比例積分（PI）算法，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于氨氮反饋的生物膜法自動(dòng)曝氣系統(tǒng)，在生化池末端設(shè)置DO和氨氮濃度探針，進(jìn)水泵房設(shè)置電磁流量計(jì)來(lái)監(jiān)測(cè)流量，運(yùn)用ASM2d模型對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬和參數(shù)優(yōu)化，在污水廠中的運(yùn)行實(shí)踐表明，系統(tǒng)曝氣量較優(yōu)化前減少了20%。

曝氣系統(tǒng)中存在著測(cè)量和反饋滯后性的問(wèn)題，學(xué)者們通過(guò)將傳統(tǒng)控制模式與模糊控制或模型預(yù)測(cè)控制相結(jié)合來(lái)增強(qiáng)系統(tǒng)的靈活性。Chiavola等[27]運(yùn)用模糊控制策略對(duì)兩個(gè)分別采用PID控制和氧化還原電位（ORP）控制的污水廠進(jìn)行改造，控制系統(tǒng)根據(jù)出水氨氮濃度來(lái)調(diào)節(jié)反應(yīng)器中溶解氧濃度，ORP控制較PID控制每年可降低2%的能耗，模糊控制的能耗降幅則達(dá)到了13%。Kim等[28]對(duì)采用ABA2工藝的中試規(guī)模污水處理廠進(jìn)行模型預(yù)測(cè)控制優(yōu)化，簡(jiǎn)化了ASM2模型用于預(yù)測(cè)污水中氮、磷等污染物的轉(zhuǎn)化過(guò)程，模型的氨氮預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值之間的標(biāo)準(zhǔn)差僅為0.1 mg/L，曝氣系統(tǒng)在由季節(jié)引起的水質(zhì)、溫度變化下依然運(yùn)行良好，與改造前相比降低了約19%的能耗。Qiu等[29]建立了一個(gè)包括能量、曝氣量、射流影響等參數(shù)的表曝機(jī)能量模型，并依據(jù)前饋反饋控制系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)（氧傳遞速率、耗氧率、射流速度等）來(lái)優(yōu)化模型參數(shù)。將該模型應(yīng)用至采用氧化溝工藝的污水廠中，系統(tǒng)能耗較改造前降低了約10%。王世平等[30]對(duì)一個(gè)采用A2/O工藝，日處理量20萬(wàn)t的污水處理廠進(jìn)行精確曝氣控制改造?？刂葡到y(tǒng)采取“前饋反饋模型”多參數(shù)控制的方式，根據(jù)水量、水質(zhì)指標(biāo)等實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行模擬計(jì)算，通過(guò)控制鼓風(fēng)機(jī)和閥門(mén)的啟閉按需曝氣。穩(wěn)定運(yùn)行一年后，系統(tǒng)DO濃度精確到了1.9～2.2 mg/L（設(shè)定值為2 mg/L），與改造前相比能耗降低了17%，出水總氮濃度也大幅度降低。

分析以上研究可以發(fā)現(xiàn)，精確曝氣系統(tǒng)的控制策略是主要以DO、ORP、氨氮等水質(zhì)參數(shù)為控制變量，在保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)的前提下通過(guò)控制曝氣時(shí)間來(lái)降低能耗。這些控制策略很多是以出水氨氮為控制指標(biāo)，因?yàn)樵诨钚晕勰嘞到y(tǒng)中好氧異養(yǎng)菌的種群密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于硝化細(xì)菌，正常運(yùn)行的系統(tǒng)出水氨氮濃度較低時(shí)，也可以判斷COD處于較低水平[24]。當(dāng)控制變量較少時(shí)，傳統(tǒng)控制模式基本上已可滿足精確曝氣系統(tǒng)的控制需求，模型預(yù)測(cè)控制和模糊控制策略的應(yīng)用則可以解決系統(tǒng)中存在的滯后性問(wèn)題。自動(dòng)曝氣系統(tǒng)在推廣上存在的困難主要包括：試運(yùn)行校驗(yàn)時(shí)間長(zhǎng)、硬件設(shè)備質(zhì)量要求高、管理維護(hù)技術(shù)水平要求高等[31]。因此，設(shè)計(jì)自動(dòng)曝氣系統(tǒng)時(shí)既要考慮污水處理工藝特征和控制要求，也要充分照顧污水處理廠本身的生產(chǎn)配置條件。

2.2 化學(xué)除磷自動(dòng)加藥控制策略的研究

污水處理是一個(gè)復(fù)雜的、眾多因素相互作用的過(guò)程，僅僅依靠生化系統(tǒng)有時(shí)無(wú)法達(dá)到控制目標(biāo)。在脫氮除磷工藝中，反硝化菌和聚磷菌會(huì)在厭氧條件下競(jìng)爭(zhēng)碳源，處于競(jìng)爭(zhēng)劣勢(shì)的聚磷菌便不能將厭氧釋磷過(guò)程進(jìn)行徹底，進(jìn)而影響好氧條件下過(guò)量吸磷的過(guò)程，從而導(dǎo)致無(wú)法通過(guò)排泥的措施達(dá)到理想的除磷效果。為滿足總磷排放標(biāo)準(zhǔn)，城鎮(zhèn)污水處理廠常常需要投加藥劑進(jìn)行化學(xué)除磷[32]。化學(xué)除磷的效果受到水體pH、溫度、氧化還原環(huán)境、加藥點(diǎn)、反應(yīng)器結(jié)構(gòu)、微生物代謝作用等多種因素的影響[33]，相應(yīng)地，除磷藥劑也會(huì)影響生化池的處理效果，過(guò)多的投藥量會(huì)使環(huán)境中的磷含量不足以支持微生物的細(xì)胞合成作用[34]。人工加藥往往只能依據(jù)工作人員的經(jīng)驗(yàn)，處理效果并不穩(wěn)定。因此，實(shí)現(xiàn)加藥的優(yōu)化控制對(duì)化學(xué)除磷過(guò)程十分重要。

早期的化學(xué)除磷自動(dòng)加藥系統(tǒng)根據(jù)進(jìn)水流量進(jìn)行恒比例加藥[35]，由于進(jìn)水水質(zhì)的波動(dòng)，這種策略必然會(huì)造成藥劑的浪費(fèi)或出水總磷排放不達(dá)標(biāo)。近年來(lái)，隨著在線磷酸鹽儀表的普及，中國(guó)的學(xué)者設(shè)計(jì)了多種化學(xué)除磷自控方案，并將其應(yīng)用至工程實(shí)踐。

馬偉芳等[36]通過(guò)實(shí)驗(yàn)建立了適用于某示范污水處理廠的化學(xué)除磷加藥量預(yù)測(cè)模型，采用對(duì)出水總磷反饋的控制策略，通過(guò)加藥泵的變頻調(diào)節(jié)來(lái)實(shí)現(xiàn)化學(xué)除磷的優(yōu)化控制。改造后該廠出水總磷濃度穩(wěn)定達(dá)到一級(jí)A排放標(biāo)準(zhǔn)，較改造前節(jié)省了約20%的投藥量。龐洪濤等[37]將前饋與反饋模式相結(jié)合來(lái)控制變頻加藥泵的運(yùn)作，實(shí)行在曝氣池末端和反硝化濾池加藥的兩點(diǎn)加藥策略，對(duì)日處理量10萬(wàn)t的污水處理廠進(jìn)行改造。系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行了3個(gè)月后，投藥量減少了30%以上，出水總磷濃度穩(wěn)定在0.2～0.3 mg/L。賈玉柱等[38]在對(duì)污水處理廠二期改造時(shí)，為生化池配置了實(shí)時(shí)時(shí)鐘除磷（P-RTC）動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)對(duì)進(jìn)水流量和正磷酸鹽實(shí)時(shí)測(cè)量值進(jìn)行反饋，利用內(nèi)置數(shù)學(xué)模型計(jì)算出加藥量并控制計(jì)量泵運(yùn)作。穩(wěn)定運(yùn)行1 a之后，新系統(tǒng)的除磷噸水藥耗降低約17%，期間的藥劑成本減少約20萬(wàn)元。邱勇等[39]對(duì)一個(gè)采用A2/O工藝的污水處理廠進(jìn)行化學(xué)除磷優(yōu)化改造，他們分別探究了時(shí)序控制、流量前饋、出水反饋3種自控策略對(duì)除磷效果的影響。時(shí)序控制有著運(yùn)行方式簡(jiǎn)單、平均加藥量小的優(yōu)勢(shì)，但該系統(tǒng)耐沖擊負(fù)荷能力差，處理效果不穩(wěn)定;由于系統(tǒng)中存在著模型不精確、配水不均等問(wèn)題，流量前饋方案的可靠性也較差;出水反饋系統(tǒng)雖然存在滯后性并且需要大量監(jiān)測(cè)儀器支持，但在加藥量相近的情況下，在這幾種模式之中控制效果最好。

Garikiparthy等[40]的研究基于實(shí)驗(yàn)?zāi)M，以ASM2d模型模擬A2/O工藝的除磷過(guò)程，探究了氯化鐵強(qiáng)化化學(xué)除磷的優(yōu)化控制策略。恒劑量控制、反饋控制、前饋控制、進(jìn)給比控制4種控制方案都較改造前提高了50%左右的總磷去除率，其中反饋控制模式分別在好氧池和缺氧池設(shè)置針對(duì)總磷和硝酸鹽濃度的PI控制器，形成多環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)，這種模式總磷去除率最高并且藥耗量最小。

不同于上述多數(shù)研究中基于磷酸鹽反饋的控制策略，Kim等[41]建立了一個(gè)采用自動(dòng)滴定方式的化學(xué)除磷加藥系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)時(shí)電荷量確定活性污泥系統(tǒng)中除磷所需的藥劑量。在3個(gè)月的小試試驗(yàn)中系統(tǒng)平均投藥量減少了14%，總磷去除率提高了5%。

化學(xué)除磷過(guò)程并不能概括為簡(jiǎn)單的化學(xué)方程式，關(guān)于其深層反應(yīng)機(jī)理和污水廠規(guī)模的建模近年來(lái)有一系列的研究進(jìn)展，對(duì)化學(xué)除磷自動(dòng)加藥方案的設(shè)計(jì)和優(yōu)化意義重大。Hauduc等[42]提出了一個(gè)化學(xué)除磷的動(dòng)態(tài)模型，描述了污水處理系統(tǒng)中磷酸鹽和鐵鹽混凝劑的吸附和沉淀機(jī)理。Mbamba等[43]提出了一個(gè)以物化機(jī)理改進(jìn)的BSM子模型，并將該模型的模擬結(jié)果與污水處理廠的實(shí)際數(shù)據(jù)作對(duì)比，磷的預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的相對(duì)偏差只有4～15%。隨后，同一課題組[44]利用該模型和MBR中試反應(yīng)裝置，深入探討了化學(xué)除磷過(guò)程中鐵鹽的投加策略。通過(guò)將模擬數(shù)據(jù)和中試反應(yīng)裝置運(yùn)行數(shù)據(jù)作對(duì)比發(fā)現(xiàn)，穩(wěn)定運(yùn)行后模型的磷、氨氮、固體懸浮物預(yù)測(cè)值都達(dá)到了較高的精度。基于模型的運(yùn)行分析發(fā)現(xiàn)，鐵鹽的最佳投藥點(diǎn)為好氧池，當(dāng)閉環(huán)控制系統(tǒng)將裝置內(nèi)的磷控制在設(shè)定值后，出水總磷濃度下降到了更低的水平，顯示出了自動(dòng)控制的優(yōu)越性。

化學(xué)除磷法在幫助城鎮(zhèn)污水處理廠達(dá)到總磷排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，也增加了污水處理廠的污泥產(chǎn)量和運(yùn)行成本，優(yōu)化的自動(dòng)加藥系統(tǒng)有助于抑制這些弊端。以上研究可以發(fā)現(xiàn)，化學(xué)除磷自動(dòng)加藥系統(tǒng)在中國(guó)的應(yīng)用已經(jīng)相對(duì)成熟，但是這些系統(tǒng)所依據(jù)的模型大多比較簡(jiǎn)單，沒(méi)有考慮除磷藥劑在活性污泥系統(tǒng)中復(fù)雜的轉(zhuǎn)化過(guò)程，因此，在提高除磷效率上存在著相當(dāng)大的優(yōu)化空間。關(guān)于化學(xué)除磷機(jī)理和模型的研究成果顯著，但為了提高模型預(yù)測(cè)精準(zhǔn)度，系統(tǒng)中需要增加鐵鹽這種非常規(guī)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)裝置，這也為其應(yīng)用帶來(lái)了相當(dāng)大的限制。以上這些研究并未涉及可用于回收磷的吸附法和結(jié)晶法[45]，可以作為學(xué)者們今后設(shè)計(jì)化學(xué)除磷自動(dòng)加藥方案時(shí)的考慮方向。

2.3 多目標(biāo)優(yōu)化控制策略的研究

污水處理廠運(yùn)行的首要目標(biāo)是使各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，維持運(yùn)行工況的安全穩(wěn)定，其次則是降低成本、減少能耗、提高環(huán)境效益[46-47]。污水處理過(guò)程機(jī)理復(fù)雜，難以建立精確的模型描述各種參數(shù)間的關(guān)系。同時(shí)，這個(gè)過(guò)程又容易受到外界因素影響，天氣、溫度等條件都會(huì)引起入水水質(zhì)和處理環(huán)境的改變。如何在復(fù)雜的處理過(guò)程中平衡各項(xiàng)控制目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)的最優(yōu)化是近年來(lái)學(xué)者們探索的主要方向。智能控制算法不僅可以滿足這些研究中多變量多輸出的控制需求，也賦予了控制系統(tǒng)強(qiáng)大的學(xué)習(xí)、適應(yīng)能力。BSM系列模型及其相關(guān)模擬軟件為學(xué)者們檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)新系統(tǒng)提供了重要的工具。多目標(biāo)優(yōu)化控制系統(tǒng)近年來(lái)研究成果的總結(jié)如表2所示。

污水處理廠的出水水質(zhì)和運(yùn)行成本是學(xué)者們最關(guān)注的問(wèn)題。Qiao等[48]利用差分進(jìn)化算法來(lái)計(jì)算好氧池DO濃度和缺氧池硝態(tài)氮濃度的最佳設(shè)定值，并通過(guò)自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器追蹤這些設(shè)定值以達(dá)到預(yù)期效果。與已報(bào)道的其他控制策略相比，系統(tǒng)的模擬評(píng)價(jià)指標(biāo)（包括曝氣能量、抽運(yùn)能量及出水水質(zhì)）都有所改善。Han[49]等構(gòu)建了自適應(yīng)核函數(shù)模型來(lái)描述系統(tǒng)中出水水質(zhì)、能耗的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)，通過(guò)多目標(biāo)粒子群優(yōu)化算法確定系統(tǒng)溶解氧和硝酸鹽的最佳設(shè)定值，然后借助模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制器來(lái)追蹤控制這些參數(shù)。模擬結(jié)果表明，系統(tǒng)在干燥、雨天及暴雨3種天氣下的控制誤差比其他同類研究小，抗干擾能力強(qiáng)，同時(shí)也做到了水質(zhì)和能耗的平衡，在降低能耗方面作用突出。Foscoliano等[50]將遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用于處理數(shù)據(jù)和改善模型，借助動(dòng)態(tài)矩陣算法來(lái)獲得生化系統(tǒng)DO值和內(nèi)回流比的最佳控制。模擬結(jié)果表明，該控制系統(tǒng)在氣候和測(cè)量誤差的干擾下具有魯棒性，有助于在減少運(yùn)行成本的同時(shí)降低出水氨氮濃度峰值和硝酸鹽濃度。Santin等[51]構(gòu)建了一個(gè)采用分級(jí)控制結(jié)構(gòu)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，系統(tǒng)低層采用帶有前饋補(bǔ)償?shù)哪Ｐ皖A(yù)測(cè)控制器，高層采用模糊控制器，通過(guò)權(quán)衡分析來(lái)確定一個(gè)可以同時(shí)改善出水水質(zhì)和減少運(yùn)行費(fèi)用的優(yōu)化控制區(qū)域。

全球變暖是國(guó)際社會(huì)中的熱點(diǎn)問(wèn)題，應(yīng)對(duì)氣候變化的系列舉措也為污水處理廠提出了減少溫室氣體排放的新要求。Sweetapple等[52]選擇非劣排序遺傳算法作為最優(yōu)化處理算法，探究了污水處理廠減少溫室氣體（CO2和N2O）排放的控制策略。模擬結(jié)果表明，在不改變污水處理廠設(shè)施布局的情況下，可采取調(diào)整曝氣量和減少碳源投加量等措施來(lái)減少溫室氣體排放。在保證出水水質(zhì)達(dá)標(biāo)而又不增加運(yùn)行費(fèi)用的前提下，該控制策略有助于最大限度地減少溫室氣體排放量。Boiocchi等[53]提出了一個(gè)用于減少污水處理廠N2O排放量的自控策略。由于設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)的差異，不同污水處理廠的最低N2O排放量變化很大，因此，控制目標(biāo)便設(shè)定為遵守氨氮排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，在特定污水廠達(dá)到最少的N2O排放量。系統(tǒng)采用模糊控制策略，依據(jù)好氧區(qū)出入口氨氮和硝態(tài)氮的測(cè)量數(shù)據(jù)，通過(guò)控制曝氣維持系統(tǒng)中氨氧化菌（AOB）和亞硝酸鹽氧化菌（NOB）活性的平衡，提高NOB對(duì)AOB產(chǎn)出的亞硝酸鹽的吸收量，從而減少N2O產(chǎn)量。Diaz等[54]對(duì)西班牙的一個(gè)帶有回用水系統(tǒng)的小型污水處理廠進(jìn)行改造，采用模糊多目標(biāo)規(guī)劃技術(shù)建立模型，用于控制污水處理廠中水稀釋污水的處理過(guò)程，借此對(duì)污水處理廠的二級(jí)和三級(jí)處理工藝進(jìn)行優(yōu)化。此方案與污水處理廠原有方案相比降低了約50%的成本，理論上每年可減少CO2排放量586.2 t。

傳統(tǒng)的污水處理工藝忽視了污水本身作為能源載體的特點(diǎn)[55]，單純地采取“以能耗能”的方式去除污染物。在目前能源短缺的背景下，污水中所蘊(yùn)藏資源的回收利用成為了一個(gè)重要的課題。Kim等[56]致力于研究污水處理廠出水水質(zhì)、沼氣產(chǎn)量及運(yùn)行費(fèi)用的綜合優(yōu)化問(wèn)題，采用多環(huán)多目標(biāo)控制器控制運(yùn)行中的各項(xiàng)參數(shù)，使其達(dá)到遺傳算法根據(jù)入水水質(zhì)確定的設(shè)定值。模擬和評(píng)價(jià)結(jié)果顯示，系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)量提高了約4%，出水水質(zhì)也有相應(yīng)改善。Lee等[57]為了提高污水處理廠運(yùn)行的可持續(xù)性，在活性污泥系統(tǒng)中設(shè)計(jì)了一個(gè)熱能聯(lián)產(chǎn)子系統(tǒng)。在這個(gè)子系統(tǒng)中，壓縮空氣同厭氧消化產(chǎn)生的沼氣一起在燃燒室中反應(yīng)生成高溫高壓氣體，隨后被輸送到微型燃?xì)廨啓C(jī)中用于發(fā)電。剩余的高溫高壓氣體一部分用于預(yù)熱爐加熱壓縮氣體，另一部分則經(jīng)過(guò)熱回收蒸汽機(jī)生成蒸汽用于維持厭氧消化所需的溫度。作者采用非劣排序遺傳算法作為多目標(biāo)優(yōu)化算法，運(yùn)用熱環(huán)境經(jīng)濟(jì)建模的方法進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。模擬結(jié)果顯示，系統(tǒng)的運(yùn)行成本和環(huán)境影響分別降低了約17%和5%，熱能聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)提供的能量可滿足污水處理廠47%的電能需求和全部的熱能需求。

智能控制是污水處理廠自動(dòng)控制的發(fā)展方向，自動(dòng)控制策略也將致力于污水處理全過(guò)程的有效控制。目前，大部分的相關(guān)研究還是集中于實(shí)驗(yàn)?zāi)M，這主要是由于以下原因：活性污泥系統(tǒng)的模型還不完善，對(duì)大規(guī)模城鎮(zhèn)污水處理廠的適用性不強(qiáng);污水處理廠的安全穩(wěn)定運(yùn)行始終是首要考慮因素，大規(guī)模水廠的改造試驗(yàn)要承擔(dān)很大的風(fēng)險(xiǎn);自動(dòng)控制系統(tǒng)的配套設(shè)備價(jià)格昂貴，試點(diǎn)工程需要大量資金支持。因此，這些研究還需要在工程實(shí)踐中開(kāi)展進(jìn)一步的可靠性分析和成本效益分析，才能得到推廣和應(yīng)用。

3 結(jié)語(yǔ)與展望

城鎮(zhèn)污水處理廠自動(dòng)控制的實(shí)現(xiàn)使技術(shù)人員無(wú)須親臨現(xiàn)場(chǎng)就可以監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并利用本地軟硬件資源對(duì)遠(yuǎn)程對(duì)象進(jìn)行控制。依托于自控系統(tǒng)的發(fā)展，污水處理廠在滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求的同時(shí)，有望最終實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化無(wú)人值守或遠(yuǎn)端少人值守。

未來(lái)的城鎮(zhèn)污水處理廠自動(dòng)控制系統(tǒng)將向著智能化、集成化方向發(fā)展，安全穩(wěn)定、運(yùn)行維護(hù)便捷、綠色可持續(xù)將成為其基本特征。針對(duì)目前研究中存在的問(wèn)題，有以下幾點(diǎn)建議：

1）建立適用于大規(guī)模污水廠的數(shù)學(xué)模型。云計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的機(jī)遇，可以通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行大數(shù)據(jù)的收集和記錄，建立基于大數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)模型以增強(qiáng)控制系統(tǒng)的魯棒性。同時(shí)，云平臺(tái)也可以為相似污水處理系統(tǒng)的控制和參數(shù)調(diào)節(jié)提供技術(shù)支持和示范。

2）綜合考慮實(shí)際運(yùn)行中的控制目標(biāo)，建立完備的評(píng)價(jià)體系。不同國(guó)家和地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)和污水廠運(yùn)行目標(biāo)有所差異，為了使設(shè)計(jì)的系統(tǒng)更好地適應(yīng)當(dāng)?shù)氐陌l(fā)展要求，完備的評(píng)價(jià)體系不可或缺。

3）積極開(kāi)展試點(diǎn)工程實(shí)踐。在風(fēng)險(xiǎn)防范措施可靠的情況下，應(yīng)當(dāng)積極應(yīng)用自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行試點(diǎn)改造，在工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，并通過(guò)優(yōu)化模型和算法或增加監(jiān)測(cè)控制設(shè)備來(lái)解決問(wèn)題。成功的工程實(shí)踐可以大幅度推進(jìn)污水處理自動(dòng)化的進(jìn)程。

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