城市污水处理厂优化设计和自动控制系统研究.doc

城市污水处理厂优化设计和自动控制系统研究目 录1 我国城市污水污染12 我国城市污水处理的发展33 我国城市污水处理面临的问题53.1 污水排放标准53.2 城市污水处理厂设计规范73.2.1有机负荷法83.2.2污泥龄法93.3 城市污水处理工艺发展113.4 设计水质水量133.4.1 设计水量133.4.2 设计水质143.5 运行管理与自动控制154 研究内容174.1 污水处理厂系统模型174.2 模拟优化软件开发194.3 水质测定分析204.4 监测仪表和软测量技术研究214.5 模型参数测定与自动估计224.6 模型自动校验技术224.7 过程控制225 研发团队236 实验室建设237 发展模式248 发展目标258.1 近期目标268.2 远期目标269 我国城市污水处理市场261 我国城市污水污染据2010年中国环境状况公报报道，2010年，全国废水排放总量为617.3亿吨；化学需氧量排放量为1238.1万吨，氨氮排放量为122.6万吨。其中生活污水排放量3,79.8亿吨，化学需氧量排放量为803.3万吨，氨氮排放量为93.0万吨。全国地表水污染依然较重。七大水系总体为轻度污染，浙闽区河流为轻度污染，西北诸河为轻度污染，西南诸河水质良好，湖泊（水库）富营养化问题突出，各湖主要污染指标为总氮和总磷。各大流域片的主要污染河段均集中在城市河段。各城市典型水域仍以氨氮和有机污染为主，主要污染指标为氨氮、高锰酸盐指数和生化需氧量等。 根据环保部门的观测分析，我国地表水水体污染主要来自工业和城镇，其中50%以上来自城市污水。随着人类社会的不断发展，城市规模的不断扩大，特别是改革开放以来，我国城市化也进入快速发展时期。国家统计局2009年9月17日发布的报告显示，我国城市数量已从新中国成立前的132个增加到2008年的655个，城市化水平由7.3%提高到45.68%。城市数量与规模迅速增加与扩张，按照一般预测，中国人口要在2020年至2025年间达到顶峰，污水量也将在2020年左右达到最高峰。城市的用水量和排水量都在不断增加，加剧了用水的紧张和水质的污染，环境问题日益突出，由此造成的水危机已经成为社会经济发展的重要制约因素。根据中国环境状况公报，我国城市污水近年来排放量见图1，城市污水cod排放量见图2。图1 我国城市污水排放量图2 我国城市污水cod排放量2 我国城市污水处理的发展（1）5060年代的状况解放初期60年代以前，由于工农业生产刚刚起步，我国当时的城市污水污染程度很低，全国仅有几个城市建设了近10座污水处理厂（包括解放前建设的上海3座和南京1座污水处理厂）。在处理工艺上有的还是一级处理，处理的规模也很小，每天只有几千吨，最大的也只有每天5万吨左右，致使城市污水处理技术和管理水平处于比较落后的状态。（2）7080年代的发展变化随着城市化进程的不断发展，人民生活水平的逐步提高，城市污水的成分也随之而变化，污染程度由低向高逐渐演变。国外一些由于污水的污染，使人民身体健康受到威胁的沉痛教训，引我国政府的高度重视，建立了国家级环保组织（国务院环境保护办公室），部分高校也陆续设置环境工程专业。国务院环保办投资在天津兴建污水处理试验厂（天津市纪庄子污水处理试验厂），70年代末开始兴建，处理规模：一级处理0.1 m3/s，二级处理0.025 m3/s，北京高碑店污水处理试验厂也先后运行。国家和地方都为筹备建设国内大型污水处理厂做前期工作，此刻天津市政府与建设部及有关部委率先决定建设天津市纪庄子污水处理厂，并于1982年破土动工，处理规模26万m3/d ，1984年4月28日竣工投产运行，出水达到设计水质标准。天津市纪庄子污水处理厂的诞生填补了我国大型污水处理厂建设的空白，树立了良好的解决城市污水污染问题的典范，引起了中央和各级政府重视，加速了城市污水处理厂建设的步伐，发展污水处理事业，消除城市污水对环境的污染。在中央和各级政府的决策下，北京、上海、广东、广西、江苏、浙江和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，使我国的污水处理厂由60年代的十几座发展到几十座。天津市纪庄子污水处理厂的设计、施工、管理的成功经验，为我国大型城市综合污水处理厂的建设起到了工程建设的示范作用，也为我国80年代污水处理事业大规模的发展起到了奠基作用。（3）20世纪末发展壮大十一届三中全会以来，随着改革开放大好形势的不断深入，我国的污水处理事业也得到了快速的发展。国内科研的投入，取得了一定的成果，同时国外污水处理新技术、新工艺、新设备也被引进到我国。由于建设大型城市污水处理厂的投资很大，我国的建设资金有限，无法适应水污染治理的需要。为此引进国外资金建设污水处理厂成为建设资金的重要组成部分，从而也加快了我国城市污水处理厂的建设速度。一批大型的城市污水处理厂利用国外贷款项目相继建成投产。如：我国20世纪最大的污水处理厂北京高碑店污水厂，处理规模一期50万m3/d，二期可达100万m3/d；杭州四堡污水处理厂处理规模为60万m3/d；天津东郊污水处理厂、成都三瓦窑污水处理厂、沈阳北部污水处理厂、郑州王新庄污水处理厂处理规模均为40万m3/d。这些大型污水处理厂的建设标志着我国污水处理事业的不断壮大，标志着污水处理技术在我国发展的成果，标志着我国政府对污水处理事业的重视，也标志着我国污水处理事业发展到了一个崭新的阶段。（4）21世纪高速发展据统计，到1999年底，全国已建设城市污水处理厂283座，日处理污水1190.67万吨。这些污水处理厂的建设，极大地提高了城市污水的处理水平。但是在城市化进程高速发展的社会现状下，城市污水处理量的增加仍远远滞后于污水排放量的增长，两者之间的差距还有进一步拉大的趋势。城市污水处理厂建设作为城市环境污染防治的重要措施和手段之一，越来越受到政府和社会各界的高度重视。我国“十五”和“十一五”规划中都提出了明确的城市污水处理目标，加快城市污水处理厂的建设，改善城市生存与发展的生态环境问题，实现我国经济与社会的可持续发展。截至2010年3月底，全国设市城市、县及部分重点建制镇累计建成污水处理厂2157座，污水处理能力达到1.09亿m3/d。全国正在建设的城镇污水处理项目1949个，总设计能力约5500万m3/d。近20年我国城市污水处理厂建设发展情况见图3。图3 城市污水处理厂发展3 我国城市污水处理面临的问题城市污水处理厂投资规模大、建设费用大、运营费用高。因此，采用科学合理的设计规划和管理方法，降低污水处理厂的投资规模和运营成本一直是环境工程研究的热点问题之一。然而，由于不同国家、不同地区的人文、地理、经济状况、社会发展水平的差异，造成不同城市排水水量、排水规律、排水水质存在较大差异；加之污水处理厂是一个多单元组合的非稳态系统，生物处理为混合菌群协同作用的特点，影响处理能力和处理效果的因素既多又杂，因此，长期以来，我国的城市污水处理厂，由于设计和运行中的问题，导致污水处理厂难以达到良好的运行状态，典型的问题是各种各样的进水特征导致的设计和运行问题，不可避免的设计缺陷和较低的运行管理水平。3.1 污水排放标准污染物排放标准是国家环境保护法律体系的重要组成部分，也是执行环保法律、法规的重要技术依据，在环境保护执法和管理工作中发挥着不可替代的重要作用。污染物排放标准属于强制性标准，其法律效力相当于技术法规。自1973年全国第一次环境保护会议发布第一个环境保护法规标准工业“三废”排放试行标准gbj 4-73以来，迄今环境保护行政主管部门已经发布了一系列的水环境污染物排放标准，从而形成了我国比较完整的水环境污染物排放标准体系。1973年在我国环境保护起步阶段，首先发布实施了gbj 4-73 工业“三废”排放执行标准，内容包含了废水排放的若干规定等，主要体现了当时我国环境保护的主要目标是对工业污染源的控制，主要控制污染物是重金属、酚、氰等19项水污染物。到20世纪80年代，有机污染日趋严重，城市污水等生活污染问题愈加突出，对1973年制定的工业“三废”排放试行标准修订后，1989年发布实施的gb 8978-88综合污水排放标准。1996年再次修订的gb8978-1996综合污水排放标准。明确提出污水处理厂的一级a和一级b排放标准。随着城市污水等生活污染问题愈加突出，城市污水厂的高速建设发展，为贯彻中华人民共和国水污染防治法，加强对城镇污水处理厂建设和运行的管理，改善城镇水环境质量，发布了城镇污水处理厂污染物排放标准（gb18918-2002）。表1 城镇污水处理厂污染物排放标准（mg/l）编号排放标准codbodssnh3-ntptn实施时间1gbj4-73100605001974.01.012gb8978-8812030301989.01.013gb8978-96一级标准602020150.51998.01.01二级标准12030302514gb18918-2002一级a标准5010108（5）0.5152003.07.01一级b标准60202015（8）120二级标准100303025（30）3三级标准12060505提高排放标准2006.05.082006年5月8日发布了城镇污水处理厂污染物排放标准（gb18918-2002）修改单，根据污水处理厂排放接纳水体，提高了污水处理厂的排放标准。标准中4.1.2.2修改为：城镇污水处理厂出水排入国家和省确定的重点流域及湖泊、水库等封闭、半封闭水域时，执行一级标准的a标准，排入gb3838地表水iii类功能水域（划定的饮用水源保护区和游泳区除外）、gb3097海水二类功能水域时，执行一级标准的b标准。我国不同历史时期城市污水排放之星标准详见表1。 由表1可见我国城市污水处理排放标准的发展过程，污水排放的指标逐渐增加，执行的标准越来越严格，预计在未来的发展中，随着处理技术水平的提高，我国水环境的持续恶化，还会制定更加严格的标准。随着我国经济的发展，城镇人口急剧增长，城市污水排放量逐年增加，一些原有的污水处理厂在超设计负荷条件下运行，往往导致出水水质恶化。中国人民大学环境学院副院长王洪臣教授认为从水量角度考虑，全国2000多座污水处理厂中没有脱氮除磷设施的污水处理厂不会超过20%。因此，“十二五”的一个重点任务是使建成的脱氮除磷设施有效发挥功能。而我国现有的粗放式运行管理水准距离高效脱氮除磷还很遥远。中国水网2010中国污水处理系列市场报告之一中国污水处理投资运营市场分析报告，截至2009年11月底，我国已运营污水处理厂中达到中华人民共和国国家标准污水综合排放标准一级标准的占全部运营项目的约59%，其中达到一级a标准的仅占约10%。我国运营污水处理厂有接近一半是2005年之前建成的，采用的是老标准，已经不能满足城镇快速发展和节能减排工作的要求。已经建成和正在建设的城市污水处理厂，如何在原有污水处理构筑物的基础上，进行配套的升级和改造，通过运行方式的优化，满足日益严格的排放标准，同时达到节能减排的目标，是目前亟待解决的问题。3.2 城市污水处理厂设计规范室外排水设计规范是我国排水工程设计的最重要规范之一，是城市污水处理厂工程设计的主要依据。室外排水设计规范经历了63版、74版（tj 14-74（试行）、87版（gbj 14-87）、97版（gbj 14-87）和2006版（gb50014-2006）等阶段，74版、84版和97版都属于局部修订，由于当时条件的限制，改进不大。改革开放30年来，我国社会经济发展情况与前三阶段修订时相比已有重大变化。城市市政建设日趋完善，居民生活水平大大提高，给排水技术发展迅速，环境要求日益严格，因此新修订的室外排水设计规范（gb 50014-2006）调整较大。参照了2001年版日本下水道设施设计指南和解说和1998年版的美国污水处理厂设计手册等国外技术。新版规范条文由原规范的290条增至583条（包括121条术语和4条符号）。2006版修编后的术语、符号、设计水量、设计水质、排水管渠和附属构筑物，排水泵站、污水处理、污泥处理和处置等也有不少调整，新增加了检测和控制章节等内容。室外排水设计规范虽然历经多次修编，不断完善和提高，但是污水处理厂设计所依据的仍然是 20 世纪 70 年代中期所建立的定量化经验设计方法和设计体系。这种定量化的设计方法和设计体系从确立初期到现今都对污水处理的工艺设计起到了极大的推动和规范化作用。针对传统活性污泥法工艺，设计规范中规定了采用有机负荷法或污泥龄法设计计算曝气池反应容积。3.2.1有机负荷法有机负荷有两种表示方法：污泥负荷和容积负荷。污泥负荷是指单位重量活性污泥在单位时间内所承受的有机物量；容积负荷是指单位容积曝气池在单位时间内所承受的有机物量。容积负荷法是最早采用的设计方法，而污泥负荷法要比容积负荷法更科学一些，两者均为目前国内外普遍采用的设计方法，但又都属于经验参数设计方法。到目前为止，运用该法设计了成千上万座城市污水处理厂，充分说明了它的正确性和适用性。但随着活性污泥理论的发展，有机负荷法存在的一些问题也逐渐显现，主要表现为设计的精确性差和可操作性低。当以去除碳源有机污染物为主时，生物反应池（曝气池）的容积按下式计算4：（1）按污泥负荷计算： (1-1)（2）按容积负荷计算： (1-2)式中：v生物反应池的容积，m3； q生物反应池的设计流量，m3/h；so进水bod5浓度，mg/l；se出水bod5浓度，mg/l；x混合液悬浮固体浓度，gmlss/m3；ls污泥负荷，kgbod5/kgmlssd；lv容积负荷，kgbod5/m3d。 式(1-1)和(1-2)中，ls和lv是设计计算的最基本参数，其数值是依据曝气池的类型和曝气方式并参照以往的经验来确定。由于污水水质和工艺等存在较大差别，ls和lv只能给出一个大致的范围。我国的室外排水设计规范（gb50101-2005）对不同类型生物反应器设计推荐的主要参数范围见表2。表2 活性污泥法去除碳源污染物的主要设计参数参 数ls(kg/kg d)lv(kg/m3d)x (g/l)污泥回流比(%)总处理效率(%)普 通 曝 气0.20.40.40.91.52.525759095阶 段 曝 气0.20.40.41.21.53.025758595吸附再生曝气0.20.40.91.82.56.0501008090合建式完全混合曝气0.250.50.51.82.04.01004008090从表2中数据可以看出，ls和lv的取值范围较大（最大值比最小值大一倍以上）。具体使用时，ls和lv的取值完全凭设计者的经验，对于缺乏经验和为了安全考虑而选取较小的ls或lv的值进行设计，将会造成基建投资的增加，这是有机负荷法的一个主要缺点。此外，有机负荷法未反映污水水质差异的影响。对于生活污水，ss和bod5的浓度变化不大，mlvss/mlss的比值也相对稳定。由于城市合流制管网的存在以及城市污水集中控制的要求，城市污水通常含有比例不等的工业废水，因而城市污水水质差异较大。有机负荷法设计是以mlvss为基础，其中的有机物含量并未反映。对于相同规模，相同工艺，相同进水bod5浓度的两个城市污水处理厂，按污泥负荷计算曝气池的容积是相同的，当ss/bod5值相差较大时，污泥浓度也相差较大，实际曝气池中的微生物生态环境大不相同，处理效果也会有很大差异。3.2.2污泥龄法污泥龄的概念最初由gould、garrett和sawyer大约在同一时期（20世纪50年代初期）提出，其重要性被逐渐认识，已经成为活性污泥法设计和运行控制的重要参数。lawrence和mccarty于1970年从理论分析和运行方面强调了这一概念的重要性，并把它称作生物固体停留时间（bsrt）。污泥龄的计算公式： (1-3)式中：c污泥龄，d；v曝气池容积，m3；xv混合液挥发性悬浮物浓度，kg/m3；qw剩余污泥量，kgmlvss/d。污泥龄反映了微生物在曝气池中的平均停留时间，污泥龄的长短与污水处理效果有两方面的关系：一方面是污泥龄越长，微生物在曝气池中停留时间越长，污泥浓度也就越高，在容积负荷不变的情况下，污泥负荷越小；另一方面是污泥龄长短对微生物种群选择的影响，因为不同种群微生物有不同的世代周期，如果污泥龄小于某种微生物的世代周期，这种微生物还来不及繁殖就排出处理系统，不可能在曝气池中生存，为了培养所需要的某种微生物，选定的污泥龄必须大于该种微生物的世代周期。污泥龄法属于经验参数和与动力学参数相结合的设计方法，在理论设计和运行方面有许多的优越性，所以很快得到了各国学者的承认，并在污水处理厂的设计和运行管理方面得到了广泛的应用。我国设计规范中提出的按污泥龄计算曝气池容积的公式为： (1-4)式中：y污泥产率系数，kgmlvss/bod5；so进水bod5浓度，kg/m3；se出水bod5浓度，kg/m3；kd衰减系数，d-1。设计规范对(1-4)式中的几个关键参数提出了以下推荐值：y=0.40.8（20，有初沉池）；kd=0.040.075（20）；c高负荷取0.22.5 d，中负荷取515 d，低负荷取2030 d。当水温变化时，kd按下式修正： (1-5)式中：t 温度系数，t=1.021.06。从以上分析可以看出，动力学参数的取值范围也很宽，污泥产率系数y值的变化范围高达100%，kd值的变化幅度达87.5%，c值的变化幅度从50%到几倍，如此大的变化幅度给工程设计中参数的确定带来很大难度，所以采用污泥龄法设计活性污泥法工艺在国内难以推广和普及。容积负荷法、污泥负荷法和污泥龄法通常称为传统活性污泥设计方法。传统设计方法中需要合理确定污泥浓度，在其他条件不变的情况下，污泥浓度增大一倍，曝气池容积就减小一半；污泥浓度减小一半，曝气池容积就增大一倍。所以污泥浓度的确定直接影响基建投资。在表2中，污泥浓度推荐了一个选用范围，由于取值范围比较大，设计时不好操作。室外排水设计规范规定的活性污泥工艺设计方法是依靠经验或少量的试验确定工艺流程，然后根据经验负荷数据及污水的平均流量、污染物平均浓度和对出水水质的要求进行简单的计算得出构筑物的大小。长期以来，国内的污水处理工艺设计在不同程度上都运用了直觉优化的方法。直觉优化是工程设计人员在设计过程中根据有限的设计方案进行初步分析计算，按照设计指标的好坏选择较好的设计方案的一种优化方法。该法的应用效果主要取决于工程设计人员直觉知识的广泛性、经验判断的准确性和极强的推导能力以及丰富的设计技巧。活性污泥系统传统的设计方法是以稳态设计准则为基础的，而实际过程是动态的。实践证明，传统设计方法计算简单，结果保守，设计者采用较大的安全系数，较大的构筑物体积，较长的水力停留时间，以确保工艺运行达到排放标准，但这种基于经验取值和直觉估计的传统设计方法，很难保证工艺系统设计的“准确性”和“经济性”并重。这种设计方法导致了相对保守的设计结果，增大了建设投资，并使污水处理厂在建成后，很长一段时间难以达到设计负荷，给运行管理造成较大困难。目前污水处理厂常规的工程设计方法通常都凭借设计人员的经验来进行，既不能保证设计参数一定能向更优的方向移动，也不可能保证其设计方案符合整体最优的设计原则。近年来，随着污水处理厂相关单元过程数学模型（asms、adm1等）的发展，以最优化数学理论为基础，计算机辅助系统优化设计方法的出现为工程设计方法研究提供了广阔的发展空间。系统优化设计方法是在给定的技术、经济等客观条件下，通过合理地确定系统设计参数，使得设计的工程或系统在某方面或多方面达到最佳效果。其数学本质就是在一定的约束条件下求解目标函数的极值问题，在很多情况下都以较复杂的数学规划形式表现。3.3 城市污水处理工艺发展在污水处理技术发展初期，有机物和固体悬浮物是污水处理的主要目标。到了20世纪60年代，随着常规二级生物处理技术的普及，人们发现仅仅去除有机物和悬浮物还不够，氨氮的存在仍然会导致水体的黑臭或溶解氧降低，这就促使常规的二级生物处理技术从单纯有机物去除发展到有机物和氨氮的联合去除，到了20世纪70年代，由于水体富营养化问题日益严重，促使二级生物处理技术向同时具有除碳、脱氮和除磷的多功能方向发展。目前，城市污水处理系统往往需要具备包括去除cod、ss和氮、磷等营养物质在内的多种功能。传统污水处理工艺相对简单，而各种新型活性污泥法脱氮除磷工艺中不仅包括污泥回流，同时还包括混合液内回流、污泥脱出水回流、消化液回流以及分段进水流量分配等，工艺变得越来越复杂。不同发展阶段代表性工艺流程见图4。实践表明，这些因素对系统运行的影响至为关键。然而，规范给出的设计方法却未能很好地体现这种影响作用。同时，出水水质要求日益严格，传统的设计计算方法存在的不足也逐渐显现出来。a. 传统活性污泥工艺（1917年）b. wuhrmann工艺（1962年）c. a/o工艺（1973年）d. a2/o工艺（1983年）e. 分段进水a/o工艺（1991年）图4 典型活性污泥工艺流程废水中污染物的成分和浓度通常随着时间和空间不断变化，具有非稳态的特性。而目前的污水处理构筑物的设计都是以稳态参数作为设计值。由于缺乏对动态特性的充分认识，一般只能采用增大安全系数的办法解决负荷变化造成的影响，增大了污水处理厂的建设和运行成本。此外，传统的设计方法在设计完成后不能预测实际运行后的水质，只有待污水处理厂建成并运行后方能检验设计方案的正确与否。传统设计方法只能对污水中cod、bod5、tn和nh3等少数水质指标进行分析计算，不能全面反应各种污染组分的变化和相互影响。对于出水水质是否能够达到设计要求，只能凭经验判断。传统设计方法确定的工艺流程不一定最佳，对系统的控制问题考虑的也不够充分。如果说保守的设计只是带来投资的浪费，那么经验不足的设计可能导致建成后无法补救的缺憾。随着活性污泥工艺发展的日趋复杂，生物处理机理认识的逐步深入，活性污泥动态模型的建立，出水水质要求的更加严格，以及计算机技术的快速发展，活性污泥工艺的设计也由粗放型向精确性发展，产生了数学模型计算机辅助设计方法。3.4 设计水质水量3.4.1 设计水量城市污水处理厂的建设既不是越集中、处理规模越大越好，也不是越分散、规模越小越好，而是要按照最佳效益规模的原则来确定城市污水处理厂建设规模的大小。适应规模建设城市污水处理厂，可以避免建设规模过大时，一次性资金需求过大，资金不能及时到位，工程建设周期长，有限的资金投入不能尽快发挥作用产生效益的弊端。规模适度可以使有限的资金及时地发挥作用，在现有的投资能力条件下使污水得到及时有效的处理。适度规模建设城市污水处理厂，有利于水资源的再生利用，污水经一定处理后可以就地使用，避免了大规模集中处理后水要经过长距离回输才能利用的问题。适度规模化建设，就是不单纯强调集中处理和把污水处理厂建得越大越好，而是按照最佳效益规模原则，根据城市功能、人口、结构等因素把城市划分成若干个区域，按区域规划和建设适当规模的污水处理厂，尽可能实现城市污水的就地处理和回用，减少污水集中输出和回用时的管道建设，降低处理成本，使有限的资金在尽可能短的时间内发挥效用。目前中国污水处理厂的建设规模无论是决策部门还是投资、设计、建设部门，由于认识上的误区和利益的驱动作用，导致了盲目建设大规模污水处理厂的现象。在我国，城市污水处理厂进水水量不足的现象普遍存在，其原因既有污水收集管网建设滞后问题，也有设计能力超前的问题。这两方面原因导致许多地方的污水处理厂已经建成几年仍不能满负荷运行，使得污水处理工艺控制增加了难度，也增加了工程投资的成本，造成资产的闲置与浪费，无谓地过多消耗本来就已非常紧张的污水处理资金。相反，有的污水处理厂存在长期超负荷运行状态，处理出水水质有所下降。为此，合理确定污水处理厂建设规模与分期，高效使用治污资金，以及尽量提高污水收集率，是实现污水减排的前提。3.4.2 设计水质根据城镇污水处理厂进水情况调查，我国污水处理厂的进水特性是多种多样的，进水水质波动很大，在同一个污水处理厂在不同一个时间的变化也是非常大。城市污水水质的变化几个特点：一是污水水质水量时空变化，二是污水碳氮比普通偏低，三是进水无机悬浮固体高，四是冬季水温低与工业废水影响。冬季水温低的问题不仅仅是北方，南方地区的低温冬季要达到排放标准是一个更突出的问题。城市污水厂的质量负荷为污水中的组分浓度与污水流量之乘积，流量已确定的条件下，浓度值如何确定，直接影响质量负荷的大小。在污水处理工程设计时，其二级处理构筑物如二沉池、生化池、污泥消化池等的容积，生产性建筑物的规模及设备参数、设备数量的确定，均与进水及出水水质参数有关，如：bod5、cod、ss、tn、nh3-n、tp等。污水流量变化与水质变化并不同步，因此，在设计过程中，流量确定之后，设计进水水质的确定对污水处理厂的工艺、处理构筑物的规模、工程投资和运行效果影响很大。国家标准室外排水设计规范（gb 50014-2006）中，建议对城市污水处理厂的设计水质需要进行调查，然后确定进水水质。规范中具体规定（部分）如下：城镇污水的设计水质应根据调查资料确定，或参照邻近城镇、类似工业区和居住区的水质确定。无调查资料时，可按下列标准采用：（1）生活污水的五日生化需氧量可按每人每天2550g计算；（2）生活污水的悬浮固体量可按每人每天4065g计算；（3）生活污水的总氮量可按每人每天511g计算；（4）生活污水的总磷量可按每人每天0.71.4g计算。然而，有关的调查方法，取得的数据处理等则未作规定。由于缺乏水质监测数据和有效的数据处理方法，无调查资料时的参考标准范围宽泛。受技术和经济等主客观因素的影响，目前在污水处理厂工程建设中，对进水水质参数的确定不尽合理，主要是取值过于保守偏大，目前我国己建成的部分城市污水处理厂的设计水质与实际水质差别较大。污水处理厂进水水质参数在确定时存在以下问题：(1) 无水质监测数据，采用相似地域的水质指标。(2) 只有很少监测数据且不是连续监测数据，据此推断进水水质参数。(3) 所采用水质数据为个别不典型出水口水质资料。(4) 对工业废水排放及影响进水水质因素的调研分析不够深入。(5) 对远期水质变化因素分析力度不够。(6) 原有合流制管道污水水质对拟建污水处理厂进水水质的冲击影响以及山区地下水和地表浅层水对进水水质的影响分析不足。污水处理厂进水水质参数确定过高或过低，均对工程投资有所影响，参数过高会加大投资，造成不必要浪费，并且建成后会出现构筑物及设备闲置，增加运行成本；参数过低会造成污水处理达不到预期效果，出水水质不达标，造成土建及设备的二次改建，增加不合理投资，以至于严重影响了城市污水处理厂的运行。3.5 运行管理与自动控制污水处理系统是一种典型的复杂动态生物反应工程系统，具有非线性、时变性、随机性和不确定性的特点，城市污水处理厂长期稳定运行时十分困难的，在一些污水处理厂中，处理效果不佳、运行费用高和污染环境等现象常常是由于运行问题引起的。为保证污水处理过程的良好运行，提高出水水质，控制策略的精心设计就显得尤为重要。鉴于污水处理系统自身的特性，在污水处理过程系统中应用过程控制主要存在以下难点：（1）反应过程复杂。整个处理系统由初沉池、曝气池、缺氧池、二沉池、污泥消化等多个单元组成，在同一单元内又发生多个性质完全不同的化学反应、物理反应和生物反应。（2）水力学特征。流动状态不同使物料在反应器内的停留时间不同、混合状况不同，从而造成温度、浓度等局部环境的差异。水力学特征对生物反应过程速率、达到给定转化率所需的反应器体积和反应选择性都有影响。（3）许多影响系统特性的参数难以控制。如瞬间流量、有机物浓度变化、有毒物质的输入和进水的温度等。（4）系统高度动态化，并且很少在稳态情况下运行，有效和精确描述过程动态的数学模型为满足自动控制的要求需要进行适当简化和修正。（5）污水处理系统的目标是使出水水质达到国家排放标准的前提下尽量降低成本和环境影响，而不像其它工业控制中给出一个精确的控制目标值。（6）多数信息非数字化和量化。定性的指标如出水的气味和颜色、微生物质量等等对于操作人员至关重要信息不能在常规的控制技术中使用。正是由于以上的原因，目前国内外污水处理自动控制水平比较落后。国内污水处理自动化系统大部分处于顺序逻辑控制水平，例如，时间程序控制和流量程序控制。弊端就是不能根据废水的实际水质水量变化情况对反应时间实现计算机在线控制，由此而引发出水不达标、运行费用高以及污泥膨胀等异常现象。发达国家在二级处理普及以后投入大量资金和科研力量加强污水处理设施的监测、运行和管理，实现了计算机控制、报警、计算和瞬时记录。美国在20世纪70年代中期开始实现污水处理厂的自动控制，目前主要污水处理厂已实现了工艺流程中主要参数的自动测试和控制。与发达国家相比，我国在污水处理的基本理论和工艺流程等方面并不明显落后，但是在运行管理与自动控制方面却存在着较大的差距。我国污水处理厂的自动控制和管理没有得到足够的重视，“重建设、轻管理”的思想导致污水处理厂的运行模式比较粗放、过程管理不够精细。污水处理自动化控制起步较晚，进入90年代以后污水处理厂才开始引入自动控制系统，但多是直接引进国外成套自控设备，国产自动控制系统在污水处理厂应用很少。长期以来，运行管理人员往往根据多年的积累经验对污水处理厂进行管理。传统的污水处理过程控制系统需要专业人员到现场进行手工的操作和监视，导致对系统的意外事故反应较慢，而无法对水质的变化作出精确的反应和调整，从而限制了污水处理的稳定性和处理质量，造成处理系统不稳定和处理过程能耗物耗高等问题。虽然我国也引进了外国的一些污水处理厂的自动化控制和管理系统，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，但在全国范围来看，即使在一些自动化程度较高的污水处理厂也仍然存在很多问题，如：（1）各种类型不同等级的系统控制方式并存，仍然存在很多人工就地方式。（2）污水处理在线监测是控制系统的重要组成部分和基础，自动控制系统中所采用的一些国产自动化检测设备、仪表的功能目前还很不完善，性能不稳定，进口仪器仪表价格较和维护费用高，售后服务不及时等。（3）即使采用进口的可靠性高的，维护简便的各种检测仪表和在线水质分析仪表，但由于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的不足，并没有有效使用在线仪表的大量监测数据，妨碍了处理过程的高效经济运行。（4）许多控制系统的设计和实际工艺不相符，污水处理厂的过程控制和污水处理厂的管理系统脱离，导致缺乏准确及时的原始数据和情况分析，准确性差，对现场运行指导意义不强。上述现象发生的根源在于，我国在污水处理和自动控制方面缺乏核心技术，缺乏适合中国国情的污水处理厂全流程控制系统，特别是基于全流程控制思想的控制软件技术，导致污水处理厂即使拥有较为完备的硬件设备，也不能充分发挥硬件的作用，造成污水处理厂管理水平和运行水平较低，污水处理厂的运行成本很高。4 研究内容在我国城市污水处理快速发展的今天，针对城市污水处理厂设计和运行管理中的问题，在国际水协研究最新成果的基础上，建立适用于我国的污水处理厂系统模型，研究模型应用中模型组分、参数测定和校验等主要问题；采用现代数值计算方法开发设计优化软件，研究在线监测及数据采集技术，探索优化控制技术，实现污水处理厂的优化设计和自动控制。4.1 污水处理厂系统模型城市污水处理工艺包含沉砂池、初沉池、曝气池、二沉池以及污泥浓缩池和消化池以及深度处理的过滤、超滤等多个单元，其中生物处理单元（厌氧、缺氧、好氧和污泥消化等）是处理工艺的核心。生物反应池的污染物降解不仅依赖于生物反应过程本身，而且与反应器内流体的流动和混合形式密切相关。所以在生物反应池模型研究中，需要将水力学模型和微生物反应动力学模型二者结合起来。城市污水处理各单元模型由不同的研究者在不同的时期建立的，各个单元模型采用不同的状态变量描述单元系统，对于整个污水处理厂来说，各单元之间存在污水或污泥的关联，如污泥回流、混合液回流、消化液回流和脱水污水回流等。构建城市污水处理厂系统模型需要解决模型之间状态变量转换问题。本研究在目前国内外研究的基础上，构建我国典型污水处理厂工艺系统模型，解决各个单元模型以及模型之间耦合问题。污水处理厂系统模型的构成见图5。图5 城市污水处理厂模拟系统流程城市污水处理厂模拟系统模型复杂，包含各单元反应模型和投资运行费用模型，系统模型的建立由简及繁，先建立核心处理单元模型，在逐步扩展，最终实现整个污水处理系统模型的建立。主要模型如下：（1）进水水质水量模型。（2）活性污泥模型（asm1、asm2d、asm3等）。（3）厌氧模型（adm1）。（4）初沉池模型。（5）二沉池模型。（6）污泥浓缩池模型。（7）反应器水力学模型。（8）投资费用模型。（9）运行费用模型。在设计控制系统时，控制策略的开发是最难最关键的一步，需要设计者对污水处理过程有深入的了解。模型和模拟可以作为控制策略开发的重要工具，通过大量模拟可以揭示控制性能和潜在的合适指标变量之间的相关性，变化模拟条件可以避免控制策略仅仅适用于较窄的运行条件。4.2 模拟优化软件开发系统优化分为技术优化和经济优化，技术优化是经济优化的前提和基础，也是处理系统优化的核心。技术优化以往国内外普遍采用系统分析的方法。随着计算技术的发展和计算机的普遍使用，系统模拟技术已成为国外近年来技术优化的主要手段。污水处理及相关领域模型的发展和计算机技术的进步，促进了模拟软件的开发和应用，成为研究、设计和工程技术人员的有力辅助工具。开发相应的系统模拟软件是实现优化的基础条件。目前，国外的模拟软件大部分走商业化发展的道路，相对成熟，可以满足研究、设计和运行控制等不同目的。国内模拟软件基本是由高校研究开发的，与国外商业化的模拟软件相比，从模型库选择、界面外观、人机操作、运算速度以及功能完备性等方面都远远滞后于国外。另外，由于知识产权保护意识的加强，国内外模拟软件在应用模型研究、参数估计、模型校验和输入输出界面、数据库应用等方面的技术问题，特别是核心代码都严格保密，在一定程度上限制了模型应用的发展。国内要从事模型模拟的研究，首先必须自主开发应用软件。本项目主要参考国外gps-x软件、stoat软件、west软件、simba软件等，开发完全自主知识产权的模拟软件。开发软件主要功能与特点如下：（1）模拟软件中含有合适的模型，可将污水处理厂的工艺流程较完整地体现出来，用户可对系统内置的模型进行更改和编辑，并能自定义添加描述工艺过程的模型；（2）具有敏感性分析模块和模型校正及参数估值优化模块，能实现污水处理过程的稳态模拟和动态模拟；（3）模拟软件中所选择模型的易读性和模型中输入参数的可测性；（4）实现污水处理工艺的设计、改进及优化，并向员工提供水厂运行决策的培训，适合一般污水处理厂运行人员操作使用；（5）模拟软件能与国内污水处理厂目前拥有的各种离线、在线仪器直接进行数据传递，模拟软件应与现场总线系统有数据交互的友好性；（6）进行在线自动实时监控，对工艺过程实行自动检查、警告和自动校正、传感器探错、过程检错及预测等功能。4.3 水质测定分析在污水处理中，水质特性一直是优化设计和运行的重要基础。很长时间以来，污水处理厂设计和运行的水质参数仅仅是依据基于cod、ss和氨氮等指标。随着污水处理技术的发展，水质分析方法得到了进一步的改进，污水特性的表征也在逐渐变化。随着对污水脱氮除磷的要求日益严格，bod/n、bod/p等水质特性成为污水处理过程中重要的水质特性参数。然而，仅仅根据这些参数，是不可能采用数学模型对生物处理系统进行精确的描述。污水中的污染物可以采用多种方式进行描述。例如，可以根据污染物的物理性质（溶解态或非溶解态）、化学性质（有机或无机）、微生物降解特性（可生物降解或不可生物降解）、污染物来源（天然或人工）和环境影响（毒性或非毒性）等等对污染物进行分类。显然，这些分类不是绝对的，而是相互交叉的。污水生物处理是是通过微生物的降解作用达到去除污染物的目的。活性污泥模型的组分正是从污染物的生物降解过程出发，建立了按生物反应特性划分污水组分的重要原则，同时为了表达的需要，又根据其物理性质分为溶解态和颗粒态。由于活性污泥模型中组分的划分是以污染物在生物处理中的生物降解特性为基础，以它们的存在形态为表现形式，所以不能将溶解态与快速可生物降解以及颗粒态与慢速可生物降解严格对应。实际上溶解态有机物以快速降解为主，颗粒态有机物以慢速降解为主，即一些慢速降解基质实际上是溶解态的，一些快速降解基质实际上是颗粒态解态的。当然，根据其物理性质划分为溶解态和颗粒态的方法，为模型组分测定提供了一种可能性，可以通过过滤方法进行大致的估测。根据模型组分的划分理论，产生了多种测定方法，这些方法大致可分为物理化学法和生物化学法两大类别。国外研究人员在污水水质特性方面的研究起步较早，先后提出了基于不同理论的测定方法。如物理化学法、bod法、方波活性污泥法、间歇活性污泥法以及呼吸计量法（our/nur）等多种方法。某些组分可以采用化学法直接测定，某些组分难以测定，模型组分和参数测定分析相互关联，因此需要将不同方法结合起来，根据物料平衡关系，按照一定的顺序测定分析。但是这些测定方法还没有形成标准，需要进行各种污水多种测定方法比较分析，确定简便快捷、准确可靠的分析方法。为利用模型进行污水处理厂的优化设计和运行提供基础数据。4.4 监测仪表和软测量技术研究如今过程控制系统的问题不是缺乏数据，而是缺乏含有大量信息的数据，也可以说现代过程控制系统数据充足但信息缺乏。应用scada和plc系统通常可以获得大量数据，但是普遍没有应用计算机提取有用信息，主要对这些数据简单计算、绘制曲线和数据报表等。污水生物处理系统的控制参数也即控制系统的输入，包括各种进出水水质水量指标，如流量、ss、cod、bod、nh3-n、no2-n、no3-n等等；污泥状态指标，如污泥浓度、svi、沉淀池污泥界面高度、耗氧速率（our）、污泥龄等；环境变量，如温度、ph值、do、orp等。为实现多重控制目标与任务，需要利用控制手段选择关键和有效的输入和输出变量，并建立它们之间的关系。污水处理的系统过程控制主要根据有效准确的在线监测状态参数，通过模型模拟预测分析，寻找稳定运行和节能的最佳运行策略，通过控制器调整运行控制变量，实现理想的控制效果。污水处理厂实行现代化管理，离不开污水处理专用仪表，而目前我国使用的国产仪表是借用化工和热工仪表等，这些仪表已接近或达到国际先进水平。但高质量的分析仪器、专用监测仪器和自动监测系统多为国外引进，如一些水质指标和污泥状态指标的cod在线分析仪、浊度仪、nh3-n传感器、no3-n传感器、po4-p传感器、污泥浓度计、污泥界面仪等，而且可靠性已被证实。这类仪表在我国仪表行业中还处于初级阶段，可靠性较差，也没价格上的优势，这就迫使国内大部分污水处理厂的仪表都采用国外生产的仪表。进口仪表价格比较贵，备件昂贵而且购买困难，运行维护费用高，影响仪表的维修使用。在线水质高技术分析仪如nh3-n和no3-n传感器非常昂贵，并且运行维护费用很高。orp、温度和ph值，已经实现了可靠的在线检测，检测仪器技术成熟，可以直接应用于污水处理过程的控制，但是对于大部分污水生物处理工艺，难以由监测结果产生控制动作。针对污水处理在线仪表现状，进行软测量技术研究。软测量的基本思想是把自动控制理论与生产过程知识有机的结合起来，应用计算机技术对难以测量或者暂时不能测量的重要变量，选择另外一些容易测量的变量，通过构成某种数学关系来推断或者估计，以软件来替代硬件的功能。应用软测量技术实现在线检测不但经济可靠，且动态响应迅速。根据城市污水处理系统水质参数、状态参数和控制参数内部相关关系，监测仪表的成熟可靠程度，确定监测参数，构建软测量模型，开发软测量软件，获得系统难以测量的重要状态参数，为自动控制提供可靠有效的基础数据。4.5 模型参数测定与自动估计活性污泥模型组分和参数具有确定的物理意义，因此，国内目前的研究都是采用设计一定的试验方法，针对某个参数进行测定。不同的污水处理厂由于进水水质、工艺流程、环境条件和运行工况等存在一定差异，所以模型参数也会不同。目前模型参数的测定方法复杂，并且没有统一的标准，本项目研究简单快捷、准确实用的实验室和现场在线测定方法，为模型模拟提供准确的基础数据。试验测定参数结果的计算中，往往需要对其它参数进行测定或者假定，由此，割裂了模型参数之间的相关关系，测量结果存在一定的误差。本研究项目通过呼吸计量法试验或者根据现场在线呼吸速率等参数，以测定过程的耗氧速率为目标函数，采用遗传算法进行多参数同时估计，提高参数确定的精度和效率，在实际污水处理厂的应用中具有方便快速的特点。（略）4.6 模型自动校验技术污水处理厂系统模型过程和参数的复杂性以及非线性特征，使得利用传统优化方法估计模型参数面临很多困难，所以目前校验中基本都是采用手工拟核的方法。本项目通过对各个单元和总体系统模型参数的敏感度分析，确定重要的估计参数，采用启发式搜索的遗传算法进行模型自动校验，提高参数估计的精度和效率。（略）4.7 过程控制（略）5 研发团队本项目技术含量高，