（安全技术及工程专业论文）MSBR模糊控制系统应用研究.pdf

西南科技大学硕士研究生学位论文第1 i 页 a b s tr a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n tp r o c e s sw a s t e w a t e r ，i t sc o n t r o ls y s t e m h a si n c r e a s i n g l yh i g hd e m a n d s f r o mt h ed e v e l o p m e n to fe n v i r o n m e n t i nr e c e n ty e a r s ，t h eg a po ft h ee n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n ，t e c h n o l o g y r e s e a r c ha n da p p l i c a t i o nb e t w e e nc h i n aa n df o r e i g nc o u n t r i e si ss m a l l w h i l ef o rt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n te q u i p m e n ta n dc o n t r o ls y s t e m su n i t t h e r ei sab i gg a p b a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fc h i n e s ea n dd o m e s t i cw a s t e w a t e r t r e a t m e n tc o n t r o ls y s t e ms t u d y ，i ti sp r o v e dt h a tt h ef u t u r ed i r e c t i o no f d e v e l o p m e n to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n t c o n t r o ls y s t e m si s i n t e l l i g e n t c o n t r 0 1 a sw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s si st i m e - d e p e n d e n t b a c k w a r d a n dn o n l i n e a rc h a r a c t e r i s t i c s am a t h e m a t i c a lm o d e lo fc o n t r o ls y s t e m i sd i f f i c u l tt ob ee s t a b l i s h e d m s b rp r o c e s sa sa ne x a m p l ev e r i f i e s f u z z yc o n t r o ls y s t e m sp r a c t i c a l i t yi nt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tc o n t r o l s y s t e m a st h ec h a n g e so fw a s t e w a t e rc o n t r o ls y s t e mw a sn o ta sar u l e ， t a k ed oa sa ne x a m p l et od e s i g nas e to fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tf u z z y c o n t r o ls y s t e m t h ew h o l ec o n t r o ls y s t e mi sc o n s i s t e do fd op r o b e ，$ 7 - 2 0 0p l c ， t h ei n v e r t e ra n df a nt u r b i n ec o m p o n e n t s t h ef u z z yc o n t r o l l e ri s t w o d i m e n s i o n a ic o n t r o l l e rt h a tt a k e ss 72 2 6 c p ua st h ec o r e a n dd 0 d i f f e r e n c ea n dt h ec h a n g eo fd e v i a t i o n sa sc o n t r o lv a r i a b l e s t h r o u g h e x p e r i m e n ti ti sg a i n e dt h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nc o n t r o lv a r i a b l e sa n d p r o j e c tv a r i a b l e s t h ef u z z yc o n t r o ls t r a t e g yw i l lb ea p p l i e dt op r a c t i c a l p l cc o n t r o lp r o c e d u r e su l t i m a t e l y ，a n dg e tt h ed e s i r e dr e s u l t s a n d a n a l y z et h e o r e t i c a l l yf u z z yc o n t r o lf a c t o r s a tl a s tt h em e t h o d sa n ds t e p so ft h es a f ee v a l u a t i o na b o u tc o n t r o l s y s t e mo fw a s t e w a t e rt r e a t m e n ta r eb r o u g h tf o r w a r d k e y w o r d s ：w a s t e w a t e rt r e a t m e n t ；f u z z yc o n t r o l ；s e c u r i t y ；p l c 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西南科技大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。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了谢意。 签名： 丹0 友 日期： ；。7 s 5 。 关于论文使用和授权的说明 本人完全了解西南科技大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留学位论文的复印件，允许该论文被查阅和借阅；学校可以公布该论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：同。，；良导师签名： 签名：，列”；殳导师签名： 闩期： 6 ，文 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 页 1 绪论 1 1 课题的来源和背景 本课题来源于四川省教育厅重点项目m s b r 法处理生活污水的在线模糊控 制研究。本论文是以四川省环境工程自控技术重点实验室m s b r 模糊控制系统 为研究背景，讨论了污水处理工程中的自动控制系统设计和基于工控组态软 件的计算机监控系统的设计；由于m s b r 具有s b r 和氧化沟工艺的优点，同时 具有除磷脱氮的功能，并且m s b r 污水处理系统的d o 的浓度控制是典型的具 有较大的惯性、较长的滞后时间和一定的不确定性的系统，本论文提出了运 用智能控制中的模糊控制策略来对d o 浓度进行控制。该策略对于非线性的、 不易建立数学模型的系统有相当好的控制效果，其实验结果非常理想，其能 耗和运行成本较低，具有实际应用前景。 1 2 污水处理工艺国内外发展现状 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。因此，在可能的情况 下，首先应考虑采用生物处理法。氧化沟工艺是生物处理方法的典型代表， 在污水处理中占有重要地位。氧化沟工艺出水b o d 。( b i o c h e m i c a lo x y g e n d e m a n d ，生化需氧量) 一般为l o m g l 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。 氧化沟又名连续循环曝气池( c o n t i n u o u sl o o pr e a c t o r ) ，是活性污泥法 的一种变形。氧化沟法是1 9 5 0 年由荷兰公共卫生工程研究所研究成功的，自 1 9 6 0 年代中期在欧洲、非洲、加拿大、美国等国家和地区逐步发展了这项污 水处理技术。据报道，从1 9 6 3 年至1 9 7 4 年，英国共兴建了约3 0 0 多座氧化 沟污水处理厂；1 9 6 2 年至1 9 7 5 年，美国建成了约5 5 8 座氧化沟污水处理厂。 不仅氧化沟的数量在增长，而且处理规模也不断扩大，处理对象也从处理生 活污水发展到既能处理污水又能处理工业废水。我国上世纪8 0 年代开始应用 这项技术，目前采用氧化沟处理污水和工业废水的污水处理厂已近百家。 西南科技大学硕士研究生学位论文第2 页 1 3 污水处理控制系统国内外发展状况 污水处理系统具有不确定性和不稳定性，其处理过程的特点是多变量、非 线性、时变性与随机性，所以建立精确的数学模型比较困难。同时，污水处 理系统的控制又属于多目标控制，体现在需要控制几种出水指标( b o d ，c o d ，s s 等) ，需要抑制外部环境的扰动变化对处理过程的影响以确保处理过程的稳 定性，同时需要使处理过程费用最低以达到经济指标最优化。因此，其控制 需要多个变量的支持且知识工程系统、感知信息处理系统、认知系统、规划 与控制系统及计算机算法也更复杂一些，即应开发控制功能更强、控制品质 更好、智能化程度更高的综合智能控制技术，主要有模糊控制、神经网络控 制和专家控制系统。智能控制在各种非稳定的动态工程系统中的应用日益广 泛与深入，特别是近年来取得的研究与应用成果更受瞩目。 1 3 1模糊控制 模糊控制是将操作者或专家的控制经验和知识表示成语言变量描述的控 制规则，然后用这些规则去控制系统。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。模糊控制方法几乎可以应用于各种水处理过程。 模糊控制在活性污泥法节能方面效果也十分明显，已应用到污水处理的多个 领域，控制的工艺参数也多种多样。 g a l l u z z o ，m 等m 采用基于规则的模糊多级控制器控制连续流n d b e p r ( 硝 化、反硝化生物过量吸磷) 污水处理厂中的曝气量，通过启发式规则引入操作 员的经验。第l 级控制器根据输入参数n h 4 + - n 和n o 。- _ n 的浓度，估计d 0 设 定值：第2 级根据前一级的输出和曝气池出水p o t 一一p 浓度校正加设定值满足 除磷要求；第3 级引入进水流量作为d o 的校正因子。此控制的主要缺点是需 要在线监测n h 4 + - n ，n o 。- _ n 和p o ，。p 浓度，因此其应用受传感器可靠性和 成本的限制；其次，只考虑了曝气量一个因素，面未考虑回流比和曝气区容 积等其他控制变量。 m u r n l e i t n e r ，e 等”，运用模糊逻辑系统对工业厌氧废水处理进行模糊控 制，使系统在底物浓度和进水量有较大变化的情况下仍然良好运行。模糊控 制系统采用氢气和甲烷气体浓度、产气率、p h 值和酸化缓冲罐的注水水位作 为输入变量。控制变量为酸化缓冲罐注入甲烷发生器的水量、两反应器( 酸化 罐和甲烷发生器) 的温度、甲烷发生器的循环比、甲烷发生器回流至酸化罐的 水量和酸化罐的进水量。输出变量采用重心法进行解模糊。该系统成功的对 西南科技大学硕士研究生学位论文第3 页 两段厌氧工艺处理不同工业废水进行了仿真，还作了系统在闲置数天后在c o d 为1 0 0 m g l 冲击下的重新启动试验均取得了成功。 m e y e r ，u 等”1 提出了基于模糊逻辑的i i i 置反硝化污水处理厂的控制策略， 该控制策略可以根据进水条件及出水水质确定曝气区溶解氧的设定值和硝化 反硝化的容积比例，不仅可以提高出水水质，同时可以降低曝气的能量消耗。 彭永臻等“，在化学工业废水s b r 工艺去除有机物过程中将溶解氧( d o ) 浓 度作为模糊控制参数，在开始阶段( o - l o m i n ) ，d o 急剧上升达到一个峰值。 随后在c o d 去除阶段d o 缓慢地降低，然后在一个较高点达到平衡。当有机物 被消耗时，d o 浓度又会从开始的较高点迅速上升，在d o 上形成一个明显的转 折点，这就是c o d 去除阶段结束的标志。在固定通风率的情况下，最初的d o 峰值浓度点跟c o d 浓度有关。所以，最初的c o d 浓度能够通过在线检测的d o 浓度进行估计，然后通过改变通风率来改变d 0 浓度达到一个合适的水平 ( 2 m g l ) ，在这一阶段的前1 0 分钟不但可以确保供氧量而且还能节省能耗， 并且它的操作管理非常简单。这种模糊控制方法是通过在线监测d o 浓度而控 制通风量，d o 图上的转折点就可以作为结束曝气标志，所有通风率和通风时 间的模糊控制是根据d o 图而确定的，实验控制结果表明：相对传统控制采用 模糊控制系统处理效率能够提高3 5 ，而能耗却下降了5 0 0 3 ，使用模糊控制系 统c o d 去除率能达到8 5 9 0 。 马勇，彭永臻等w 利用模糊控制对污水处理过程的去氮效果有明显的改 善，研究结果表明硝酸盐浓度和氧化还原电位( o r p ) 有密切的联系，最后在 a o 工艺的厌氧区建立了污水除氮的综合处理方法，所以在酸盐的循环和加碳 过程中可以把o r p 作为在线的模糊控制参数。在模糊控制器中有两个输入和 一个输出，通过调整硝酸盐的循环流动和加碳量使o r p 值在一8 6 m v 至一9 0 m v 之 间，从而实现除氮的最优控制，提高出水质量和降低运行成本。 z e y b e k ，z 等w 提出了模糊动态矩阵控制( f d m c ) 的实验应用，应用模糊动 态矩阵控制理论研究了染料废水处理厂污水处理过程中凝聚物的凝聚过程的 应用。同时对利用模糊动态矩阵控制理论对p h 值的控制做了一系列的测试， f d m c 控制的执行结果和用传统p i d 算法所得到的结果相比，f d m c 的动态跟踪 性能更加完善。 1 3 2 神经网络控制 人工神经网络( a n n ) ，是通过模拟人脑的神经网络结构和行为，用大量 简单的处理单元广泛连接所组成的复杂网络。它最大优点是可以充分逼近任 西南科技大学硕士研究生学位论文第4 页 意复杂的非线性关系，有较强的学习能力和容错性，同时能够处理定量、定 性数据，能够利用连接的结构与其他控制方法及人工智能相结合。a n n 的预测 能力在很大程度上依赖于驯化数据的状况。这是因为a n n 存在着某些缺点：不 适合表达基于规则的知识，不能很好地利用已有的经验知识，网络训练时间 长有可能导致陷入非要求的局部极值。如果数据中有干扰和不确定性，则常 会出现过界问题。改进神经网络以及与其它智能控制技术结合可以在一定程 度上弥补这些不足。常用于污水处理中的神经网络有误差反向传播( b p ) 神经 网络、径向基函数( r b f ) 神经网络、自适应神经网络等。 郭劲松等”根据人工神经网络理论和方法，针对活性污泥间歇曝气系统 的特点，提出了活性污泥间歇曝气系统的b p 人工神经网络水质模型。通过对 模型预测结果与实测值的比较表明：其具有精度高，适应性强，使用方便的 特点。这种模型的建立，为活性污泥工艺实现在线智能化控制提供了条简 便的途径。 任南琪等一，在试点区对高浓度的传统中医废水处理中的两个阶段的厌氧 区，应用浸没式膜生物反应器( s m b r ) 法进行了4 5 2 天的水质测试，这项研 究的重点是污水水质对s m b r 参数的影响，这些参数包括更短的水力停留时间 ( h r t ) ，更高的流出物c o d 浓度，更高的c o d 负载率和混合液体的悬浮物浓度 ( m l s s ) ，实验结果表明，当h r t 为5 小时，流出物c o d 浓度小于3 0 0 0 m g l 时，s m b r 法流出物的水质可以通过它的c o d 浓度来估计，这样得到的回收水 在中国的排放标准中时可以接受的；当h r t 为3 2 小时时，流出物的c o d 浓 度小于3 0 0 0 m g l ，或者h r t 为5 小时时，流出物的c o d 浓度在3 0 0 0 6 0 0 0 m g l 之间波动，此时的s m b r 法的流出物能达到中国的排放标准，统计显示c o d 滤 除率和c o d 负载率有必然的联系，它与m l s s 没有必然的联系，m l s s 的值在 7 5 4 3 1 3 6 9 4m g l 之间，当m l s s 的值大于1 3 6 9 4 m g l 时，它与c o d 滤除率有 直接的联系。在高浓度中医废水处理中根据s m b r 的实验值建立的模拟模型运 用反向传播神经网络( b p n n ) 理论进行预测，可以得到最佳运行参数，h t r 为5 小时时，污泥停留时间s r t 为1 0 0 天，c o d 负载率低于或等于2 0 5 k g m 3 d ， m l s s 浓度范围为7 5 4 3 m g l 1 3 6 9 4m g l 。 h a m e d ，m a g e dm 等n “根据污水处理厂过去的运行资料建立的人工神经网络 ( a n n ) 预测模型。这些数据是根据埃及的开罗污水厂使用传统的控制方法所得 到的，平均流量为1 0 0 万m 3 d a y 。每天记录处理过程中不同阶段的生化需氧 量( b o d ) 、悬浮物浓度( s s ) ，通过对这个实验性污水厂观察记录获得了1 0 个 月的运行数据。用于预测数据的分析和评价，检测数据关系的关联性。现在 西南科技大学硕士研究生学位论文第5 页 正使用人工神经网络建立了两种基础模型来预测排放物的b o d 和s s 浓度，适 当的神经网络结构模型就决定了可以通过几个步骤通过训练和测试的模型。 人工神经网络基础模型的建立为污水厂的排放物指标预测提供了强有力的工 具。 b o n g a r d s ，m 等“通过使用智能控制技术( c i ) 大大提高了污水处理厂的效 率，尤其是污水净化控制过程中使用模糊控制和神经网络，应用范围是控制 污泥和水量、在硝化反应区消除磷酸盐的最佳加药量，以及最佳的通气量。 市污水处理厂运行3 年多来发现1 2 6 0 0 的居民和6 0 0 0 0 的居民具备同样的设 备和操作，污水厂的运行结果与运用传统的控制方法相比：处理效率大大增 加，排放水质低于政府标准，同时降低了能耗。这样排除了满负荷运转的情 况，而且不会增加出水水质的排放标准。三年来的运行结果表明在效益持续 上升的市污水处理厂，智能控制是兼顾成本和效益最佳方法。 1 3 3 专家系统 专家系统是一种智能化的计算机程序系统，能够利用人类专家的知识和 解决问题的方法来处理某领域的问题，是智能控制的一个重要分支。专家系 统在水处理的自动控制和预测控制，工艺流程选择以及故障诊断等多方面得 到应用。 f l o r e s ，j “”设计了一个智能化系统来运行和管理废水处理多级厌氧系 统，这个厌氧系统由各自的控制器控制，而这些控制器又通过宽带网与中央 管理器相联。每一个厌氧单元控制系统都有一个混合结构，这个结构包括进 行数据采集、信号预处理、运行参数计算的算法程序和基于规则的专家系统， 这些规则包含各个单元运行的非精确和半定量知识。该专家系统具有模块化 结构，容易修改和版本升级，并且系统启动比人工操作要快。 l a r d o n ，l 等“”对高效稳定的厌氧消化( r i d ) 污水处理工艺进行了研究。尽 管a d 有这些优势，很多企业仍然不愿使用他们，因为他们要面对变化的操作 条件。由于存在这个缺陷，要提高厌氧消化在工业中的应用，一方面就要制 定并实施知识库( k b ) 系统，这就能够测定和评估整个过程中的实时水质状况 和操作条件。在厌氧消化( a d ) 工艺中基于个案的技术和方法已经经过测试和 验证，但是还缺乏两个主要的工具，一个是系统的模块性( 知识库系统应该 容易适应的新工艺，即使增加或撤销一个或多个传感器，系统仍然能正常工 作) 和不确定性管理( 知识库系统的评估在一些个案中的相关性仍然很小，甚 至有些相互冲突) 。本文针对这两点，提出了在不确定推理知识库k b 系统模 西南科技大学硕士研究生学位论文第6 页 块，它和局部模糊辅助诊断模块结合使用，从一个实际的运行实验验证了这 种方法的重要性，它就是后来建立的2 0 0 0 m 的工业连续搅拌釜式c s t r 厌氧硝 化反应器所进行的实验。 h o n g ，s w 等已经进行了两年的小型污水处理系统的预测，它包括一个 混合生物反应器，专家系统包括逻辑存储控制器和一个人机界面，为了监控 它的状态，建立了实时数据采集系统，数据通过无线局域网传输系统从各子 站传输到中控室，自动控制操作方式与传统的人工控制方式相比，具有更高 的效率和稳定性，混合生物反应器的排放水的c o d ，s s ，t - n 和t - p 浓度分别 低于1 4 ，7 ，1 2 ，和0 9 m g l ，根据这个实验结果，排放水经过化学凝结和砂 石过滤，最后经过消毒，就可以循环再利用了。 1 3 4 智能控制总结和展望 在污水生物处理中引入智能控制，可以减小系统干扰对运行的影响，优 化系统运行，提高处理效率、降低运行成本。虽然国外智能控制在污水生物 处理中的应用越来越广泛且深入，在国内也获得了广泛的认可，但国内的研 究和具体应用都还处在起步和发展阶段，目前，我国污水处理厂的吨水耗电 量是发达国家的近两倍，而运行管理人员数又是其若干倍。因此加强我国污 水处理系统智能控制的研究与应用具有重要的科学意义与应用价值。 在三种类型的污水处理智能控制系统的应用中，模糊控制计算量小，实 时性较好，且具有一定的鲁棒性，但不具有自学习能力；神经网络具有较强 的学习能力，但却无法适用以往非量化的经验知识；专家系统对已有经验知 识的依赖性最强，学习能力较弱，在水处理智能控制中专家经验积累不太丰 富及专家经验不能统一的情况下不适用。模糊技术与神经网络结合产生的模 糊神经控制技术，既可以利用前人的经验，又具有较强的自学习能力，能够 提高系统的适应性，因此，将两种或两种以上智能控制方法相结合或将智能 控制与传统控制方法相结合而建立的综合智能控制系统应作为以后污水处理 智能控制的主要研究方向。近些年来我国政府开始关注环境污染问题，特别 是提出可持续发展战略后，政府在经济快速发展的同时也注意环境的保护和 治理。环境保护已成为我国的基本国策之一。从近几年环境治理来看，我国 的环保理论、工艺研究和应用与国外差距不大，差距比较大的是环保单元设 备和自动控制系统n “。我国污水处理厂自控系统的现状是：手动与自动皆备， 自制和引进并举。 有些污水处理厂所采用的检测仪表大部分是精确度和可靠性较差的离线 西南科技大学硕士研究生学位论文第7 页 仪表，监测手段也是靠取样后测量，然后根据测量结果去调整设备运行状态。 因此很难进行快速和有效的在线实时控制，往往导致出水水质的不稳定。 而经济发达的国家如美国、日本和西欧等国家在研究新的理论和工艺的 同时，也重视污水处理自动控制系统的研究。这些国家先后纷纷投资研究开 发高效型、智能型、集约型污水处理设备和自动化控制仪表。如意大利开发 出一系列在线水质监测控制仪，美国艾姆科( n m i c o ) 工艺公司1 9 9 6 年成功开 发了多元组合式智能型一体化生活污水处理装置，美国米顿罗( m i d u n r o ) 公司 也相继开发了一系列在线监测控制仪等，荷兰大学开发成功计算机控制内循 环式水解生化塔u m 。由于这些水处理设备自动化程度、智能化程度相当高， 能连续稳定运行，所以达到令人满意的水处理效果。 采用智能控制技术，可以根据检测的结果，随时调整各设备及工艺过程 参数，可使设备状态优化，经济运行，节约能耗；保证安全操作，减少事故， 改善劳动条件，节约人力：提高处理厂的技术管理水平，合理使用和配备处 理设备。由此可见，加强污水处理控制系统的研究具有极为广阔的应用前景。 1 4 数学模型和控制策略介绍 污水处理数学模型的建立不仅对生物处理过程的设计和运行管理有着重 要意义，而且对于控制策略的设计也很有借鉴。 1 9 4 2 年m o n o d 首先提出以米一门公式为基础的m o n o d 方程，在此基础上 e c k e n f e k d e r ，m c k i n n e y ，l a w a r e n c e 和m c c a r t y 等人建立了活性污泥法数学模 型。这些都是静态模型，仅考虑了污水中含碳有机物的去除，其中1 9 7 0 年提 出的w a r e n c e - - m c c a r t y 模型，强调了生物固体停留时间s r t ( s o l i dr e t e n t i o n t i m e ) 的重要性，在污水处理学术界得到了较为广泛的承认。国际水质污染协 会i a w q ( i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no i lw a s t e w a t e rq u a l i t y ) 在污水生物处 理的模型上相继推出了a s m i ，a s m 2 ，a s m 3 ，每种模型都包含十几种组分，十几 个反应过程，几十个化学计量系数及几十个动力学参数m ”。 一般来说传统的控制策略都要基于一个生物过程的动力学的模型，而 i a w q 的模型由于参数太多，而且模型的参数无法被辨识，因而并不适合用于 控制目的；除了生物系统的动态性外，还有负荷的动态性，测量系统的动态 性，污水处理过程具有由入流流量、浓度的变化和污泥回流引起的很大的时 变性、污水处理过程还是高度非线性的，各变量之间存在很强的耦合性。这 些因素都是污水处理控制的难点，所以采用传统控制不能达到满意的控制效 西南科技大学硕士研究生学位论文第8 页 果。为了保证过程连续运转和提高出水的质量，必须对过程加以合理的控制 才能使其保持良好的运行状念。 在污水处理系统中，就控制量而言，主要可分为以下几种”“”= 溶解氧d o ( d i s s o l v e do x y g e n ) 的控制，溶解氧的水平不足会抑制生物对 有机物的降解，产生污泥膨胀，反之，若它的水平太高会增加能耗，导致悬 浮固体沉降性变差。因此，溶解氧的控制很重要，它是通过对输入的空气量( 或 氧气量) 的控制，使曝气池中的d 0 浓度保持在一定的范围之内( 1 5 2 o m g l ) 。 f m ( f o o d m i e r o o r g a n i s m ) ，有机养料与微生物比控制，f g 表示曝气 池内的b o d 5 ，与m l s s ( m i x e dl i q u i ds u s p e n d e ds o l i d ，混合液污泥浓度) 的 比值。当比值过低时，细菌的生产率将下降，泥龄增加，系统易受到有机底 物峰值输入的影响：反之则会使大量沉降性不是很好的活性污泥流入二次沉 淀池中，同时增加排放污泥量，使得污泥处理费用增加，当采用b o d 。，来表 示时，f m 的设定范围一般在0 0 8 o 4 之问。 p h 值的控制，曝气池中的好氧菌的繁殖对p h 值的大小有一定的要求，同 时，p h 值还会影响污水中生物氧化分解的速率，一般要求p h 值在6 5 7 s 之间。建立非线性的p h 值控制器，它利用滴定曲线来控制入流污水的p h 值， 使得平衡池和曝气池中的p h 值保持在7 0 左右。 ， 由于污水处理系统中某些变量的测量手段不完善，给系统的运行带来了 不良影响，为解决这一问题，有些学者引入了智能技术。比如b o d 。的测量需 要五天时间，日本的m s h i m a k a w a ，s m u a k a m i & m o r i 提出了一种新的模糊推理 方法用于模糊建模，模型的输出是b o d 。值一；m o h a m e df h a m o d a 采用人工神 经网络技术，建立b p 神经网络模型用来预测处理厂的性有细t s s ( t o t a l s u s p e n d e ds o l i d ) 和b o d ( b i o c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) ”。近年来，智能控 制技术在污水处理的工业控制中逐步得到了应用，这和传统控制策略及污水 处理过程本身的特点有关。因为传统的控制技术是基于模型的控制，建立在 模型已知或可以通过辨识得到的基础上的；污水处理系统是一个具有严重的 不确定性、时变、非线性的动态系统，针对上述问题，智能控制策略由于其 不需要一个完整的数学模型，可以很好的解决非线性、时变等复杂系统的控 制问题，无疑是很好的解决方法。 西南科技大学硕士研究生学位论文第9 页 1 5 本课题的内容和任务 本课题结合了四川省环境工程自控技术重点实验室m s b r 模糊控制水处理 实验平台电气控制部分的改造建设。论述了污水处理工艺及污水处理系统的 组成和控制方案的实现。该系统采用了目前国内外工控界流行的工控组态软 件，运用性能良好的s i e m e n s 系列p l c 对污水处理中各参数进行有效控制， 本系统是一套完善的管理控制一体化系统。该控制系统具有高度自动化水平， 很好的控制了参数变化，在国内具有广泛的应用前景。 由于溶解氧在污水处理中起着重要作用，所以作者根据工程实际和现有的 控制技术，并且结合了目前国内外己有的污水处理技术，对m s b r 中溶解氧浓 度控制进行理论研究。提出了模糊控制的智能控制策略，同时将模糊控制理 论应用在p l c 程序中，通过实验表明取得了较好的控制效果和节能效果，所 以此结果在今后的的类似工程中具有推广应用价值。 最后提出污水处理控制系统安全性评价的步骤和方法。 环境保护己成为我国的一项基本国策，研制自动化水平较高、具有节能降 耗功能的符合我国国情污水处理系统对我国可持续发展战略的实施具有重大 的现实意义。 西南科技大学硕士研究生学位论文第10 页 2 m s b r 污水处理工艺概述 2 1污水处理系统及工艺 污水处理就是采用各种技术与手段，将污水中所含的污染物质分离去除、 回收利用，或将其转化为无害物质，使水得到净化。现代污水处理技术，按 原理可分为物理处理法、化学处理法和生物化学处理法三类。 生物化学处理是利用微生物处理污水中的有机污染物的一种工艺。该工 艺运行费用较低，得到了广泛的应用，目前已成为污水处理的主体工艺。该 法有活性污泥法和生物膜法两种，前者多用于城市污水，后者多用于处理高 浓度有机污水与污水处理过程中生产的污泥。 污水处理按处理程度不同可分为预处理、一级处理、二级处理、深度处 理和污泥处理及处置。 预处理：主要包括格栅和沉砂池。其主要作用是截留大块物质、砂石， 以保证后续设备的正常运行。 一级处理：主要是初次沉淀池。目的是将污水中悬浮状态的固体污染物 质尽可育出也沉降去除，经过一级处理后的污水，可去除5 0 左右的悬浮物， b o d 一般只能去除3 0 左右，达不到排放标准。 二级处理工艺：主要由曝气池( 氧化沟) 和二沉池构成。它是污水处理厂 的核心，一般采用生物处理方法中的活性污泥法，主要去除水中呈胶体和溶 解状态的有机污染物( 以b o d ，c o d 表示) 。经二级处理后，有机污染物质( 即 b o d 。、c o d ) 的去除率可达9 0 以上，污水中b o d 。值可降至2 0 3 0 m g l ，有机 污染物达到排放标准。 深度处理：通用的工艺有混凝沉淀和过滤。主要目的是为了满足高标准 的受纳水体要求或会用于工业等特殊用途，它是城市污水处理未来发展的方 向。 污泥处理和处置：主要包括浓缩、消化、脱水、堆肥或卫生填埋。 出水水质指标是污水处理厂设计的重要参考。城市污水处理厂污水污泥 排放标准g j 3 0 2 5 - 9 3 ，由建设部标准定额研究所提出。经污水处理厂处理的水 质排放标准，应符合表2 1 的规定。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 1 页 表2 1污水处理厂污水水质排放标准g j 3 0 2 5 - 9 3 t a b 2 1t h es t a n d ar do f t h ew a s t e w a t era u aiit ydis c h ar g e st h e w a s t e w a t ertre a t m e n tp ia n tg j 3 0 2 5 9 3 2 2 m s b r 污水处理工艺 m s b r 工艺( m o d i f l e ds e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ) 又称改良式序列间歇反 应器，是由c q y a n g 等人根据s b r 技术特点，结合传统活性污泥法开发的一 种连续进出水污水处理新工艺m s b r 工艺可视为a 2 o 工艺和s b r 系统的联合， 具有脱氮除磷功能s b r 系统在m s b r 工艺中起着间歇交替运行、沉淀的作用。 m s b r ( 改良型s b r ) 工艺在目前被认为是最新、集约化程度最高的污水处理工 艺。从系统的可靠性、土建工程量、总装机容量、节能、降低运行成本和节 约用地等多方面来看，均具有明显的优势。 2 2 1 m s b r 的工艺组成及原理 ( 1 ) m s b r 工艺组成 m s b r 工艺系统由三个主要部分组成如图2 1 所示： a 2 0 ：由厌氧区一缺氧区一好氧区组成。 污泥回流浓缩：由浓缩池一缺氧区组成。 两个交替进行搅拌、曝气、沉淀的s b r 池。 西南科技大学硕士研究生学位论文第12 页 一监婆趔囊 混台液同流 一 ， 序批池6 捌飘 厌缺 好 =i ；预i 水 厌 ；缺1 分 氧氧 氧 氧 氧。离 池池 池池序批池 一 一 lj 图2 - 1m s b r 工艺组成原理图 f i g 2 一i t h en s b rs c h e m a t i cf i g u r eo fc r a f tc o m p o s i t i o n ( 2 ) m s b r 工艺的原理 工艺原理 m s b r 工艺是8 0 年代初期发展起来的污水处理工艺，经过不断改进和发 展，目前最新的工艺是第三代工艺，其工作原理如图2 3 所示。 m s b r 系统的运行原理如下：污水进入厌氧池回流活性污泥中的聚磷菌在 此进行充分放磷，然后混合液进入缺氧池进行反硝化。反硝化后的污水进入 好氧池，有机物被好氧降解、活性污泥充分吸磷后再进入起沉淀作用的s b r 池，澄清后污水排放。此时另一边的s b r 在1 5 0 回流量的条件下进行反硝化、 硝化，或进行静置预沉。回流污泥首先进入浓缩池进行浓缩，上清液直接进 入好氧池，而浓缩污泥则进入缺氧池。这样，一方面可以进行反硝化，另一 方面可先消耗掉回流浓缩污泥中的溶解氧和硝酸盐，为随后进行的缺氧放磷 提供更为有利的条件。在好氧池与缺氧池之间有1 5 q 的回流量，以便进行充 分的反硝化。 由其工作原理可以看出，m s b r 是同时进行生物除磷及生物脱氮的污水处 理工艺。 在工程实践中，通常将整个m s b r 设计成为一座矩形池，并分为不同的单 元，各单元起着不同的作用。典型的m s b r 平面布置见图2 2 。 单元1 和7 的功能是相同的，均起着好氧氧化、缺氧反硝化、预沉淀和 沉淀作用；单元2 是泥水分离池，被浓缩的活性污泥进入单元3 ，上清液( 富 含硝酸盐) 则进入单元6 ( 也可以进入单元5 ) ；单元3 是缺氧池，除回流活性 污泥中溶解氧在本单元中被消耗外，回流活性污泥中的硝酸盐也被微生物的 西南科技大学硕士研究生学位论文第13 页 自身氧化所消耗；单元4 是厌氧池，原污水由本单元进入m s b r 系统，回流的 浓缩污泥在本单元中利用原污水中的快速降解有机物完成磷的释放；单元5 是缺氧池，污水与由曝气单元6 回流至此的混合液混合，完成生物脱氮过程； 单元6 是好氧池，其作用是氧化有机物并对污水进行充分的硝化，让聚磷菌 在本单元中过量吸磷。 由此可以看出，m s b r 系统实质上是a 2 o 工艺与s b r 系统串联而成。 m s b r 工艺中涉及的部分专利技术目前属于美国的q u a - a e r o b i c s y s t e m l n c 所有。 图2 - 2m s b r 系统平面布置示意图 f i g 2 - 2 t h es c h e m a t i cf i g u r eo fm s b rs y s t e mp i s f l ea r r a n g e m e n t 运行方式 与t 型氧化沟、u n i t a n k 等s b r 系统类似，m s b r 也是将运行过程分为不 同的时问段，在同一周期的不同时段内，一些单元采用不同的运转方式，以 便完成不同的处理目的。 m s b r 将一个运转周期分为6 个时段，由3 个时段组成一个半周期，在两 个相邻的半周期内，除s b r 池的运转方式不同外，其余各个单元的运转方式 完全样。m s b r 的运转半周期持续1 2 0 m i n ，由3 个时段组成，各时段的持续 时间为：时段1 ，4 0 m i n ；时段2 ，5 0 m i n ；时段3 ，3 0 m i n 。 第二个半周期内各时段( e p 时段4 至6 ) 的持续时间与第一个半周期相同。 原污水由单元4 进入，流经单元5 、6 ，在第一个半周期内从单元7 出水， 在第二个半周期内从单元1 出水。可见，第一个半周期内起沉淀作用的是单 元7 ，而在第二个半周期内则由单元l 起沉淀池的作用。 西南科技大学硕士研究生学位论文第1 4 页 m s b r 系统的回流由两部分组成：污泥回流和混合液回流。污泥回流又有两 条路径：浓缩污泥回流路径和上清液回流路径。m s b r 的污泥回流情况见表2 2 。 而混合液回流则较为简单，在各时段均为从单元6 至单元5 、再由单元5 回流 至单元6 。 其m s b r 的回流系统见表2 - 2 。 表2 - 2m s b r 系统的回流系统 t a b 2 - 2t h er e g ir c u ia t i o f fs y s t e mo f m s b r m s b r 各单元的工作状态根据各循环周期内的时段确定，见表2 - - 3 。 西南科技大学硕士研究生学位论文第15 页 表2 - 3m s b r 各单元的工作状态 t a b 2 3t h ea c t iv es t a t u sinv ar io u su n i t s 0 f m s b r 2 2 2m s b r 的主要设计参数 m s b r 具有生物除磷脱氮功能，所以其设计参数不但要满足一般的污水处 理及控制要求，还要根据污水处理对除磷脱氮的要求来确定。故其设计参数 如下。) 入水流量q ：它是m s b r 工艺污水处理系统运行控制的基础，单位为m 3 d ： 入水有机污染物浓度b o d 。：污水处理的主要指标是阳氏污水中的b o d 。，因此， 入水的b o d 。值应该准确测定，它是工艺调控的一个基础数据，直接影响到运 行控制，单位为m g l 。 m s b r 中溶解氧浓度d o ( d i s s o v e do x y g e n ) ：活性污泥微生物都是好氧 菌，因此在m s b r 溶液中保持一定浓度的溶解氧至关重要。0 0 是m s b r 工艺中 最重要的控制对象之一，本论文的第4 章针对d 0 控制提出了模糊控制算法。 污泥泥龄s r t ( s o l i dr e t e n t i o nt i m e ) ：活性污泥的有机负荷活性污泥微 生物增殖是活性污泥反应、有机物降解的必然结果，而微生物增殖的结果则 是活性污泥的增长。为了使污水处理中活性污泥处理系统处于稳定正常状态， 条件之一是使曝气池内的污泥浓度保持相对稳定状态，因此必须从系统排出 部分污泥量，使排出量与增长量保持平衡。s r t 是曝气池内活性污泥总量与每 日排放的污泥量之比，又称为“生物固体平均停留时间”。污泥泥龄是m s b r 工艺污水处理系统中的重要参数之一。单位为d ( 天) ，范围为7 2 0 d 。以生 物除磷为主s t r 应取较小值，以生物脱氮为主则s t r 应取大值。 混合液污泥浓度m l s s ( m i x e dl i q u i ds u s p e n d e ds o l i d ) ：活性污泥是m s b r 西南科技大学硕士研究生学位论文第16 页 污水处理系统重的主体作用物质，其数量和性能对污水的处理效果至关重要。 混合液污泥浓度( m l g s ) 。又称混合液悬浮固体浓度，表示混合液中活性污泥 的浓度，则表示曝气池内的活性微生物的浓度。它也是运行管理的一个重要 控制参数。当入流污泥的b o d ，增高时，应提高m l s s 。增大曝气池内的微生 物量，处理增多的有机污染物质。单位为m g l ，控制范围为2 0 0 0 6 0 0 0 m g l 。 回流污泥量q ，和回流比r ：回流污泥量q ，是从二沉池补充到m s b r 的污泥