（电气工程专业论文）基于模糊控制的sbr工艺自动控制系统.pdf

中文摘要 我国正面i 临着水危机的严峻形势，从现在起到今后一段时间内污水处理行业 都处于飞速发展状态。在众多污水处理工艺中，s b r 工艺是最具应用前景的工 艺之一，但其应用成功与否很大程度上依赖于配套的污水处理自动控制系统。因 此研究开发高水平的s b r 自动控制系统是当前污水处理行业的一项紧迫任务。 论文将理论分析与运行实践经验相结合，对目前s b r 工艺污水处理工程中 采用的传统控制方法存在的问题进行了分析研究，并根据工艺流程和反应机理确 定采用以模糊控制为基础的先进控制方法，为s b r 自动控制开辟了一条新的思 路。 论文针对s b r 污水处理工艺的核心s b r 反应池进行研究。首先根据污 水处理反应机理和曝气理论建立起活性污泥反应过程的d o ( 溶解氧) 数学模型。 然后以一个典型s b r 工艺的污水处理工程为背景，在现有设备配置条件下提出 了切实可行的方法： l 采用灵活的变时序控制取代原来的固定时序控制，其核心是根据反应过 程中溶解氧变化特性判断停止曝气的时间。 2 在s b r 工艺最关键的曝气段，以增量式输出的连续式( c - f c ) 二维模糊 控制器取代常规p i d 控制器控制反应池中的溶解氧浓度。 在此基础上设计了一个完整的s b r 工艺的污水处理厂的自动控制系统。 论文为验证所设计的模糊控制器的性能，将其与常规p i d 控制器在几种典型 运行条件下的性能进行了仿真对比分析。仿真结果证明：模糊控制器的各方面性 能，尤其是对扰动和参数变化的适应能力远远好于目前工程中应用的常规p i d 控 制器。因此模糊控制更适于污水处理反应过程的控制。 关键词：s b r 污水处理溶解氧模糊控制变时序仿真 a b s t r a c t f a c i n gt h es e v e r ew a t e rc r i s i s ，w a s t e w a t e rt r e a t m e n ti sk e e p i n gd e v e l o p i n ga ta v e r yf a s ts p e e di nc h i n a a m o n gv a r i o u sw a s t e w a t e rt r e a t m e n tt e c h n o l o g i e s ，s b ri s o n eo ft h o s et h a th a v ei t l o r e p o t e n t i a la p p l i c a t i o n s w h e t h e r i tc a nb e a p p l i e d s u c c e s s f u l l yo rn o td e p e n d s o nt h ec o n t r o ls y s t e m t h e r e f o r ed e v e l o p i n ga h i g h l e v e l p r o c e s s c o n t r o ls y s t e mf o rs b ri sa l lu r g e n tn e e di nw a s t e w a t e rt r e a t m e n ti n d u s t r y i nt h i sr e s e a r c h ，t h ep r o b l e m so ft r a d i t i o n a lc o n t r o ls t r a t e g i e so c c u r r e di ne x i s t i n g p r o j e c t sa r ea n a l y z e da n d a l la d v a n c e ds t r a t e g yb a s e do n f u z z yc o n t r o l l e ri sp r e s e n t e d b y t h e o r e t i ca n a l y s i sa n d o p e r a t i o ne x p e r i e n c e t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ec o r eo fs b rp r o c e s s - - - - r e a c t o rf i r s t ，ad y n a m i c m o d e lo fd o ( d i s s o l v e do x y g e n ) f o ra c t i v es l u d g ep r o c e s si se s t a b l i s h e do nt h eb a s i s o fw a s t e w a t e rt r e a t m e n tr e a c t i o na n da e r a t i o nt h e o r y t h e n ，w i t h o u ta n ye x t r a e q u i p m e n t ，t h ep r a c t i c a b l em e t h o d sa r ep r e s e n t e dw i t hat y p i c a l s b rw a s t e w a t e r t r e a t m e n tp l a n ti nt h eb a c k g r o u n d ： ( i ) s u b s t i t u t ef l e x i b l ev a r i a b l et i m e - s e q u e n c ec o n t r o ls t r a t e g yf o r t h eo r i g i n a l f i x e dt i m e s e q u e n c ec o n t r o ls t r a t e g y ，b a s e do nr e c o g n i z i n ge n dt i m eo f a e r a t i o nf r o mc h a r a c t e r si nd o t i m e p r o f i l e ( i i ) s u b s t i t u t et w od i m e n s i o n sc o n t i n u o u sf u z z yc o n t r o l l e r ( c - f c ) w i t h i n c r e m e n t - o u t p u tf o rc o n v e n t i o n a lp i dc o n t r o l l e rt o c o n t r o ld oi nt h e r e a c t i o nt a n k f i n a l l y , a c o n t r o ls y s t e mf o rs b rw a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n ti sd e s i g n e d as i m u l a t i n gc o m p a r i s o nb e t w e e nf u z z yc o n t r o l l e ra n dp i dc o n t r o l l e ru n d e r s e v e r a lt y p i c a lo p e r a t i o nc o n d i t i o n si sm a d e t oc o n f i r mt h ed e s i g n e dc o n t r o l l e r t h e r e s u i ts h o w st h a tt h ep e r f o r m a n c eo ff u z z yc o n t r o l l e ri sm u c hb e t t e rt h a nt h a to f p i d c o n t r o l l e r , e s p e c i a l l yt h ea d a p t a b i l i t y t od i s t u r b a n c ea n dp a r a m e t e rc h m l g e s - t h e c o n c l u s i o nc a nb e d r a w na c c o r d i n g l yt h a t f u z z y c o n t r o li sm o r es u i t a b l ef o r w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ， k e y w o r d s ：s b r ，w a s t e w a t e r t r e a t m e n t ，d i s s o l v e do x y g e n ，f u z z yc o n t r o l ， v a r i a b l et i m e s e q u e n c ec o n t r o l ，s i m u l a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨洼蠢鲎或其他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。 学位论文作者签名：企进签字目期：。棚2 年，一月2 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘鲎有关保留、使用学位论文的规定。 特授权鑫洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：裂硷、逮 签字日期：御2 年，d 月2 日 导师签名： 签字日期：歹肼。月名日 兰二翌些丝 第一章绪论 1 1 国内外污水处理发展状况概述 水是人类生存的基本条件，也是国民经济的生命线。随着城市化和工业化进 程的加快，水污染成为危害人类生存发展的主要因素。为遏制水环境的恶化，世 界各国纷纷开展了污水治理工作。 西方发达国家早在上世纪初就开始了污水处理的研究与应用，并制定了污水 处理排放标准。瑞典污水处理的发展过程可以看作是西方污水处理发展历程的缩 影。瑞典政府在上个世纪5 0 年代后期制定了城市污水b o d 和s s 去除标准。7 0 年代初，瑞典不仅提高了b o d 的去除标准，还增加了除磷处理要求，规定出水 排放标准为b o d 7 为1 5 m 鲫，总磷为o5 m # k 到9 0 年代初期，瑞典南部地区又 将排放标准提高到b o d y 为l o m g 1 ，总磷为0 3 m g l ，总氮为8 或1 2 m g l 5 】。日 益严格的排放标准和处罚措施的实施促使全国各地纷纷兴建污水处理厂，而且不 断改进工艺，提高污水处理水平。目前发达国家平均每05 1 万人就拥有一座污 水处理厂 2 5 1 。这些污水处理厂使水污染状况得到了有效控制，为改善水环境发 挥了巨大作用。 长期以来，我国基础设施建设中污水处理设施的配套相对滞后 2 6 1 。我国城 市平均每1 0 0 万人才拥有一座污水处理厂，与发达国家相比差距很大 2 5 1 。我国 8 0 以上的污水未经有效处理就直接排入水域，造成l 3 以上河段受到污染，9 0 以上城市水域严重污染，湖泊的污染和富营养化也相当严重。每年全国各地水污 染事件层出不穷。南方由于水污染导致的缺水量占总缺水量的6 0 - 7 0 2 5 。我 国人均水资源占有量仅为世界人均占有量的1 4 ，水污染使本己短缺的水资源受 到进一步破坏，形成严重的水危机。城市化和工业化进程的加快使水危机不仅长 期存在，而且有加剧的危险 2 4 】。因此，我国的水污染已到了非治不可，刻不容 缓的地步。 国家和各级地方政府己清醒地认识到水污染的严峻形势，将污水治理作为当 前和今后一段时期基本建设和环境保护领域重点支持的产业之一，提供了较大力 度的经济支持 2 6 1 。根据国家规划，到2 0 1 0 年，全国设市城市和建制镇的污水 平均处理率不低于5 0 ，设市城市的污水处理率不低于6 0 ，其中重点城市的 污水处理率不低于7 0 。因此预计到2 0 1 0 年，我国将新建上千座城市污水处理 厂，投资3 0 0 0 亿元，建成后年运行费达7 0 亿以上 2 5 1 。我国还于1 9 9 8 年实施 塑二兰堕堡 了新的污水综合排放标准( g b 8 9 7 8 1 9 9 6 ) ，这是对原标准( g b 8 9 7 8 8 8 ) 的 修订，除保留了原来的二级标准外，还新增了更为严格的级标准【2 5 。国家以 此为契机大力鼓励污水处理相关产业飞速发展，使其成为新的经济增长点。因此 研制开发具有良好发展前景的污水处理工艺的配套设备，包括工艺设备、自动控 制系统等成为污水处理行业的紧迫任务。 12 s b r 工艺污水处理的发展前景 在众多污水处理工艺中，s b r 工艺是目前世界污水处理领域最热门的处理 工艺之一。s b r 污永处理工艺以其占地少、投资省、运彳亍费用低、工艺流程简 单、运行灵活、处理效果好等其他工艺无法比拟的独特优势 2 3 4 1 1 迅速发展为 我国广大中小型污水处理厂的主导工艺 3 8 1 ，在我国的污水处理事业中发挥了重 要作用。 s b r 是序批式活性污泥处理系统( s e q u e n c i n g b a t c hr e a c t o r ) 的简称。污水 处理技术中应用最广泛的活性污泥法1 9 1 4 年首创于英国时采用的正是s b r 工艺 的雏形【2 7 】。但是由于s b r 的反应关系复杂，设备多，运行繁琐，依靠手动操作 很难达到处理目标，因此在面世后相当长时间内无法推广。直至8 0 年代由于自 控技术的发展以及仪表检测技术的成熟应用，s b r 工艺的优势才得以发挥出来。 所以s b r 工艺是一种古老而新兴的工艺。s b r 工艺既适于处理复杂多变的城市 污水又适于除磷脱氮要求高、水质水量变化大的工业废水 2 8 1 。因此近年来该工 艺已成为世界各国中小型污水处理厂的首选工艺。截至1 9 9 6 年，仅澳大利亚就 建成了6 0 0 多座s b r 污水处理厂。我国对s b r 的研究与应用始于上世纪八十年 代中期，九十年代开始陆续推广 2 8 。鉴于s b r 工艺的发展形势，国内许多环保 设备厂家纷纷开展了s b r 工艺配套设备的研制开发。目前s b r 的所有工艺设备 己全部实现了国产化，因此s b r 工艺必将拥有更加广阔的应用前景a 与其它工艺不同，s b r 工艺的应用效果如何很大程度上取决于与其配套的 污水处理自动控制的水平，因此研究开发高水平的s b r 自动控制系统是当前污 水处理行业的重中之重。 2 一塑二童量丝 1 3s b r 7 - 艺污水处理自动控制的发展过程 1 3 l 污水处理自动控制发展概述 早期污水厂自动控制的目标是通过节能降耗、节省人工费用从而有效地降低 运行成本。 在污水厂最重要的鼓风曝气系统中鼓风机是全厂用电量最大的设备，般情 况下其用电量占全厂总用电量的5 0 9 0 1 】。天津市东郊污水处理厂采用d o ( 溶解氧) 控制调节鼓风机风量后节电1 0 3 3 1 。美国s t i c k n e y 污水处理厂( 3 0 3 万l r l 3 日) j 二1 9 9 8 年投入3 0 0 万美元用于建立曝气池自动监控系统，每年可节 约4 7 万美元电费和7 25 万美元的人工费，投资可在两年半内收回。可见自动控 制对节能降耗所起的巨大作用，这对于我国依靠政府投巨资维持运行的城市污水 处理厂而言更具有重要意义。 出水标准的提高和处罚力度的加大对污水处理厂自动控制提出了更高的要 求，即提高出水水质和出水稳定性。为此，各国都在进行不懈的努力。而仪表技 术，计算机技术以及人们对污水厂动态特性了解的加深为污水处理自动控制的发 展创造了条件。在斯堪的纳维亚半岛，所有污水处理厂都采用了d o 控制，k a p p a l a 污水处理厂在活性污泥处理系统中还采用了自校正控制器( o l s s o n e ta 1 ，1 9 8 5 b ) 。 丹麦也对通过加强在线检测和采用先进的控制方法( s o r e n s e n ，1 9 9 7 ) 改进生物 除磷的可靠- 性以及通过氧与氨之间的关系控制硝化率等进行过研究【5 】。 在国外自动控制早已成为污水处理厂必须采取的措施。但在我国由于长期得 不到应有的重视，造成我国污水处理自动控制的研究起步较晚。改革开放初期由 于资金短缺，我国主要依靠发达国家的政府贷款建设了一批城市污水处理厂，配 套的自控系统也随之引进。这些先进的自控系统对保证污水处理厂长期高效稳定 运行和改变人们对污水厂自动控制的认识起到了积极作用。但是成套引进自控系 统也存在很多弊端，如：维护困难；软件难以修改扩充；改扩建时难以与国内自 控系统配套等。而且绝大多数国外贷款只能用于购买贷款国的技术和设备，这也 在一定程度上遏制了国内相关产业的发展。 我国污水处理工程中自控系统广泛采用的是传统控制方法，在运行中普遍存 在一些问题。这是因为传统控制是基于精确模型的控制【1 3 】。但是污水处理过程 与其他许多工业过程不同，本身包含了物理过程、化学过程、生物化学过程，反 应关系复杂，影响反应的因素多 2 3 1 ，具有非线性、时变的特点，没有精确的模 型可以利用。对可直接表征反应过程状态的变量缺乏适于工程应用的在线检测仪 表，缺乏能早期识别扰动和变化趋势的有效手段 4 。因此，基于传统控制理论 第一章绪论 的控制方式无法取得较好的处理效果。为此，国内外一些科研人员转而研究将智 能控制理论应用_ f 污水处理领域。因为智能控制在这方面有无法比拟的优势。它 能模拟人的智能行为，不需要精确的数学模型，能解决传统控制方法无法解决的 许多复杂的、不确定性的、非线性的自动化问题 1 5 1 。国外开展的研究涉及污水 处理系统的建模、预测、控制、优化工艺设计等【3 。在国际水污染研究和控制 协会( i a w p r c ) 第五届年会卜有1 2 篇采用智能控制的论文，其中6 篇采用专 家系统，4 篇采用模糊控制，1 篇采用原理分析，1 篇采用神经网络。第六届至 第十届年会上有5 篇采用专家系统，第十一届至第十三届年会上有3 篇采用神 经刚络控制 7 。国内也开展了在污水处理领域应用自适应、模糊控制等先进控 制技术 3 9 4 0 1 的研究。在检索的文献中，文献【4 】将模糊控制用于带前置反硝化 的间歇曝气推流式曝气池的曝气控制，并进行了仿真研究；文献 5 设计神经网 络控制器控制厌氧消化过程：文献 6 】利用模糊控制建立判断污水厂进水的有机 负荷和有毒成分的故障诊断系统；文献 i i 】采用新型b p 算法的神经网络控制来 控制连续式化学处理法污水处理厂的加药量；文献【1 2 】对专家系统在污水处理自 动控制中的应用进行了论述；文献 3 9 1 采用模糊自适应技术来控制加氯过程的加 药量；文献f 4 0 1 采用模糊控制器控制化学处理法污水处理过程中的中和反应。总 之，将智能控制应用于污水处理领域已经成为污水处理自动控制的发展方向。由 于污水处理工艺种类繁多，每种工艺又涉及数个工段；从上述文献也可看出，即 使都是针对污水处理的自控研究，其具体的研究对象也各不相同。经检索发现国 内外针对s b r 工艺的自动控制文献很少，研究采用先进控制方法的文献更是寥 寥无几。 1 3 2s b r 工艺污水处理自动控制现状 国外对s b r 工艺的研究和应用比我国早，s b r 法大都被一些国外专业公司 获取了专并1 1 2 5 1 ，配套的s b r 自控系统通常作为专利内容的一部分，高昂的软件 费用使国内用户望而却步。因此我国s b r 工艺的自动控制系统必须依靠国内自 行研究开发。 近年来我国己开展了s b r 自动控制系统的研究，并将其列为国家“九五” 攻关课题中的一个子专题。1 9 9 6 年建成的河南莲花味精集团周口味精厂污水处 理工程中首次应用的国内自行开发的s b r 自动控制系统就是这项子专题的研究 成果。这是个采用以常规p i d 控制器为基础的固定时序控制方法的自动控制系 统，运行效果良好。截止目前，工程中应用的仍然是这种控制系统。但是周口味 精厂的污水处理工程有其特殊性：它是针对一个特定的工厂的工业废水设计的， 4 塑二里堑堡 干扰因素少，水质水量相对确定。丽大多数污水厂是城市污水处理厂，原水中既 有生活污水又有工业污水。各排污单位排放的污水不同，排放时间也不确定。依 然采用这种控制方法无法适应处理过程中的变化，不能充分利用s b r 工艺的优 势，也就难以实现出水可靠达标与节能降耗兼顾。而且随着排放标准的提高，这 种控制方法的缺点越来越明显。因此尽快改进目前s b r 工艺的自动控翘方法， 研制开发高水平的自动控制系统是摆在污水处理行业广大工程技术人员面前的 一项亟待解决的课题。 就s b r 工艺特点而言，采用固定时序控制往往不能根据反应状态合理控制 反应进程。因此国内外都开展了研究些可测变量的变化趋势，并以此作为控制 s b r 池各工段起停的依据，取代固定时序控制。这样可以使有机物去除和除磷 脱氮效果更好。目前这项研究仍处在试验阶段 9 1 3 6 1 。 d o 控制是s b r 工艺控制的关键，所以d o 控制器的研究是s b r 工艺控制 的核心内容。如上文所述，针对污水处理控制过程普遍存在的问题，应研究采用 先进的智能控制方法。 智自控制主要有模糊控制，专家系统，神经网络等。在实际运行当中，即使 反应过程受诸多因素变化影响，污水厂中有经验的运行人员仍然可以根据仪表检 测数据有效地控制污水厂的运行。所以我们应当寻求一种充分利用污水处理方面 的专家和运行人员的知识和经验的控制方法。模糊控制正是一种基于经验的智能 控制方法，在综合人的经验建立控制规则方面有其独到之处。而且模糊概念更贴 近人们的观察、思维、理解与决策，更符合客观现象与事物的模糊性。相比之下， 专家系统不能实现人类推理中的副词推理方式，建立专家系统还需要精确数字； 神经网络在训练速度、预测精度、处理定性数据的能力较差 3 2 】。 模糊理论是z a d e h 于1 9 6 5 年首先提出的，用于研究现实中存在的模糊性问 题 1 3 。自从m a m d a n i 等人于1 9 7 4 年研制成功蒸汽机模糊控制系统以来，模糊 控制蓬勃发展，广泛应用于工业过程控制、家用电器、交通管理、经济系统、医 疗诊断等各个领域。模糊控制理论和控制技术日趋成熟【1 5 【1 8 。目前模糊控制 技术仍是世界科学家感兴趣的技术之一。世界各国都投入了巨大的人力、物力研 究和发展模糊技术。我国自7 0 年代以来开展对模糊理论的研究，是模糊技术发 展较快的国家之- - 1 7 。模糊控制是一种非线性控制方法，不依赖于对象的数学 模型，而是利用人的知识和经验来设计控制器；对被控对象的特性变化不敏感， 其有极强的鲁棒性；算法简单，执行快；控制器的参数容易调整，不需要很多的 控制理论知识，运行人员可以根据经验对控制规则和参数进行完善 1 6 】。因此模 糊控制非常适合于污水厂的自动控制。 1 4 论文主要研究内容及意义 论文在污水处理厂现有自控系统设备配置基础上，借鉴文献【9 3 6 】【3 7 】中的 最新研究成果，针对s b r 污水处理工艺的特点，结合专家和运行人员的运行控 制经验，将模糊控制应用于工程中。在无需增加任何设备投资的条件下，通过设 计灵活的变时序控制和d o 模糊控制器提高控制水平。因此这种控制系统不仅适 用于新建的s b r 污水厂，而且已建成的s b r 污水厂只需改动软件设计就可以取 得更好的控制效果。 论文将在以下几个方面进行研究： 1 对污水处理机理及s b r 工艺流程进行分析研究，指出通过曝气控制 d o 是控制s b r 生化反应的关键。根据双膜理论等曝气理论基础建立活性污 泥反应过程的d o 数学模型。 2 分析s b r 工艺的核心s b r 池的现有自动控制方法。比较现有各种 d o 控制方法的不足与长处，选择其中最完善的一种进行基于模糊控制的研 究。 3 根据s b r 工艺特点提出根据反应过程中溶解氧变化特性控制曝气时 问，从而将原来的固定时序控制改为灵活的变时序控制。为此将曝气段划分 为两个阶段：溶解氧值恒定阶段，曝气量恒定阶段。 4设计一个d o 模糊控制器取代目前工程中应用的常规p i d 控制器，用 于溶解氧值恒定阶段的控制，这是提高控制性能的关键，也是本研究课题的 关键内容。 5 设计s b r 工艺的污水处理厂的自动控制系统。 6 对所设计的d o 模糊控制器进行仿真研究。分析比较d o 模糊控制器 与目前工程中应用的d o 常规p i d 控制器的控制效果。 由于d o 控制是生化处理法污水处理工艺控制的关键，所以d o 控制器的研 究对所有采用生化处理法的污水处理工艺的控制都具有普遍意义。本研究成果不 但可以改善污水处理效果、提高出水稳定性、节能降耗，而且无需增加任何设备 投资，具有很强的实用性。对于提高s b r 污水处理厂的自动控制水平具有重要 意义，也必然对我国污水处理事业的发展做出一定贡献。 第二章s b r 污水处理工艺及d o ( 溶解氧) 模型的建立 第二章s b r 污水处理工艺及d o ( 溶解氧) 模型的建立 污水处理厂自控系统必须与污水处理工艺配合，满足工艺要求。所以首先简 要介绍论文研究对象s b r 污水处理工艺。 2 1s b r 污水处理工艺简介 通常一座污水处理厂的处理过程包括：机械预处理工段，生化处理工段，污 泥处理工段。论文工程背景选取一座典型s b r 工艺的城市污水处理厂，工艺流 程框图如图2 - 1 所示。 r 一一一一一一一一 厂一一一一一一一一一 l 机械预处理! ! 生化处理 ： 图2 - 1s b r 工艺流程框图 受纳水体 栅渣外运 圾处理厂 原污水通过污水收集管网进入污水处理厂后首先要经过格栅筛滤处理。格栅 由一一组平行的金属栅条制成，按栅条间距的不同分为粗格栅和细格栅，用于截留 一些较大的悬浮物或漂浮物如木屑、塑料制品等。污水流过粗格栅初步筛滤，然 后进入提升泵站，经潜污泵提升到需要的高程后流过细格栅，进一步筛滤。筛滤 后的污水进入沉砂池去除比重较大的无机颗粒，如泥砂、煤渣等，以减轻对设备 和管道的磨损。至此，污水中不易处理的大块有机物和无机物基本被清除，机械 一鲞三童! ! 圣望查竺堡三茎墨里竺! 堕鳖墼! 堡型塑鍪皇 预处理部分结束。 之后污水进入生化处理工段s b r 生物池进行生化处理。在这个工段， 共设4 个s b r 池，池中进水、曝气、沉淀、滗水等工序循环往复。污水在人为 创造的反应环境中通过系列生物化学反应得到净化。在曝气过程中，离心鼓风 机将压缩空气送到各s b r 池给生化反应供氧。具体生化处理过程在后续章节中 详细介绍。 生化反应结束后，s b r 池排出的剩余污泥送入储泥池中，每隔一段时间由 污泥泵抽送至污泥浓缩脱水机房，经过浓缩脱水处理成泥饼，再运往垃圾处理厂。 2 2 污水生化处理机理 现代污水处理技术按原理可以分为物理处理法、生物化学处理法和化学处理 法。尽管污水处理工艺种类繁多，但大多数污水处理厂的污水处理过程都包括物 理处理部分( 机械预处理工段) 和生物化学处理部分( 生化处理工段) ，工艺的 核心部分体现在生化处理工段。因此对污水处理研究最有价值之处集中于生化处 理部分。论文研究的重点就是s b r 工艺的核心s b r 生化池。 污水处理过程自动控制与其他许多工业过程的控制不同，工艺对处于核心地 位的牛化处理工段不能提出明确、详细的自动控制指标，唯一明确的是：原污水 经过全部污水处理过程后达到排放标准是整个工程要实现的最终目标。因此自控 设计人员必须对工艺机理有一定了解，才能充分领会工艺设计意图，在此基础上 设计出与处理工艺匹配、应用效果好的自控系统。可以说，污水处理自动控制系 统是微生物学、污水处理工艺、环境工程等方面的知识与自动控制相结合的产物。 2 2 1 污水的主要污染指标 污水是生活污水、工业废水和被污染的雨水的总称。 污水的污染指标分为物理指标、无机物指标、有机物指标。表示污水的物理 性污染的主要指标是水温、色度、臭味、固体含量及泡沫等。其中悬浮固体( s s ) 不但造成水质恶化，还会随水流迁移扩大污染区域，所以s s 是表征污染状态的 一项非常重要的指标。污水的无机物污染指标有酸碱度、氮( n ) 、磷( p ) 、重 金属离子等。其中氮磷污染是造成水质富营养化的根本原因，所以n 、p 也是表 征污染状态的重要指标。污水中的有机物虽然种类繁多，难以用现有的分析技术 区分定量，但是它们具有可被氧化的共性，所以可以用氧化过程耗氧量作为有机 物总量的综合指标进行定量。有机物污染指标主要有b o d 和c o d 等。b o d 是 笙三兰! 坠兰查些堡三苎墨竺! 堕塑墨! 堡型塑堡圭 生物化学需氧量( b i o c h e m i c a lo x y g e n d e m a n d ) 的英文缩写，代表可生物降解 有机物的数量。由于有机物的生化过程延续时间很长( 2 0 水温下需要l o o 天) ， 工程上常用5 天生化需氧量b o d 5 作为可生物降解有机物浓度指标。c o d 是化 学需氧量( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) 的英文缩写，指在酸性条件下采用强氧化 剂将有机物氧化成c 0 2 和h 2 0 所消耗的氧量，大致包括呵生物降解有机物和难 生物降解有机物数量之和。上面介绍的s s 、n 、p 、b o d 、c o d 是污水处理中表 征污水状态的最常用、最重要的指标。 2 22 污水生化处理机理 s b r 工艺属于活性污泥处理法。活性污泥处理法是以活性污泥为主体的生 物处理技术，由物理、化学、物理化学、生物化学等反应过程组成，是当前污水 处理领域应用最广泛的技术之一。 活性污泥也称为生物絮凝体。它的主体是由微生物群体构成的菌胶团，此外 还有一些微生物自身氧化残留物、污水中难降解的惰性有机物等。活性污泥微生 物由细菌、真菌、原生动物、后生动物等组成。活性污泥在反应过程中处于悬浮 状态，因此通常用混合液悬浮固体浓度( 简写为m l s s ) 表示混合液中的活性污 泥浓度，同时也反映混合液中的活性污泥微生物量。活性污泥表面富集着大量微 生物，其外部覆盖着多糖类的粘质层。加之活性污泥表面积非常大 ( 2 + 0 0 0 1 0 ，0 0 0 m 2 m 3 ) ，所以污水在进入生物池与活性污泥接触之后的5 1 0 分钟 内污水中的大量有机底物就被活性污泥吸附。经过充分曝气后被吸附的有机物一 部分被微生物氧化分解，形成c 0 2 、h 2 0 等稳定的无机物；另一部分被微生物摄 入体内用于合成新细胞。因此，活性污泥净化反应中有机底物从污水中去除过程 的实质就是有机底物作为营养物质被活性污泥微生物摄取、代谢与利用的过程。 活性污泥净化反应的三个基本要素是污水( 有机底物) 、活性污泥( 微生物) 、 溶解氧。在反应过程中，三者相互作用，随时间不断变化，属于非稳态过程。图 2 - 2 所示为有机底物( b o d ) 、活性污泥浓度( m l s s ) 、氧的利用速度之间的关 系。微生物的增殖规律可用图中的活性污泥增殖曲线表示，分四个阶段： 苎三兰! ! ! 堡查竺堡三苎墨旦21 堕坚蔓! 堡型塑堡皇 图2 - 2活性污泥增长曲线及其与有机底物降解、氧利用速度的关系 ( 有机底物一次投加j ( 1 ) 适应期是微生物培养的最初阶段，图中未表示。 ( 2 ) 对数增殖期有机底物充足，f ：m ( 有机物量与微生物量的比值) 较高， 微生物以最高速度摄取营养，也以最高速度增殖。 ( 3 ) 减速增殖期污水中的有机底物在对数增殖期已被大量耗用，此时成为 微生物增殖的控制因素。微生物增殖速度减慢，几乎与细胞衰亡的速度相等，微 生物数量达到最大。 ( 4 ) 内源呼吸期有机底物几乎耗尽，微生物利用自身储存的物质进行内源 代谢而逐步衰亡。内源代谢反应即微生物利用自身体内储存的物质营生理活动。 活性污泥反应过程中有机底物的降解分为两个阶段。第一阶段是碳化阶段。 即在异养菌作用下含碳有机物被氧化为c o ：、4 2 0 等稳定的无机物，含氮有机物 被氨化( 有机氮化合物生成n i t ，) ，同时合成新细胞。这个过程中的氮磷去除量 只是活性污泥反应中细菌细胞生理需要的量，去除率很低。第二阶段是硝化段。 即在硝化菌( 亚硝酸菌和硝酸菌的统称) 作用下n 地氧化为n 0 2 。、n 0 3 。由于 我国水质富营养化日益严重，新的污水处理标准对氮磷去除要求提高，因此现在 污水处理厂普遍进行深度二级处理，即利用活性污泥中的硝化菌、反硝化菌、聚 磷菌等进行强化除磷脱氮。其中生物脱氮是通过创造适于反硝化菌生活的好氧 缺氧交替的运行环境，使氨态氮依次进行硝化、反硝化( n 0 2 、n 0 3 在反硝化菌 作用f 转化为n 2 ) 反应，从而使含氮化合物最终形成气态氮逸出处理系统，达 第二章s b r 污水处理工艺及d o ( 溶解氧) 模型的建立 到了污水脱氮的目的。而生物除磷则是利用了聚磷菌的过量吸收原理。即在厌氧 条件f 聚磷菌吸收低分子的有机物于细胞内合成聚1 3 烃基丁酸( p i - m ) ，同时释放 出细胞原生质中聚合磷酸盐的磷以提供能量。贮存的p i - i b 在好氧条件下被氧化， 并放出能量，同时聚磷菌从污水中吸收超过其生长所需的磷，并以聚磷酸盐的形 式贮存起来，形成高磷污泥。通过排放富含磷的污泥就可以达到污水除磷的目的。 2 3s b r 池生化处理过程 典型s b r 工艺由进水、曝气、沉淀、排放、闲置( 视具体运行条件而定) 1 工个阶段组成，循环往复。其运行方式可以根据处理条件和处理要求的变化而千 变万化。通常s b r 工艺的污水厂中设有数个s b r 池，通过合理设置各池的循环 周期保证流入s b r 系统的污水是连续的，即任何时刻至少有一个池在进水。论 文l ：程背景中每个s b r 池运行工序如图2 - 3 所示。 图2 - 3典型s b r 池的运行过程 ( 1 ) 进水向s b r 池中注入污水，池子中的水位由某一最低水位开始上升。 在进水期间，搅拌器缓速搅拌，使污泥与迸永更好地混合。此时s b r 池中存留 着上一个循环留下的接种污泥，大量污水注入s b r 池形成冲击负荷，这种环境 下污水中的低分子溶解性有机物能迅速进入微生物细胞内部，促进活性污泥微生 一塑三皇! 呈! 要查竺望三苎丝塑! 堕坚墨! 塑型塑垄皇 物快速生长；与此同时，不利于反应的丝状菌的生长受到抑制。在此期间，短链 指肪酸被吸收到聚磷菌细胞内部并被转化为聚b 烃基丁酸( p h b ) ，细胞内的聚合 磷酸盐则被水解并以正磷酸盐的形式释放。 ( 2 ) 曝气进水结束后，s b r 池开始曝气。这是s b r 运行的关键部分，在 此期间发生碳化、硝化、聚磷菌过屋吸收等生化反应。曝气开始时微生物处于饥 饿状态，有机物负荷又高，即f ：m 很高，因此细胞处于对数增殖期，耗氧速率 极快，要求曝气量非常大。首先进行碳化反应，在异养菌作用下污水中的有机物 ( b o d ) 被迅速降解，含氮有机物也被氨化菌氧化为n h 3 。此时异养菌迅速增 殖，使自养型的硝化菌得不到优势，硝化反应无法进行。当b o d 浓度降到2 0 m g l 以下时，硝化反应才表现出来。氨氮先被亚硝酸菌氧化成n o ：一，然后被硝酸菌 进步氧化成n o ，。同时，在厌氧环境中释磷的聚磷菌此时过量吸收磷酸盐并 形成胞内聚合磷酸盐，形成高磷污泥。上述反应必须在定的溶解氧浓度环境下 进行，溶解氧浓度是影响反应过程的关键因素。 ( 3 ) 沉淀在上述生化反应基本结束之后，停止曝气。此时的活性污泥处于 减速增殖期的后段，具有较强的活性和良好的沉淀性能。活性污泥中的反硝化菌 是异养型兼性厌氧菌，只有在缺氧( 存在n 0 2 和n 0 3 - 而且无分子态氧) 条件下 才能进行反硝化反应。此时，反硝化菌利用n 0 3 作为最终电子受体，氧化水中 有机物，同时n 0 3 异化还原成氮气，从水中逸出，从而达到脱氮的目的。随着 硝态氮的不断降低，混合液很快处于厌氧状态。停止曝气后，混合液一直处于静 止状态。经过一段时间池中的活性污泥慢慢沉淀下来，形成上层澄清的上清液和 底部浓度较高的沉淀污泥。 ( 4 ) 排放s b r 池的上清液经滗水器排放，直至池中水位降至设定的最低 值。为保持池中有一个合适的污泥浓度，池中沉淀的污泥留部分作为接种污泥， 其余作为剩余污泥排放。排放的污泥为高磷污泥，实现了除磷的目的。 ( 5 ) 闲置s b r 池处于闲置状态。此时活性污泥中除含有大量异养型好氧 菌之外还有聚磷菌、硝化菌、反硝化菌、少量n o ，等待进入下一个反应周期。 工程中为提高s b r 池的利用率，将闲置段设计得非常小。 2 4d o ( 溶解氧) 模型的建立 从理论上讲，最理想的控制方法莫过于直接根据污水的污染指标控制污水生 化反应，但事实上这是行不通的。在工程上s s 、n 、p 、b o d 、c o d 等最重要的 污水指标都难以在线测量，主要依靠化验室取样化验测得。所以解决办法就是通 过目前可以在线测量的那些间接反映污水状态的过程变量进行控制。 一兰三皇! 呈垦望变竺翌三茎墨塑! 堕塑塑! 堡型塑垄兰 根据s b r 反应机理可知控制污水处理进程实际就是控制活性污泥反应过 程。在活性污泥反应中的三个要素中，原污水中的有机底物成分和浓度显然是不 可控的，反应初始池中的活性污泥足上一个处理循环留存的，只有满足微生物生 命活动的溶解氧是通过曝气供给的。也就是说，溶解氧是三个要素中唯一可以控 制的。而且在工程上采用溶氧仪可以很容易地在线测量溶解氧值。更重要的是由 于反应过程中三个要素相互作用、相互影响，溶解氧浓度可以间接反映有机底物 和活性污泥状况。所以通过控制反应过程中的溶解氧浓度就可以实现对活性污泥 反应的控制，能使反应按照预定的目标进行，从而获得息好的处理效果。反应池 中的溶解氧来自于曝气系统，所以控制溶解氧必须通过控制曝气实现，即曝气过 程是s b r 工艺控制的关键。为此必须了解曝气的基本原理，即氧气如何进入混 合液成为溶解氧从而被细菌利用，影响这一过程的因素有哪些，等等。 鼓风曝气法采用鼓风机将压缩空气通过管道系统送到铺设在曝气池底的曝 气头，空气经过曝气头之后形成无数微小气泡进入池中的混合液。气泡的运动造 成混合液处于剧烈的混合、搅拌状态，使活性污泥与污水充分接触。气泡在液面 处破裂，完成了氧向混合液中的转移，形成溶解态的氧( d i s s o l v e do x y g e n ，简 写为d o ) 。然后溶解氧传递到细胞，完成了细胞对氧的摄取过程。 空气中的氧从气相转移到混合液的液相中的过程，也是一个物质扩散过程。 扩散过程的基本规律可以用菲克( f i e k ) 定律表达： n ：一d 盟 ( 2 1 ) 。d x 式中n 物质扩散速度，即单位时间内单位断面上通过的物质数量； d 扩散系数，表示物质在某种介质中的扩散能力： c 物质浓度； 兰! 浓度梯度，即单位长度内的浓度变化值。 d x 刘易斯( l e w i s ) 与怀特曼( w h i t m a n ) 于1 9 2 3 年建立的双膜理论是目前污 水处理行业普遍接受的气液传质理论。可以通过图2 - 4 所示的双膜理论模型得出 直观认识。气体分子从气相主体传递到液相主体时阻力仅存在于气、液两层层流 膜中。在气膜中氧的分压梯度和液膜中氧的浓度梯度是氧转移的推动力。氧难溶 于水，因此氧转移决定性的阻力集中在液膜上，通过液膜的转移速度是氧转移过 程的控制速度。 第二章s b r 污水处理工艺及d o ( 溶解氧) 模型的建立 界面 图2 4 双膜理论模型 气膜中氧分子的传递动力很小，p g p i 。这样界面处的溶解氧浓度c s 是在氧 分压为p g 条件f 的溶解氧饱和浓度值。设液膜厚度为x r ，则在液膜溶解氧浓度 的梯度为： d c c 。一c 一= 一 d x x f 若以m 表示在单位时间t 内通过气液界面扩散的物质数量 面积，则 d m n ：l a 代入式( 2 i ) 得 ( 2 2 ) 以a 表示界面 ( 2 3 ) 坐：一d ，a 篓 ( 2 4 ) d td x 设液相主体容积为v ( m 3 ) ，由式( 2 2 ) ，( 2 4 ) 得 詈_ k l 扣托) ( 2 - 5 式中罂一一液相主体中溶解氧浓度变化速度( 氧转移速度) ，k 9 0 2 ( m 3 h ) ： k l 氧分子在液膜中的传质系数，耐h ，k l = 堕x ；r 由于a 值难以测量，所以用总转移系数k l a 代替k 。百a ，得 1 4 第二章s b r 污水处理工艺及d o ( 溶解氧) 模型的建立 i d c ：k l a ( c sc)(2-6) u 【 式中 k l a 一氧总转移系数，表示在曝气过程中氧的总传递性。 在好氧反应中，充氧过程始终伴随着活性污泥微生物的耗氧，所以混合液内 氧的变化率是氧的转移率与氧的利用速率( 即氧的消耗率) 之差。即 _ d c = kl a ( c s c ) 一r ( 2 7 ) u i r 活性污泥微生物氧的利用速率； 图2 5 是混合液中氧传质过程的示意图。 生物细胞 氧的传质速率氧的利用速率 图2 - 5 氧的传质过程示意图 公式( 2 - 6 ) 是在2 0 。c 标准大气压下清水中的表述形式。但是污水中含有各 种杂质，它们不但影响氧分子的转移( k l a ) ，