（系统工程专业论文）基于活性污泥模型的污水处理过程预测控制方法研究.pdf

摘要 活性污泥法是污水处理过程的一种有效的方法，得到广泛的研究和应用。随 着立法对污水排放标准的严格规定，需要对污水处理过程采用先进的建模和控制 技术，以提高出水水质，降低处理能耗。但污水处理过程具有外界干扰剧烈、强 非线性等特点，对其建模和控制难度较大。预测控制是工业过程中广泛应用的一 种先进控制算法，所以对污水处理过程的预测控制方法研究具有重要意义。本文 对基于活性污泥l 号模型( a s m l ) 的污水处理过程b e n c h m a r k 进行建模方法研 究，并且采用广义预测控制策略进行优化控制。 本文首先采用聚类多模型建模策略，建立了污水处理过程的多线性模型表 达；然后采用多变量广义预测控制策略，分别对干扰恒定时的设定值追踪控制以 及干扰波动时的定值控制进行模拟仿真；考虑到污水处理过程不确定性，采用自 适应策略进行多模型同时在线校正和特定的单个模型在线校正，以此改善模型的 预测精度；由于聚类多模型建模是一种无监督的方式，本文在聚类多模型建模的 基础上提出了有监督的多模型建模方法，提高了多模型的建模精度。 根据污水处理过程的实际要求，为了满足氮浓度的排放标准区间要求，研究 了污水处理过程的区间广义预测控制策略，把预测控制的常规二次目标转化为带 软约束问题的线性优化问题；同时考虑到污水处理的能耗，在出水水质目标之上 建立了能耗最小目标，得到了污水处理的多目标预测控制，最后采用分层多目标 优化算法进行在线优化求解，得到污水处理过程的多目标预测控制。 考虑到污水处理过程中关键组分测量速度过慢的实际情况，本文结合多速率 辨识技术，研究了多速率系统的快速单速率模型参数辨识和采样间输出的估计策 略，并且应用所提的策略辨识污泥回流输入硝态氮浓度输出的快速单速率模型； 以此快速单速率模型作为预测模型，分别研究了在输出采样无噪声和有噪声的情 况下污水处理过程的广义预测控制。 关键词：污水处理过程，活性污泥模型，聚类多模型建模，自适应模型 校正，多目标优化，广义预测控制，多速率辨识 a b s t r a c t a c t i v a t e ds l u d g em e t h o di sa ne f f e c t i v em e t h o df o rt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n ta n d h a sb e e nw i d e l ya p p l i e da n ds t u d i e d w i t ht h el e g i s l a t i o no nt h es t r i c tw a s t e w a t e r d i s c h a r g en o r m ，i ti sn e c e s s a r yt oa d o p ta d v a n c e dm o d e l i n ga n dc o n t r o lt e c h n o l o g y f o rt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ( w w t p ) t oi m p r o v ew a t e rq u a l i t ya n dr e d u c e o p e r m i n gc o s t b u ti ti sd i f f i c u l tt om o d e l i n ga n dc o n t r o lf o rw w t pb e c a u s eo fi t s s t r o n gf e e dd i s t u r b a n c ea n dn o n l i n e a r i t y m o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l ( m p c ) i sw i d e l y u s e di nt h ei n d u s t r i a lp r o c e s s ，s oi ti sm e a n i n g f u lt os t u d yt h em o d e lp r e d i c t i v ec o n t r o l f o r t h ew w t p i nt h i sp a p e ram u l t i - m o d e lm o d e l i n gm e t h o di ss t u d i e da n d g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o ls t r a t e g yi su s e dt oo p t i m i z ec o n t r o lf o rt h eb e n c h m a r k o ft h ew w t pb a s e do na c t i v a t e ds l u d g em o d e ln ol ( a s m 1 ) i nt h ep a p e rc l u s t e r i n gm o d e l i n gm e t h o di su s e dt oe s t a b l i s hm u l t i p l el i n e a rm o d e l s e x p r e s s i o no ft h ew w t p ，t h e nm u l t i v a r i a b l eg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o li su s e dt o t r a c kt h es e t p o i n tc h a n g e 、析mc o n s t a n tf e e da n ds e t p o i n tc o n t r o lw i t ht h ef e e d f l u c t u a t i o n s ；c o n s i d e r e dt h eu n c e r t a i n t yo ft h ew w t p ，a d a p t i v em o d e lc o r r e c t i o ni s u s e do n l i n ef o rt h ea l ls u b - - m o d e l sa n ds p e c i a ls i n g l es u b - m o d e lr e s p e c t i v e l yt o i m p r o v et h em o d e lp r e d i c t i v ea c c u r a c y b e c a u s et h ec l u s t e r i n gm o d e l i n g i sa n u n s u p e r v i s e dm o d e l i n gm e t h o d ，as u p e r v i s e dm u l t i m o d e lm o d e l i n gm e t h o do nt h e b a s eo fc l u s t e r i n gm o d e l i n gm e t h o di sp r o p o s e dt oi m p r o v et h em o d e l i n ga c c u r a c y i no r d e rt om e e tt h ed i s c h a r g en o r u lo ft h ec o n t a m i n a t i o nc o n c e n t r a t i o nl i m i t ，z o n e g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o li sa d o p t e dw h i c ht r a n s f o r m st h ec o n v e n t i o n a lq u a d r a t i c o b j e c t i v eo ft h em p ci n t o al i n e a rp r o g r a m m i n gw i t hs o f tc o n s t r a i n t s ；b e s i d e s ， c o n s i d e r i n gt h ew a s t e w a t e rt r e a t m e n tp l a n t se n e r g y - s a v i n gt a r g e t s ，am u l t i o b j e c t i v e p r e d i c t i v ec o n t r o li sf o r m u l a t e da n df m a l l yh i e r a r c h i c a lm u l t i - o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mi sa p p l i e df o ro n - l i n eo p t i m i z a t i o ns o l u t i o n w i t hs l o ws p e e dm e a s u r e m e n to ft h ek e yc o m p o n e n t so ft h ep r o c e s s ，am u l t i r a t e i d e n t i f i c a t i o na l g o r i t h mi sd e s i g n e dt oi d e n t i f yt h er a p i d r a t em o d e lp a r a m e t e ra n d o b t a i ni n t e r s a m p l eo u t p u te s t i m a t i o nf r o mt h em u l t i r a t ed a t a ；t h e nt h ep r o p o s e d m e t h o di su s e df o rt h ew w t pt og e tt h ef a s ts i n g l e - r a t em o d e lf r o mt h es l u d g e c i r c u m f l u e n c ef l o wt ot h en i t r a t ec o n c e n t r a t i o n f i n a l l yg e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l i su s e dt oc o n t r o lt h ew w t pi nt h ec a s eo fn o i s ef r e ea n dw i t hn o i s ei nt h eo u t p u t s a m p l e 1 1 1 k e yw o r d s ：w a s t e w a t e rt r e a t m e n tp r o c e s s ，a c t i v a t e ds l u d g em o d e l ，c l u s t e r i n g m u l t i m o d e lm o d e l i n g ，a d a p t i v em o d e lc o r r e c t i o n ，m u l t i o b j e c t i v eo p t i m i z a t i o n ， g e n e r a l i z e dp r e d i c t i v ec o n t r o l ，m u l t i - r a t ei d e n t i f i c a t i o n i v 第一章绪论 1 1 引言 我国是一个水资源奇缺的国家，淡水资源总量为2 8 0 0 0 亿立方米，人均只有 2 3 0 0 立方米，仅为世界平均水平的1 4 ，在世界排第1 l o 位，是全球人均水资源 最贫乏的国家之一。近年来，我国的经济的快速发展，促进工农业生产能力的提 高，使人民生活得到了进一步改善，但是也随之带来日益加深的水污染问题。水 污染又使得水资源形势更为严峻。国家环保总局的6 个检查组于2 0 0 7 年6 月份 赴黄河、长江、淮河以及海河流域调查流域污染现状，结论是四大流域( 黄河、 长江、淮河以及海河流域) 的整体污染现状已经成为常态。7 大水系中有2 6 水 质为五类和劣五类，9 大湖泊中7 个是五类和劣五类。自2 0 0 5 年松花江水污染 事件始，到2 0 0 7 年夏天的太湖、巢湖蓝藻爆发，标志着我国水污染踏入高发阶 段【1 1 。 水污染问题的突出给社会生产和人们的生活带来极大的影响，引起了社会的 广泛关注。国家颁布了日益严格的法律法规对污水排放进行控制，并且投入了巨 大的人力财力进行水污染治理。同时，水污染治理课题被广泛的研究，先进的污 水处理技术也得到了推广应用。 2 0 世纪8 0 年代之前，城市污水处理的主要目标在于去除有机物( 以生物需 氧量b o d ，b i o l o g i co x y g e nd e m a n d 衡量) 以及污水中的颗粒性杂质( 以悬浮固 体s s ，s u s p e n ds o f i d 表示) 为主【2 1 。随着水体的富营养化现象的突出，污水排放 中的氮、磷等营养物质也被纳入排放标准之中，国家对污水处理厂的除磷脱氮提 出越来越高的要求，并且对原有的处理系统进行改造升级，所以近年来相继加大 了污水处理的工艺以及控制的研究和应用。 绝大多数城市污水处理厂都采用运行稳定、操作简便、处理费用低廉的生化 处理工艺，包括普通活性污泥法、接触氧化法、氧化沟法、a b 法以及s b r 法【3 j ， 只有少数城市污水处理厂因其实际情况而选用物理或物化的方法处理废水。据 1 9 9 3 年不完全统计，我国已建及在建的二级污水处理厂中有8 0 以上采用活性 污泥法工艺。 1 2 活性污泥模型研究现状 对于污水处理的方案选择、工艺设计和运行管理中出现问题的分析和解决， 建立实用的数学模型是一种有效的途径。自从活性污泥法【4 】应用于污水处理过程 以来，国内外许多学者致力于其机理的研究。下面简要地介绍了活性污泥法的发 展和应用状况。 1 2 1 活性污泥模型的建立 最初人们提出的活性污泥模型是静态模型。19 4 2 年m o n o d 提出了以米门公 式为基础的m o n o d 方程【5 1 ，说明了微生物的生长速率与微生物浓度及某些限制型 底物浓度之间的相互关系。2 0 世纪5 0 年代后期，国外一些学者引入化工领域的反 应器理论及微生物学的生物化学理论，将基质降解、微生物生长及各参数之间的 关系用数学模型来表示，其中最有代表性的有e c k e n f e l d e r 等提出的基于v s s ( v o l a t i l es u s p e n ds o l i d ，挥发性悬浮固体) 积累速率经验公式的活性污泥模型； m c k i n n e y 等提出的基于污泥全混合假设提出的活性污泥模型和l a w r e n c e m c c a r t y 等提出的基于微生物生长动力学理论提出的活性污泥模型。这三种不同 的模型都源f lm o n o d 方程。由于这些传统的静态模型具有形式简单、变量可直接 测定、动力学参数测定和方程求解较方便、得出的稳态结果基本满足工艺设计要 求等优点，曾得到广泛应用。 然而，长期实际应用经验也表明，这种基于平衡态的传统的静态模型丢失了 大量的不同平衡生长状态问的瞬变过程信息，忽视了一些重要的动态现象。2 0 世纪7 0 年代中后期，南非的m a r a i s 提出除碳、氮、磷的动态活性污泥数学模型， 但由于结构非常复杂而使得其应用受到限制。8 0 年代，美国的j ea n d r e w s 6 提 出了a n d r e w s 模型。随后，英国水研究中，l , ( w a t e rr e s e a r c hc e n t e r ) 提出了w r c 模型。这些动态模型分别运用不同的机理解释了传统静态模型无法解释的某些现 象，但这类模型仍存在两个主要问题：一是微生物衰减过程按内源呼吸理论来描 述，未考虑代谢残余物的再利用；二是只描述了废水中含碳有机物的去除过程， 无法模拟预测氮和磷的降解。 为了解决上述动态模型存在的主要问题，1 9 8 3 年国际水污染研究控制协会 ( i n t e r n a t i o n a la s s o c i a t i o no nw a t e rq u a l i t y ，简称t a w q ，现更名为i n t e r n a t i o n a l w a t e ra s s o c i a t i o n ，简称i w a ) 组织五国专家组成的专家组，经两年多的研究于 1 9 8 7 年推出了活性污泥法l 号模型( a c t i v a t e ds l u d g em o d e ln o 1 ，简称a s m l ) p j 。 此模型不仅包含了含碳有机物去除过程，还描述了通过硝化和反硝化作用对含 氮物质的去除过程。随后，i a w q 于1 9 9 5 和1 9 9 9 年又分别推出了a s m 2 i s l 和 a s m 3 1 4 1 模型，对a s m l 进行改进和补充。a s m 系列模型以矩阵的形式对活性污 泥水处理过程内部组分及反应过程进行描述。目前，a s m 系列模型已被广泛应 用于污水处理模型研究和过程仿真，很多专门的污水处理过程设计和仿真软件都 是以a s m 为基础。 i w a 的a s m 系列主要特点是以c o d ( c h e m i c a lo x y g e nd e m a n d ) 物料平衡为 计算基础，用矩阵形式描述有关组分浓度、各反应速率、反应动力学参数和化学 计量学参数之间的关系。i w a 推出的3 套模型在形式和功能上都较以前的模型 有了较大突破，有效地指导了活性污泥法新工艺的开发、污水处理厂的设计、改 造和运行管理，得到世界的充分肯定，是当今活性污泥模型研究的主流。 1 2 2 活性污泥模型的简化 限于污水处理厂的设计、运行和水质检测的水平，加上模型结构和参数的复 杂性，直接应用a s m 数学模型具有一定的困难。为此，学者们推出了一系列 的简化数学模型来模拟活性污泥工艺的主要反应过程，在工艺的检测和控制方面 取得了成功，如j e p p s s o n 推出的r o m ( r e d u c e do r d e rm o d e l ) 模型1 9 j ，j o h a s s o n 推出的s i p h o r ( s i m u l a t i o no fb i o l o g i c a lp h o s p h a t er e m o v a l ) 模型【1 0 1 ，z h a o 推 出的s p m ( s i m p l i f i e dp r o c e s sm o d e l ) 模型【l l 】和k i m 推出的s l m ( s i m p l i f i e d l i n e a rm o d e l ) 模型【1 2 1 。这些模型或是简化反应机理( r o m 模型或s p m 模型) ， 或是简化模型结构( s l m 模型) ，或将模型分成若干子模型( s i p h o r 模型) 。 由于活性污泥模型的中的各种组分反应快慢尺度差异很大，从时间尺度方面 的简化得到许多有意义的研究。w e i j e r s l l 3 】研究t x f f a s m i 采用奇异扰动理论进行 化简的方法。最终得到的简化阶模型可以用于基于模型的控制。 1 2 3 活性污泥模型b e n c h m a r k 的建立 由于污水处理流程不同，输入流量特性以及控制策略的评价标准的不一，不 同控制策略在出水水质指标和节省操作费用上难以评价。为了规范各种控制策略 的研究，c o s ta c t i o n6 2 4 和6 8 2 工作组开发了活性污泥过程( a c t i v a t e ds l u d g e p r o c e s s ，简称a s p ) 的标准仿真模型b e n c h m a r k l l 5 】。该模型是一个定义了污水处 理对象工艺结构、过程模型、输入动态数据、测试规程和评判规定的仿真协议。 1 3 污水处理过程的控制研究 为适应不同污水处理的要求，在处理过程中，工程师们需要根据工况及时调 整控制策略。如何根据不同工况进行控制调整，工况调整后系统反应灵敏度以及 反馈变量如何确定均属于控制策略研究范围。采用模型设计参数虽然在一定范围 内可达到系统动态稳定，但无法达到整体最优化。例如在出水水质各项指标均达 标的前提下，对剩余污泥量控制的最优化、对运行成本的最优化等。污水处理的 节能降耗就是要在保持出水水质符合标准的前提下使污水处理的经济成本达到 最优化。 1 3 1 污水处理过程的控制方式选择 污水处理是一个生物过程，具有机理复杂，高度非线性化等特点，因此，为 了保证污水处理过程的良好运行和提高出水水质，控制策略的精心设计就显得尤 为重要。具体来说，对污水处理过程中应用过程控制主要存在以下难点： 1 ) 反应过程复杂。整个处理过程由多个操作单元组成，在统一单元内又发 生多个性质完全不同的反应，包括化学反应和生物反应等； 2 ) 系统的输入组分不确定性很大。如瞬时流量、输入有机物浓度变化，有 毒物质的输入和进水温度的变化；输入有明显的季节性和依赖天气状况 世 手； 3 ) 系统的动态模型难以建立。系统高度动态化，并且在非稳态情况下运行， 建立一个有效的和精确描述过程动态的数学模型非常困难； 4 ) 测量手段落后。许多的关键变量测量非常困难，测量的精度较低，测量 速度比较慢； 5 ) 系统的各状态变量耦合严重，且各组分的动态特性差异很大。 就控制方式而言，污水处理的控制主要可以分为以下几种【1 6 】： 1 ) 进水流量控制。进水流量大小决定了有机污水在系统中的平均滞留时间 的长短，有机污水与曝气池中微生物之间的新陈代谢话动，主要在水力 滞留时间内发生，即水力滞留时间很大程度上决定了曝气池中反应进行 的程度；另外细菌对污水中底物浓度的阶跃变化非常敏感，因此，为了 缓和曝气池中进水量的变化而使细菌有一个适应的过程，需要采用一定 的策略对进水流量进行控制。 2 ) p h 值控制。曝气池中好氧菌的繁殖对p h 值大小有一定的要求，同时p i q 值也会影响污水中氧化分解反应的速度。一般要求p h 值的范围保持在7 左右。 3 ) 溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n ，d o ) 浓度控制。曝气池中氧气不足和过量都会 导致污泥生存环境的恶化。通过对输人的空气量( 或氧气量) 的控制，使 曝气池中的浓度保持在一定的范围之内。 4 ) 二沉池中污泥高度控制。对二沉池中污泥高度的控制，一是通过污泥回 流保持曝气池中生物固体浓度在一定范围内；二是防止其过高产生溢 出，使出水中的由s s 产生的有机物含量增加，导致b o d 浓度增加使得水 质下降。 5 ) f m ( f o o d m i c r o o r g a n i s m ) 控制。当f m i ：t 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，则会使大量的 沉降性不是很好的活性污泥进入二沉池中，同时增加了污泥排放量，使 得污泥处理费用增加。 除了上述几种控制以外，也有学者提出了反硝化过程的外加碳源控制1 7 1 、泥 龄控制等控制方式。 1 3 2 污水处理过程的控制策略研究 污水处理过程的控制很早就得到广泛的研究。在国外，尤其是北欧、日本、 美国、英国等一些国家在2 0 世纪7 0 与8 0 年代就开始污水生化处理过程的建模 和控制研究，发表了大量的研究报道，并且在污水处理厂中得到了广泛的应用。 在国内，即使新建的污水处理厂，其自动化水平仍相当落后，大多数只停留在数 据采集和简单控制( 如提升泵、污泥回流泵、鼓风机的开关控制) 水平上。 但是，随着国家对环境问题越来越重视，对污染控制指标日益严格，以及近 年来计算机技术的迅速发展，使得人们对污水处理过程的控制技术越来越关注。 在国外，除了监控、报警等常规的管理外，其他先进的控制技术，如污水处理综 合自动化控制、模糊控制也得到了实施。 可以预见，污水处理过程的先进控制技术，会得到越来越多的学者的研究以 及应用推广。 1 ) 污水处理过程的先进控制技术研究现状 气 a ) 神经网络控制 a k a r a m a 【1 8 】等针对厌氧消化过程提出了一种混合模型，该模型基于物料平 衡方程，其中生物生长速率通过神经网络表述。为了保证训练数据( 装置外混合 模型) 的生物意义( 浓度为正、有界，生长速率的饱和抑制) ，提出了一种对神经 网络加以规范的方法，并将这种方法应用于固定床生物反应器的试验数据。 m a r t i nc o t e 1 9 】等研究了活性污泥过程的动态模拟，用神经网络改善预测并开发了 一个程序以提高现有的活性污泥过程( 机理模型) 的模型精度。 胡玉到2 0 】等针对中小型污水处理厂的实际情况，将活性污泥污水处理系统非 线性数学模型转换为参数有界的变参数正则状态方程，并对系统模型进行了可控 性与稳定性分析，提出了一个具有三层隐层的模糊神经网络控制器。 b ) 模糊控制 模糊模型具有很强的非线性表达能力，并且采用模糊模型不需要事先充分了 解系统的先验知识，所以在污水的建模中具有很强的实际意义。j o s er a g o t 2 l 】采 用t a k a g i s u g e n o 模型来建模非线性的污水处理过程的结构，并且采用辨识的方 法辨识模型的参数，验证了模糊模型能有效地表达污水处理过程。 t a o i 瞄1 等在高负荷生物脱氮工艺处理粪便污水系统中采用了一种基于模 糊推理的直接氨氮控制系统。其利用一种新型自动分析仪和u f 采样器监测反应 器中的氨氮浓度，并用模糊推理控制脱氮反应器的运行。模糊控制系统从由实际 工艺过程中得到的多变量( n h 4 - n 、d o 、o r p 和p h 值) 中推出一个适合的条件。 系统响应迅速，具有较高的脱氮效率，并且稳定、容易维护。j f e r r e t t 2 3 】等采用 模糊逻辑控制对曝气过程的节能进行了研究，开发出一种基于模糊逻辑的曝气控 制系统，并在中试规模的b a r d e n p h o 工艺中的主曝气池进行了试验，与普通 的控制器相比可节省4 0 的能量。 j a l e x 2 4 1 用模糊控制保证了在不同污水负载下良好的控制性能。结果表明， 采用模糊控制能使能出水总氮减少，而且降低了操作费用。 d 模型预测控制 l i n d b e r g 2 5 1 利用子空间辨识方法得到污水处理过程的包含控制输入和可测 扰动的多变量状态空间模型，然后设计一个线性二次( l q ) 最优控制器控制出水 的氨氮和硝氮的浓度；a s a n c h e z l 2 6 1 采用子空间辨识方法针对活性污泥处理过程 进行建模，然后设计基于状态空间的模型预测控制，对好氧池的溶解氧浓度进行 控制。郑敏洁【2 7 1 用基于稳态点附近的阶跃模型对多变量污水处理过程进行控制， 仿真说明，预测控制能很好地对多变量耦合系统的进行控制。 然而，上述的控制算法都是对稳态附近小范围内的污水处理过程进行仿真研 究，这与实际的污水系统有大范围输入干扰有差异。如何应用预测控制技术有效 地控制强外界干扰的污水系统，是当前的一个研究重点。 d ) 自适应控制 微生物的动态特性要适应于不断波动的进水水量水质以及变化的环境，对于 这样的非线性系统，自适应控制是理想的。在生化污水处理过程中，自校正控制 得到了广泛的研究，主要集中在d o 控制。在k 0 1 2 8 1 的自适应控制中，首先采用递 推最小二乘算法估计过程参数，并设置一步预测输出为期望的输出，这样得到最 小方差自校正控制。在o l s s o n 2 9 1 和m a r s i l i l i b e l l i 3 0 1 等人的文献中，为了消除测 量得到的o u r 及其扰动，采用最小二乘算法辨识简化模型的参数，并由这些参数 得至f j p i 控制算法( 隐式自校正p i d 控制) 。m a r s i l i l i b e l l i 和l e e 3 1 1 等人采用最小二 乘算法直接辨识p i d 控制器的控制参数，得到控制作用( 显式自校正p i d 控制) 。 e ) 其它控制策略 g u a n g t a of u 3 2 1 提出了采用非主导排序遗传算法( n s g ai i ) 求解多目标优化 问题，得到其p a r e t o 最优解，使得在更加接近实际的复杂水处理系统中的不同目 标之间获得最佳的折衷。 2 ) 多控制策略集成的预测控制方法 各种先进控制方法都有其优势和不足，若能将两种和两种以上控制方法适当 地结合起来并吸取各自的长处，则可组成比单一控制系统性能更好的综合( 集成) 智能控制系统。已研究出的综合( 集成) 智能控制系统有： a ) 模糊预测控制 m a b r d y s 0 3 1 设计模糊预测控制器，以控制污水处理系统的溶解氧浓度。此 控制器其本质为一非线性预测控制作用。m a r s i l i l i b e l l i | 蚓也综合使用了模糊聚类 建模策略和预测控制思想，对污水的反硝化过程进行外加碳源控制。 模糊预测控制是针对复杂的工业过程难以建立精确的模型而提出来的。由于 模糊系统是基于规则的模型表达方法，能融合专家知识等进行控制，所以对具有 不确定性系统建模具有优势。 b ) 自适应预测控制 自适应模型预测策略的特点是过程的模型采用自适应在线辨识的模型，其模 型具有在线修正作用。j o s em v l a r a 3 5 1 采用了自适应预测控制来控制出水氨氮 浓度，操纵变量是溶解氧设定值。 c ) 多模型预测控制 这是将多模型建模技术与预测控制相结合的控制策略。多模型可以有效地表 达大范围工况的工业过程动态特性，对强非线性系统采用分解合成的方式进行描 述，能取得比单模型更加精确的模型。 c h e m y 【3 6 1 等提出了基于模型加权的多模型控制方法，即针对非线性系统建立 多个线性化模型，根据各自的线性化模型计算最优控制，并通过计算参数的后验 概率确定控制器输出的加权值，最后由各控制器的输出与权值乘积之和作为实际 的控制输出。 3 ) 分层控制策略 由于污水处理过程的各种组分的动态特性差异很大，如溶解氧的反应动态时 间为秒级，易溶解性有机物组分和营养物的反应动态时间在几分钟到十几分钟， 微生物生长的动态时间更长，在几个污泥周期以上，可以用天记，故可以用分层 控制策略进行控制。 b r d y s f 3 7 1 提出了污水处理的分层结构来构造一个控制系统，控制目标为保证 设备的生物反应持续性，实现对出水水质参数的合法限制，使得排出的污泥负荷 最小，而且节约污水处理系统的能耗。 j o s em v l a r a 3 5 1 提出了采用广义预测控制作为上层的主控制器、下层为一 个整定好的p i 回路作为从控制器的双层控制结构，通过操作溶解氧的浓度来调节 出水的氨氮浓度。 由于对系统认知的缺陷，以及测量手段的欠缺，使得污水处理过程的控制策 略还处于低级阶段，相对于其它工业过程其控制方法和手段都比较落后。先进的 控制技术的研究也基本处于模拟仿真阶段。 1 4 研究内容和章节安排 本文主要研究内容如下： 第一章是绪论，主要介绍污水处理的背景和意义，活性污泥法模型的研究现 状和活性污泥法应用与工业控制的现状。 第二章是对基于a s m l 模型的污水处理过程b e n c h m a r k 进行介绍，包括污 水处理过程的工艺流程、反应动态特性以及外界干扰的形式，并介绍了带可测干 扰的多变量广义预测控制算法以及其约束处理。 第三章是对一个典型的污水处理过程，采用多模型策略进行建模。由于污水 处理过程受外界输入的强烈干扰，所以系统采用自适应参数在线修正，使得线性 多模型能更好地对非线性污水处理过程进行近似，然后采用基于模糊加权和基于 切换的多模型广义预测控制，对污水处理过程的控制方法进行仿真研究。考虑到 k - m e a n s 聚类多模型算法是一种无监督的建模算法，在此基础上提出了有监督的 多模型建模方法。 第四章参考了b e n c h m a r k 中的能耗评价，提出了污水处理过程的多目标预测 控制策略。控制策略采用了基于优先级的多目标求解方法，对污水处理过程的出 水水质单边区间控制要求以及处理能耗最小的目标进行了多目标优化控制。 第五章对污水处理过程的多速率系统进行研究。考虑到污水内回流硝态氮 浓度的单输入单输出( s i s o ) 系统的多速率控制，首先采用辅助模型思想辨识 得到系统的快速单速率模型，然后基于此模型进行了污水处理过程的多速率预测 控制。 第六章为总结和展望。本章总结了论文中所作的工作，以及论文中所存在的 未深入研究的内容，最后结合所作的内容和当前的研究状况，提出了一些新的研 究前景。 第二章污水处理过程的b e n c h m a r k 以及预测控制算法介绍 2 1 引言 污水处理过程是一个受外界流量的强烈干扰、污水组分波动剧烈的强非线性 系统。然而，越来越严格的排放标准和降低污水处理过程中的能耗对控制提出了 更高的要求。对污水处理过程的高级控制和监控策略近年来得到越来越多的研 究。 当前由于活性污泥模型的深入研究和成功应用，许多控制策略的研究都是基 于活性污泥模型进行设计的。但是，不同的工艺结构以及输入数据等使得控制性 能的评价无法进行。为了规范各种控制策略的比较研究，c o s t 条款6 2 4 和6 8 2 工作组开发了活性污泥过程( a s p ) 的标准仿真模型b e n c h m a r k l 3 8 】。该模型是一个 定义了污水处理对象工艺结构、过程模型、输入动态数据、测试规程和评判规定 的仿真协议。 下面对基于a s m l 模型的b e n c h m a r k 作简要地介绍。 2 2 活性污泥1 号模型a s m l 介绍 活性污泥l 号模型a s m l 含有1 3 种组分，模型将系统中的组分分为两大类： 易溶解性组分“s ，和难溶解性组分“彤”，各种组分如表2 1 所示。 表2 1 活性污泥1 号模型a s m i 组分 符号组分符号组分 s i易溶惰性有机物x l颗粒性惰性有机物 s s生物易降解有机物 x s 慢性生物可降解有机物 s n h氨氮 x b a 自养菌 s n o 硝态氮x b ，h异养菌 s n d易溶生物可降解有机氮x n d颗粒性生物可降解有机氮 s a l x 碱度 x p 微生物衰减产生的颗粒性物质 s o 溶解氧 活性污泥污水处理系统一般由反应池和沉淀池组成。反应池是有机物b o d 和氮物质去除的主要场所。反应池中的异养茵和自养菌在其生长过程中，分解和 吸收b o d 和氮等营养物质，使之转化为生物体自身的组成部分，最后在沉淀池 中，含异养菌和自养菌的活性污泥通过沉淀作用后以污泥形式排出，从而达到污 水净化的目的。下面就反应池和沉淀池的动态过程进行简单地介绍。 2 2 1 污水处理过程中的反应池动态特性 污水处理过程由最基本的反应池组成。反应池有多种类型，以其中的氧化作 用来分类，可以分成好氧池，缺氧池和厌氧池几种类型。其中好氧池主要发生 b o d 分解吸收、氨氮的氧化等反应；缺氧池主要是进行硝态氮的反硝化作用， 把硝态氮转化为游离氮释放；厌氧池可以把有机物转化为甲烷和二氧化碳，这个 过程非常复杂。各类反应池的反应动态都可以用图2 1 表示。 q x i ，饥 y x i q t 。x i 图2 1 单活性污泥反应池不恿图 假定反应池中组分是均匀混合的，则由物料平衡可以建立如下关系3 9 1 ： 鲁= 古( 吼胁一线咖飞 ( 2 1 ) 其中而表示a s m l 种的各种组分浓度。z 加代表相应的入水组分浓度。k 表 示组分而的观测转化率。参考活性污泥模型的工艺矩阵【7 】，k 可以写成如下的 表达式： 。= p ， ( 2 2 ) 气2 乞i ：f ，乃 ( 2 ) 其中表示活性污泥模型的工艺参数，其典型值可以参阅文献网；p ，( j f = j ， 2 ，8 ) 表示8 个不同的反应过程；对于第歹个过程，a s m l 提供的计算公式为： j = 1 ：异养菌的有氧生长( a e r o b i cg r o w t ho f h e t e r o t r o p h s ) n = 砌引匕爿z 明 j = 2 ：自养菌的厌氧生长( 触i cg r o w t ho f h e t e r o t r o p h s ) 见= 砌引( 剁( 若习五日 ( 2 4 ) j = 3 ：自养菌的好氧生长( a e r o b i cg r o w t h o fa u t o t r o p h s ) 一( 毒d ( 剁儿， j = 4 ：异养菌的衰减( d e c a yo fh e t e r o t r o p h s ) a 26 目也芦 ( 2 6 ) j = 5 ：自养菌的衰减( d e c a yo f a u t o t r o p h s ) 岛2 也j ( 2 7 ) j = 6 ：易溶解的有机氮的氨化( a m m o n i f i c a t i o no f s o l u b l eo r g a n i cn i t r o g e n ) p 奄= k 。s n d x8 h( 2 8 j = 7 ：捕获的有机物的水解( h y d r o l y s i so f e n t r a p p e do r g a n i c s ) 瞄瓶 ( 剖+ 仇( 制( 剖k 目 j = 8 ：捕获的有机氮的水解( h y d r o l y s i so fe n t r a p p e do r g a n i cn i t r o g e n ) 风= ( 2 9 ) ( 刳+ 仇( 剁( 剖k 倒亿， 各种组分的快慢反应速率差异较大，溶解氧的反应速率最快，易溶解组分次 之，难溶解性组分最慢，一般要几个污泥周期才能稳定。 2 2 2 污水处理过程中的沉淀池动态特性 在b e n c h m a r k 中所采用的沉淀池是由t a k a c s 4 0 1 等1 9 9 1 年提出的双指数沉降 速度模型。全池分为1 0 层，各层假定混合充分，并且不发生生化反应。 m = 1 0 q 孑 图2 2 沉淀池示意图 1 3 魏磊 其中9 和z ，表示污泥回流流量和组分浓度；办z j , 珐、互分别表示流入、 流出二沉池的流量和组分浓度，g 、乙表示污泥排出的流量和组分浓度。假定 进入二沉池的处理污水在第6 层。二沉池的动态过程模型，可以参考文献 4 0 】。 2 3 活性污泥法污水处理过程工艺简介 活性污泥法污水处理可用于多种工艺，典型的污水处理工艺如下【3 j ： 1 ) 氧化沟工艺：脱氮除磷的氧化沟是将氧化沟和其它的脱氮除磷工艺结合 起来，用氧化沟来实现本应由多个反应器来承担的任务，使脱氮除磷工 艺更加紧凑，氧化沟的功能更加强大。该工艺的最大特点是利用氧化沟 原有的渠道流速，实现硝化液的高回流比，以达到较高程度的脱氮效率， 同时无需任何回流提升动力。前置厌氧池，又达到了同时脱氮除磷的目 的。 2 ) s b r 工艺：s b r 工艺是在同一反应器内完成脱氮除磷。通过对进水、曝 气、沉淀、排水、等待、排泥等的操作，在时间序列上实现厌氧、缺氧、 好氧的组合。通过改变运行方式，合理分配曝气和非曝气的时间，创造 交替厌氧、缺氧、好氧条件实现脱氮除磷。s b r 工艺性能较良好，操作 灵活。 3 ) v i p i 艺：v i p 工艺反应池采用分格方式，将一系列体积较小的完全混合 式反应格串联在一起，这种形式形成了有机物的梯度分布，充分发挥了 聚磷菌的作用，提高了厌氧池中磷的释放和好氧池中磷的吸收速度，因 而比单个大体积的完全混合式反应池具有更高的除磷效果。缺氧反应池 的分格使大部分反硝化反应都发生在前几格，有助于缺氧池的完全反硝 化，这样在缺氧池的最后一格硝酸盐的量极少，基本上没有硝酸盐通过 缺氧池的回流液进入厌氧池，保证了厌氧池严格的厌氧环境。此工艺采 用高负荷运行，混合液中活性微生物所占的比例较高，且污泥龄短，因 而运行速率高，除磷效果好。 4 ) a 2 o 工艺：a 2 o 工艺是厌氧、缺氧、好氧生物脱氮除磷工艺的简称， 是由七十年代初南非和美国等国家研究开发的废水生物处理新工艺。由 于该工艺在去除废水有机物的同时具有良好的脱氮除磷效果，因此八十 年代开始在国外得到很快的发展和广泛的应用。厌氧、缺氧、好氧三种 不同的环境条件及不i j 功能的微生物菌群的有机配合协作，是a 2 o 工 艺流程的主要特点，它町以同时达到去除有机物、脱氮、除磷的目的， 而且：1 二艺流程较简单。 b e n c h m a r k 中采用的是5 个反应池a 2 ot 艺过程。 2 3 1 基于a 2 o 工艺的污水处理过程b e n c h m a r k 介绍 模型包含5 个反应池，前面2 个池是缺氧池，体积分别为1 0 0 0 m 3 ，后3 个 是好氧池，体积分别为1 3 3 3 m 3 ；另有1 个沉淀池，体积为6 0 0 0 m 3 ，其结构见图 2 3 所示。 q c z 。 q 。乙 g ，磊+ 图2 3 ，水处理过程的b e n c h m a r k 不恿图 在最前面的缺氧反应池中，接收了来自入水的污水、从第血个好氧池中的内 回流以及沉淀池的污泥回流。入水流量和组分浓度分别由q d 、面表示；内回流 流量和组分分别由幺、乙表示；污泥回流流量和组分浓度分别由9 、z ，表示。 图2 3 中，办z e , q e 、z e 分别表示流入、流出二沉池的流量和组分浓度