翻译-实时专家系统用于提高污水处理厂中a2-0工艺的脱氮效率

毕业设计外文文献译文毕业设计外文文献译文文献名称实时专家系统用于提高污水处理厂中A20工艺的脱氮效率院系市政环境工程学院班号10525102姓名学号指导教师时间200907市政工程系摘要有一则关于运用实时系统控制活性污泥去除营养物质的报道，这项研究在一个使用厌氧/缺氧/好氧（A20）工艺的处理厂中试验，在这里有专门设置的分散式控制系统。这个系统允许不同的专家操作方式在一个共有的目标下得到发展，这个目标就是在利用最低限度的能量的前提下，使出水氮指标最低化。拟采用的分散式控制系统由G2（用于构造专家系统的工具）构造而成，并且由一个基于知识的专家系统的所管理。这个系统允许来自实验系统的每一个正在运行的技术的实时修正，从已完成的一系列的关于变化的负荷和回流比的实验结果来看，与普遍的运行条件下相比，氮的去除量可增加11。而这项增加会导致出水的总氮和氨氮分别有49和64的减少。这些改进都是在以很少的能源消耗条件下实现的，这是因为污水处理厂采用优化运行措施，并且达到实时更新的程度。关键词基于知识的专家系统（KBES）；专业控制；实时；脱氮；硝化；反硝化；活性污泥1介绍考虑到出水中的氮，欧盟91/271指导文件提出改进大多数现有污水处理厂以适应新的更严格的标准，每一个拥有2000同等人口排放的大陆水域中心的欧盟成员国都必须遵守这个指导文件。大体上说，中心具有同等人口为10000或以上的必须遵守。欧洲法规还建立一个日程表和具体净化水平，例如，受纳环境的灵敏度功能。因此，有机质和剩余营养物质（尤其是氮和磷）在排入特别敏感的媒介中必须优先被去除。这些新的要求，需要重新设计去除流程以适应现行规定。新目标可以以多种方式实现，包括改变现有的土建设备（分机，购买新设备），改变了操作程序（例如，新处理工艺的开发）或使用控制优化流程。据报道，BUISSONETAL在反应器中利用膜浸泡在澄清层中增加固形物浓度的结果，适合在小型全厂规模上推广实行。COLLIVIGNARELLIANDBERTANZA开发出一种升级污水厂的方法，利用低浓度的溶解氧，完成同步硝化与反硝化，这个方法可以减少投资和运行成本。有些人通过交替运行优化现有的处理系统。举个例子，POTTERETAL利用调整每一步骤的持续时间以铵和硝酸盐为指标在全工艺流程中实时控制来优化巴顿甫工艺。CAULETETAL使用实时氧化还原电位（ORP）的测定来优化曝气系统和增加氮的去除效率在全范围内的推广。KATSOGIANNISETAL使硝化成本最小化通过联机修正原先的运算法则，这个法则原先仅是简单的通过测定反应器中的铵标准来确定SBR循环的周期；而且他们还分析了在模拟实验中系统对变化符合的反应。虽然交互性系统的使用正在不断推广，然而还有一部分污水处理厂仍然在一种连续的运营体制下且必须改进以适应新的要求。几种有潜力的解决方案已初见成效，例如，BALSLEVETAL在一个试验处理厂中的缺氧和好氧的反应器中进行硝化和反硝化反应，再通过自动分析仪测定的数据来中测试不同去除氮的途径。其目的有（1）使出水中硝酸铵和磷酸铵浓度最小化；（2）减少在硝化过程中和反硝化回流中的曝气的能源消耗；（3）通过将反硝化池暂时性地作为厌氧反应器来提高除磷量这些测试的方法中有控制溶解氧启动/停止顺序；通过氨氮浓度改变氧气设定值；通过溶解氧的启动和停止顺序来作为测定硝酸铵和磷酸铵浓度的一项功能；通过好氧池的硝酸铵浓度来改变回流比。ONNERTHETAL报道了在一个大规模处理厂中进行的硝化和反硝化以及内回流的试验取得的结果，系统是通过在曝气池出水中测定硝酸铵和磷酸铵浓度来控制的，这些测量被用于涉及好氧池间歇曝气的自动控制途径，通过实时测定磷酸按浓度来改变氧气的设定值和回流比。这篇文章中有很多控制方法，而这些方法往往在模拟条件进行评估的。事实上，有几个将试验上的有效性转化为实际应用的例子，一个例子就是STAR系统就是利用控制系统使得处理厂适应于变化的条件，而STAR系统也成功地在大规模的污水处理厂得到应用。目前的工作旨在提高在动态地严格控制流入条件下的脱氮效率，通过运用适合于特定运行条件污水厂的控制系统，仅仅需要实时调整工艺条件就可以在整个污水厂里实现足够高的氮去除率。在一系列的在试验厂中进行的试验指导下进行的研究，检查系统面对进水组成和流量变化的反应，还有很多方法都在运用，目的是在节省能源消耗的同时最大程度地去除COD（化学需氧量）和氮。基于知识的专家系统已经广泛地在用于弥补污水处理厂的控制系统，在早先的工作中，我们团队侧重于知识框架的构造和控制策略；这项工作主要是关注数据知识结构的实时执行。2材料和方法研究的过程基于多级式的硝化、反硝化、强化脱磷的A2O工艺,处理在三个区域进行厌氧,缺氧,好氧主要过程如下在好氧区,进行消化反应,产生的消化液和混合液回流到缺氧区,这个过程叫内循环,在那里进行反硝化反应从沉淀池回六的污泥进入到厌氧区这个过程为外循环厌氧和好氧的条件的交替促进聚磷微生物的生长从而提高除磷效率图1B示意性地描述了在试验性设备中营养物质的去除过程。这些设备由一个91厌氧选择器，三个同样的281曝气池和一个601沉淀池组成。三个曝气池通过KBES（基于知识专家系统）的配置，在好氧或缺氧二选一的条件下工作，这样就会造成好氧和厌氧总体积的变化。第一个池子通常作为缺氧池工作但是需要的话也可轻易地再配置成好氧池。图2描述硬件体系，体系有不同的管理级别包括两个独立过程控制计算机污水厂和分析器控制系统和PLC程序逻辑控制。这个软件用于厂区控制计算机，用C语言编写，包括图像监控，数据备份。由PLC监管和控制主要的工艺参数（溶解氧，流量，搅拌率等）。这台电脑允许污水处理厂通过一系列预设定的参数来控制。另外一台电脑控制两台用于测定硝，酸盐亚硝酸盐和氨氮的即时分析器。另外还有一个自动取样系统。这两台电脑通过以太网连接到一个由美国SUN公司工作站系统执行的数据服务器。网关是基于TCP/IP协议的，允许数据库根据来自每个子系统的信息实时更新。基于知识的专家系统（KBES）位于系统体系的上层。系统由G2（开发实时专家系统的工具）开发，尽管也可由其他开发工具执行。它使关于工艺的知识系统化，基于可利用的科学知识和特定系统的实践。KBES系统充当着设定值控制的监管角色，系统基于分散式体系结构。KBES系统由嵌入式数据（酸碱度，温度，溶解氧，氧化还原电位，曝气量和流速）和即时式数据（硝酸盐，亚硝酸盐和铵）组成，这些数据来自数据服务器。定性数据（嗅味，色度，微生物指标）和离散型数据来自于离线分析（磷酸盐，化学需氧量，总悬浮固体，总挥发固体，总基耶达氮和污泥容积指数）也组成了KBES系统。通过使用这些定型数据，系统不间断地决定最适控制方式，以达到需要的氮和有机物去除效率。最终，控制指令传送给过程控制计算机，而它启动处理厂的每一部分。在系统里，有一整套319条规则和45条程序用于故障检查，处理厂的维护和硝化反硝化运行都是试验规模上的。知识由几个代表处理厂的子工艺的模块组成。利用这种组合式配置有一些优势，例如，系统模块的再利用性和延展性。因此系统可以管理人工智能的日益复杂性。在正常情况和控制单一工艺参数下，每个模块都是独立地运用数字运算法则。工艺参数通常是数据驱动，使用早先的数据链，直到新的数据传至实时数据库。主要模块用于生物反应器，沉淀池，泵站，进水系统，去除COD除营养物质和污泥龄控制上。对于整个系统的完整描述在另见它文，对于不同模块的简介总结如下在生物反应器模块里，建立了一些用于管理这里单元的规则（特殊地有曝气，搅拌，检测子系统状况），对于本地操作系统可能出现的钝化现象，例如氧气的控制，也包括在这个模块中。在沉淀池模块里，执行沉淀管理的程序。这些程序主要检测沉淀池水力负荷和微生物负荷，出水中的污泥沉降性和总悬浮物浓度。为了能提前发现污泥和水分离时可能出现的问题，水泵模块包括监督试验厂水泵运行和维护日程，而且负责维持想要的理想循环条件。它可以以不同策略运行，例如固定流或是固定循环流量，给料系统模块管理自动进料系统，检查进料总量和浓度。去除COD模块评估食物和微生物的比例并在比例失当时警告管理者。一些预定义的常见情况，像超负荷或低负荷出现时可以被检测到，然后程序控制会适应以减少将来的问题出现的几率。在去除营养物的模块中执行着一些用于提高氮去除量而不会影响到磷去除的控制程序。例如，改变内循环比（提高硝酸盐和亚硝酸盐去除率）的程序，还有修正外循环比（调整负荷）以及修正在三个反应器中的氧气设定值为了获得更高的硝化率或者低负荷运行下减少氧气消耗，其他的不同模块包括用于维持预定义的污泥龄或监察微生物在污泥中的种群变化的规则，这些规则用于检测污泥膨胀问题。在这些程序里，每一项检查措施都使用了不同的标准。措施应纳入预定组，变化率不能太大或是太小并且这些措施不能和其他措施相冲突。如果数据被认为不可靠，基于知识的专家系统可以根据常量建立恒动方程。系统在相同进料条件的实验中得到检测，这些条件下的变化是由污水厂控制电脑自动发出的而不是使用进水的数据。实验全面模拟了来自污水处理厂对出水的铵，硝酸盐和亚硝酸盐所做的10分钟间隔的检测。21试验条件为了获得所需的来水，（约400L/D已知可变成分的废水），合成水由进料浓缩后和自来水按照不同比例稀释而成。合成水的成分近似于污水厂经过初沉后得到的典型废水。具有不同生物降解率的成分被包含在合成水里，为了减少微生物污染并且实现浓度自动变化，两种包含着氮源和碳源的不同浓缩物被运用。其他的非有机成分分散在两种浓缩物中。表格1表明了每种浓缩物的确切成分。试验厂的进水在成分上和流量上是变化的，并且全面模拟处理厂，也是全剖面进水的。进料负荷按照浓缩物和自来水的比例变化，比例从1540到1150，提供COD，氨氮和有机氮如图3所示。这些都造成了低负荷段关于低浓度和低流量（最低化学需氧量，氨氮和有机氮含量分别在170MG/L，67MG/L,47MG/L）还有一段高负荷（最大化学需氧量，氨氮和有机氮含量分别在530MG/L，240MG/L,167MG/L）平均水力停留时间为85H,图3中氮的总负荷随着使用的自来水中硝酸盐的出现而增加。表2表明了不同形态的氮对污水厂进水在24小时内所起的作用。整个实验中，在进水端定期取样，这样做为了检查定量给料系统是否正常工作。而且，在每个实验中，所使用的浓缩物的量也接受检查看是否和所预期的一样。测试显示如果从事厂得到的结论是可靠的话，这种量对可再生能力高的条件是适用的。用来自城市污水处理厂的污泥来去除氮。为了使生物群落适应所使用的构造，试验厂的条件保持5MCRT（细胞平均停留时间）稳定，厂内的进水和环境条件在整个适应期和试验期间维持不变。通过检测挥发性悬浮固体和总悬浮固体在反应器中，出水，和回流水中的含量来控制细胞平均停留时间。数据传送到KBES系统，作为负反馈，系统自动调整废水以维持预设的污泥龄。整个试验中挥发性悬浮固体浓度维持在一个近似水平（相当于钙当量的51007100MG/L）,总生物停留时间为10天从这点来看，除磷的效率是较高的。PH在3号反应器中的初设值为75，而PH是由重碳酸盐的溶解浓度来控制的，这就要求试验在近似的PH条件下进行，并且阻止PH这一变量有反馈现象出现。重碳酸盐的添加量也得为硝化微生物提高适宜的生长环境，并且避免对微生物的营养源无机碳造成限制。其他反应器的PH也保持在一定范围的近似值（从6。875）。最后，所有试验都在室温下进行（20231摄氏度）。22监控所有实验中，关于A2O工艺内嵌式的，即时式的，离线式的变量都实行监控。内嵌式的变量包括流量（进水，内循环，外循环），外加PH，氧化还原电位，温度，溶解氧，反应器13中的曝气阀门的驱动。即时式的变量包括氨氮，亚硝态氮，硝态氮，这些量都由自动取样系统联合CFA和FIA分析仪测定（CFA和FIA为某种型号的测定仪器）最后，监控的离线式变量有反应器中的TSS（总悬浮固体），VSS（可挥发性悬浮固体），DSVI（稀释污泥容积指数）；进出水中COD（化学需氧量），NNO2亚硝态氮，NNO3硝态氮，PPO43磷酸盐态磷；还有进水中的NNH4氨氮和NNORG有机氮。对于NNO2亚硝态氮，NNO3硝态氮，PPO43磷酸盐态磷的离线分析是这样操作的利用毛细电泳原理，使用沃特斯公司的QUANTA4000ECE型号仪器来进行测定。所使用的电解液是来自沃特斯公司的溶液（精选高迁移率阴离子电解液）。工作条件如下20摄氏度下，电压为15千伏的阴极电源，利用245纳米的紫外线间接探测，分析5分钟。这些测量都旨在确保系统运行无误和每次实验中自动分析仪（FIA）的精确度。使用标准应用方法的协定来测定反应器中的COD（化学需氧量），TSS（总悬浮固体），VSS（可挥发性固体）有机氮。4结论总体上说，一个污水处理厂的去除效率可以在避免在曝气和回流上的浪费能源消耗的基础上通过可用资源得到大幅度提高。值得注意的是，控制方略的主体是根据进水种类开发的，可能不适合别的种类；但在任何情况下，控制系统都可以纠正本身来适应某一特定的进水条件。假设进水中的氮不可以测量，用于弥补的控制方略像是前馈方案也能执行。此外，一旦对KBES系统强加更严格的限制，去除率还可以进一步提高。这会涉及到在2和3号反应器中更长时间地维持好氧条件，并且使用可能的最大回流比。事实上，这些条件下肯定会提高去除率，虽然成本会更高。基于这项工作的结果，可以得到如下结论（1）常被忽略的在出水中的亚硝酸盐