1、精確曝氣流量控制在污水生物處理工藝中的應(yīng)用研究摘要: 本文對在污水生物處理工藝系統(tǒng)中采用精確曝氣流量控制進(jìn)行了闡述、并提出了實(shí)現(xiàn)方法。用分段常值的函數(shù)來模擬控制變量(即空氣流量或曝氣量)，在進(jìn)水水質(zhì)、水量等干擾情況下，通過優(yōu)化控制達(dá)到了抑制生物反應(yīng)池中溶解氧濃度變化幅度(±0.2mg/L)的目的；數(shù)值優(yōu)化過程中，采用最速下降法來求解目標(biāo)函數(shù)的最小值。基于此方法的AVS（Averation Volume control System）精確曝氣流量控制系統(tǒng)經(jīng)過在上海桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠的調(diào)試和試運(yùn)行，基本達(dá)到了精確曝氣和降低能耗的目標(biāo)。Abstract: A methodology fo

2、r accurate aeration volume control is proposed for wastewater biologic treatment. The piecewise constant function is utilized to approximate the time dependent control variable, i.e., the aeration volume. The optimal control is performed to constrain the DO concentration within the tolerance of 0.2m

3、g/L. In numerical optimization process, the steepest descend method is employed with the first order derivatives of the cost functional calculated from the adjoint method. The AVS system based on the proposed methodology has been applied in Shanghai Taopu Wastewater Treatment Plant to testify its va

4、lidity, and experiment results demonstrate its significant advantage in accurate aeration volume control and its promising characteristics of cost reduction.關(guān)鍵詞：污水處理，精確曝氣，優(yōu)化控制，節(jié)能，溶解氧Key words：Wastewater treatment，Accurate aeration volume control，Optimal control，Economize energy，DO1. 污水生物處理工藝及曝氣控制目前城

5、市污水處理較多采用活性污泥生物處理工藝，即利用微生物的代謝作用，使污水中呈溶解、膠體狀態(tài)的有機(jī)污染物轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的無害物質(zhì)。生物處理過程是個復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)過程，通過曝氣維持好氧環(huán)境是其中一個非常重要的環(huán)節(jié)。不同的工藝，曝氣的方式也有所不同，但是在幾乎所有的采用活性污泥生物處理工藝的污水處理廠中，鼓風(fēng)曝氣是能耗最大的環(huán)節(jié)。從一些國內(nèi)的污水處理廠耗電量來，曝氣環(huán)節(jié)占據(jù)了總耗電量的50-70%，所以曝氣系統(tǒng)的精細(xì)化控制改造對整個污水處理廠的節(jié)能運(yùn)行意義重大。1.1 污水生物處理工藝一座典型的污水處理廠中，經(jīng)過曝氣，原水中50-60%的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，出水中仍然含有10%的有機(jī)物，而30-

6、40%的有機(jī)物轉(zhuǎn)移到污泥中(參見【1】)。我們通常希望更多的有機(jī)物轉(zhuǎn)移到污泥中，因?yàn)槲勰嗟奶幚沓杀鞠鄬^低。如果DO（溶解氧濃度）值過高，其結(jié)果是更多的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，即經(jīng)由污泥的呼吸作用而消耗，但這個過程要消耗大量的氧，造成曝氣的浪費(fèi)，而且污泥容易老化。如果DO值過低，則影響到了微生物的呼吸和吸附有機(jī)物的過程，造成出水有機(jī)物含量過高。因此，綜合這兩個方面的考慮，期望將DO控制在穩(wěn)定的水平上。從工藝處理流程整體來分析，城市污水處理過程控制由于進(jìn)水流量、進(jìn)水水質(zhì)在時間上的不固定性，加上生化反應(yīng)過程還受到季節(jié)、溫度和天氣的影響，污水處理系統(tǒng)具有參數(shù)維數(shù)高和高度非線性的特點(diǎn)；而且，污水處理

7、工藝中存在大時滯，系統(tǒng)平衡難以在短時間內(nèi)達(dá)到；輸入量有隨機(jī)特性，建立污水處理系統(tǒng)的精確數(shù)學(xué)模型較為困難。因此，精確曝氣流量控制對污水處理行業(yè)來說是一項(xiàng)復(fù)雜研究和實(shí)踐課題。為了達(dá)到按生物處理過程需要供氣、減少生物反應(yīng)池中DO值的波動波幅、使生物處理過程處于最佳狀態(tài)，即：污水處理既達(dá)到既定的排放標(biāo)準(zhǔn)、又能節(jié)約曝氣能耗，就有必要研究基于模型的精確控制技術(shù)。1.2 大多數(shù)污水處理廠曝氣系統(tǒng)現(xiàn)狀國內(nèi)大多數(shù)污水處理廠的曝氣系統(tǒng)采用了兩類簡單的控制回路來自動或人工控制曝氣。一是采用溶解氧（DO）檢測儀和電動調(diào)節(jié)閥作為簡單的控制回路，如圖一所示，當(dāng)生化反應(yīng)池內(nèi)的DO值大于某一個設(shè)定值時，關(guān)閉電動蝶閥；當(dāng)DO值

8、小于某一個設(shè)定值時則打開電動蝶閥。二是采用了PID進(jìn)行定值調(diào)節(jié)，根據(jù)池中溶氧儀的DO反饋信號與DO設(shè)定值進(jìn)行比較，將偏差通過PID運(yùn)算后傳給閥門的行程控制器調(diào)節(jié)閥門的開度，進(jìn)而控制池內(nèi)的DO值。O2DO溶氧儀閥門開關(guān)曝氣池曝氣管道圖 1：傳統(tǒng)的溶解氧反饋控制圖Fig. 1: Traditional feedback control of DO傳統(tǒng)控制方法的缺點(diǎn)在于：一是由于時間延遲，即從開始曝氣到池內(nèi)DO變化需要一段時間，造成溶解氧的控制波動很大；二是傳統(tǒng)方法能耗高，為了保證安全運(yùn)行，系統(tǒng)的DO設(shè)定值只能保持在較高的數(shù)值上，保持了過大的余度而造成浪費(fèi)；三是過大的波動會使得池內(nèi)的生物環(huán)境不穩(wěn)定，

9、干擾生物系統(tǒng)的工作。AVS精確曝氣流量控制系統(tǒng)以解決上述問題為目標(biāo)，以下將對其進(jìn)行詳細(xì)說明。2. AVS精確曝氣流量控制系統(tǒng)控制原理目前，城市污水生物處理工藝較多采用的是厭氧-好氧(A1-O除磷)和缺氧-好氧(A2-O脫氮)組合工藝流程的活性污泥法，底部曝氣和立式表曝是好氧流程的主要兩種充氧手段，而且大部分的采用鼓風(fēng)機(jī)組底部曝氣。2.1 AVS精確曝氣流量控制系統(tǒng)性能配置AVS精確曝氣流量控制系統(tǒng)是一個集成的曝氣控制系統(tǒng)，它由系統(tǒng)控制單元、帶執(zhí)行機(jī)構(gòu)的曝氣流量調(diào)節(jié)閥、熱值氣體流量計(jì)、壓力變送器和液位計(jì)等組成。系統(tǒng)功能上由生物處理過程建模模塊、曝氣流量配氣建模模塊和曝氣流量控制回路三個部分組成。

10、該系統(tǒng)以曝氣流量信號作為控制信號，溶解氧、進(jìn)水CODcr、BOD5和氨氮信號作為輔助控制信號，經(jīng)過生物處理過程模型和歷史數(shù)據(jù)綜合處理，得出系統(tǒng)需要的曝氣量；系統(tǒng)同時根據(jù)實(shí)際的曝氣輸送管道分布等負(fù)載大小，經(jīng)曝氣流量配氣模塊處理，提供給鼓風(fēng)機(jī)組控制系統(tǒng)，使鼓風(fēng)機(jī)組處于所要求的工況狀態(tài)來提供空氣供給量，系統(tǒng)可根據(jù)實(shí)際負(fù)載狀況自行調(diào)整設(shè)定值的大小；曝氣流量控制回路為基本就地控制回路，由電動流量調(diào)節(jié)閥、熱值氣體流量計(jì)和模型給定的瞬時設(shè)定流量組成回路，可快速、準(zhǔn)確地根據(jù)實(shí)際的負(fù)荷波動調(diào)節(jié)空氣供給量，使生物池的每一部分都能達(dá)到高效。從而減少生物反應(yīng)池中DO值波動，達(dá)到精確曝氣的控制目標(biāo)。系統(tǒng)中曝氣流量配氣模

11、塊對流量調(diào)節(jié)性能和空氣壓力損失的關(guān)系進(jìn)行了平衡。電動流量調(diào)節(jié)閥在全開的情況下壓力損失比較小，但隨著開度的減小壓力損失會逐步上升。出于優(yōu)化運(yùn)行和節(jié)能的考慮，需要盡量使電動流量調(diào)節(jié)閥在大開度工況條件下工作，減少因壓力損失造成的能源損耗，尋找最優(yōu)閥門開度組合（最小的壓力損失），并在此條件下給出鼓風(fēng)機(jī)允許的最小輸出壓力。曝氣控制系統(tǒng)的整體流量控制精度達(dá)5%，振蕩小。生物反應(yīng)池的空氣總管處安裝壓力變送器，為檢測管道漏損、閥門泄漏、曝氣頭堵塞等異?，F(xiàn)象提供了分析工具。AVS精確曝氣控制系統(tǒng)提供三種運(yùn)行模式，即本地自動控制、人工強(qiáng)制控制、和安全模式三種控制方式。并提供通訊接口，支持?jǐn)?shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。本地自動控制是推

12、薦控制方式，用于污水廠污水處理工藝正常運(yùn)行、精確曝氣控制系統(tǒng)的熱值氣體流量計(jì)、DO溶氧儀、壓力傳感器工作正常情況下，具有最大的節(jié)氣效能；人工強(qiáng)制控制是在污水廠污水處理工藝處于非正常運(yùn)行條件下，例如污水負(fù)荷突然大幅度改變、污水含有有毒物質(zhì)、生化反應(yīng)池處于異常狀態(tài)等情況下，直接允許人工操縱的控制方式；安全模式是一種大余度的自動控制方式，用于污水廠污水處理工藝經(jīng)常處于大擾動條件下，比如進(jìn)水的污水負(fù)荷較大范圍的經(jīng)常性變動、進(jìn)入生化反應(yīng)池的水量有較大的變化情況下，大余度控制的本質(zhì)是提高系統(tǒng)抵抗大擾動的能力，提高安全運(yùn)行系數(shù)。AVS精確曝氣流量控制系統(tǒng)達(dá)到的控制目標(biāo)是：以節(jié)能為目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)精確控制，按照需求

13、供氣，降低污水廠單位處理成本；穩(wěn)定活性污泥生物處理環(huán)境，提高活性污泥處理效率；穩(wěn)定出水指標(biāo)，抵御瞬時進(jìn)水負(fù)荷沖擊帶來的排放壓力；精確化和智能化，降低現(xiàn)場工作人員勞動強(qiáng)度。2.2 精確曝氣流量控制原理精確曝氣流量控制原理圖如圖2所示。 曝氣流量控制回路MDODOF曝氣流量配氣模型生物處理過程模型溶氧儀曝氣池P鼓風(fēng)機(jī)目標(biāo)出口壓力前置數(shù)據(jù)進(jìn)水量、生化池溫度液位液位計(jì)曝氣頭歷史數(shù)據(jù): 進(jìn)出水BOD5，CODcr， SSTP，TN（NH3-N），壓力傳感器流量計(jì)流量調(diào)節(jié)閥圖2：精確曝氣量控制原理圖Fig. 2: Diagram of accurate aeration volume control sy

14、stem生物處理是污水處理過程中最重要的工藝處理環(huán)節(jié)，即通過人為地維持好氧環(huán)境（好氧氧化法），使曝氣池（好氧流程）內(nèi)氧含量處于可接受的范圍。在這個范圍內(nèi)，曝氣池中的微生物將維持一系列的生化過程，使污水中的目標(biāo)物質(zhì)（BOD5、CODcr、總磷TP、總氮TN）含量降低，從而達(dá)到排放要求。為了對曝氣池溶解氧（DO）環(huán)境進(jìn)行精確的控制，要對DO的動態(tài)平衡有充分的認(rèn)識，其包含兩個過程：一是氧擴(kuò)散過程，在鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)中主要體現(xiàn)為空氣從曝氣池底部的曝氣頭釋放后，空氣中的氧氣從氣相向液相中轉(zhuǎn)移。二是氧消耗過程，這個過程綜合了好氧處理過程的各種環(huán)節(jié)，包括機(jī)碳去除過程、生物脫氮、生物除磷等，DO的消耗是由上述過程

15、綜合作用的結(jié)果。由于污水廠的進(jìn)水水質(zhì)和水量是變化的，在特定的時間段內(nèi)其耗氧量也是變化的，只有使該時段內(nèi)的供氧量和耗氧量相均衡，才能保證處理環(huán)境的穩(wěn)定，保證出水水質(zhì)。AVS精確流量控制過程包括兩個主要部分內(nèi)容：其一是生物處理模型的設(shè)計(jì)建模過程，即通過對某一特定污水處理廠的歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)（如：進(jìn)水、BOD5，CODcr， SS、TP，TN（NH3-N）等）或在線運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)和分析處理，參見【2】，確定該污水廠生物處理過程的一些特征參數(shù)和補(bǔ)償參數(shù)。再通過仿真，檢驗(yàn)這些特征參數(shù)的有效性。通過這個過程，基本可以獲得該污水處理廠的水平衡（包含污水負(fù)荷）、泥（底物）平衡、氣（曝氣）平衡過程的穩(wěn)態(tài)值及其

16、擾動特征，同時需要考慮一些額外的環(huán)境影響因素，如：溫度、PH值、固體懸浮物MLSS組份等。其二是在線實(shí)時控制過程，即通過建模過程中獲得的特征參數(shù)和補(bǔ)償參數(shù)，經(jīng)模型計(jì)算得出當(dāng)前需要的曝氣量，按照該氣量進(jìn)行精確控制。在控制中需要三種類型的數(shù)據(jù)：經(jīng)過對歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后獲得的特征參數(shù)、由各種擾動帶來的補(bǔ)償參數(shù)、在線數(shù)據(jù)，比如冬天和夏天溫度的不同造成氧消耗特征明顯不同，池底沉淀物濃度的變化也會對氧消耗帶來很大影響。在線數(shù)據(jù)又分為前置數(shù)據(jù)以及目標(biāo)數(shù)據(jù)，前置數(shù)據(jù)是對一些可能會造成擾動的輸入進(jìn)行提前測量，比如水量變化、PH值等水質(zhì)變化，當(dāng)AVS獲得這些在線數(shù)據(jù)后會提前進(jìn)行抑制操作，而不是等到DO值發(fā)生變化后

17、再進(jìn)行調(diào)節(jié)；目標(biāo)數(shù)據(jù)是DO值，系統(tǒng)會對DO值進(jìn)行跟蹤以確定控制結(jié)果。需要指出的是，AVS并非嚴(yán)格依賴DO值進(jìn)行控制，即使在溶氧儀不準(zhǔn)確或損壞的情況下，按照模型中的歷史數(shù)據(jù)及某些前置參數(shù)，仍然可以確保曝氣池安全運(yùn)行，只不過加大抵抗擾動的安全控制余度，表現(xiàn)為DO的真實(shí)平均值上升。3. AVS是基于模型的精確控制污水處理廠生物處理工藝全過程的建模包括：氧擴(kuò)散過程、微生物呼吸過程、有機(jī)碳的吸附過程、氨氮反硝化過程、污泥的回流過程、水力學(xué)過程、處理過程中的擾動處理過程（比如PH值變化、進(jìn)水的有機(jī)物濃度變化、水力擴(kuò)散過程、溫度變化、測量誤差等干擾）。3.1 動力學(xué)模型為了進(jìn)行有效和精確的控制，我們有必要對

18、污水處理的全過程進(jìn)行分析，但是通常DO是快時標(biāo)變量，其動力學(xué)特性是非線性和時變的，依賴簡單控制回路的傳統(tǒng)控制方法無法解決精確控制的問題。必須建立可靠的動力學(xué)模型，該模型應(yīng)該包含歷史經(jīng)驗(yàn)，其控制參數(shù)將會隨著對擾動的測量進(jìn)行增益調(diào)節(jié)，本質(zhì)上形成曝氣流量和生化反應(yīng)池內(nèi)DO值和分布的可靠關(guān)系，但該關(guān)系是非線性和時變的。典型的生物處理有機(jī)碳去除工藝可以簡化為如圖3所示的處理流程圖。其中我們假設(shè)，沉淀池為理想沉淀狀態(tài)。 圖3：生物處理工藝基本流程圖。Fig. 3: The flow chart of biologic treatment.在動態(tài)系統(tǒng)中，由有機(jī)碳、溶解氧和異氧菌的濃度可以由微分方程組來描述，

19、即其中，狀態(tài)變量，分別為曝氣池底沉淀物、溶解氧和異氧菌的濃度，控制變量。作為示例，我們考慮以下的模型：在該模型中，取曝氣流量為控制變量。狀態(tài)參數(shù)的初始值，其余各參數(shù)的物理意義和取值見【1】。推導(dǎo)中假設(shè)了出水中沒有微生物，出水、剩余污泥和回流污泥中沒有之間溶解氧，而且空氣流量和氧總轉(zhuǎn)移系數(shù)為指數(shù)關(guān)系（即Monod模型）。數(shù)值試驗(yàn)表明該系統(tǒng)是一剛性(stiff)問題，在數(shù)值求解中應(yīng)特別小心。在數(shù)值試驗(yàn)中，進(jìn)水流量設(shè)為干擾變量，它在一個周期（24小時）內(nèi)隨時間的變化假設(shè)如圖4所示。相應(yīng)地，生物反應(yīng)池中溶解氧濃度也呈現(xiàn)出周期性地變化趨勢，見圖5中的虛線所示。可以看到，溶解氧濃度波動范圍很大。下文要進(jìn)行

20、的優(yōu)化控制，就是要在不增加總的曝氣量的條件下，通過對曝氣量的控制來抑制生物反應(yīng)池中溶解氧濃度的波動，使其達(dá)到一個較為穩(wěn)定的狀態(tài)。圖4：進(jìn)水量的變化曲線。Fig. 4: Water inflow.3.2 曝氣量優(yōu)化控制如前所述，生物反應(yīng)池中溶解氧濃度的控制是污水處理工藝中非常關(guān)鍵而且非常困難的一個環(huán)節(jié)。Olsson和Newell【2】給出的控制方案中，把空氣流量與溶解氧濃度的誤差聯(lián)系起來，即其中，控制誤差是溶解氧濃度的設(shè)定值與其真實(shí)值之間的差，通過控制使其滿足。按照該控制規(guī)律，空氣流量是一隨時間實(shí)時變化的量。顯然，這將給實(shí)際控制過程帶來很多困難。在本文的研究中，考慮用分段常值(piecewise

21、 constant)的函數(shù)來逼近控制變量。把一個周期等分為個階段，在階段中，空氣流量取為定值，這樣就沒有必要對曝氣量進(jìn)行實(shí)時控制，減少了系統(tǒng)的控制成本。為達(dá)到控制目的，即溶解氧濃度的波動盡可能的小，我們考慮最優(yōu)化問題其中為權(quán)數(shù)，用于調(diào)節(jié)溶解氧濃度的波動和空氣流量之間的相對比重，為溶解氧濃度的期望值；而且。為求解該最優(yōu)化控制問題，引入對偶變量，根據(jù)龐特里亞金原理，對偶變量應(yīng)滿足的動力學(xué)方程為：其初始值是自由的，而應(yīng)滿足終止值條件。上式稱為對偶方程，它不同于一般的初始值問題，但通過引入時間變換可以轉(zhuǎn)化為通常的初始值問題。在數(shù)值試驗(yàn)中，我們先求解狀態(tài)參數(shù)的滿足的ODE方程組，然后把狀態(tài)參數(shù)作為已知量

22、，進(jìn)而求解其對偶方程組。有了狀態(tài)參數(shù)和對偶變量后，就可以求得目標(biāo)函數(shù)相對于控制變量的一階導(dǎo)數(shù)值。在數(shù)值優(yōu)化中，我們運(yùn)用最速下降法，其中，是一步長參數(shù)，可由經(jīng)驗(yàn)或其他方法給出。圖6是優(yōu)化過程中溶解氧濃度的變化曲線圖。圖5：優(yōu)化過程中溶解氧濃度曲線。Fig. 5: DO concentrations during the optimization process. 圖中虛線所示為優(yōu)化前溶解氧濃度的初始曲線，其波動超過了±1mg/L。可以看到，隨著優(yōu)化過程的進(jìn)行，溶解氧濃度的波動程度逐漸減小，最終減至±0.2mg/L，即（2.8±0.2）mg/L。圖5中右縱座標(biāo)所示是曝

23、氣量，總的曝氣量比優(yōu)化前減小了5.36%。可以看到，曝氣量隨時間的變化趨勢基本與進(jìn)水量的變化趨勢相一致。這里需要指出，以上僅以水量的變化以及如何抑制水量變化對DO的影響作為示例?？膳c此類似地計(jì)算其它相關(guān)各量。3.3 控制模型的適用性考慮AVS系統(tǒng)建模采用了國際水協(xié)會（IWA）的活性污泥數(shù)學(xué)模型，在眾多的活性污泥數(shù)學(xué)模型中，由國際水協(xié)會（IWA）推出的活性污泥數(shù)學(xué)模型（ASM13）代表當(dāng)今最新活性污泥模型研究的最高水平。國際水協(xié)于1987年推出活性污泥1號模型（ASM1），引起了強(qiáng)烈的反響。隨著對活性污泥法機(jī)理研究的深入、分析測試水平及計(jì)算能力的提高，該模型不斷地發(fā)展。國際水協(xié)相繼于1995年推

24、出了活性污泥2號模型（ASM2），1998年推出了3號模型（ASM3），1999年又把2號模型ASM2拓展為ASM2d，這些都極大地推動了活性污泥法數(shù)學(xué)模型的研究。這些模型可方便地用于新建、改建污水處理廠的方案設(shè)計(jì)，也可用于已有污水處理廠的靜態(tài)、動態(tài)模擬和運(yùn)行狀況預(yù)測、以及運(yùn)行工藝改進(jìn)。ASM2包含ASM1的所有工藝過程，即碳和氮的去除，還包含生物除磷過程，增加了厭氧水解、發(fā)酵及生物除磷、化學(xué)除磷的8個反應(yīng)過程。它含19種組分、19種反應(yīng)、22個化學(xué)計(jì)量系數(shù)及42個動力學(xué)參數(shù)，但還是不能完全準(zhǔn)確地反映活性污泥系統(tǒng)中的生物除磷過程。國際水協(xié)數(shù)學(xué)模型課題組對ASM2進(jìn)行了補(bǔ)充，成為ASM2d。它加

25、入了聚磷菌的缺氧條件下的生長過程，使其含19種組分、21種反應(yīng)、22個化學(xué)計(jì)量系數(shù)及45個動力學(xué)參數(shù)。ASM系列模型已經(jīng)廣泛的用于污水處理廠的設(shè)計(jì)、過程模擬，為工藝設(shè)計(jì)師和研究人員提供了極為方便的研究工具。但ASM系列模型在污水處理廠的在線控制領(lǐng)域仍然有很多的困難，主要原因如下：1) ASM模型的構(gòu)造在理論上相當(dāng)完美，但要把其直接使用在污水廠在線控制中，面臨的主要困難是：污水廠的在線分析儀表非常有限（沒有實(shí)驗(yàn)室那樣有完善的實(shí)驗(yàn)條件），通常無法滿足ASM模型的輸入要求，只能以估計(jì)值作為輸入，無形之中降低了ASM模型的高度解析的模型要求；2) ASM2D模型中雖然包含了生物脫氮、除磷的解析模型，然

26、而其推出時間是在1999年，就其應(yīng)用而言，主要還是在設(shè)計(jì)研究的范圍之內(nèi)，雖然在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中有大量驗(yàn)證性文章，但直接用于污水處理廠的在線脫氮、除磷控制，尚未檢索到完整的在線控制實(shí)施案例；3) 利用ASM模型用于在線控制，必須考慮到在線儀表會經(jīng)常出現(xiàn)各種故障，如果完全依賴儀表進(jìn)行自動控制，則有不可預(yù)知的風(fēng)險。因此，基于上述原因的綜合考慮，需要在完美的理論模型和現(xiàn)實(shí)控制之間找到契合點(diǎn)，需要在原來模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性改造，以適合各類污水處理廠的實(shí)際條件 。每一座污水處理廠具有一個獨(dú)特的內(nèi)在活性污泥處理模型，而且隨著鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)效率、配氣輸送系統(tǒng)損耗、活性生物量、進(jìn)水負(fù)荷（進(jìn)水水量、組份）的長時間運(yùn)行變

27、化，該模型會逐漸變化。因此需要通過定期校準(zhǔn)和檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，使系統(tǒng)具備對模型漸變的持續(xù)跟蹤能力，從而適應(yīng)每座長久運(yùn)行的污水處理廠生物處理工藝過程的漸變需要。4. AVS系統(tǒng)的實(shí)踐應(yīng)用日處理能力為6萬m3的上海桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠采用序批式活性污泥法(SBR)處理工藝，處理的污水主要是桃浦工業(yè)區(qū)的工業(yè)廢水和部分城市污水。結(jié)合桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠的改造工程，AVS系統(tǒng)設(shè)備于2005年9月10日開始在現(xiàn)場安裝，經(jīng)過各設(shè)備單體安裝調(diào)試完成后，生物處理工藝調(diào)試于11月29日進(jìn)行，試運(yùn)行自2006年1月份開始。4.1 AVS應(yīng)用試驗(yàn)方法和調(diào)試桃浦工業(yè)區(qū)污水處理廠共有三組SBR生物處理單元，每組處理單元分為4個池

28、， 其中2、3號中間兩池為常曝氣區(qū)，1、4號兩側(cè)池為交替曝氣和沉淀。本次應(yīng)用試驗(yàn)確定了以第二組單元采用AVS精確曝氣系統(tǒng)進(jìn)行控制，稱作試驗(yàn)池，日處理量為2萬噸；第三組單元沿用以前的控制模式，稱作對比池，日處理量同樣為2萬噸；兩組池子均獨(dú)立計(jì)量常曝氣區(qū)的曝氣流量。在試驗(yàn)池常曝氣總管上安裝一只DN600的流量調(diào)節(jié)閥，同時安裝熱值氣體流量計(jì)和壓力變送器。在對比池常曝氣總管上安裝熱值氣體流量計(jì)，試驗(yàn)池的安裝布局如圖6所示。圖6 試驗(yàn)單元的安裝布局圖Fig. 6: Configuration of testing unit試驗(yàn)分為三個階段，第一階段是建立模型，確定桃浦污水處理廠生物處理的特征參數(shù)；第二階

29、段是根據(jù)第一步的確定的模型進(jìn)行調(diào)試，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行修正；第三階段為試運(yùn)行，用以驗(yàn)證精確控制的效果。首先對桃浦污水處理廠歷年的運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括環(huán)境數(shù)據(jù)（季節(jié)因素、溫度、大氣壓、水溫、PH值、曝氣SBR池體積等）、動力學(xué)數(shù)據(jù)（歷史曝氣量、歷史進(jìn)出水流量、出水DO濃度、池中DO濃度及其分布特征、MLSS，進(jìn)出水BOD5，CODcr，SS、TN，TP等），結(jié)合運(yùn)行中的工藝參數(shù)，在完成對上述數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)性分析后，可獲得桃浦污水廠的模型的基本構(gòu)型及特征參數(shù)的取值范圍。歷史數(shù)據(jù)沿用了桃浦污水處理廠歷年的運(yùn)行數(shù)據(jù)、化驗(yàn)室數(shù)據(jù)。在線數(shù)據(jù)共采集了包括：分析儀表信號、工藝信號等投運(yùn)需要的30個在線數(shù)據(jù)

30、，以每5秒記錄一次的方式，將所有數(shù)據(jù)計(jì)入數(shù)據(jù)庫，每日記錄的數(shù)據(jù)量約為15M。在線控制的數(shù)據(jù)采樣率為每秒10次，以PLC的采樣周期為準(zhǔn)。本次應(yīng)用試驗(yàn)?zāi)康氖牵涸谕裙r條件下，確定試驗(yàn)池所需要的真實(shí)曝氣量，與對比池進(jìn)行比較；通過對曝氣量的調(diào)節(jié)，驗(yàn)證精確調(diào)節(jié)曝氣池內(nèi)DO值的方法，降低DO波動，穩(wěn)定生化環(huán)境；確定采用AVS系統(tǒng)后的節(jié)氣量，為將來的節(jié)能改造提供技術(shù)保證和依據(jù)；檢驗(yàn)采用AVS系統(tǒng)控制后的總出水情況，確保出水達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。在調(diào)試中，發(fā)現(xiàn)進(jìn)出水工藝交替時，由于污泥流向發(fā)生變化，對溶解氧帶來很大的沖擊，如圖8中對比池DO呈周期性的波動，符合桃浦污水處理廠運(yùn)行中工藝輪換周期。出于這種情況，對模型進(jìn)

31、行了進(jìn)一步的修正，使其能夠提前抵御工藝交替帶來的影響。注：以上數(shù)據(jù)來自桃浦污水廠2006年4月5-9日運(yùn)行數(shù)據(jù)圖7 試驗(yàn)單元和對比單元在線溶解氧值（調(diào)試后）Fig. 7: DO in testing unit and comparison unit (after debugging)4.2 AVS系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)用效果采用了AVS精確曝氣控制以后，經(jīng)過了近5個月的調(diào)試和試運(yùn)行以后，基本達(dá)到了應(yīng)用試驗(yàn)的預(yù)期效果，具體如下：在試運(yùn)行期間，經(jīng)模型調(diào)節(jié)后試驗(yàn)池的曝氣量明顯低于對比池的曝氣量，連續(xù)記錄了1個月的曝氣流量數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)池相對對比池節(jié)約曝氣量30.51%；檢測同期出水結(jié)果無明顯變化?；緦?shí)現(xiàn)了溶解氧的穩(wěn)定控制，參見圖8。在任意給定的DO設(shè)定值（試驗(yàn)中取2.2，2.5，2.8，3.0）下，52%的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了±0.2范圍內(nèi)的波動，在91%的時間內(nèi)實(shí)現(xiàn)了在±0.5范圍內(nèi)的波動。DO設(shè)定值的取值范圍