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作者簡(jiǎn)介：朱學(xué)峰（1940-），男，山東青島人，教授，博導(dǎo)，碩士，1965年華南工學(xué)院碩士畢業(yè)，1980、1992分別在美國(guó)Lehigh大學(xué)、加州大學(xué)Santa Barbara當(dāng)訪問(wèn)學(xué)者和訪問(wèn)教授。歷任華南理工大學(xué)電子與信息學(xué)院自動(dòng)化學(xué)院院長(zhǎng)、校長(zhǎng)助理。主要研究方向?yàn)檫^(guò)程控制，智能檢測(cè)與智能控制，圖像處理與應(yīng)用。
其它作者：黃道平，男，自動(dòng)化學(xué)院教授，博導(dǎo)，博士學(xué)位；李艷，女，自動(dòng)化學(xué)院講師，博士學(xué)位。
摘 要：污水生化處理是利用微生物清除污水中有機(jī)污染物的一種有效方法，是當(dāng)前處理工業(yè)有機(jī)污水和城市生活污水的主要手段。本文就污水生化處理過(guò)程的控制與優(yōu)化方面論述了目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展概況，指出了國(guó)內(nèi)在技術(shù)方面存在的問(wèn)題和提出今后的研究方向與具體研究?jī)?nèi)容。
關(guān)鍵詞：污水處理過(guò)程；控制；節(jié)能；優(yōu)化
1 引言
據(jù)2008《中國(guó)水業(yè)市場(chǎng)統(tǒng)計(jì)分析》統(tǒng)計(jì)，截至2008年6月，中國(guó)已建成的污水處理廠約有1400座，在建的污水處理廠達(dá)1004座，預(yù)計(jì)到2010年底，中國(guó)污水處理廠將達(dá)到3000座。
我國(guó)城市污水年排放量大約在420億噸，但是城市污水的處理率僅為30%，二級(jí)處理率為15%。大量城市污水未經(jīng)任何有效的收集處理就直接排放到附近的水體，使得原本具有泄洪和美化景觀作用的河渠變成了污水渠。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市污水排放量迅速增長(zhǎng)，大量未經(jīng)處理的城市污水排放到地表水系，造成水環(huán)境的嚴(yán)重污染，危害居民身體健康。城市污水處理涉及到環(huán)境和資源的可持續(xù)發(fā)展，是節(jié)能減排的重要組成部分。
污水也是一種資源，是可以再生和利用的水資源。污水資源化是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)的要求，是實(shí)現(xiàn)水資源優(yōu)化配置的重要環(huán)節(jié)，我國(guó)大中型城市立足于本地自有水源，最大限度地實(shí)現(xiàn)污水的再生利用，將污水處理回用作為城市用水的第二水源，可以在一定程度上緩解缺水問(wèn)題，有效減少城市水污染，提高城市供水可靠性，創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。
與國(guó)外污水處理行業(yè)相對(duì)比，我國(guó)的污水處理系統(tǒng)主要存在以下問(wèn)題：
（1）在資金投入方面，我國(guó)在污水處理領(lǐng)域的投入嚴(yán)重不足。目前，污水處理投入約占我國(guó)GDP的0.02-0.03%，污水處理行業(yè)落后，污水處理率低。美國(guó)平均1萬(wàn)人擁有一座污水處理廠，瑞典和法國(guó)每5000人有一座污水處理廠，英國(guó)和德國(guó)每7000-8000人有一座污水處理廠，新加坡和瑞典在1989年城市污水處理率就已經(jīng)達(dá)到100%。
（2）相對(duì)于國(guó)外的污水處理廠，我國(guó)的污水處理廠管理水平低。在我國(guó)，處理過(guò)程中的主要工藝參數(shù)與設(shè)備運(yùn)行參數(shù)靠人工經(jīng)驗(yàn)設(shè)定。而國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家污水處理廠的運(yùn)行管理自動(dòng)控制水平高，從大型污水廠到小型氧化塘，大多實(shí)現(xiàn)了計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制，遙控和閉路電視監(jiān)控等，現(xiàn)代化手段被廣泛應(yīng)用。如英國(guó)的泰晤士河的威特尼伊污水處理廠早在1980年就安裝了自動(dòng)化儀表設(shè)備，從而使污水處理過(guò)程完全由計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)控制，全廠只需兩個(gè)人值班操縱管理。
（3）檢測(cè)儀表與成套設(shè)備研發(fā)相對(duì)落后。由于國(guó)內(nèi)起步晚、技術(shù)落后，國(guó)產(chǎn)檢測(cè)儀表精度較差，可靠性不高，種類少。國(guó)內(nèi)許多污水處理廠目前仍采用國(guó)外進(jìn)口的設(shè)備與儀表，價(jià)格昂貴，后期維護(hù)費(fèi)用高。而且，就算使用國(guó)外檢測(cè)儀表，目前對(duì)于污水處理過(guò)程而言，品種還是遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏少。
（4）對(duì)于污水處理全過(guò)程的建模、控制與優(yōu)化缺乏深入研究與實(shí)踐。我國(guó)大部分污水處理廠檢測(cè)與控制水平低，多為人工操作，憑經(jīng)驗(yàn)設(shè)置工藝和控制參數(shù)。以曝氣環(huán)節(jié)為例，大部分污水處理廠的曝氣過(guò)程多采用人工控制，經(jīng)常過(guò)量曝氣導(dǎo)致能源浪費(fèi)嚴(yán)重，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)談不上對(duì)污水處理過(guò)程中的生化過(guò)程的精確建模和優(yōu)化控制。
為了改變這一落后狀況，我國(guó)第十一個(gè)五年計(jì)劃（2006年—2010年）中的“十一五”環(huán)境保護(hù)重點(diǎn)工程中提到：
污水處理工程：新增城鎮(zhèn)污水處理規(guī)模4500萬(wàn)噸/日，改造和完善現(xiàn)有污水處理廠及配套管網(wǎng)，配套污泥安全處置和再生水利用。
加快城市污水處理與再生利用工程建設(shè)：到2010年，所有城市都要建設(shè)污水處理設(shè)施，城市污水處理率不低于70%，全國(guó)城市污水處理能力達(dá)到1億噸/日。加強(qiáng)污水處理廠的監(jiān)管，所有污水處理廠全部安裝在線監(jiān)測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)污水處理廠運(yùn)行和排放的實(shí)時(shí)監(jiān)控。不斷提高城鎮(zhèn)污水收集的能力和污水處理設(shè)施的運(yùn)行效率，保證污水處理廠投入運(yùn)行后的實(shí)際處理負(fù)荷，在一年內(nèi)不低于設(shè)計(jì)能力的60%，三年內(nèi)不低于設(shè)計(jì)能力的75%。
2 戰(zhàn)略意義
（1）污水處理全流程的檢測(cè)、控制與優(yōu)化技術(shù)是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排總體目標(biāo)的迫切需要
截至2008年3月份統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國(guó)共有污水處理廠1321座，總處理能力為8043萬(wàn)m3/d，投資總規(guī)模為1615.4億元，平均負(fù)荷率為63.74%，平均達(dá)標(biāo)率為91.35%。到2010年將建成污水處理廠3000座，估計(jì)處理率為60%。
美國(guó)擁有18000座污水處理廠，污水處理率達(dá)90%以上，我國(guó)污水處理廠運(yùn)行費(fèi)用龐大，噸水耗電是發(fā)達(dá)國(guó)家的兩倍，完全可以通過(guò)改進(jìn)控制與優(yōu)化策略，提高負(fù)荷率，極大的節(jié)約能源。
以千噸電耗120～180度電計(jì)算，規(guī)劃到2010年污水處理1億噸/日，根據(jù)目前的研究表明，采用全流程建模、控制與優(yōu)化策略，保守估計(jì)有10%左右的節(jié)電空間，以上述數(shù)據(jù)估算，污水處理領(lǐng)域普遍提高控制水平，每天將節(jié)電0.12～0.18億度電，年節(jié)約用電44～66億度電能。國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視通過(guò)先進(jìn)控制技術(shù)節(jié)約能源，例如DO的合理控制能節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用，保證出水水質(zhì)，瑞典Kallby污水處理廠，通過(guò)DO設(shè)定值優(yōu)化，曝氣能耗降低32%。
（2）污水處理全流程的檢測(cè)、控制與優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)節(jié)約投資，提高運(yùn)營(yíng)效率的迫切需要
我國(guó)的污水處理行業(yè)，由于缺少對(duì)于處理水質(zhì)的精確建模和處理過(guò)程的優(yōu)化控制，為了在最惡劣的入水水質(zhì)情況下，也能保證出水水質(zhì)，一般會(huì)采取加大處理設(shè)施的容量的方法，使得建廠成本加大，且日常運(yùn)營(yíng)能量消耗增加。對(duì)于已建廠，通常也會(huì)通過(guò)加大各工藝變量的安全裕量，“保守運(yùn)行”，造成處理能力和能源的浪費(fèi)。通過(guò)控制與優(yōu)化技術(shù)，可以極大提高污水處理廠的處理能力，例如丹麥Aars市污水處理廠，通過(guò)控制和優(yōu)化提高了15%的處理能力。我國(guó)在加大污水處理領(lǐng)域投入的同時(shí)，非常有必要對(duì)已有的管網(wǎng)和污水處理廠挖掘潛力，利用先進(jìn)的建模與控制技術(shù)，配合污水處理工藝的選擇，提高處理能力。
（3）污水處理全流程的檢測(cè)、控制與優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)的需要
隨著全社會(huì)對(duì)于環(huán)境保護(hù)的日益重視，國(guó)家對(duì)于污水處理系統(tǒng)的出水水質(zhì)必將提出越來(lái)越嚴(yán)格的要求，而目前我國(guó)大部分的污水處理企業(yè)仍然停留在人工控制或者簡(jiǎn)單PID控制的階段，很難保證污水處理全流程的穩(wěn)定運(yùn)行，使出水水質(zhì)經(jīng)常不能不達(dá)標(biāo)、污泥膨脹等生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生。污水處理廠的工藝人員迫切需要與控制工程師相結(jié)合，對(duì)于污水的入水水質(zhì)、生化反應(yīng)過(guò)程、出水水質(zhì)波動(dòng)等各種在線、離線檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行科學(xué)分析，結(jié)合智能檢測(cè)、診斷與控制技術(shù)開(kāi)展全流程的綜合控制與優(yōu)化，以保證在各種干擾條件下出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。例如：采用“前饋+反饋+控制模型”組合控制技術(shù)，以污水處理廠進(jìn)水區(qū)的進(jìn)水流量、進(jìn)水水質(zhì)檢測(cè)值為前饋信號(hào)、生化處理池中溶解氧檢測(cè)儀、氨氮檢測(cè)儀、污泥濃度計(jì)、液位計(jì)、溫度、pH、出水水質(zhì)檢測(cè)值等作為反饋信號(hào)、設(shè)定最佳DO值，控制鼓風(fēng)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)計(jì)算為了維持當(dāng)前的好氧生化環(huán)境所需的供氣量，不僅可使運(yùn)行過(guò)程能耗與實(shí)際需求匹配，而且能夠更好的保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
（4）污水處理過(guò)程的檢測(cè)技術(shù)與控制設(shè)備研發(fā)是確保污水處理事業(yè)自主健康發(fā)展的需要
長(zhǎng)期以來(lái)，我國(guó)的污水處理技術(shù)研究以單項(xiàng)優(yōu)勢(shì)為主，偏重于工藝性能的研究，缺乏對(duì)不同處理系統(tǒng)的綜合評(píng)價(jià)，也缺乏系統(tǒng)性的比較研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)體系，因此長(zhǎng)期以來(lái)國(guó)外的新技術(shù)和新產(chǎn)品不斷沖擊國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品無(wú)法在市場(chǎng)上占有一席之地。
今后污水處理設(shè)備國(guó)產(chǎn)化工作要加大力度向前推進(jìn)，并要調(diào)整科技關(guān)的思路，將工藝研究，設(shè)備開(kāi)發(fā)與自動(dòng)控制密切結(jié)合，在推廣應(yīng)用先進(jìn)工藝技術(shù)的同時(shí)推出高質(zhì)量的檢測(cè)儀表，成套設(shè)備與先進(jìn)控制系統(tǒng)，為水工業(yè)工程建設(shè)和技術(shù)改造提供全面的技術(shù)支持。
3 國(guó)內(nèi)外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
（1）污水生化處理過(guò)程智能建模與預(yù)測(cè)方法
污水生化處理是一個(gè)十分復(fù)雜的非線性的生化反應(yīng)過(guò)程，有著嚴(yán)重的不確定性，難以建立精確的數(shù)學(xué)模型。復(fù)雜的數(shù)學(xué)模型包括許多生化反應(yīng)過(guò)程，由于一些測(cè)量數(shù)據(jù)的不足，很難獲得未知?jiǎng)恿W(xué)參數(shù)的可靠估計(jì)，不能反映真實(shí)的污水生化處理過(guò)程。智能算法的出現(xiàn)使復(fù)雜系統(tǒng)建模成為可能。Andrea等采用多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BP）建模方法建立污水處理系統(tǒng)模型。余穎等采用自適應(yīng)模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANFIS）建立活性污泥法污水處理過(guò)程模型，其收斂速度較快、樣本需要量較少。Wan將人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（ANN）與GA結(jié)合，用于污水廠出水水質(zhì)預(yù)報(bào)及控制參數(shù)優(yōu)化，建成的模型具有自組織、自學(xué)習(xí)能力，對(duì)出水水質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率達(dá)到了70%。
（2）污水生化處理過(guò)程的優(yōu)化控制研究
國(guó)外在風(fēng)量?jī)?yōu)化控制方面進(jìn)行了一些研究，常用的方法主要是基于溶解氧目標(biāo)值的PID控制，但是，由于污水生化處理過(guò)程的非線性、時(shí)滯及溶解氧目標(biāo)值時(shí)變性，使PID控制很難跟蹤溶解氧目標(biāo)值。在PID控制基礎(chǔ)上發(fā)展了變?cè)鲆娴腜ID控制、模糊PD控制，這些方法仍然不能解決過(guò)程不確定性問(wèn)題。為此，有人采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)診斷、模糊專家控制等智能控制方法，但是，對(duì)于復(fù)雜的污水生化處理過(guò)程，學(xué)習(xí)樣本有限和專家知識(shí)不足，使這些方法的效果不明顯。日本東芝公司提出的分層最小成本優(yōu)化控制是目前較好的解決方法，但是，該方法只是局部最優(yōu)，沒(méi)有考慮全局最優(yōu)問(wèn)題。因此，在污水生化處理的節(jié)能優(yōu)化控制方面還有很多問(wèn)題有待深入研究。
國(guó)內(nèi)的污水處理過(guò)程的自動(dòng)化水平仍相當(dāng)落后，大多數(shù)只停留在數(shù)據(jù)采集和簡(jiǎn)單控制（如提升泵、污泥回流泵、鼓風(fēng)機(jī)的開(kāi)關(guān)控制）的水平上。污水處理過(guò)程建模和控制方面的研究剛起步，杜樹(shù)新對(duì)污水生化處理過(guò)程建模與控制的國(guó)外研究狀況進(jìn)行了綜述，劉超彬等對(duì)污水處理過(guò)程中溶解氧采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制方法，并進(jìn)行了仿真研究。范昕煒等采用支持向量機(jī)在污水生化處理的建模方面做了一些研究工作。叢秋梅等提出了一種基于活性污泥過(guò)程機(jī)理的遞階神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模方法。楊志、范石美、袁德成等人在溶解氧的控制方面采用了仿人智能、自適應(yīng)、專家知識(shí)等方法。目前，這些控制方法暫時(shí)還不能適應(yīng)污水生化處理的非線性、時(shí)變、時(shí)滯和不確定性，有限的專家知識(shí)庫(kù)也不能完全反映污水生化處理過(guò)程。并且這些研究基本上都限于溶解氧的單變量建模與控制，實(shí)際污水處理過(guò)程中，僅靠溶解氧一個(gè)指標(biāo)是不能夠判斷污水處理質(zhì)量的，氨的含量也是影響污水處理質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，所以說(shuō)在污水處理中要考慮到溶解氧、氨等多個(gè)變量因素，有關(guān)污水生化處理過(guò)程的多變量的建模與節(jié)能優(yōu)化控制的研究論文報(bào)道很少見(jiàn)。
（3）污水生化處理過(guò)程的診斷模型研究
在污泥活性診斷模型研究方面，研究工作主要集中于：
①各反應(yīng)階段的優(yōu)勢(shì)菌群及其生長(zhǎng)特性；
②污泥濃度和污泥齡的控制。
雖然國(guó)內(nèi)外針對(duì)優(yōu)勢(shì)菌群的反應(yīng)機(jī)理和生長(zhǎng)特性的研究比較深入，但是如何通過(guò)污水處理廠的控制手段實(shí)現(xiàn)生物種群的優(yōu)化還處于起步階段。大多根據(jù)工藝機(jī)理與工藝人員的經(jīng)驗(yàn)，采用控制污泥濃度、污泥齡以及污水生化反應(yīng)的溶解氧濃度、pH值等手段實(shí)現(xiàn)。在活性污泥異常情況研究方面，大部分的研究集中在污泥膨脹方面，在污泥膨脹的可能原因和生化機(jī)理方面取得了一些理論成果，但是還沒(méi)有建立控制污泥膨脹的通用數(shù)學(xué)模型，相應(yīng)的決策專家系統(tǒng)多根據(jù)工藝機(jī)理和管理人員的經(jīng)驗(yàn)搭建而成，具有主觀性和不完整性，缺少對(duì)定性數(shù)據(jù)的嚴(yán)格分析。世界各地的污水處理廠仍然經(jīng)常發(fā)生原因不明的污泥膨脹，嚴(yán)重影響污水處理廠的正常運(yùn)行。
（4）軟測(cè)量技術(shù)及特殊生物傳感器的研究與應(yīng)用
生產(chǎn)過(guò)程中的最重要的一些工藝參數(shù)的在線測(cè)量?jī)x表缺乏，雖然在90年代末期到本世紀(jì)初一些發(fā)達(dá)國(guó)家先后研制出來(lái)了一些能自動(dòng)測(cè)量的儀器（如BOD、COD自動(dòng)測(cè)量?jī)x等），但普遍存在的問(wèn)題是價(jià)格特別昂貴、維護(hù)困難、檢測(cè)周期長(zhǎng)（15～30分鐘）、穩(wěn)定性不好、重復(fù)性差。因此，國(guó)內(nèi)外有不少專家，學(xué)者為解決上述問(wèn)題進(jìn)行了軟測(cè)量技術(shù)的研究。
成套的人工智能軟測(cè)量軟件（包括BOD、COD、TN、TP等工藝參數(shù)的軟測(cè)量），目前國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上還沒(méi)有現(xiàn)成的產(chǎn)品。在一些環(huán)境保護(hù)和自動(dòng)控制的專業(yè)雜志上出現(xiàn)過(guò)一些有關(guān)論文，都是針對(duì)某種工藝的實(shí)驗(yàn)室研究課題，暫時(shí)還沒(méi)有中試和形成產(chǎn)品的報(bào)道。因此，軟測(cè)量技術(shù)在污水處理過(guò)程的應(yīng)用還要進(jìn)行大量、深入的研究，使其早日產(chǎn)品化。
此外，工業(yè)污水的排放對(duì)城市污水處理廠的穩(wěn)定運(yùn)行帶來(lái)安全隱患。目前還沒(méi)有針對(duì)污水入水的生物毒性檢測(cè)儀表，相關(guān)研究具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，可以有效測(cè)定具有某些特定功能的微生物數(shù)量（如硝化細(xì)菌、反硝化細(xì)菌、聚磷菌）的生物量傳感器也是急需研發(fā)的傳感器。
4 技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)與當(dāng)前應(yīng)該主要研究的共性、關(guān)鍵技術(shù)
（1）整體性
污水處理的技術(shù)發(fā)展需要考慮整個(gè)供水、管網(wǎng)、污水處理、中水回用與污泥處理。從污水處理工藝的選擇到污水處理廠的前期建設(shè)、污水處理過(guò)程的建模、控制與優(yōu)化以及日常維護(hù)都需要系統(tǒng)規(guī)劃，為了實(shí)現(xiàn)污水處理系統(tǒng)的高效運(yùn)行，需要將排水管網(wǎng)、泵站和污水處理系統(tǒng)作為整體考慮。
（2）適用性
污水處理過(guò)程控制具有顯著的非線性、大滯后、多變量、時(shí)變性的特點(diǎn)，且核心處理單元為生化反應(yīng)過(guò)程，特別對(duì)于連續(xù)型工藝，必需保證污水處理廠的良好運(yùn)行，使得收集的污水得到及時(shí)有效處理，為此，需要研究專門(mén)的，適用于污水處理過(guò)程的先進(jìn)控制策略、可靠的生化檢測(cè)儀表與專用設(shè)備。
（3）模型化
為了更好的進(jìn)行控制與優(yōu)化，更好對(duì)污水處理過(guò)程的工況進(jìn)行預(yù)測(cè)與診斷，必需為污水處理過(guò)程建立模型。模型的建立除了參考國(guó)際水協(xié)的數(shù)學(xué)模型，還應(yīng)根據(jù)工廠的具體情況進(jìn)行模型設(shè)計(jì)與優(yōu)化，除了生化反應(yīng)過(guò)程的有機(jī)物去除、脫氮除磷數(shù)學(xué)模型，還要為二沉池、曝氣系統(tǒng)、污泥處置等環(huán)節(jié)建立有效的數(shù)學(xué)模型。
（4）智能化
污水處理過(guò)程中的有效信息有一大部分屬于感官與經(jīng)驗(yàn)描述，例如生化反應(yīng)池池面的氣味、顏色、氣泡情況等，考慮到各種干擾的情況以及在線傳感器經(jīng)常發(fā)生檢測(cè)偏差，對(duì)污水處理這種復(fù)雜的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行人工智能控制成為重要的發(fā)展趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外已有大量人工智能控制方法，包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制、專家系統(tǒng)等用于污水處理過(guò)程的建模、控制與診斷，取得很多研究成果，但是距離實(shí)際工程應(yīng)用還有很大距離。此外，將感官信息和圖像信息與數(shù)據(jù)信息一起進(jìn)行反饋，組成智能反饋控制系統(tǒng)也將是一個(gè)十分值得研究的方向。
（5）集成化
將先進(jìn)的污水處理廠工藝過(guò)程控制系統(tǒng)集成到專用硬件平臺(tái)，為污水處理廠集成控制系統(tǒng)提供專門(mén)的集成控制器，控制器的輸入例如美國(guó)美生公司的生物池工藝智能優(yōu)化系統(tǒng)（BIOS）。
5 今后主要的研究方向與內(nèi)容
5.1 污水處理節(jié)能降耗的控制與優(yōu)化技術(shù)研究
（1）工藝目標(biāo)值設(shè)定的最優(yōu)化
研究不同工藝條件下的污水處理過(guò)程的代價(jià)函數(shù)，綜合考慮排放水質(zhì)成本（BOD、COD、TN、TP）以及運(yùn)行成本（鼓風(fēng)機(jī)耗電量、泵耗電量、污泥處理成本、藥劑成本等），建立評(píng)價(jià)函數(shù)，并采用最優(yōu)化理論和方法，確定使得代價(jià)函數(shù)取最優(yōu)值情況下的工藝設(shè)定值（氨氮、硝酸銨、磷酸鹽、溶解氧）以及操作量目標(biāo)值（回流量、排泥量等），從而對(duì)污水處理過(guò)程參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)定。
圖1 考慮排放代價(jià)的成本構(gòu)成
（2）曝氣量智能控制
污水生化處理的好氧反應(yīng)是重要的反應(yīng)階段，目前國(guó)內(nèi)外的污水生化處理的加氧工作都是采用大功率的鼓風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，需要消耗大量的電能，如何實(shí)現(xiàn)節(jié)能控制，降低成本，是目前國(guó)內(nèi)外需要認(rèn)真考慮的問(wèn)題。污水中的微生物對(duì)氧的需求量是一定的，少了會(huì)降低水質(zhì)，多了不僅不能保證水質(zhì)，而且還浪費(fèi)能源，通常以溶解氧的含量來(lái)判斷某個(gè)時(shí)候供氧量是否合適。但是，所需要的溶解氧不應(yīng)該是一個(gè)定值，它是隨著污水的濃度、天氣、氣溫、時(shí)間變化的函數(shù)。為此，需要研究在不同工況條件下，溶解氧設(shè)定值的優(yōu)化。這建立污水生化處理過(guò)程的溶解氧變化的模型，并依據(jù)該模型對(duì)鼓風(fēng)量進(jìn)行低能耗的優(yōu)化控制。
建立能適應(yīng)環(huán)境變化的基于污水生化處理過(guò)程的動(dòng)態(tài)多變量模型，模擬污水生化處理中送氧鼓風(fēng)量與溶解氧的變化，輔助污泥齡的控制（通過(guò)回流與排泥量控制），對(duì)溶解氧進(jìn)行優(yōu)化和控制。
建議需要重點(diǎn)研發(fā)的曝氣量?jī)?yōu)化控制系統(tǒng)為：①以出水氨氮為控制目標(biāo)的串級(jí)控制系統(tǒng)，內(nèi)環(huán)的被控制變量可以是DO；②優(yōu)化DO給定值的智能控制系統(tǒng)，達(dá)到節(jié)能的目的。
圖2 國(guó)內(nèi)某大型A2O工藝污水處理廠的能耗分布（a）與設(shè)備電耗（b）情況
（3）污泥回流與排放控制
根據(jù)代價(jià)函數(shù)的優(yōu)化目標(biāo)值，進(jìn)行污泥回流控制，進(jìn)水穩(wěn)定時(shí)，根據(jù)工藝要求采用定回流量QR控制或定回流比R控制；水量發(fā)生變化時(shí)，采用定回流比R控制、定MLSS（污泥濃度）控制、定F/M（污泥負(fù)荷）控制。
排放的活性污泥是污水處理廠的主要排放污染物，由于含水率很高，且有大量病毒、重金屬等物質(zhì)，目前多采用填埋方式，且剩余污泥的處理費(fèi)用占污水處理廠運(yùn)營(yíng)費(fèi)用的一半以上，為了減少污水處理的二次污染，在滿足工藝要求的前提下，根據(jù)工藝要求的SRT（污泥齡）和MLSS（污泥濃度）對(duì)污泥排放量進(jìn)行控制，同時(shí)通過(guò)物理工藝粉碎或者化學(xué)工藝處理后回流來(lái)減少排放量。
5.2 污水處理全流程的診斷系統(tǒng)研究
（1）基于推理網(wǎng)絡(luò)的污泥活性診斷模型
針對(duì)活性污泥法污水處理過(guò)程特點(diǎn)，研究基于推理網(wǎng)絡(luò)的生化反應(yīng)污泥活性診斷模型，對(duì)生化反應(yīng)池污泥活性進(jìn)行診斷分析及異常狀況的預(yù)警。首先需要對(duì)模型的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，研究異構(gòu)變量集（線檢測(cè)數(shù)據(jù)、離線化驗(yàn)數(shù)據(jù)、工藝人員經(jīng)驗(yàn)和專家知識(shí)）的關(guān)系和條件概率表述；然后研究適用于非平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程的變結(jié)構(gòu)模型結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法，探索推理網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)尋優(yōu)機(jī)制；將模糊推理、趨勢(shì)分析方法與隱馬爾科夫（HMM）相結(jié)合，研究低復(fù)雜度推理算法。最后針對(duì)診斷模型結(jié)果的數(shù)據(jù)解釋問(wèn)題，研究解釋機(jī)制和可視化方法，為工藝操作人員提供決策支持。
（2）建立污水生化處理過(guò)程的診斷專家系統(tǒng)
研究污水處理全流程的專家知識(shí)庫(kù)與推理系統(tǒng)框架，建立適用于污水處理廠需要的診斷專家系統(tǒng)，包括水質(zhì)的趨勢(shì)分析，活性污泥系統(tǒng)評(píng)價(jià)、工藝過(guò)程的異常情況（污泥膨脹、污泥解體、污泥腐化等）的分析判斷。
5.3 適用于污水處理過(guò)程的特殊成份分析儀與新型檢測(cè)儀表研究
（1）生物毒性在線檢測(cè)儀
我國(guó)的城市污水中經(jīng)常會(huì)混有工業(yè)廢水，工業(yè)廢水來(lái)自造紙、石化、印染、化工、冶煉、制革、制藥、制糖、釀造等各種企業(yè)，其中往往含有各種急、慢毒素，如有毒有機(jī)物、有毒無(wú)機(jī)物和重金屬等。如果進(jìn)水沒(méi)有預(yù)警監(jiān)測(cè)和保護(hù)措施，一旦有一定量的毒素進(jìn)入曝氣池中，活性污泥中的微生物將被毒死或抑制，使得污水處理系統(tǒng)的活性污泥失活或活性降低。而更換一池活性污泥耗時(shí)耗資很大，而且造成停產(chǎn)數(shù)天，將給污水處理廠造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失和新的環(huán)境污染。
本項(xiàng)目研制的生物毒性在線監(jiān)測(cè)儀，是基于毒性物質(zhì)抑制生物呼吸引起水樣中溶解氧變化這一基本原理來(lái)測(cè)量生物毒性。可以預(yù)先檢測(cè)污水處理廠入水的水質(zhì)情況，對(duì)可能發(fā)生的污泥中毒提供預(yù)警，該在線檢測(cè)儀表的潛在應(yīng)用前景十分可觀。
（2）新型檢測(cè)儀表的國(guó)產(chǎn)化
如呼吸儀，營(yíng)養(yǎng)物在線傳感器，硝化反應(yīng)在線傳感器等。上述新型儀表的成熟產(chǎn)品均為國(guó)外品牌，迫切需要國(guó)產(chǎn)開(kāi)展國(guó)產(chǎn)化研制工作。
5.4 軟測(cè)量技術(shù)的應(yīng)用
對(duì)于BOD5、毒物等測(cè)量困難或者不能測(cè)量的工藝參數(shù)，可以通過(guò)生化工藝中的可測(cè)參數(shù)如MLVSS、DO、風(fēng)量、F/M、SR、SS以及溫度T、流量等經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建模后以軟測(cè)量的方式來(lái)得到。通過(guò)建模，可以結(jié)合進(jìn)水水質(zhì)預(yù)測(cè)出出水水質(zhì)的各項(xiàng)指標(biāo)，并依此適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)，增加對(duì)突發(fā)事件的反應(yīng)速度和應(yīng)對(duì)能力。目前，遇到的技術(shù)困難是建立的軟測(cè)量模型往往還不太可靠，估計(jì)精度較差，距離實(shí)用還比較遠(yuǎn)。
5.5 污水處理全流程的優(yōu)化運(yùn)行
總體目標(biāo)：以小型DCS為硬件平臺(tái)，將上述研究、開(kāi)發(fā)成果以軟件形式嵌入至DCS的上位機(jī)中，使國(guó)內(nèi)的污水處理全過(guò)程實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)、模型建立、先進(jìn)控制、優(yōu)化運(yùn)行、故障診斷，以達(dá)到節(jié)能、減排、降耗的目的。并使我國(guó)主要城市的污水處理廠的檢測(cè)、控制與優(yōu)化運(yùn)行達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。
6 結(jié)束語(yǔ)
本文就污水處理過(guò)程的控制與優(yōu)化方面論述了目前國(guó)內(nèi)外技術(shù)的發(fā)展概況，指出了國(guó)內(nèi)在技術(shù)方面存在的問(wèn)題和提出來(lái)今后的研究方向和研究?jī)?nèi)容。這些研究不僅能夠提高污水處理的效率和效益，促進(jìn)我國(guó)污水處理行業(yè)的發(fā)展，有利于污水處理運(yùn)營(yíng)體系的完善；促進(jìn)城市水資源的合理規(guī)劃，提高城市供水、管網(wǎng)、污水處理的科學(xué)決策能力；還能夠提高我國(guó)污水處理的工藝水平與自動(dòng)化水平，提高污水處理過(guò)程的工藝穩(wěn)定性、提高出水水質(zhì)、降低能耗，有利于水資源的循環(huán)利用與環(huán)境保護(hù)。因此，這些研究適應(yīng)了我國(guó)環(huán)境保護(hù)與可持續(xù)發(fā)展的需求，對(duì)于提高污水處理的能力和質(zhì)量、促進(jìn)行業(yè)發(fā)展、保護(hù)環(huán)境、節(jié)約能源具有重大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。而上述關(guān)鍵、共性技術(shù)的研究，開(kāi)發(fā)與實(shí)施需要在有關(guān)部門(mén)的領(lǐng)導(dǎo)下，組織我國(guó)高校，研究單位，企業(yè)進(jìn)行“官產(chǎn)學(xué)研”的聯(lián)合研究，并在較短的時(shí)間內(nèi)趕超世界先進(jìn)水平。
——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》
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