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作者簡(jiǎn)介：朱學(xué)峰（1940-），男，山東青島人，教授，博導，碩士，1965年華南工學(xué)院碩士畢業(yè)，1980、1992分別在美國Lehigh大學(xué)、加州大學(xué)Santa Barbara當訪(fǎng)問(wèn)學(xué)者和訪(fǎng)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(cháng)、校長(cháng)助理。主要研究方向為過(guò)程控制，智能檢測與智能控制，圖像處理與應用。
其它作者：黃道平，男，自動(dòng)化學(xué)院教授，博導，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污染物的一種有效方法，是當前處理工業(yè)有機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內外技術(shù)的發(fā)展概況，指出了國內在技術(shù)方面存在的問(wèn)題和提出今后的研究方向與具體研究?jì)热荨?BR>
關(guān)鍵詞：污水處理過(guò)程；控制；節能；優(yōu)化
1 引言
據2008《中國水業(yè)市場(chǎng)統計分析》統計，截至2008年6月，中國已建成的污水處理廠(chǎng)約有1400座，在建的污水處理廠(chǎng)達1004座，預計到2010年底，中國污水處理廠(chǎng)將達到3000座。
我國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(guān)作用的河渠變成了污水渠。
隨著(zhù)我國經(jīng)濟的發(fā)展和城市化進(jìn)程的加快，城市污水排放量迅速增長(cháng)，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)境和資源的可持續發(fā)展，是節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)濟的要求，是實(shí)現水資源優(yōu)化配置的重要環(huán)節，我國大中型城市立足于本地自有水源，最大限度地實(shí)現污水的再生利用，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)濟效益和環(huán)境效益。
與國外污水處理行業(yè)相對比，我國的污水處理系統主要存在以下問(wèn)題：
（1）在資金投入方面，我國在污水處理領(lǐng)域的投入嚴重不足。目前，污水處理投入約占我國GDP的0.02-0.03%，污水處理行業(yè)落后，污水處理率低。美國平均1萬(wàn)人擁有一座污水處理廠(chǎng)，瑞典和法國每5000人有一座污水處理廠(chǎng)，英國和德國每7000-8000人有一座污水處理廠(chǎng)，新加坡和瑞典在1989年城市污水處理率就已經(jīng)達到100%。
（2）相對于國外的污水處理廠(chǎng)，我國的污水處理廠(chǎng)管理水平低。在我國，處理過(guò)程中的主要工藝參數與設備運行參數靠人工經(jīng)驗設定。而國外發(fā)達國家污水處理廠(chǎng)的運行管理自動(dòng)控制水平高，從大型污水廠(chǎng)到小型氧化塘，大多實(shí)現了計算機自動(dòng)控制，遙控和閉路電視監控等，現代化手段被廣泛應用。如英國的泰晤士河的威特尼伊污水處理廠(chǎng)早在1980年就安裝了自動(dòng)化儀表設備，從而使污水處理過(guò)程完全由計算機進(jìn)行自動(dòng)控制，全廠(chǎng)只需兩個(gè)人值班操縱管理。
（3）檢測儀表與成套設備研發(fā)相對落后。由于國內起步晚、技術(shù)落后，國產(chǎn)檢測儀表精度較差，可靠性不高，種類(lèi)少。國內許多污水處理廠(chǎng)目前仍采用國外進(jìn)口的設備與儀表，價(jià)格昂貴，后期維護費用高。而且，就算使用國外檢測儀表，目前對于污水處理過(guò)程而言，品種還是遠遠偏少。
（4）對于污水處理全過(guò)程的建模、控制與優(yōu)化缺乏深入研究與實(shí)踐。我國大部分污水處理廠(chǎng)檢測與控制水平低，多為人工操作，憑經(jīng)驗設置工藝和控制參數。以曝氣環(huán)節為例，大部分污水處理廠(chǎng)的曝氣過(guò)程多采用人工控制，經(jīng)常過(guò)量曝氣導致能源浪費嚴重，還遠遠談不上對污水處理過(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，我國第十一個(gè)五年計劃（2006年—2010年）中的“十一五”環(huán)境保護重點(diǎn)工程中提到：
污水處理工程：新增城鎮污水處理規模4500萬(wàn)噸/日，改造和完善現有污水處理廠(chǎng)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：到2010年，所有城市都要建設污水處理設施，城市污水處理率不低于70%，全國城市污水處理能力達到1億噸/日。加強污水處理廠(chǎng)的監管，所有污水處理廠(chǎng)全部安裝在線(xiàn)監測裝置，實(shí)現對污水處理廠(chǎng)運行和排放的實(shí)時(shí)監控。不斷提高城鎮污水收集的能力和污水處理設施的運行效率，保證污水處理廠(chǎng)投入運行后的實(shí)際處理負荷，在一年內不低于設計能力的60%，三年內不低于設計能力的75%。
2 戰略意義
（1）污水處理全流程的檢測、控制與優(yōu)化技術(shù)是實(shí)現節能減排總體目標的迫切需要
截至2008年3月份統計數據，我國共有污水處理廠(chǎng)1321座，總處理能力為8043萬(wàn)m3/d，投資總規模為1615.4億元，平均負荷率為63.74%，平均達標率為91.35%。到2010年將建成污水處理廠(chǎng)3000座，估計處理率為60%。
美國擁有18000座污水處理廠(chǎng)，污水處理率達90%以上，我國污水處理廠(chǎng)運行費用龐大，噸水耗電是發(fā)達國家的兩倍，完全可以通過(guò)改進(jìn)控制與優(yōu)化策略，提高負荷率，極大的節約能源。
以千噸電耗120～180度電計算，規劃到2010年污水處理1億噸/日，根據目前的研究表明，采用全流程建模、控制與優(yōu)化策略，保守估計有10%左右的節電空間，以上述數據估算，污水處理領(lǐng)域普遍提高控制水平，每天將節電0.12～0.18億度電，年節約用電44～66億度電能。國外發(fā)達國家非常重視通過(guò)先進(jìn)控制技術(shù)節約能源，例如DO的合理控制能節省運行費用，保證出水水質(zhì)，瑞典Kallby污水處理廠(chǎng)，通過(guò)DO設定值優(yōu)化，曝氣能耗降低32%。
（2）污水處理全流程的檢測、控制與優(yōu)化是實(shí)現節約投資，提高運營(yíng)效率的迫切需要
我國的污水處理行業(yè)，由于缺少對于處理水質(zhì)的精確建模和處理過(guò)程的優(yōu)化控制，為了在最?lèi)毫拥娜胨|(zhì)情況下，也能保證出水水質(zhì)，一般會(huì )采取加大處理設施的容量的方法，使得建廠(chǎng)成本加大，且日常運營(yíng)能量消耗增加。對于已建廠(chǎng)，通常也會(huì )通過(guò)加大各工藝變量的安全裕量，“保守運行”，造成處理能力和能源的浪費。通過(guò)控制與優(yōu)化技術(shù)，可以極大提高污水處理廠(chǎng)的處理能力，例如丹麥Aars市污水處理廠(chǎng)，通過(guò)控制和優(yōu)化提高了15%的處理能力。我國在加大污水處理領(lǐng)域投入的同時(shí)，非常有必要對已有的管網(wǎng)和污水處理廠(chǎng)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、控制與優(yōu)化是實(shí)現出水水質(zhì)穩定達標的需要
隨著(zhù)全社會(huì )對于環(huán)境保護的日益重視，國家對于污水處理系統的出水水質(zhì)必將提出越來(lái)越嚴格的要求，而目前我國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定運行，使出水水質(zhì)經(jīng)常不能不達標、污泥膨脹等生產(chǎn)事故時(shí)有發(fā)生。污水處理廠(chǎng)的工藝人員迫切需要與控制工程師相結合，對于污水的入水水質(zhì)、生化反應過(guò)程、出水水質(zhì)波動(dòng)等各種在線(xiàn)、離線(xiàn)檢測數據進(jìn)行科學(xué)分析，結合智能檢測、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)穩定達標。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(chǎng)進(jìn)水區的進(jìn)水流量、進(jìn)水水質(zhì)檢測值為前饋信號、生化處理池中溶解氧檢測儀、氨氮檢測儀、污泥濃度計、液位計、溫度、pH、出水水質(zhì)檢測值等作為反饋信號、設定最佳DO值，控制鼓風(fēng)系統，實(shí)時(shí)計算為了維持當前的好氧生化環(huán)境所需的供氣量，不僅可使運行過(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)穩定達標。
（4）污水處理過(guò)程的檢測技術(shù)與控制設備研發(fā)是確保污水處理事業(yè)自主健康發(fā)展的需要
長(cháng)期以來(lái)，我國的污水處理技術(shù)研究以單項優(yōu)勢為主，偏重于工藝性能的研究，缺乏對不同處理系統的綜合評價(jià)，也缺乏系統性的比較研究和技術(shù)經(jīng)濟評價(jià)體系，因此長(cháng)期以來(lái)國外的新技術(shù)和新產(chǎn)品不斷沖擊國內市場(chǎng)，國產(chǎn)產(chǎn)品無(wú)法在市場(chǎng)上占有一席之地。
今后污水處理設備國產(chǎn)化工作要加大力度向前推進(jìn)，并要調整科技關(guān)的思路，將工藝研究，設備開(kāi)發(fā)與自動(dòng)控制密切結合，在推廣應用先進(jìn)工藝技術(shù)的同時(shí)推出高質(zhì)量的檢測儀表，成套設備與先進(jìn)控制系統，為水工業(yè)工程建設和技術(shù)改造提供全面的技術(shù)支持。
3 國內外技術(shù)發(fā)展現狀
（1）污水生化處理過(guò)程智能建模與預測方法
污水生化處理是一個(gè)十分復雜的非線(xiàn)性的生化反應過(guò)程，有著(zhù)嚴重的不確定性，難以建立精確的數學(xué)模型。復雜的數學(xué)模型包括許多生化反應過(guò)程，由于一些測量數據的不足，很難獲得未知動(dòng)力學(xué)參數的可靠估計，不能反映真實(shí)的污水生化處理過(guò)程。智能算法的出現使復雜系統建模成為可能。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模型。余穎等采用自適應模糊神經(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結合，用于污水廠(chǎng)出水水質(zhì)預報及控制參數優(yōu)化，建成的模型具有自組織、自學(xué)習能力，對出水水質(zhì)預報準確率達到了70%。
（2）污水生化處理過(guò)程的優(yōu)化控制研究
國外在風(fēng)量?jì)?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值的PID控制，但是，由于污水生化處理過(guò)程的非線(xiàn)性、時(shí)滯及溶解氧目標值時(shí)變性，使PID控制很難跟蹤溶解氧目標值。在PID控制基礎上發(fā)展了變增益的PID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(zhuān)家控制等智能控制方法，但是，對于復雜的污水生化處理過(guò)程，學(xué)習樣本有限和專(zhuān)家知識不足，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能優(yōu)化控制方面還有很多問(wèn)題有待深入研究。
國內的污水處理過(guò)程的自動(dòng)化水平仍相當落后，大多數只停留在數據采集和簡(jiǎn)單控制（如提升泵、污泥回流泵、鼓風(fēng)機的開(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)新對污水生化處理過(guò)程建模與控制的國外研究狀況進(jìn)行了綜述，劉超彬等對污水處理過(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、專(zhuān)家知識等方法。目前，這些控制方法暫時(shí)還不能適應污水生化處理的非線(xiàn)性、時(shí)變、時(shí)滯和不確定性，有限的專(zhuān)家知識庫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，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能優(yōu)化控制的研究論文報道很少見(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各反應階段的優(yōu)勢菌群及其生長(cháng)特性；
②污泥濃度和污泥齡的控制。
雖然國內外針對優(yōu)勢菌群的反應機理和生長(cháng)特性的研究比較深入，但是如何通過(guò)污水處理廠(chǎng)的控制手段實(shí)現生物種群的優(yōu)化還處于起步階段。大多根據工藝機理與工藝人員的經(jīng)驗，采用控制污泥濃度、污泥齡以及污水生化反應的溶解氧濃度、pH值等手段實(shí)現。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學(xué)模型，相應的決策專(zhuān)家系統多根據工藝機理和管理人員的經(jīng)驗搭建而成，具有主觀(guān)性和不完整性，缺少對定性數據的嚴格分析。世界各地的污水處理廠(chǎng)仍然經(jīng)常發(fā)生原因不明的污泥膨脹，嚴重影響污水處理廠(chǎng)的正常運行。
（4）軟測量技術(shù)及特殊生物傳感器的研究與應用
生產(chǎn)過(guò)程中的最重要的一些工藝參數的在線(xiàn)測量?jì)x表缺乏，雖然在90年代末期到本世紀初一些發(fā)達國家先后研制出來(lái)了一些能自動(dòng)測量的儀器（如BOD、COD自動(dòng)測量?jì)x等），但普遍存在的問(wèn)題是價(jià)格特別昂貴、維護困難、檢測周期長(cháng)（15～30分鐘）、穩定性不好、重復性差。因此，國內外有不少專(zhuān)家，學(xué)者為解決上述問(wèn)題進(jìn)行了軟測量技術(shù)的研究。
成套的人工智能軟測量軟件（包括BOD、COD、TN、TP等工藝參數的軟測量），目前國內外市場(chǎng)上還沒(méi)有現成的產(chǎn)品。在一些環(huán)境保護和自動(dòng)控制的專(zhuān)業(yè)雜志上出現過(guò)一些有關(guān)論文，都是針對某種工藝的實(shí)驗室研究課題，暫時(shí)還沒(méi)有中試和形成產(chǎn)品的報道。因此，軟測量技術(shù)在污水處理過(guò)程的應用還要進(jìn)行大量、深入的研究，使其早日產(chǎn)品化。
此外，工業(yè)污水的排放對城市污水處理廠(chǎng)的穩定運行帶來(lái)安全隱患。目前還沒(méi)有針對污水入水的生物毒性檢測儀表，相關(guān)研究具有廣闊的應用前景。此外，可以有效測定具有某些特定功能的微生物數量（如硝化細菌、反硝化細菌、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)展趨勢與當前應該主要研究的共性、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(chǎng)的前期建設、污水處理過(guò)程的建模、控制與優(yōu)化以及日常維護都需要系統規劃，為了實(shí)現污水處理系統的高效運行，需要將排水管網(wǎng)、泵站和污水處理系統作為整體考慮。
（2）適用性
污水處理過(guò)程控制具有顯著(zhù)的非線(xiàn)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過(guò)程，特別對于連續型工藝，必需保證污水處理廠(chǎng)的良好運行，使得收集的污水得到及時(shí)有效處理，為此，需要研究專(zhuān)門(mén)的，適用于污水處理過(guò)程的先進(jìn)控制策略、可靠的生化檢測儀表與專(zhuān)用設備。
（3）模型化
為了更好的進(jìn)行控制與優(yōu)化，更好對污水處理過(guò)程的工況進(jìn)行預測與診斷，必需為污水處理過(guò)程建立模型。模型的建立除了參考國際水協(xié)的數學(xué)模型，還應根據工廠(chǎng)的具體情況進(jìn)行模型設計與優(yōu)化，除了生化反應過(guò)程的有機物去除、脫氮除磷數學(xué)模型，還要為二沉池、曝氣系統、污泥處置等環(huán)節建立有效的數學(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)驗描述，例如生化反應池池面的氣味、顏色、氣泡情況等，考慮到各種干擾的情況以及在線(xiàn)傳感器經(jīng)常發(fā)生檢測偏差，對污水處理這種復雜的動(dòng)態(tài)系統進(jìn)行人工智能控制成為重要的發(fā)展趨勢。國內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(zhuān)家系統等用于污水處理過(guò)程的建模、控制與診斷，取得很多研究成果，但是距離實(shí)際工程應用還有很大距離。此外，將感官信息和圖像信息與數據信息一起進(jìn)行反饋，組成智能反饋控制系統也將是一個(gè)十分值得研究的方向。
（5）集成化
將先進(jìn)的污水處理廠(chǎng)工藝過(guò)程控制系統集成到專(zhuān)用硬件平臺，為污水處理廠(chǎng)集成控制系統提供專(zhuān)門(mén)的集成控制器，控制器的輸入例如美國美生公司的生物池工藝智能優(yōu)化系統（BIOS）。
5 今后主要的研究方向與內容
5.1 污水處理節能降耗的控制與優(yōu)化技術(shù)研究
（1）工藝目標值設定的最優(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，綜合考慮排放水質(zhì)成本（BOD、COD、TN、TP）以及運行成本（鼓風(fēng)機耗電量、泵耗電量、污泥處理成本、藥劑成本等），建立評價(jià)函數，并采用最優(yōu)化理論和方法，確定使得代價(jià)函數取最優(yōu)值情況下的工藝設定值（氨氮、硝酸銨、磷酸鹽、溶解氧）以及操作量目標值（回流量、排泥量等），從而對污水處理過(guò)程參數進(jìn)行優(yōu)化設定。
圖1 考慮排放代價(jià)的成本構成
（2）曝氣量智能控制
污水生化處理的好氧反應是重要的反應階段，目前國內外的污水生化處理的加氧工作都是采用大功率的鼓風(fēng)機實(shí)現的，需要消耗大量的電能，如何實(shí)現節能控制，降低成本，是目前國內外需要認真考慮的問(wèn)題。污水中的微生物對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該是一個(gè)定值，它是隨著(zhù)污水的濃度、天氣、氣溫、時(shí)間變化的函數。為此，需要研究在不同工況條件下，溶解氧設定值的優(yōu)化。這建立污水生化處理過(guò)程的溶解氧變化的模型，并依據該模型對鼓風(fēng)量進(jìn)行低能耗的優(yōu)化控制。
建立能適應環(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?jì)?yōu)化控制系統為：①以出水氨氮為控制目標的串級控制系統，內環(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，達到節能的目的。
圖2 國內某大型A2O工藝污水處理廠(chǎng)的能耗分布（a）與設備電耗（b）情況
（3）污泥回流與排放控制
根據代價(jià)函數的優(yōu)化目標值，進(jìn)行污泥回流控制，進(jìn)水穩定時(shí)，根據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（污泥負荷）控制。
排放的活性污泥是污水處理廠(chǎng)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用占污水處理廠(chǎng)運營(yíng)費用的一半以上，為了減少污水處理的二次污染，在滿(mǎn)足工藝要求的前提下，根據工藝要求的SRT（污泥齡）和MLSS（污泥濃度）對污泥排放量進(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研究
（1）基于推理網(wǎng)絡(luò )的污泥活性診斷模型
針對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 )的生化反應污泥活性診斷模型，對生化反應池污泥活性進(jìn)行診斷分析及異常狀況的預警。首先需要對模型的輸入數據進(jìn)行預處理，研究異構變量集（線(xiàn)檢測數據、離線(xiàn)化驗數據、工藝人員經(jīng)驗和專(zhuān)家知識）的關(guān)系和條件概率表述；然后研究適用于非平穩隨機過(guò)程的變結構模型結構學(xué)習算法，探索推理網(wǎng)絡(luò )的結構尋優(yōu)機制；將模糊推理、趨勢分析方法與隱馬爾科夫（HMM）相結合，研究低復雜度推理算法。最后針對診斷模型結果的數據解釋問(wèn)題，研究解釋機制和可視化方法，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(zhuān)家系統
研究污水處理全流程的專(zhuān)家知識庫與推理系統框架，建立適用于污水處理廠(chǎng)需要的診斷專(zhuān)家系統，包括水質(zhì)的趨勢分析，活性污泥系統評價(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儀表研究
（1）生物毒性在線(xiàn)檢測儀
我國的城市污水中經(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，如有毒有機物、有毒無(wú)機物和重金屬等。如果進(jìn)水沒(méi)有預警監測和保護措施，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)數天，將給污水處理廠(chǎng)造成嚴重的經(jīng)濟損失和新的環(huán)境污染。
本項目研制的生物毒性在線(xiàn)監測儀，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)測量生物毒性?？梢灶A先檢測污水處理廠(chǎng)入水的水質(zhì)情況，對可能發(fā)生的污泥中毒提供預警，該在線(xiàn)檢測儀表的潛在應用前景十分可觀(guān)。
（2）新型檢測儀表的國產(chǎn)化
如呼吸儀，營(yíng)養物在線(xiàn)傳感器，硝化反應在線(xiàn)傳感器等。上述新型儀表的成熟產(chǎn)品均為國外品牌，迫切需要國產(chǎn)開(kāi)展國產(chǎn)化研制工作。
5.4 軟測量技術(shù)的應用
對于BOD5、毒物等測量困難或者不能測量的工藝參數，可以通過(guò)生化工藝中的可測參數如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 )建模后以軟測量的方式來(lái)得到。通過(guò)建模，可以結合進(jìn)水水質(zhì)預測出出水水質(zhì)的各項指標，并依此適當調整工藝參數，增加對突發(fā)事件的反應速度和應對能力。目前，遇到的技術(shù)困難是建立的軟測量模型往往還不太可靠，估計精度較差，距離實(shí)用還比較遠。
5.5 污水處理全流程的優(yōu)化運行
總體目標：以小型DCS為硬件平臺，將上述研究、開(kāi)發(fā)成果以軟件形式嵌入至DCS的上位機中，使國內的污水處理全過(guò)程實(shí)現自動(dòng)檢測、模型建立、先進(jìn)控制、優(yōu)化運行、故障診斷，以達到節能、減排、降耗的目的。并使我國主要城市的污水處理廠(chǎng)的檢測、控制與優(yōu)化運行達到國際先進(jìn)水平。
6 結束語(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內外技術(shù)的發(fā)展概況，指出了國內在技術(shù)方面存在的問(wèn)題和提出來(lái)今后的研究方向和研究?jì)热?。這些研究不僅能夠提高污水處理的效率和效益，促進(jìn)我國污水處理行業(yè)的發(fā)展，有利于污水處理運營(yíng)體系的完善；促進(jìn)城市水資源的合理規劃，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。因此，這些研究適應了我國環(huán)境保護與可持續發(fā)展的需求，對于提高污水處理的能力和質(zhì)量、促進(jìn)行業(yè)發(fā)展、保護環(huán)境、節約能源具有重大的經(jīng)濟和社會(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)導下，組織我國高校，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)間內趕超世界先進(jìn)水平。
——轉自《自動(dòng)化博覽》
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