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作者簡介：朱學峰（1940-），男，山東青島人，教授，博導，碩士，1965年華南工學院碩士畢業，1980、1992分別在美國Lehigh大學、加州大學Santa Barbara當訪問學者和訪問教授。歷任華南理工大學電子與信息學院自動化學院院長、校長助理。主要研究方向為過程控制，智能檢測與智能控制，圖像處理與應用。
其它作者：黃道平，男，自動化學院教授，博導，博士學位；李艷，女，自動化學院講師，博士學位。
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程的控制與優化方面論述了目前國內外技術的發展概況，指出了國內在技術方面存在的問題和提出今后的研究方向與具體研究內容。
關鍵詞：污水處理過程；控制；節能；優化
1 引言
據2008《中國水業市場統計分析》統計，截至2008年6月，中國已建成的污水處理廠約有1400座，在建的污水處理廠達1004座，預計到2010年底，中國污水處理廠將達到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。
隨著我國經濟的發展和城市化進程的加快，城市污水排放量迅速增長，大量未經處理的城市污水排放到地表水系，造成水環境的嚴重污染，危害居民身體健康。城市污水處理涉及到環境和資源的可持續發展，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。污水資源化是發展循環經濟的要求，是實現水資源優化配置的重要環節，我國大中型城市立足于本地自有水源，最大限度地實現污水的再生利用，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題，有效減少城市水污染，提高城市供水可靠性，創造出更多的經濟效益和環境效益。
與國外污水處理行業相對比，我國的污水處理系統主要存在以下問題：
（1）在資金投入方面，我國在污水處理領域的投入嚴重不足。目前，污水處理投入約占我國GDP的0.02-0.03%，污水處理行業落后，污水處理率低。美國平均1萬人擁有一座污水處理廠，瑞典和法國每5000人有一座污水處理廠，英國和德國每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達到100%。
（2）相對于國外的污水處理廠，我國的污水處理廠管理水平低。在我國，處理過程中的主要工藝參數與設備運行參數靠人工經驗設定。而國外發達國家污水處理廠的運行管理自動控制水平高，從大型污水廠到小型氧化塘，大多實現了計算機自動控制，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早在1980年就安裝了自動化儀表設備，從而使污水處理過程完全由計算機進行自動控制，全廠只需兩個人值班操縱管理。
（3）檢測儀表與成套設備研發相對落后。由于國內起步晚、技術落后，國產檢測儀表精度較差，可靠性不高，種類少。國內許多污水處理廠目前仍采用國外進口的設備與儀表，價格昂貴，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程而言，品種還是遠遠偏少。
（4）對于污水處理全過程的建模、控制與優化缺乏深入研究與實踐。我國大部分污水處理廠檢測與控制水平低，多為人工操作，憑經驗設置工藝和控制參數。以曝氣環節為例，大部分污水處理廠的曝氣過程多采用人工控制，經常過量曝氣導致能源浪費嚴重，還遠遠談不上對污水處理過程中的生化過程的精確建模和優化控制。
為了改變這一落后狀況，我國第十一個五年計劃（2006年—2010年）中的“十一五”環境保護重點工程中提到：
污水處理工程：新增城鎮污水處理規模4500萬噸/日，改造和完善現有污水處理廠及配套管網，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。加強污水處理廠的監管，所有污水處理廠全部安裝在線監測裝置，實現對污水處理廠運行和排放的實時監控。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，保證污水處理廠投入運行后的實際處理負荷，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、控制與優化技術是實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1321座，總處理能力為8043萬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3000座，估計處理率為60%。
美國擁有18000座污水處理廠，污水處理率達90%以上，我國污水處理廠運行費用龐大，噸水耗電是發達國家的兩倍，完全可以通過改進控制與優化策略，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。國外發達國家非常重視通過先進控制技術節約能源，例如DO的合理控制能節省運行費用，保證出水水質，瑞典Kallby污水處理廠，通過DO設定值優化，曝氣能耗降低32%。
（2）污水處理全流程的檢測、控制與優化是實現節約投資，提高運營效率的迫切需要
我國的污水處理行業，由于缺少對于處理水質的精確建模和處理過程的優化控制，為了在最惡劣的入水水質情況下，也能保證出水水質，一般會采取加大處理設施的容量的方法，使得建廠成本加大，且日常運營能量消耗增加。對于已建廠，通常也會通過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。通過控制與優化技術，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，通過控制和優化提高了15%的處理能力。我國在加大污水處理領域投入的同時，非常有必要對已有的管網和污水處理廠挖掘潛力，利用先進的建模與控制技術，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、控制與優化是實現出水水質穩定達標的需要
隨著全社會對于環境保護的日益重視，國家對于污水處理系統的出水水質必將提出越來越嚴格的要求，而目前我國大部分的污水處理企業仍然停留在人工控制或者簡單PID控制的階段，很難保證污水處理全流程的穩定運行，使出水水質經常不能不達標、污泥膨脹等生產事故時有發生。污水處理廠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、生化反應過程、出水水質波動等各種在線、離線檢測數據進行科學分析，結合智能檢測、診斷與控制技術開展全流程的綜合控制與優化，以保證在各種干擾條件下出水水質穩定達標。例如：采用“前饋+反饋+控制模型”組合控制技術，以污水處理廠進水區的進水流量、進水水質檢測值為前饋信號、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、出水水質檢測值等作為反饋信號、設定最佳DO值，控制鼓風系統，實時計算為了維持當前的好氧生化環境所需的供氣量，不僅可使運行過程能耗與實際需求匹配，而且能夠更好的保證出水水質穩定達標。
（4）污水處理過程的檢測技術與控制設備研發是確保污水處理事業自主健康發展的需要
長期以來，我國的污水處理技術研究以單項優勢為主，偏重于工藝性能的研究，缺乏對不同處理系統的綜合評價，也缺乏系統性的比較研究和技術經濟評價體系，因此長期以來國外的新技術和新產品不斷沖擊國內市場，國產產品無法在市場上占有一席之地。
今后污水處理設備國產化工作要加大力度向前推進，并要調整科技關的思路，將工藝研究，設備開發與自動控制密切結合，在推廣應用先進工藝技術的同時推出高質量的檢測儀表，成套設備與先進控制系統，為水工業工程建設和技術改造提供全面的技術支持。
3 國內外技術發展現狀
（1）污水生化處理過程智能建模與預測方法
污水生化處理是一個十分復雜的非線性的生化反應過程，有著嚴重的不確定性，難以建立精確的數學模型。復雜的數學模型包括許多生化反應過程，由于一些測量數據的不足，很難獲得未知動力學參數的可靠估計，不能反映真實的污水生化處理過程。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網絡（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網絡（ANFIS）建立活性污泥法污水處理過程模型，其收斂速度較快、樣本需要量較少。Wan將人工神經網絡（ANN）與GA結合，用于污水廠出水水質預報及控制參數優化，建成的模型具有自組織、自學習能力，對出水水質預報準確率達到了70%。
（2）污水生化處理過程的優化控制研究
國外在風量優化控制方面進行了一些研究，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程的非線性、時滯及溶解氧目標值時變性，使PID控制很難跟蹤溶解氧目標值。在PID控制基礎上發展了變增益的PID控制、模糊PD控制，這些方法仍然不能解決過程不確定性問題。為此，有人采用神經網絡自動診斷、模糊專家控制等智能控制方法，但是，對于復雜的污水生化處理過程，學習樣本有限和專家知識不足，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化控制是目前較好的解決方法，但是，該方法只是局部最優，沒有考慮全局最優問題。因此，在污水生化處理的節能優化控制方面還有很多問題有待深入研究。
國內的污水處理過程的自動化水平仍相當落后，大多數只停留在數據采集和簡單控制（如提升泵、污泥回流泵、鼓風機的開關控制）的水平上。污水處理過程建模和控制方面的研究剛起步，杜樹新對污水生化處理過程建模與控制的國外研究狀況進行了綜述，劉超彬等對污水處理過程中溶解氧采用模糊神經網絡控制方法，并進行了仿真研究。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程機理的遞階神經網絡建模方法。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、專家知識等方法。目前，這些控制方法暫時還不能適應污水生化處理的非線性、時變、時滯和不確定性，有限的專家知識庫也不能完全反映污水生化處理過程。并且這些研究基本上都限于溶解氧的單變量建模與控制，實際污水處理過程中，僅靠溶解氧一個指標是不能夠判斷污水處理質量的，氨的含量也是影響污水處理質量的一個重要指標，所以說在污水處理中要考慮到溶解氧、氨等多個變量因素，有關污水生化處理過程的多變量的建模與節能優化控制的研究論文報道很少見。
（3）污水生化處理過程的診斷模型研究
在污泥活性診斷模型研究方面，研究工作主要集中于：
①各反應階段的優勢菌群及其生長特性；
②污泥濃度和污泥齡的控制。
雖然國內外針對優勢菌群的反應機理和生長特性的研究比較深入，但是如何通過污水處理廠的控制手段實現生物種群的優化還處于起步階段。大多根據工藝機理與工藝人員的經驗，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，但是還沒有建立控制污泥膨脹的通用數學模型，相應的決策專家系統多根據工藝機理和管理人員的經驗搭建而成，具有主觀性和不完整性，缺少對定性數據的嚴格分析。世界各地的污水處理廠仍然經常發生原因不明的污泥膨脹，嚴重影響污水處理廠的正常運行。
（4）軟測量技術及特殊生物傳感器的研究與應用
生產過程中的最重要的一些工藝參數的在線測量儀表缺乏，雖然在90年代末期到本世紀初一些發達國家先后研制出來了一些能自動測量的儀器（如BOD、COD自動測量儀等），但普遍存在的問題是價格特別昂貴、維護困難、檢測周期長（15～30分鐘）、穩定性不好、重復性差。因此，國內外有不少專家，學者為解決上述問題進行了軟測量技術的研究。
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），目前國內外市場上還沒有現成的產品。在一些環境保護和自動控制的專業雜志上出現過一些有關論文，都是針對某種工藝的實驗室研究課題，暫時還沒有中試和形成產品的報道。因此，軟測量技術在污水處理過程的應用還要進行大量、深入的研究，使其早日產品化。
此外，工業污水的排放對城市污水處理廠的穩定運行帶來安全隱患。目前還沒有針對污水入水的生物毒性檢測儀表，相關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的傳感器。
4 技術發展趨勢與當前應該主要研究的共性、關鍵技術
（1）整體性
污水處理的技術發展需要考慮整個供水、管網、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、污水處理過程的建模、控制與優化以及日常維護都需要系統規劃，為了實現污水處理系統的高效運行，需要將排水管網、泵站和污水處理系統作為整體考慮。
（2）適用性
污水處理過程控制具有顯著的非線性、大滯后、多變量、時變性的特點，且核心處理單元為生化反應過程，特別對于連續型工藝，必需保證污水處理廠的良好運行，使得收集的污水得到及時有效處理，為此，需要研究專門的，適用于污水處理過程的先進控制策略、可靠的生化檢測儀表與專用設備。
（3）模型化
為了更好的進行控制與優化，更好對污水處理過程的工況進行預測與診斷，必需為污水處理過程建立模型。模型的建立除了參考國際水協的數學模型，還應根據工廠的具體情況進行模型設計與優化，除了生化反應過程的有機物去除、脫氮除磷數學模型，還要為二沉池、曝氣系統、污泥處置等環節建立有效的數學模型。
（4）智能化
污水處理過程中的有效信息有一大部分屬于感官與經驗描述，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傳感器經常發生檢測偏差，對污水處理這種復雜的動態系統進行人工智能控制成為重要的發展趨勢。國內外已有大量人工智能控制方法，包括神經網絡、模糊控制、專家系統等用于污水處理過程的建模、控制與診斷，取得很多研究成果，但是距離實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行反饋，組成智能反饋控制系統也將是一個十分值得研究的方向。
（5）集成化
將先進的污水處理廠工藝過程控制系統集成到專用硬件平臺，為污水處理廠集成控制系統提供專門的集成控制器，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化技術研究
（1）工藝目標值設定的最優化
研究不同工藝條件下的污水處理過程的代價函數，綜合考慮排放水質成本（BOD、COD、TN、TP）以及運行成本（鼓風機耗電量、泵耗電量、污泥處理成本、藥劑成本等），建立評價函數，并采用最優化理論和方法，確定使得代價函數取最優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），從而對污水處理過程參數進行優化設定。
圖1 考慮排放代價的成本構成
（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機實現的，需要消耗大量的電能，如何實現節能控制，降低成本，是目前國內外需要認真考慮的問題。污水中的微生物對氧的需求量是一定的，少了會降低水質，多了不僅不能保證水質，而且還浪費能源，通常以溶解氧的含量來判斷某個時候供氧量是否合適。但是，所需要的溶解氧不應該是一個定值，它是隨著污水的濃度、天氣、氣溫、時間變化的函數。為此，需要研究在不同工況條件下，溶解氧設定值的優化。這建立污水生化處理過程的溶解氧變化的模型，并依據該模型對鼓風量進行低能耗的優化控制。
建立能適應環境變化的基于污水生化處理過程的動態多變量模型，模擬污水生化處理中送氧鼓風量與溶解氧的變化，輔助污泥齡的控制（通過回流與排泥量控制），對溶解氧進行優化和控制。
建議需要重點研發的曝氣量優化控制系統為：①以出水氨氮為控制目標的串級控制系統，內環的被控制變量可以是DO；②優化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
根據代價函數的優化目標值，進行污泥回流控制，進水穩定時，根據工藝要求采用定回流量QR控制或定回流比R控制；水量發生變化時，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，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運營費用的一半以上，為了減少污水處理的二次污染，在滿足工藝要求的前提下，根據工藝要求的SRT（污泥齡）和MLSS（污泥濃度）對污泥排放量進行控制，同時通過物理工藝粉碎或者化學工藝處理后回流來減少排放量。
5.2 污水處理全流程的診斷系統研究
（1）基于推理網絡的污泥活性診斷模型
針對活性污泥法污水處理過程特點，研究基于推理網絡的生化反應污泥活性診斷模型，對生化反應池污泥活性進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行預處理，研究異構變量集（線檢測數據、離線化驗數據、工藝人員經驗和專家知識）的關系和條件概率表述；然后研究適用于非平穩隨機過程的變結構模型結構學習算法，探索推理網絡的結構尋優機制；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程的診斷專家系統
研究污水處理全流程的專家知識庫與推理系統框架，建立適用于污水處理廠需要的診斷專家系統，包括水質的趨勢分析，活性污泥系統評價、工藝過程的異常情況（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）生物毒性在線檢測儀
我國的城市污水中經常會混有工業廢水，工業廢水來自造紙、石化、印染、化工、冶煉、制革、制藥、制糖、釀造等各種企業，其中往往含有各種急、慢毒素，如有毒有機物、有毒無機物和重金屬等。如果進水沒有預警監測和保護措施，一旦有一定量的毒素進入曝氣池中，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耗資很大，而且造成停產數天，將給污水處理廠造成嚴重的經濟損失和新的環境污染。
本項目研制的生物毒性在線監測儀，是基于毒性物質抑制生物呼吸引起水樣中溶解氧變化這一基本原理來測量生物毒性。可以預先檢測污水處理廠入水的水質情況，對可能發生的污泥中毒提供預警，該在線檢測儀表的潛在應用前景十分可觀。
（2）新型檢測儀表的國產化
如呼吸儀，營養物在線傳感器，硝化反應在線傳感器等。上述新型儀表的成熟產品均為國外品牌，迫切需要國產開展國產化研制工作。
5.4 軟測量技術的應用
對于BOD5、毒物等測量困難或者不能測量的工藝參數，可以通過生化工藝中的可測參數如MLVSS、DO、風量、F/M、SR、SS以及溫度T、流量等經過神經網絡建模后以軟測量的方式來得到。通過建模，可以結合進水水質預測出出水水質的各項指標，并依此適當調整工藝參數，增加對突發事件的反應速度和應對能力。目前，遇到的技術困難是建立的軟測量模型往往還不太可靠，估計精度較差，距離實用還比較遠。
5.5 污水處理全流程的優化運行
總體目標：以小型DCS為硬件平臺，將上述研究、開發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程實現自動檢測、模型建立、先進控制、優化運行、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的檢測、控制與優化運行達到國際先進水平。
6 結束語
本文就污水處理過程的控制與優化方面論述了目前國內外技術的發展概況，指出了國內在技術方面存在的問題和提出來今后的研究方向和研究內容。這些研究不僅能夠提高污水處理的效率和效益，促進我國污水處理行業的發展，有利于污水處理運營體系的完善；促進城市水資源的合理規劃，提高城市供水、管網、污水處理的科學決策能力；還能夠提高我國污水處理的工藝水平與自動化水平，提高污水處理過程的工藝穩定性、提高出水水質、降低能耗，有利于水資源的循環利用與環境保護。因此，這些研究適應了我國環境保護與可持續發展的需求，對于提高污水處理的能力和質量、促進行業發展、保護環境、節約能源具有重大的經濟和社會效益。而上述關鍵、共性技術的研究，開發與實施需要在有關部門的領導下，組織我國高校，研究單位，企業進行“官產學研”的聯合研究，并在較短的時間內趕超世界先進水平。
——轉自《自動化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號