安洋文献综述.docx

燕山大学本科毕业设计（论文）文献综述课题名称：基于PLC污水处理系统教学演示系统研究学院（系）：电气工程系年级专业：08级测控技术与仪器专业学生姓名：_洋指导教师：张立国完成日期：2012年3月20日一、课题国内外现状（一）污水处理工艺概况污水处理工艺包括三个层次的处理过程：一级处理作为进水的预处理 工序，利用过滤网、隔栅等物理设备除去进水中的悬浮物和漂浮油脂等较大 颗粒杂质，是一种简单的沉淀分离方式；二级处理，即生物处理过程，是污 水处理中最为复杂和关键的过程（詹永行，2008），是脱氮、除磷、减少COD （化学需氧量）的主要环节，因此本文选择该过程开展研究。三级处理又称 “深度处理”，是对二级处理出水的再处理过程，主要通过物理化学方法来 减少污水中的病原体和微生物（赵庆良等，2005），出水可直接用于工业 生产和植物浇灌，但目前研究相对较少。污水活性污泥生物处理法具有处 理效果好、成本低的优点故目前为绝大多数城市污水厂的二级处理过程所采 用（赵红忠等，2003；张捷等，003；刘华波等，2003）。其工艺构成种 类很多，如常规曝气法、附生物降解法（AB法）、A/O法（缺氧一好氧）、 A2/O法（缺氧一好氧一厌氧）、氧化沟法、稳定塘法、序批式反应器法（SBR） 等。属常规曝气法及其改进方法（A/O法、A2/O法）应用最为广泛，SBR 法次之。本课题针对A/O法展开，流入污水中氮的主要存在形式有两种：有机氮的 化合物和氨氮；生物方法除氮的原理就是，在富氧条件下将污水中的氨氮通 过硝化作用氧化为硝态氮，然后在缺氧条件下进行反硝化作用，将硝态氮再 还原成游离态氮释放出去，从而达到除氮的目的。硝化反应和反硝化反应则 是由活性污泥中的自养好氧菌和异养厌氧菌完成。A/O法中，缺氧、好氧 两种不同的环境和活性污泥中不同种的类微生物相互协作，既可达到除氮的 目的，又是去除有机物的有效手段。且工艺简单，无论从环境效益考虑还是 从经济效益考虑都是很好的选择，因而受到广泛应用（Henze M，2000）。 活性污泥法中，维持适宜微生物生长的污泥环境有着极其重要的意义，它直 接影响到微生物的活性和有机物的分解效率。据相关资料记载，污水中绝大 多数微生物的最佳生长温度范围是20-30 oC；最适宜生长的PH值范围是 6.5-8.5；而曝气池出口的溶解氧浓度选择2 / gml，则是污泥活性与运行经 济性的最佳平衡点。另外，基质类营养物质（碳源、氮源、磷源等）、微量 元素、重金属元素及有害化学物质（苯类化合物、酚类化合物）含量的高低 对微生物生长也都有不小的影响。（二）活性污泥法数学模型研究现状准确建立过程的数学模型是理性认识对象的基础，也是研究先进控制策 略的前提。在国内，污水处理过程建模与控制方面的研究报道非常少（杜树新， 2002）。而在国外，尤其是英美、日本和北欧一些国家，在上世纪七八十年代甚至更 早，就已经开始致力于建立污水生物处理过程数学模型的研究，发表了许多 研究成果的报道（Kabouris JC，1999），经历了由静态模型到动态模型和由 复杂模型到模型简化的演变过程。1942年，Monod经过对微生物生长速率与浓度及限制性底物浓度的深 入研究，提出Monod方程（Henze M，et al.，1987），建立静态活性污泥模 型；50年代后期，在Monod方程基础上，EcKenfeld等、McKinney等及 Mccarty等分别基于挥发性固体积累速率经验公式，污泥完全混合假设和微 生物生长动力学提出三种不同的静态污泥模型。由于污泥静态模型的形式简 单，求解容易，且得出的稳态结果大体上可以满足工艺设计要求，曾经得到 了广泛应用（谢生钢，2008）。然而，传统静态活性污泥模型只能基于平衡态的局限性，使其忽略了不同 平衡态间的瞬变过程信息，不能很好地反应过程的动态特征。70年代中后 期，南非的Marais提出除碳、氮、磷的动态活性污泥模型；此后，又出现 了 Andrews模型和WRC模型。这些动态模型较传统静态模型有了很大改 进，但仍无法对氮和磷的分解进行预测，也尚未将代谢残余物的再利用考虑 在内。基于Marais等人的研究，国际水质协会（IWA）的前身一一国际 水污染研究与控制协会（IAWQ），成立了课题组专门研究活性污泥法设 计和运行数学模型于1987年提出ASM1 （活性污泥1号模型），该模型 囊括了微生物的碳化、硝化和反硝化过程，涵盖溶解氧、氨氮等13种组分， 被称为活性污泥模型发展的里程碑（余颖等，2004）。ASM1模型在描述 活性污泥系统中各组分的相互关系和变化规律时采用矩阵的形式，并用“开 关函数”来表征由环境变化产生的抑作用。ASM1产生不久，很快便在欧美 污水处理领域得到广泛应用，成为最具影响的活性污泥模型。鉴于ASM1 模型未将除磷过程包含在内的不足，IAWQ于1995年推出了 ASM2 （活 性污泥2号模型），在ASM1的基础上引入生物、化学除磷过程和4个 其它微生物反应过程，计算量更加庞大；1999年，IAWQ又相继推出 ASM2d和ASM3°ASM2d在ASM2的基础上增加了两个用于模拟细菌产 生有机物的硝化过程，ASM3则更侧重于强调细菌内部的活动过程。近年 来，国内也有一些学者开始置身于活性污泥建模领域，大多以ASM模型为 基础，针对污水处理建模做深层次的探究。陈晓龙等（2003）通过对ASM2 模型进行参数校正，达到了提高模型预测精度的目的；杨青等(2001 )在 ASM1基础上，通过建立动力学方程和合理假设，动态模拟了碳化、硝化和 反硝化过程。ASM系列模型的推出，在活性污泥研究领域产生了巨大的影响：首先，它 给研究人员提供了统一的概念术语和表达形式；其次，它尽可能准确得描述 了活污水性污泥法生物处理过程内部的反应过程，使得基于模型的控制手段 的研究成为可能。(三) 活性污泥法污水处理控制研究现状污水处理是一个生物反应过程，机理复杂、外界干扰强且具有非线性 和强耦合性。因此，为保证出水水质及处理过程的高质量、低功耗和安全稳 定运行，研究控制策略就显得尤为必要。在国外，由于工业发展起步较早，污染严重，所以很早就开始致力于污水处 理控制系统和策略的探究工作。美国阿华水厂，在上世纪70年代就开始研 究污水厂加药和投矶的计算机自动控制方法，在保证水质稳定的情况下，年 耗矶量降低了 20%；俄罗斯的莫斯科水厂和日本朝霞水厂也因在水厂工艺 中采用计算机自动控制而获得较理想的效果(王国光，2009)。O Brien M 等(2011)将模型预测控制和监测系统应用于北英格兰污水处理厂，预测控 制投运后，水厂效率提高25%的同时能耗大大降低。现在美国的大中型水厂 均实现了由一套DSC进行控制，当自动控制系统发生故障时，可无扰切换 到手动控制(钱孟康，2001)。迄今为止，国外有大量关于污水处理先进 控制算法的报道。模型预测控制领域：Lindberg CF. (1998)基于子空间辨识方法设计出水氨 氮和硝氮浓度控制的最优控制控制器；Sanchez A (2003 )利用子空间辨方 法对好氧池溶解氧浓度控制过程进行建模，并设计污水处理过程的子空间辨 识模型预测控制器。神经网络控制领域：Karama A (2001)提出硝化过程 的混合模型，推出神经网络规范方法，并将其应用于实验中；Martin Cote等 动态模拟了活性污泥过程，并用神经元网络方法改善了现有活性污泥机理模 型的精度。模糊控制领域：Jose R (2001)采用T-S模型对污水处理过程进 行非线性建模，并辨识相关参数，证明了用模糊模型表达污水处理过程的可 行性；Ferrer J (1998)等用模 糊逻辑控制方法对曝气过程进行研究，开发 了模糊逻辑曝气控制系统，较常规控制器可节能约40%；常规控制领域： Wahab NA和Katebi R等(2010)研究了污水处理过程除氮工艺多变量PID 控制器应用状况，基于对象阶跃/频率响应，提出一种新的多变量PID参数 调节方法，可以有效提高除氮节能效率。国内工业发展起步较晚，污水处 理技术较国外还有一定差距。污水处理厂控制系统相对落后，基本还是以手 工操作为主，个别城市引入国外的计算机控制系统，但经验相对欠缺。近年 来，污水处理课题在国内受到越来越多的关注，不少国内高校和研究机构加 大研究投入，取得了一定成果。如：彭永臻等人分别于1991年和1997年提出活性污泥法单变量无约束和多变量有约束的计算方法；并在彭永臻 （2000）中将多变量有约束问题的计算方法在污水处理过程中加以仿真； 谢生钢（2008）选取污水处理过程中溶解氧设定值和外加碳源为操作变量， 出水氮浓度为被控变量，研究了多目标和多速率模型预测控制方法。Shi XW et al.（2010）提出污水处理过程的两级控制器设计方案，上层控制单元采用 基于前馈神经网络的预测最优控制方法来获得溶解氧浓度和异氧生物浓度 设定值，下层单元采用两个PID控制器来跟踪设定值，获得了较好的仿真 效果。污水处理领域先进控制策略研究报道较多，但由于测量方法欠缺的 原因，对系统了解依然很局限，绝大多数先进控制策略的研究只能滞留于理 论仿真层面，与实际应用还有一段距离。二、研究主要成果维格栅鼓风机房冷格斯稣泵房三、发展趋势：1废水生物处理技术的新发展世界传统的观点认为，生物处理的主要功能是分解、稳定有机物（即降 低BOD）。随着工业生产的发展和对水环境的长期观察与研究表明，很多 人工合成的有机物具有致癌、致畸、致突变的严重危害，并且难以被微生物 所降解，无机性的营养物如氮、磷将引起水体的富营养化。生物处理技术对 这种类型的污水处理是否有效，一些BOD、COD浓度很高，甚至高达数万mg/L的污水，生物处理技术能否有效，这些新的问题和新的要求，推动了 世界废水生物处理技术和工艺方法的发展。1.1废水生物处理的微生物学研究传统的废水生物处理技术主要依赖两大类微生物，即异养型好氧微生物 和异养型厌氧微生物。近几十年来，科学家和工程师共同合作，对废水生物 处理中的微生物作了比较深入的研究，取得了很多成果。如：（1）对活性污泥中细菌和原生动物的不同种类和特性及其协同作用的 研究，推进了 A-B法工艺的发展。（2）对于硝化、反硝化细菌的研究，以及聚磷菌特性的研究，推进了 具有脱氧功能的A-O法工艺以及具有脱氮除磷功能的A-A-O法工艺的发 展。（3）对于厌氧微生物种群和特性的研究，以及发现了厌氧微生物具有 部分降解大分子合成有机物的能力，推进了厌氧生物处理工艺以及用厌氧- 好氧串联流程处理含难降解有机物污水的工艺发展。（4）对于高效菌的筛选、培养和固定化的研究，为进一步提高污水生 物处理的效能，特别是难生物降解的有机物的处理提供了有效的途径。1.2废水生物处理新反应器和新工艺废水生物处理中的三大要素是：微生物、氧和营养物质。反应器是微生 物栖息生长的场所，是微生物对废水中的污染物加以降解、利用的主要设备。 高效的反应器，要能保持最大的微生物量及其活性，要能有效地供应氧（或 隔绝氧），要使微生物、氧和污水中的有机物之间能充分接触良好的传质条 件。反应器按其特性，大致可分为以下几类：（1）悬浮生长型（如活性污泥法）或附着生长型（如生物膜法）；（2）推流式或完全混合式；（3）连续运行式（如传统活性污泥法）或间歇运行式（如SBR法）。不同类型的反应器和工艺方法具有不同的优缺点，各有其不同的适用条 件，现在又出现了一些复合型的反应器，既有悬浮生长的微生物，又有附着 生长的微生物，具有生物量高和传质效率高的优点。比较新的工艺方法和反应器有以下几种：1.2.1 A-B活性污泥法A-B活性污泥法是两阶段活性污泥法的发展，特点是各阶段有不同微生 物种群，有各自的沉淀池和污泥回流系统。它的运行负荷高（即曝气池的总 容积可以减小），对进水负荷的变化有较强的适应能力，缺点是剩余污泥量 多。但污泥量多，也表明污泥中的有机物多，储有的生物能多，如充分利用 其生物能（产生沼气）可在很大程度上满足污水厂的能耗。1.2.2 A-A-O活性污泥法A-A-O活性污泥法不但能降低污水中的BOD、COD，还能有效地去除废水 的总氮和总磷。缺点是工艺流程较复杂，投资和运行费用都较传统活性污泥 法高20%30%。近年来，同济大学陆续开发出了时间顺序A-A-O、倒置 A/A/O和低氧A-A-O 3种生物脱氧除磷新工艺，特别适用于污水厂的改造， 可在基本上不增加或少增加投资，运行费用与传统活性污泥法相近的条件 下，保持较高BOD、COD去除率，同时获得良好的脱氮除磷效果。1.2.3氧化沟活性污泥法氧化沟活性污泥法可在较低负荷和较长污泥龄条件下运行，得到优质的 出水，具有生物脱氮的功能，污泥产量低，运行稳定，特别适用于有较多土 地和污水量不太大的条件下使用。1.2.4 SBR 法SBR法是间歇运行的生物反应器，具有脱氮除磷功能，可以采用悬浮生长 型也可以采用附着生长型。反应器在不同时间处于不同的工况，可以适应不 同的负荷，运行比较稳定，缺点是必须采用自动控制设施，且要求污水量较 小。1.2.5好氧生物流化床微生物生长在载体表面，载体则在反应器中流动，是悬浮生长型和附着 生长型的复合。它可以保持高浓度的微生物量，传质效率高，体积负荷可以 比传统活性污泥法高610倍。过去，载体的均匀流化和载体的脱膜、防粘 结一直是技术上难题。近年来，一些比重比水略小，在曝气时可在反应器中 均匀流化，不会磨损、腐蚀、不结团、不会流失，而且表面积很大（达200 300 m2/m3 ）的新型载体的开发，为好氧生物流化床的发展创造了良好的条 件。1.2.6升流式厌氧污泥床反应器（UASB）UASB是应用最广泛的废水厌氧生物处理反应器，可以形成颗粒状的污 泥，生物固体的浓度和生物活性都很高，且于高浓度有机废水和城市生活废 水的处理，能达到很高的负荷和处理效率。介绍了以上工艺方法和反应器后，需要特别补充说明：这些方法和反应器， 在一定条件下，都是有效的和先进的。但每种方法和反应器都有其优缺点和 适用条件，如果片面地认为某一种方法是最好的、最先进的、是无条件地适 用各种情况的，那将是绝大的错误，所以世界个国在发展各种技术的同时， 不要过于片面的只向一个特定的方向进军，要注意发展综合技术，结合个技 术的优点于一体的综合性废水处理技术！2. 膜-活性污泥法组合的污水处理工艺的发展膜-生物反应器的组合工艺，集微生物的生物降解作用和膜的高效分离 作用于一体。由于微生物的高浓度可以使反应器的处理效率提高，加上膜的 精滤作用，使出水水质良好，装置的占地面积小，产泥量小。这种工艺的关 键是膜（超滤膜或精滤膜）的研制和运行工艺的研究。能按需要，控制膜的孔径，以及膜的构造（单层或双层膜，孔径是否外表小 内表大等）是防止膜阻塞和使于清洗的关键。合理的反应器构造和运行操作条件也是这一工艺能否正常运行的必要条件。 间歇式的出水（不出水时，空气曝气起到清洗膜表面的作用）和造成膜表面 的横向高流速也是避免膜阻塞的可能途径。（四）存在问题（1）实际污水处理过程对象延时受不同的外界因素影响，其对象延时变 化很大，不同的方法、工艺、设备和传感器都会得到不同的延时，而现有的 机理模型微分方程中没有反映出反应过程的滞后信息。因此，国内外绝大多 数污水处理先进控制策略研究相关的论文都没考虑系统延时。希望在以后的 研究和应用过程中，可以结合污水处理厂实际工艺，加大该方面的研究力度。（2）目前的各种污水处理先进控制策略，通常都假设过程中所涉及的变量 是可以在线检测的，不考虑实际的测量成本(如本文中的氨氮浓度和硝氮浓 度)，这在实际应用中就会存在投运成本的约束；因此，污水处理过程自动 控制技术的实际应用，对测量技术的发展提出了新的要求。(3) 先进控制策略如果要投入应用，势必要对水厂现有的控制系统做一定 程度的改动，还需要考虑到经济性和安全性等现实的主导因素。目前，国内污水处理厂的主体控制水平还是以手动操作和半自动控制为主， 采用常规仪表对污水中的指标量进行离线采集，根据控制要求采用继电器方 式开启阀门、起停电机等；除了溶解氧(DO)控制外，鲜见基于先进控制 策略的连续控制方法应用于实际水厂的生产过程中。大量的先进控制研究成 果只停留在理论层次，尚未得到实际应用。将现有的研究成果应用于实际生 产工艺中，应是未来污水处理自动控制技术的发展方向。五、主要参考文献王树东，闫媛媛，孟静静，陈仕彬，王红波，毕作文.模糊预测控制在 溶解氧控制系统中的应用.工业仪表及自动化装置2010(4)(2) 王树东闫媛媛王红波毕作文.自适应模糊控制和PCC在污水处理控制 系统中的应用.电气自动化，2010(8)(3) 陈小龙，杨海真，顾国维，2007.活性污泥2号模型的应用与校正【J】.工业用水也废水.(4) 杜树新.2006.污水生物处理过程建模与控制【J】.控制理论与应用.(5) 樊弟.2010.多模型广义预测解耦控制【D】.合肥；中国科学技术大学.(6) IWA课题组.2002.活性污泥数学建模【M】.同济大学出版社.(7) 高景峰.2007.SBR法去除有机物和脱氮除磷在线模糊控制的基础研究.哈尔滨工业大学.(8) 李柠，李少远，席裕庚.MIMO系统的多模型预测控制.自动化学报.(9) 李志富.2009.中国水资源的特点、存在的问题及对策.科技信息.(10) 李英辉，侯肖霞.2006.广义预测控制发展与展望.石家庄职业技术学院 学报.(11) 易继凯，候媛删.智能控制技术.北京；北京工业大学出版社.(12) 王树东，曹爱红等，模糊自调整PID控制在电厂锅炉水处理中的应用， 工业用水与废水，2007,17.(13) 彭勇真，污水处理系统的在线模糊控制.哈尔滨建筑大学学报.(14) 李厚群，在线溶解氧分析仪的测量及使用维护.卢天化科技，2008, 3.(15) Wang yin-sang， Shang Gou-Cai， He Tong-Xiang. 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