安洋文献综述

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： 安洋 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－好氧）、A2/O 法（缺氧－好氧－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——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矾的计算机自动控制方法，在保证水质稳定的情况下，年耗矾量降低了 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