AO工艺多回路控制的研究进展沈后起

第16卷第4期污染防治技术2的3年12月A/O工艺多回路控制的研究进展沈后起,杨青(同济大学环境科学与工程学院,上海200092)摘要:综述了近年来A/O工艺多回路控制的研究进展,包括控制的模拟平台、控制策略的确定及其评价等,并展望了其发展趋势。关键词:A/o工艺;多回路控制;控制器;控制策略中图分类号;X703.1文献标识码:A文章编号:1以只一695X(2oo3)04一0221一04AdvancesonMultilooPControlinPredeultri尔ngProcessSHENHou一qi,YANGD〔,“材mentofnE沉orn~alt反le一adnE刀91、iergn,QjngoT刀日艺nUi:,Sha了堵人aiZ(X刃92,hCinaAbstract:hTeadvanoesonmultiloopcontrolinpredenitirfyingproeess15presented,involvingthesimulationhenehmark,theeontorstarte乎es,t砂orfrmaneeevaluation,ete.】幽tly,thetrendofstudontheProeeosisprospected.Keywords:predenirir行ingprneess;multiloopeontrol;eontroller;contro]s之班te群概述目前,环境法规严格限制污水处理厂的出水水质,管理者追求运行成本的节约,决策者要求提高现有设施的处理能力以缓解投资压力,这些对污水处理厂的运行控制提出了更高的要求上’,。随着在线实时水质分析仪的发展,氮、溶解氧、BOD、COD等水质的在线测量变得方便和经济;活性污泥模型的发展,能较好地模拟工艺过程,这些也都促进了污水处理工艺控制的研究犷创。当前的研究主要针对A/O脱氮工艺,以多回路控制为主,成果包括A/O工艺控制的模拟平台、控制策略的确定及其评价等方面。多回路控制系统由多个单回路控制(5150)系统组成,各控制单元独立工作,根据系统动态和时变的特性,通过实时控制,在满足出水水质的前提下,尽量减少出水波动和降低运行成本。鬓元犷嘴元卿厂瓮;O。口,IQ,Simu}ationBenehmakr中的处理工艺框架l控制的模拟平台闭1998年,欧洲的研究项目COST682/624提出了一个A/O脱氮工艺的控制模拟平台—iSmula-tionBenehmark。其中包括工艺的框架(两个缺氧池,三个好氧池,见图1)、模型(生物反应过程采用ASMI号模型和二沉池采用10层模型)、进水数据(一个旱天数据,两个雨天数据)、评价标准等。2控制变t阵,,JA/o脱氮工艺中,常用的控制变量有溶解氧、污泥龄、内回流速率、外加碳源、硝化区体积。这个平台为不同控制策略间的比较提供了一个公允的方法和模拟环境,因而,目前A/O脱氮工艺的控制研究,大多以该平台为基础。(l)溶解氧(DO)DO控制是目前活性污泥工艺中最常见、也是最主要的控制变量。过高的DO导致不必要的能量消耗、回流后影响反硝化过程;过低的DO会抑制硝化菌的生长和影响搅拌效果。曝气的能量消耗占到污水处理厂能量消耗的40%一50%,通过优化DO控制,在保证出水水质的前提下,节约曝气费用,意义重大。(2)污泥龄污泥龄是活性污泥法工艺的重要参数,通过污泥回流和剩余污泥的排放来控制。合收稿日期:2003一08一09;修订日期:2003一09一的作者简介:沈后起(1977一),男,江苏盐城市人,在读硕士研究生,研究方向为给排水系统及其优化。103第16卷第4期沈后起等.灯O工艺多回路控制的研究进展2X()3年12月适的污泥龄既保证了污泥的良好沉降性能,又避免了系统中的硝化菌流失。污泥龄的确定是风险(污泥膨胀、过载负荷)和经济性(污泥产量、曝气费用)之间平衡的结果。(3)内回流速率内回流为反硝化过程提供硝化反应生成的硝酸盐。一般内回流比越大,反硝化效率越高,出水硝酸盐浓度越低。(4)外加碳源反硝化过程消耗易降解有机物,当进水碳氮比低时,碳源成为控制因素,回流比增加也不能提高反硝化效果,此时需要外加碳源,如投加甲醇等。(5)硝化区、反硝化区的体积比陈43硝化区体积较小时,DO浓度往往过大,导致回流液中DO浓度过高,抑制反硝化过程。相反,体积过大时,进水氨氮浓度低的情况下,造成DO浓度过低,影响污泥的活性,并可能产生凡O,搅拌效果也差。因此,要考虑对硝化区的体积加以控制。艺的控制中,因为增加的控制器用来调整出水水质的设定值,所以也称为设定值控制(见图5)。AAA/O工艺艺图4前馈+反馈控制图5串级控制4控制器控制器是按照不同的控制算法来分类的,可以分为PID控制器、自适应控制器、模糊控制器、模型预测控制器等。4.1PID控制器(比例积分微分控制器)[6〕这是传统的控制器,算法如下:尸二、P(二去{二`:一瓮)3控制回路3.1反馈[5]反馈控制是最简单常用的过程控制方式(图2)。工作原理:在间隔取样时,在线仪器返回出水水质的测量数据,控制器将其与设定值比较后,得到控制误差,并据此调整控制变量的值,使出水水质尽量接近设定值。反馈控制在多回路控制系统中得到广泛的应用,但总是滞后于扰动,是一种不及时的控制,会造成调节过程的动态偏差。3.2前债[5〕前馈控制通过工艺模型来预测扰动对出水水质的影响,从而及时调整控制变量的值,克服扰动的影响(见图3)。燮边沐瓜兀压厄-卫些控制变控制器设定值AAA/O工艺艺圈2反该控制圈3前馈控制3·3反债+前馈15,6〕反馈与前馈控制联用,结合了两者的优点(见图4)。在波动影响系统之前,前馈控制对控制变量作出了相应调整;对于前馈模型的误差,则通过反馈控制得到补偿,使系统更加稳定地运行。3·4串级控制阶7〕串级控制是反馈控制的一种。在A/o脱氮工104式中,尸为控制器的输出变化量;K。为放大系数;。为控制器的输入,即偏差;tf为积分时间;:D为微分时间。lP控制器的算法不包括微分项。4.2自适应控制器区91自适应控制器的参数通过一个参数估计器进行连续调整,适用于A/O工艺这样的时变和非线性系统。它不仅能消除状态扰动引起的系统误差,还能消除系统结构扰动(如控制参数的变化)引起的误差。4.3模糊控制器(rCL)[’0〕模糊控制器运用模糊逻辑进行直接推理,通过精确量的模糊化、模糊规则的建立、模糊推理和模糊量的非模糊化等步骤来实现。与PID控制器相比,模糊控制器有更快的响应和更小的超调,对被控系统的参数变化不敏感,能克服非线性的影响。4.4模型预测控制器[川这些控制器通过对工艺模型预测控制变量的控制轨迹,有模型预测控制(MPC)、动态矩阵控制等算法。5多回路控制系统z[,“15.1系统藕合性分析灯0工艺是一个时变的非线性系统,其控制本质是多变量控制问题。当控制变量间的祸合度较弱时,可将多变量控制问题转化为多回路控制问题。A/O工艺中硝化和反硝化过程藕合的每一控第16卷第4期沈后起等.A/O工艺多回路控制的研究进展2003年12月制变量对二者都会产生影响,表现在:内回流带人的溶解氧会导致缺氧区的反硝化能力下降;碳源投加过多,导致好氧区的溶解氧额外消耗;好氧区过低的溶解氧,导致同时硝化和反硝化的发生。相对增益矩阵RGA是衡量控制系统中控制变量间的藕合度的有力工具。ePnrillenIsjldsen用RGA矩阵对内回流速率和Do设定值,外加碳源和DO设定值间的祸合性进行了分析,结果表明,它们之间的藕合程度较弱。因此,A/0工艺可分为硝化和反硝化两个子系统来控制。5.2控制变量分析(l)控制权威控制权威是指控制变量影响被控系统抵抗波动的能力。控制变量的控制权威限制了系统的可控性。控制变量间的控制权威是相互影响的。模拟结果表明,污泥龄越长,DO设定值的平均值越低,也就是DO设定值的控制权威越高。这是因为DO的控制权威依赖于系统中的硝化菌的数量,较长的污泥龄意味着较高的抗扰动能力。内回流控制权威较低,外加碳源的控制权威较高。根据进水中易降解有机物的浓度对内回流进行实时控制后,它的控制权威就低了,当出水总氮仍高于出水要求时,要考虑外加碳源,则外加碳源的控制权威变高。(2)响应时间DO控制和污泥龄控制的响应时间不同。DO控制在中等时间内响应,以分钟和小时计;污泥龄控制则在较长时间内响应,以周和月计。所以,污泥龄控制不适合用来抵抗中等时间规模的波动,但要保持适当的污泥龄以保证Do控制的控制权威。内回流和外加碳源控制对反硝化过程的影响都是中等时间规模。5.3多回路控制系统在保证适当的污泥龄前提下,选择DO、内回流速率、外加碳源和体积比等控制变量,以出水的氨氮和硝酸盐浓度为被控变量,构建A/O工艺的多回路控制系统,其在实际工程中已有应用,效果不错,相对传统控制而言,出水的稳定性提高,运行费用也减少。图6是一个典型的多回路控制系统。表1总结了多回路控制的研究现状。外加碳源采用前馈控制,DO和内回流采用设定值控制,污泥排放采用二沉池污泥层高度控制。上标S表示设定值,下标e表示出水。前前馈模型型哈哈哈_.1___OOOOOOOOOOOOOOOOOO一qqq一000口口口口口口口口OOO甲OOO,,,,ooooo,口口VVVVVVVVVVVVV从从’.尸尸尸尸尸尸{{{{{{{{{卿图6一个典型的刃。脱氮工艺多回路控制系统匕`。1表IA/o脱氮工艺多回路控制的研究现状比卜“1川控制变量被控变量控制回路D0内回流外加碳源体积比NH4十一NNO。一NNO。一NNH`牛一N,NO3一NN瑞十一NFF,FB.CCFF,CC应用状况S,P,FS,P,F+FB)、m,优+FB)控制器(算法)PI(D),F比Pl(D)IP(D),CA,日尤,MPMPS,P,F污泥龄Pl(D)S,P,F刚川咫注:FB为反馈,FF为前馈,CC为串级控制(设定值控制);IPD为比例积分微分控制器,FLC为模糊控制器,AC为自适应控制器,MP为模型预测控制器;5为模拟,P为小试,F为工程应用6控制策略的评价6.1SimulationBenehmark中的评价标准(I)出水水质(EQ)(A)出水水质指数(EQI)根据出水中的污染物(coD、Bo几、sTs、KTN、N03一N)的负荷和它们的权重,计算出运行期间出水中的污染物负荷的平均值,即为EQI,它说明了出水水质的总体状况。(B)水质超标情况包括超标次数和超标时间的统计。(2)运行费用从污泥产量、曝气能量(A)E、提升能量(PE)三方面考察。(3)处理能力现有工艺处理能力的提高意味着投资费用的节省。Benchmakr中用保持出水水质指数不变时,流量的相对增加倍数a来表示处理能力提高的程度。62总费用指数和鲁棒性指数!’2)benchmark中的评价因子很多,它们的权重难以确定,使得实际决策变得困难。benhcmark也没有对控制策略的鲁棒性进行分析。模拟是理想化的,工程实际应用时,工艺的结构、参数和进水水质等都会发生变化,因此有必要对控制策略的鲁棒性(可移植性)进行分析。对此,vanorngehem等提出了总费用指数TCI(OTtalCostIndex)和鲁棒性指数Rl(RubustnessIndex)。105第16卷第4期沈后起等.刀O工艺多回路控制的研究进展2朋3年12月()l总费用指数TCITIC为排污费、污泥处理费用、提升费用、曝气费用和设备投资费用的总和,在EQ、PE、AE等评价因子的基础上,从经济角度把模拟结果和实际应用联系起来。`2,鲁”””数IR“=l丫靡琦式中:S口(OTtalCost△夕(TotalCost),`’`,P;夕为变化的工艺参数。RI越大,控制策略的鲁棒性越好。完善的控制模拟平台和评价体系。在欧洲许多国家,A/O工艺控制的研究成果开始进人工程应用阶段,虽然我国的相关研究刚刚起步,但控制的模拟研究所需投人少、周期短,有望缩小与发达国家的差距。〔参考文献〕「一3JEP邢SONU,ALExJ,OPNSMN,et目.5扭tus即dFutu,T,ndsofzeAinwastewaterTreatment一Euo