王曉蓮1， 彭永臻1， 馬 勇2， 王淑瑩1
(1．北京工業(yè)大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100022；2．哈爾濱工業(yè)大學(xué) 市政環(huán)境工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150090) 摘 要：紹了污水處理廠控制策略的國際評價基準(zhǔn)(Benchmark)，它是對污水廠控制策略進(jìn)行模擬評價的平臺，包括裝置構(gòu)造、模擬模型、進(jìn)水負(fù)荷、測試程序和評價標(biāo)準(zhǔn)，可應(yīng)用不同的模擬軟件進(jìn)行結(jié)果模擬。該基準(zhǔn)的建立，為客觀評價不同控制策略的性能、獲得最優(yōu)控制策略、改善污水廠的管理和運(yùn)行起到了重要作用。
關(guān)鍵詞： 污水處理廠； 控制策略； 評價基準(zhǔn)
中圖分類號：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1000-4602(2004)11—0032-04 International Evaluation Benchmark on Control Strategies of Wastewater Treatment Plant
WANGXiao-lian1， PENGYong-zhen1， MAYong2， WANGShu-ying1
(1．School of Environmental and Energy Engineering，Beijing University of Technology，Beijing 100022，China；
2．School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，Harbin 150090，China) Abstract： The international evaluation benchmark on control strategies of wastewater treatment plant was introduced．the benchmark is the platform for simulating evaluation on the control strategies of wastewater treatment plant，it covers the plant layout，simulation model，influent load，test procedures，and evaluation criteria，and it can simulate the result with different simulation software．Setup of the bench-mark has play an important role in objective evaluation of the performance of different control strategies for obtaining the optimal control strategies，and improving management and operation of wastewater treatment plant．
Key words： wastewater treatment plant； control strategy； evaluation benchmark
城市污水處理廠的進(jìn)水流量、水質(zhì)波動性大，是典型的非線性系統(tǒng)，需要建立嚴(yán)格、綜合、全面的模擬環(huán)境以對控制策略進(jìn)行評價。IWA就此建立了國際評價基準(zhǔn)(Benchmark)，該模擬環(huán)境包括裝置構(gòu)造、模擬模型、進(jìn)水負(fù)荷、測試程序和評價標(biāo)準(zhǔn)。它并非特定的模擬平臺，而是可以應(yīng)用C／Ｃ++以及Fortran語言進(jìn)行代碼開發(fā)，也可以應(yīng)用商業(yè)的WWTP模擬軟件包，使用者可以在模擬代碼的基礎(chǔ)上開發(fā)任何控制策略，并應(yīng)用規(guī)定的評價標(biāo)準(zhǔn)對其性能進(jìn)行比較，所有模型參數(shù)可在COST624網(wǎng)址獲得(http：//www.ensic.u-nancy.fr/COSTWWTP)。
１ 裝置構(gòu)造
該基準(zhǔn)以前置反硝化工藝為基礎(chǔ)(如圖1所示)，由5個隔室(6000 m3)和一個二沉池(6000m3)組成，所有隔室均認(rèn)為完全混合，二沉池假設(shè)分割為10層(一維濃度分布模型)。設(shè)計平均水量為2×104m3/d，平均COD為300 mg/L，污泥濃度為3000mg／L，污泥負(fù)荷約為0.2kgBOD5/(kgMLSS·d)。采用IWA的活性污泥模型ASMl模擬生物反應(yīng)[1]、Takacs等人開發(fā)的二次指數(shù)沉淀速率模型模擬沉淀過程[2]?？刂茖ο蟀ǎ汗┭趿?由每個隔室的氧傳遞系數(shù)KLa表示)、硝化液內(nèi)循環(huán)回流量(Qa)、污泥回流量(Qr)和剩余污泥排放量(Qw)。 
2 進(jìn)水負(fù)荷
該基準(zhǔn)所應(yīng)用的進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)來源于三組歷時兩周的運(yùn)行數(shù)據(jù)文件，第一組進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)文件代表旱天進(jìn)水濃度和進(jìn)水量的晝夜變化，第二和第三組數(shù)據(jù)文件均以旱天數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，在第二周添加下雨情況，第二組數(shù)據(jù)文件添加持續(xù)2 d下雨情況，進(jìn)水量恒定增加，相對于旱天數(shù)據(jù)進(jìn)水COD和氮負(fù)荷沒有增加；而第三組數(shù)據(jù)文件添加暴雨進(jìn)水情況，暴雨持續(xù)時間很短，相對于旱天數(shù)據(jù)不但增加了進(jìn)水量而且進(jìn)水負(fù)荷也相應(yīng)提高。因此，任何控制策略都可以應(yīng)用這三組進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)文件來測試。
3 模擬軟件的估計
為驗(yàn)證模擬軟件的可執(zhí)行性設(shè)計如下程序：設(shè)定所有控制器處于開環(huán)，所有變量設(shè)為一定值，在恒定的條件下模擬100d，將此穩(wěn)定狀態(tài)下獲得的數(shù)值和COST網(wǎng)址提供的參考值相比較，如果誤差在允許的范圍內(nèi)則說明模型執(zhí)行正確，最后應(yīng)用旱天數(shù)據(jù)文件來測試模型對動態(tài)負(fù)荷的響應(yīng)。
4 控制策略
用Benchmark提供的控制策略來驗(yàn)證用戶模擬代碼的可用性?；究刂撇呗园ǎ?BR> ?、?應(yīng)用一個PI控制器，以第5隔室的KLa。為控制量，控制最后隔室的DO為2 mg／L。假設(shè)DO探頭的測定是理想的，沒有滯后時間和噪聲干擾。
?、?通過控制Qa來控制第2個缺氧隔室的硝酸鹽濃度為1 mg／L，采樣周期為10 min，允許10min的滯后。該信號添加了白帶、高斯和零階噪聲。當(dāng)進(jìn)行閉環(huán)測試時，需要100d的穩(wěn)定期(測定沒有噪聲)。在測試三組數(shù)據(jù)文件時，需要首先測試旱天天氣數(shù)據(jù)文件(14 d)。如果控制器可合理地調(diào)節(jié)，那么大部分時間內(nèi)出水應(yīng)該滿足第5部分的限制性排放標(biāo)準(zhǔn)，在該階段無需應(yīng)用模型等式進(jìn)行控制器的設(shè)計和調(diào)整。
5 出水限制和性能評價
性能評價可以通過應(yīng)用不同的天氣數(shù)據(jù)文件得出的模擬結(jié)果進(jìn)行。三個測試周期(旱天、持續(xù)雨天和暴雨)限制性出水水質(zhì)的平均濃度都應(yīng)滿足以下標(biāo)準(zhǔn)：Ntot,e<18 mg／L，CODe<100 mg／L，SNH,e<4mg／L，SSe<30 mg／l，BOD5.e<10 mg／I。出水超過限制標(biāo)準(zhǔn)的時間占總時間的比例和次數(shù)都作為性能指標(biāo)，上述物質(zhì)的出水濃度按下式計算(文中參數(shù)意義同活性污泥數(shù)學(xué)模型ASM1)： 
性能估計需要兩步，第一步是應(yīng)用IAE(絕對偏差的積分)和ISE(偏差平方值的積分)準(zhǔn)則估計本地控制系統(tǒng)，測算出水水質(zhì)的測定值與設(shè)定值之間的最大偏差及平均偏差，證明開發(fā)的控制策略是否可被應(yīng)用。第二步是應(yīng)用控制策略后污水廠的處理效果，它又分為兩個子步驟：
?、?出水水質(zhì)。出水水質(zhì)指數(shù)以E．Q．表示，該指數(shù)是觀察期的平均值，因而E．Q．可表示為： 
式中 Bi——不同污染物對受納水體的污染程度的權(quán)重系數(shù)
?、?運(yùn)行參數(shù)。a.污泥產(chǎn)量，根據(jù)研究時間內(nèi)排放的污泥量以及系統(tǒng)積累的污泥量來計算。b.控制器輸出值的變化大小，應(yīng)設(shè)定執(zhí)行變量的最大變化量和平均偏差，從而表明系統(tǒng)是否處于高負(fù)荷或泵和曝氣裝置是否完好。c.曝氣和泵的能耗。曝氣能耗(AE)以三個好氧隔室的KLa(h-1)來計算。例如型號為DP230、淹沒深度為4 m的多孔曝氣設(shè)備的能耗為： 
6 模擬結(jié)果
6．1 應(yīng)用FORTRAN模擬平臺
這兩個PI控制器都是離散性且具有避免停止能力，假設(shè)Δt是控制器兩個控制行為的時間間隔，y(k)是在時間kΔt的測定值，yset是設(shè)定值，應(yīng)用的行為u(k)可以按下式計算：
u(k) ＝ Du＋u(k－1)
Du ＝ K{[e(k)－e(k－1)]＋Δt·e(k)/Ti}
|Du|≤Dumax(限制兩個連續(xù)行為的u的變化)，e(k)和e(k－1)是在時間kΔt和(k－1)Δt時的偏差，e(k)＝y(tǒng)set－y(k)，X和Ti分別是PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，通過調(diào)整，獲得如表1所示的設(shè)置。 表1 基于FORTRAN平臺PI控制的參數(shù)設(shè)置
Tab.1 PI controller settings using FORTRAN | 項目 | DO控制器 | 硝酸鹽氮控制器 | | K | 0.7h-1(g/m3)-1 | 210(m3/h)(g/m3)-1 | | Ti(h) | 0.06 | 3 | | Δt(h) | 0.02 | 0.17 | | yset(g/m3) | 2 | 1 | | umin | 0h-1 | 0m3/h | | umin | 10h-1 | 3843m3/h | | Dumax | 0.5h-1 | 500m3/h |
６.２ 應(yīng)用Simulink模擬平臺
應(yīng)用Simulink模擬平臺的硝酸鹽氮和DO控制器應(yīng)用避免停止功能是為了限制控制器的輸出值(控制變量KLa和Qn都有限制)，否則由于控制器的積分作用產(chǎn)生超調(diào)現(xiàn)象將嚴(yán)重影響控制器的性能。控制結(jié)構(gòu)是連續(xù)型的具有避免停止功能的n控制器，控制器可以表示為： 
Ulim是控制器u的限制值，e(k)＝y(tǒng)set－y(k)，控制信號。是一個計算值，還需證實(shí)控制輸出是否超過設(shè)定值： 
如果控制信號已經(jīng)飽和，Ulim－u將引起積分部分變化，直到飽和作用消失，相應(yīng)避免控制器停止。控制器的參數(shù)如表2。 表2 基于Simulink平臺PI控制的參數(shù)設(shè)置
Tab.2 PI controller setting using Simulink | 項目 | DO控制器 | 硝酸鹽氮控制器 | | K | 20.8h-1(g/m3)-1 | 625(m3/h)(g/m3)-1 | | Ti(h) | 0.024 | 1.2 | | Tt(h) | 0.0048 | 0.72 | | yset(g/m3) | 2 | 1 | | umin | 0h-1 | 0m3/h | | umin | 10h-1 | 3843m3/h |
6．3 執(zhí)行結(jié)果
圖2是應(yīng)用FORTRAN模擬平臺從穩(wěn)定狀態(tài)轉(zhuǎn)換為旱天，數(shù)據(jù)文件前一天及后三天PI控制器的性能。
結(jié)果表明，DO控制器可以維持5隔室DO接近設(shè)定值2 mg／L，然而硝酸鹽氮控制器性能并不好，其原因是：測定信號中包含噪聲和滯后時間，時間滯后是工藝本身決定的，因?yàn)楦淖僎a并不能對第2隔室的硝酸鹽氮濃度立即產(chǎn)生影響，內(nèi)循環(huán)混合潦首先進(jìn)入第1隔室，工藝響應(yīng)時間不可避免地晚于控制行為；另外第一隔室發(fā)生反硝化反應(yīng)，因而一些硝酸鹽氮被消耗，這些都沒有提前預(yù)見。如果應(yīng)用基于模型的控制器或前饋控制器則可以明顯提高硝酸鹽氮控制器的性能。 
6．4 性能估計
表3給出了旱天工況下FORTRAN和Simulink平臺的系統(tǒng)性能比較，從表中看出，盡管二者沒有獲得相同的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，但是在開環(huán)和閉環(huán)情況下均具有可比性。 表3 應(yīng)用Simulink和FORTRAN平臺性能標(biāo)準(zhǔn)比較
Tab.3 Comparison of the performance criteria obtained using Simulink and FORTRAN | 項目 | Simulink | FORTRAN | | 開環(huán) | 閉環(huán) | 開環(huán) | 閉環(huán) | | E.Q.(106g/d) | 3.06 | 2.94 | 2.76 | 2.78 | | Pdisp_sludge(kg/d) | 2435 | 2440 | 2487 | 2492 | | AE[(kW·h)/d] | 6476 | 7240 | 6528 | 7148 | | PE[(kW·h)/d] | 2976 | 1490 | 2980 | 1160 | | NbViol-Ntot,e | 5 | 7 | 6 | 11 | | NbViol-SNH,e | 7 | 5 | 5 | 5 | | TViol-Ntot,e(%) | 8.2 | 18.3 | 10.9 | 36.4 | | TViol-SNH,e(%) | 62.5 | 17.3 | 57.8 | 14.8 | 注:Pdisp_sludge=日平均產(chǎn)生的處理的污泥量,NbViol-i=超過限定排放
標(biāo)準(zhǔn)的次數(shù),T-i=超過限定排放標(biāo)準(zhǔn)的時間所占比例(i為指標(biāo)) |
表4是應(yīng)用Simulink平臺在第二和第三組天氣數(shù)據(jù)文件下獲得的結(jié)果。對于旱天數(shù)據(jù)的控制策略可降低出水氨氮濃度。 表4 應(yīng)用暴雨和雨季數(shù)據(jù)文件的性能標(biāo)準(zhǔn)比較
Tab.4 Results obtained using Simulink for the rain and the storm data files | 項目 | 暴雨天氣文件 | 雨季天氣文件 | | 開環(huán) | 閉環(huán) | 開環(huán) | 閉環(huán) | | E.Q.(106g/d) | 3.06 | 3.35 | 3.96 | 3.72 | | Pdisp_sludge(kg/d) | 2599 | 2605 | 2352 | 2358 | | AE[(kW·h)/d] | 6476 | 7285 | 6476 | 7169 | | PE[(kW·h)/d] | 2976 | 1730 | 2967 | 1930 | | NbViol-Ntot,e | 4 | 7 | 3 | 5 | | NbViol-SNH,e | 7 | 7 | 7 | 8 | | NbViol-SSe | 1 | 2 | 0 | 0 | | TViol-Ntot,e(%) | 8.5 | 15.8 | 4.8 | 11.3 | | TViol-SNH,e(%) | 64.6 | 26.8 | 63.2 | 26.8 | | TViol-SS,e(%) | 0.1 | 0.3 | 0 | 0 |
7 結(jié)語
Benchmark為評價不同的控制策略提供了連續(xù)的公平的方法，每個新控制策略可以客觀地和其他控制策略相比較，以確定具有通用性的最優(yōu)控制策略。但是Benchmark模擬平臺僅限于單級連續(xù)流活性污泥系統(tǒng)，而且沒有考慮污泥處理部分，而一個完善的控制策略是需要包括污水廠的各個方面，今后COST工作組將從裝置構(gòu)造、模擬模型、測試儀器和評價標(biāo)準(zhǔn)等方面不斷擴(kuò)大其適用范圍，用戶也可以免費(fèi)下載其軟件工具并定義自己的傳感器和執(zhí)行器。
參考文獻(xiàn)：
[1] Henze M，Grady Jr C P L，Gujer W，et al. Activated Sludge Model 1，IAWQ Scientific and Technical Reportl[M]．London：IAWQ，1986．
[2] TakacsI，Party G G，Nolasco D．A dynamic model of the clarification thickening process[J]．Water Research，1991，25(10)：1263—1271．
E－mail：wxlxiaolian@sina.com
收稿日期：2004—05—08 | 
