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(guó)際評(píng)價(jià)基準(zhǔn)(Benchmark)，它是對(duì)污水廠控制策略進(jìn)行模擬評(píng)價(jià)的平臺(tái)，包括裝置構(gòu)造、模擬模型、進(jìn)水負(fù)荷、測(cè)試程序和評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)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(píng)價(jià)基準(zhǔn)
　　中圖分類(lèi)號(hào)：X703.1　　　文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B　　　文章編號(hào)：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(dòng)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(duì)控制策略進(jìn)行評(píng)價(jià)。IWA就此建立了國(guó)際評(píng)價(jià)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(cè)試程序和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。它并非特定的模擬平臺(tái)，而是可以應(yīng)用C／Ｃ++以及Fortran語(yǔ)言進(jìn)行代碼開(kāi)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(kāi)發(fā)任何控制策略，并應(yīng)用規(guī)定的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)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(gè)隔室(6000 m³)和一個(gè)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(jì)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(kāi)發(fā)的二次指數(shù)沉淀速率模型模擬沉淀過(guò)程^[2]?？刂茖?duì)象包括：供氧量(由每個(gè)隔室的氧傳遞系數(shù)K_La表示)、硝化液內(nèi)循環(huán)回流量(Q_a)、污泥回流量(Q_r)和剩余污泥排放量(Q_w)。

2　進(jìn)水負(fù)荷
　　該基準(zhǔn)所應(yīng)用的進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)來(lái)源于三組歷時(shí)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(duì)于旱天數(shù)據(jù)進(jìn)水COD和氮負(fù)荷沒(méi)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(shí)間很短，相對(duì)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(lái)測(cè)試。
3　模擬軟件的估計(jì)
　　為驗(yàn)證模擬軟件的可執(zhí)行性設(shè)計(jì)如下程序：設(shè)定所有控制器處于開(kāi)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(shuō)明模型執(zhí)行正確，最后應(yīng)用旱天數(shù)據(jù)文件來(lái)測(cè)試模型對(duì)動(dòng)態(tài)負(fù)荷的響應(yīng)。
4　控制策略
　　用Benchmark提供的控制策略來(lái)驗(yàn)證用戶(hù)模擬代碼的可用性?；究刂撇呗园ǎ?BR>　?、?應(yīng)用一個(gè)PI控制器，以第5隔室的K_La。為控制量，控制最后隔室的DO為2 mg／L。假設(shè)DO探頭的測(cè)定是理想的，沒(méi)有滯后時(shí)間和噪聲干擾。
　　② 通過(guò)控制Q_a來(lái)控制第2個(gè)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(hào)添加了白帶、高斯和零階噪聲。當(dāng)進(jìn)行閉環(huán)測(cè)試時(shí)，需要100d的穩(wěn)定期(測(cè)定沒(méi)有噪聲)。在測(cè)試三組數(shù)據(jù)文件時(shí)，需要首先測(cè)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(shí)間內(nèi)出水應(yīng)該滿(mǎn)足第5部分的限制性排放標(biāo)準(zhǔn)，在該階段無(wú)需應(yīng)用模型等式進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)和調(diào)整。
5　出水限制和性能評(píng)價(jià)
　　性能評(píng)價(jià)可以通過(guò)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(gè)測(cè)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(mǎn)足以下標(biāo)準(zhǔn)：N_tot,e<18 mg／L，COD_e<100 mg／L，S_NH,e<4mg／L，SS_e<30 mg／l，BOD_5.e<10 mg／I。出水超過(guò)限制標(biāo)準(zhǔn)的時(shí)間占總時(shí)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(jì)算(文中參數(shù)意義同活性污泥數(shù)學(xué)模型ASM1)：

　　性能估計(jì)需要兩步，第一步是應(yīng)用IAE(絕對(duì)偏差的積分)和ISE(偏差平方值的積分)準(zhǔn)則估計(jì)本地控制系統(tǒng)，測(cè)算出水水質(zhì)的測(cè)定值與設(shè)定值之間的最大偏差及平均偏差，證明開(kāi)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(gè)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 B_i——不同污染物對(duì)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(shí)間內(nèi)排放的污泥量以及系統(tǒng)積累的污泥量來(lái)計(jì)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(gè)好氧隔室的K_La(h^-1)來(lái)計(jì)算。例如型號(hào)為DP230、淹沒(méi)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(tái)
　　這兩個(gè)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(gè)控制行為的時(shí)間間隔，y(k)是在時(shí)間kΔt的測(cè)定值，y^set是設(shè)定值，應(yīng)用的行為u(k)可以按下式計(jì)算：
　　u(k) ＝ Du＋u(k－1)
　　Du ＝ K{[e(k)－e(k－1)]＋Δt·e(k)/T_i}
　　|Du|≤Du_max(限制兩個(gè)連續(xù)行為的u的變化)，e(k)和e(k－1)是在時(shí)間kΔt和(k－1)Δt時(shí)的偏差，e(k)＝y(tǒng)^set－y(k)，X和T_i分別是PI控制器的比例系數(shù)和積分系數(shù)，通過(guò)調(diào)整，獲得如表1所示的設(shè)置。

表1 基于FORTRAN平臺(tái)PI控制的參數(shù)設(shè)置
Tab.1 PI controller settings using FORTRAN

６.２ 應(yīng)用Simulink模擬平臺(tái)
　　應(yīng)用Simulink模擬平臺(tái)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K_La和Q_n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?？刂平Y(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：

　　U_lim是控制器u的限制值，e(k)＝y(tǒng)^set－y(k)，控制信號(hào)。是一個(gè)計(jì)算值，還需證實(shí)控制輸出是否超過(guò)設(shè)定值：

　　如果控制信號(hào)已經(jīng)飽和，U_lim－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?？刂破鞯膮?shù)如表2。

表2 基于Simulink平臺(tái)PI控制的參數(shù)設(shè)置
Tab.2 PI controller setting using Simulink

6．3 執(zhí)行結(jié)果
　　圖2是應(yīng)用FORTRAN模擬平臺(tái)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(cè)定信號(hào)中包含噪聲和滯后時(shí)間，時(shí)間滯后是工藝本身決定的，因?yàn)楦淖僎a并不能對(duì)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(shí)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(méi)有提前預(yù)見(jiàn)。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(jì)
　　表3給出了旱天工況下FORTRAN和Simulink平臺(tái)的系統(tǒng)性能比較，從表中看出，盡管二者沒(méi)有獲得相同的穩(wěn)態(tài)結(jié)果，但是在開(kāi)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(tái)性能標(biāo)準(zhǔn)比較
Tab.3 Comparison of the performance criteria obtained using Simulink and FORTRAN

　　表4是應(yīng)用Simulink平臺(tái)在第二和第三組天氣數(shù)據(jù)文件下獲得的結(jié)果。對(duì)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

7 結(jié)語(yǔ)
　　Benchmark為評(píng)價(jià)不同的控制策略提供了連續(xù)的公平的方法，每個(gè)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(tái)僅限于單級(jí)連續(xù)流活性污泥系統(tǒng)，而且沒(méi)有考慮污泥處理部分，而一個(gè)完善的控制策略是需要包括污水廠的各個(gè)方面，今后COST工作組將從裝置構(gòu)造、模擬模型、測(cè)試儀器和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)等方面不斷擴(kuò)大其適用范圍，用戶(hù)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