城市污水處理廠運行決策支持系統(WWTP-ODSS)的介紹和應用

轉載自：計算機技術

作者： 徐麗婕　施漢昌

(清華大學環境科學與工程系環境模擬與污染控制國家重點聯合實驗室,北京　100084)

摘要　介紹了基于經驗知識和活性污泥數學模型ASMs 的城市污水處理廠運行決策支持系統(WWTP ODSS) 的開發歷程、主要結構功能以及應用情況,重點介紹了ODSS 中專家系統和模擬系統在北京市清河污水處理廠的應用實例。ODSS 系統集預警、故障診斷、過程模擬和預測等多種功能于一體,通過系統內置的溶解氧、回流比和排泥量等單元控制模塊實現了前饋- 反饋控制策略,為污水處理廠的運行和控制提供有力的指導和支持。

關鍵詞　污水處理廠　運行決策支持系統(WWTP ODSSÓ) 　故障診斷　模擬預測

本文將基于經驗知識的專家故障診斷分析和活性污泥數學模型的模擬預測結合,研究開發了“城市污水處理廠運行決策支持系統”OperationDecisionSupport System for Wastewater Treatment Plants ,即WWTP ODSS ,以下簡稱ODSS) ,用于幫助和指導污水處理廠的日常運行控制。

1 ODSS 介紹

1. 1 　系統開發歷程

1993 年起,清華大學環境科學與工程系開使了對活性污泥模型軟件的研究,李國輝于1995 年編制了*個以ASM1 為核心的污水生物處理模擬軟件,即ODSS *版;王玉玨從1998 年將專家系統和培訓系統添加到運行決策支持系統中;同時柯細勇在生物反應器模擬的基礎上增加了二沉池模型,并于2000 年開發了綜合的活性污泥模擬系統,即ODSS 第二版;2002 年徐麗婕對專家系統和模擬系統結合的運行決策支持系統進行深入的研究,結合實際污水處理廠的調試和應用對該系統的總體結構和功能進行了完善和擴充,完成了ODSS 第三版。

1. 2 ODSS 系統主要結構和功能

ODSS 主要包括用于城市污水處理廠活性污泥工藝處理系統故障診斷的專家系統、用于動態模擬污水處理廠運行狀況及出水水質的模擬系統和向員工培訓污水處理、數學模型和ODSS 軟件基本知識的培訓系統[1 ] 。ODSS 將定量計算的數學模型(水協會的活性污泥系列模型ASMs[ 2 ] ) 與定性推理的專家系統結合應用于污水處理過程,可解決水質水量多變、微生物反應復雜和大滯后等問題,實現城市污水處理廠脫氮除磷的優化與控制。

1. 3 ODSS 系統應用

*、二版ODSS 的模擬系統在北京市方莊污水處理廠[3 ] 、氧化溝工藝[4 ] 和河南鄭州污水處理廠[5 ] 以ASM1 為基礎對傳統活性污泥法進行了模擬預測;專家系統也在鄭州污水處理廠和方莊污水處理廠得到驗證;第三版ODSS 則是以北京市清河污水處理廠為基地進行實時調試和在線應用,并進行了優化和控制研究。

2 ODSS 的在線應用實例

ODSS在清河污水處理廠的應用是在與現場在線儀器、傳感器等結合的基礎上[ 6 ] ,以ASM2D 模型為模擬計算的核心,以活性污泥法及脫氮除磷的專家經驗故障樹為依據,對倒置A2 /O 脫氮除磷工藝進行的實時模擬和在線診斷,由專家系統和模擬系統結合功能實現污水處理的智能診斷和控制。

2. 1 　專家系統和模擬系統結合應用

專家系統和模擬系統結合方式靈活多變,可先根據進水數據模擬預測出水結果,再返回專家系統進行診斷分析[ 3～5 ] ;或者將專家系統診斷分析結果及參數調整方案傳給模擬系統進行驗證[ 6 ] 。用戶可以根據不同的應用目的隨時調用這兩個子系統。

2. 2 　模擬系統的在線模擬和預測

首先,ODSS 系統根據在線儀器獲得動態的實時模擬預測結果(數據產生間隔為0. 1 h) ,其中出水總氮濃度見圖1 , 在高于15 mg/ L 時( 采用GB18918 —2002[7 ] 中1 級A 標準,用戶可根據當地排放標準進行修改) ,系統會發出警報。將模擬系統預測結果讀入專家系統,則專家系統的故障警報系統會顯示“出水TN 濃度偏高”、“出水N H3 - N 偏高”等預警信息,提醒用戶及時采取調控措施,防患于未然,這為前饋控制奠定了基礎。

2. 3 　專家系統的運行指導和警報

專家系統讀取在線儀器的運行數據,對生物反應器內狀態進行判別, 并發出警報信息。根據MLSS 和DO 的在線檢測以及參數計算獲得曝氣池內運行狀況,發出警報指導運行。警報信息顯示“ML SS、SRT 和DO 偏低, HRT 偏高”。用戶可根據警報信息確定是否進行反饋控制或結合出水預測結果進行詳細的故障診斷。

2. 4 　專家系統的故障診斷和分析

根據2. 2 的預測結果和2. 3 的警報結果對曝氣池進行更為詳細的故障診斷,圖2 為曝氣池硝化反應的故障樹診斷結果。首先由2. 2 的預測結果判斷故障為“p H 正常時出水氨氮偏高”,將其標記為已發生故障“ ×紅色”( ×表示故障前標記,紅色為故障字段顯示的顏色,下同) ;再由2. 3 的警報信息得到“DO 偏低”和“排泥量偏高”,標記為“ ×紅色”;由“排泥量偏高”正向

推理得到“硝化菌數量不足”為可能發生故障,標記為“ ? 粉紅色”,提醒運行人員注意并核實;未確定是否發生的故障(如“污泥膨脹”等) 標記為“ ? 藍色”,必要時運行人員可現場檢查。其余根據參數判別未發生的故障(如圖中溫度和入流TKN 負荷) 標記為“ √綠色”;參數值殘缺(如OUR 值等) 為“ ! 黑色”。

2. 5 　綜合分析結果和控制策略

后由專家系統綜合診斷分析過程,給出綜合分析結果和控制策略。如圖3 所示,依次為已發生故障、解決策略和控制參數列表。這些分析結果為污水處理廠的運行維護和控制提供了依據,運行人員可根據實際情況進行決策。其中右圖為建議控制的參數,運行人員可通過單元控制的模擬計算進一步確定參數值。

2. 6 ODSS 控制單元和應用

根據專家系統建議的參數控制列表,可進一步通過模擬系統內置的DO、回流比和排泥量等單元控制模塊進行優化控制計算,以實現專家系統和模擬系統結合的前饋- 反饋控制策略。如圖3 顯示好氧池的DO 偏低,需要調整。DO 的控制主要由池內氨氮濃度決定,好氧池內引起氨氮濃度變化的主要過程為硝化菌生長。在應用時,利用模擬系統實時模擬計算好氧池內氨氮濃度,利用上式可得到相應的DO 濃度,從而可調節曝氣量達到節省能耗的目的。

3 ODSS 的離線應用

ODSS也可以離線使用,尤其是作為污水處理廠設計和優化的輔助工具。利用模擬系統中對活性污泥過程的模擬和預測,了解微生物和廢水特性的變化過程,獲取的運行參數以達到優化設計或改造的目的。此外還有故障查詢、培訓等離線功能。

4 　結論

(1) ODSS 系統具有成熟的理論和應用基礎,可直接應用于實際污水處理廠,能較好地反映實際污水處理過程并對污水處理的運行有指導作用。

(2) 清河污水處理廠的應用實例表明,ODSS能提供專家系統故障分析的反饋控制、模擬系統模擬預測的前饋控制,及二者結合的溶解氧、排泥量和流比等的前饋- 反饋控制策略。

(3) ODSS 適合我國城市污水處理廠運行的實際需要,能為我國城市污水處理廠的運行和優化提供技術支持。

參考文獻