污水厂控制策略的国际评价基准

王晓莲¹， 彭永臻¹， 马 勇²， 王淑莹¹
(1．北京工业大学 环境与能源工程学院，北京 100022；2．哈尔滨工业大学 市政环境工程学院，黑龙江 哈尔滨 150090)

　　摘 要：绍了污水处理厂控制策略的国际评价基准(Benchmark)，它是对污水厂控制策略进行模拟评价的平台，包括装置构造、模拟模型、进水负荷、测试程序和评价标准，可应用不同的模拟软件进行结果模拟。该基准的建立，为客观评价不同控制策略的性能、获得最优控制策略、改善污水厂的管理和运行起到了重要作用。
　　关键词： 污水处理厂； 控制策略； 评价基准
　　中图分类号：X703.1　　　文献标识码：B　　　文章编号：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

　　城市污水处理厂的进水流量、水质波动性大，是典型的非线性系统，需要建立严格、综合、全面的模拟环境以对控制策略进行评价。IWA就此建立了国际评价基准(Benchmark)，该模拟环境包括装置构造、模拟模型、进水负荷、测试程序和评价标准。它并非特定的模拟平台，而是可以应用C／Ｃ++以及Fortran语言进行代码开发，也可以应用商业的WWTP模拟软件包，使用者可以在模拟代码的基础上开发任何控制策略，并应用规定的评价标准对其性能进行比较，所有模型参数可在COST624网址获得(http：//www.ensic.u-nancy.fr/COSTWWTP)。
１ 装置构造
　　该基准以前置反硝化工艺为基础(如图1所示)，由5个隔室(6000 m³)和一个二沉池(6000m³)组成，所有隔室均认为完全混合，二沉池假设分割为10层(一维浓度分布模型)。设计平均水量为2×10⁴m³/d，平均COD为300 mg/L，污泥浓度为3000mg／L，污泥负荷约为0.2kgBOD₅/(kgMLSS·d)。采用IWA的活性污泥模型ASMl模拟生物反应^[1]、Takacs等人开发的二次指数沉淀速率模型模拟沉淀过程^[2]。控制对象包括：供氧量(由每个隔室的氧传递系数K_La表示)、硝化液内循环回流量(Q_a)、污泥回流量(Q_r)和剩余污泥排放量(Q_w)。

2　进水负荷
　　该基准所应用的进水数据来源于三组历时两周的运行数据文件，第一组进水数据文件代表旱天进水浓度和进水量的昼夜变化，第二和第三组数据文件均以旱天数据为基础，在第二周添加下雨情况，第二组数据文件添加持续2 d下雨情况，进水量恒定增加，相对于旱天数据进水COD和氮负荷没有增加；而第三组数据文件添加暴雨进水情况，暴雨持续时间很短，相对于旱天数据不但增加了进水量而且进水负荷也相应提高。因此，任何控制策略都可以应用这三组进水数据文件来测试。
3　模拟软件的估计
　　为验证模拟软件的可执行性设计如下程序：设定所有控制器处于开环，所有变量设为一定值，在恒定的条件下模拟100d，将此稳定状态下获得的数值和COST网址提供的参考值相比较，如果误差在允许的范围内则说明模型执行正确，最后应用旱天数据文件来测试模型对动态负荷的响应。
4　控制策略
　　用Benchmark提供的控制策略来验证用户模拟代码的可用性。基本控制策略包括：
　　① 应用一个PI控制器，以第5隔室的K_La。为控制量，控制最后隔室的DO为2 mg／L。假设DO探头的测定是理想的，没有滞后时间和噪声干扰。
　　② 通过控制Q_a来控制第2个缺氧隔室的硝酸盐浓度为1 mg／L，采样周期为10 min，允许10min的滞后。该信号添加了白带、高斯和零阶噪声。当进行闭环测试时，需要100d的稳定期(测定没有噪声)。在测试三组数据文件时，需要首先测试旱天天气数据文件(14 d)。如果控制器可合理地调节，那么大部分时间内出水应该满足第5部分的限制性排放标准，在该阶段无需应用模型等式进行控制器的设计和调整。
5　出水限制和性能评价
　　性能评价可以通过应用不同的天气数据文件得出的模拟结果进行。三个测试周期(旱天、持续雨天和暴雨)限制性出水水质的平均浓度都应满足以下标准：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。出水超过限制标准的时间占总时间的比例和次数都作为性能指标，上述物质的出水浓度按下式计算(文中参数意义同活性污泥数学模型ASM1)：

　　性能估计需要两步，第一步是应用IAE(绝对偏差的积分)和ISE(偏差平方值的积分)准则估计本地控制系统，测算出水水质的测定值与设定值之间的最大偏差及平均偏差，证明开发的控制策略是否可被应用。第二步是应用控制策略后污水厂的处理效果，它又分为两个子步骤：
　　① 出水水质。出水水质指数以E．Q．表示，该指数是观察期的平均值，因而E．Q．可表示为：

　　　　式中 B_i——不同污染物对受纳水体的污染程度的权重系数
　　② 运行参数。a.污泥产量，根据研究时间内排放的污泥量以及系统积累的污泥量来计算。b.控制器输出值的变化大小，应设定执行变量的最大变化量和平均偏差，从而表明系统是否处于高负荷或泵和曝气装置是否完好。c.曝气和泵的能耗。曝气能耗(AE)以三个好氧隔室的K_La(h^-1)来计算。例如型号为DP230、淹没深度为4 m的多孔曝气设备的能耗为：

6　模拟结果
6．1 应用FORTRAN模拟平台
　　这两个PI控制器都是离散性且具有避免停止能力，假设Δt是控制器两个控制行为的时间间隔，y(k)是在时间kΔt的测定值，y^set是设定值，应用的行为u(k)可以按下式计算：
　　u(k) ＝ Du＋u(k－1)
　　Du ＝ K{[e(k)－e(k－1)]＋Δt·e(k)/T_i}
　　|Du|≤Du_max(限制两个连续行为的u的变化)，e(k)和e(k－1)是在时间kΔt和(k－1)Δt时的偏差，e(k)＝y^set－y(k)，X和T_i分别是PI控制器的比例系数和积分系数，通过调整，获得如表1所示的设置。

表1 基于FORTRAN平台PI控制的参数设置
Tab.1 PI controller settings using FORTRAN

６.２ 应用Simulink模拟平台
　　应用Simulink模拟平台的硝酸盐氮和DO控制器应用避免停止功能是为了限制控制器的输出值(控制变量K_La和Q_n都有限制)，否则由于控制器的积分作用产生超调现象将严重影响控制器的性能。控制结构是连续型的具有避免停止功能的n控制器，控制器可以表示为：

　　U_lim是控制器u的限制值，e(k)＝y^set－y(k)，控制信号。是一个计算值，还需证实控制输出是否超过设定值：

　　如果控制信号已经饱和，U_lim－u将引起积分部分变化，直到饱和作用消失，相应避免控制器停止。控制器的参数如表2。

表2 基于Simulink平台PI控制的参数设置
Tab.2 PI controller setting using Simulink

6．3 执行结果
　　图2是应用FORTRAN模拟平台从稳定状态转换为旱天，数据文件前一天及后三天PI控制器的性能。
　　结果表明，DO控制器可以维持5隔室DO接近设定值2 mg／L，然而硝酸盐氮控制器性能并不好，其原因是：测定信号中包含噪声和滞后时间，时间滞后是工艺本身决定的，因为改变Qa并不能对第2隔室的硝酸盐氮浓度立即产生影响，内循环混合潦首先进入第1隔室，工艺响应时间不可避免地晚于控制行为；另外第一隔室发生反硝化反应，因而一些硝酸盐氮被消耗，这些都没有提前预见。如果应用基于模型的控制器或前馈控制器则可以明显提高硝酸盐氮控制器的性能。

6．4 性能估计
　　表3给出了旱天工况下FORTRAN和Simulink平台的系统性能比较，从表中看出，尽管二者没有获得相同的稳态结果，但是在开环和闭环情况下均具有可比性。

表3 应用Simulink和FORTRAN平台性能标准比较
Tab.3 Comparison of the performance criteria obtained using Simulink and FORTRAN

　　表4是应用Simulink平台在第二和第三组天气数据文件下获得的结果。对于旱天数据的控制策略可降低出水氨氮浓度。

表4 应用暴雨和雨季数据文件的性能标准比较
Tab.4 Results obtained using Simulink for the rain and the storm data files

7 结语
　　Benchmark为评价不同的控制策略提供了连续的公平的方法，每个新控制策略可以客观地和其他控制策略相比较，以确定具有通用性的最优控制策略。但是Benchmark模拟平台仅限于单级连续流活性污泥系统，而且没有考虑污泥处理部分，而一个完善的控制策略是需要包括污水厂的各个方面，今后COST工作组将从装置构造、模拟模型、测试仪器和评价标准等方面不断扩大其适用范围，用户也可以免费下载其软件工具并定义自己的传感器和执行器。

　参考文献：
　[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