黑龍江省齊齊哈爾地區(qū)A市排水工程設(shè)計,黑龍江省,齊齊哈爾,地區(qū),排水,工程設(shè)計 畢業(yè)設(shè)計外文文獻譯文 文獻名稱：實時專家系統(tǒng)用于提高污水處理廠中A2-0工藝的脫氮效率 院 系： 市政環(huán)境工程學院 摘 要 有一則關(guān)于運用實時系統(tǒng)控制活性污泥去除營養(yǎng)物質(zhì)的報道，這項研究在一個使用厭氧/缺氧/好氧（A2-0）工藝的處理廠中試驗，在這里有專門設(shè)置的分散式控制系統(tǒng)。這個系統(tǒng)允許不同的專家操作方式在一個共有的目標下得到發(fā)展，這個目標就是在利用最低限度的能量的前提下，使出水氮指標最低化。 擬采用的分散式控制系統(tǒng)由G2（用于構(gòu)造專家系統(tǒng)的工具）構(gòu)造而成，并且由一個基于知識的專家系統(tǒng)的所管理。這個系統(tǒng)允許來自實驗系統(tǒng)的每一個正在運行的技術(shù)的實時修正，從已完成的一系列的關(guān)于變化的負荷和回流比的實驗結(jié)果來看，與普遍的運行條件下相比，氮的去除量可增加11%。而這項增加會導致出水的總氮和氨氮分別有49%和64%的減少。這些改進都是在以很少的能源消耗條件下實現(xiàn)的，這是因為污水處理廠采用優(yōu)化運行措施，并且達到實時更新的程度。 關(guān)鍵詞：基于知識的專家系統(tǒng)（KBES）；專業(yè)控制；實時；脫氮；硝化；反硝化；活性污泥 1.介紹 考慮到出水中的氮，歐盟91/271指導文件提出改進大多數(shù)現(xiàn)有污水處理廠以適應新的更嚴格的標準，每一個擁有2000同等人口排放的大陸水域中心的歐盟成員國都必須遵守這個指導文件。大體上說，中心具有同等人口為10000或以上的必須遵守。歐洲法規(guī)還建立一個日程表和具體凈化水平，例如，受納環(huán)境的靈敏度功能。因此，有機質(zhì)和剩余營養(yǎng)物質(zhì)（尤其是氮和磷）在排入特別敏感的媒介中必須優(yōu)先被去除。這些新的要求，需要重新設(shè)計去除流程以適應現(xiàn)行規(guī)定。 新目標可以以多種方式實現(xiàn)，包括改變現(xiàn)有的土建設(shè)備（分機，購買新設(shè)備），改變了操作程序（例如，新處理工藝的開發(fā)）或使用控制優(yōu)化流程。 據(jù)報道，Buisson et al.在反應器中利用膜浸泡在澄清層中增加固形物濃度的結(jié)果，適合在小型全廠規(guī)模上推廣實行。Collivignarelli and Bertanza開發(fā)出一種升級污水廠的方法，利用低濃度的溶解氧，完成同步硝化與反硝化，這個方法可以減少投資和運行成本。有些人通過交替運行優(yōu)化現(xiàn)有的處理系統(tǒng)。舉個例子，Potter et al.利用調(diào)整每一步驟的持續(xù)時間以銨和硝酸鹽為指標在全工藝流程中實時控制來優(yōu)化巴頓甫工藝。Caulet et al.使用實時氧化還原電位（ORP）的測定來優(yōu)化曝氣系統(tǒng)和增加氮的去除效率在全范圍內(nèi)的推廣。Katsogiannis et al使硝化成本最小化通過聯(lián)機修正原先的運算法則，這個法則原先僅是簡單的通過測定反應器中的銨標準來確定SBR循環(huán)的周期；而且他們還分析了在模擬實驗中系統(tǒng)對變化符合的反應。 雖然交互性系統(tǒng)的使用正在不斷推廣，然而還有一部分污水處理廠仍然在一種連續(xù)的運營體制下且必須改進以適應新的要求。幾種有潛力的解決方案已初見成效，例如，Balslev et al.在一個試驗處理廠中的缺氧和好氧的反應器中進行硝化和反硝化反應，再通過自動分析儀測定的數(shù)據(jù)來中測試不同去除氮的途徑。其目的有： （1） 使出水中硝酸銨和磷酸銨濃度最小化； （2） 減少在硝化過程中和反硝化回流中的曝氣的能源消耗； （3） 通過將反硝化池暫時性地作為厭氧反應器來提高除磷量 這些測試的方法中有：控制溶解氧啟動/停止順序；通過氨氮濃度改變氧氣設(shè)定值；通過溶解氧的啟動和停止順序來作為測定硝酸銨和磷酸銨濃度的一項功能；通過好氧池的硝酸銨濃度來改變回流比。O. nnerth et al.報道了在一個大規(guī)模處理廠中進行的硝化和反硝化以及內(nèi)回流的試驗取得的結(jié)果，系統(tǒng)是通過在曝氣池出水中測定硝酸銨和磷酸銨濃度來控制的，這些測量被用于涉及好氧池間歇曝氣的自動控制途徑，通過實時測定磷酸按濃度來改變氧氣的設(shè)定值和回流比。 這篇文章中有很多控制方法，而這些方法往往在模擬條件進行評估的。事實上，有幾個將試驗上的有效性轉(zhuǎn)化為實際應用的例子，一個例子就是：STAR系統(tǒng)就是利用控制系統(tǒng)使得處理廠適應于變化的條件，而STAR系統(tǒng)也成功地在大規(guī)模的污水處理廠得到應用。 目前的工作旨在提高在動態(tài)地嚴格控制流入條件下的脫氮效率，通過運用適合于特定運行條件污水廠的控制系統(tǒng)，僅僅需要實時調(diào)整工藝條件就可以在整個污水廠里實現(xiàn)足夠高的氮去除率。在一系列的在試驗廠中進行的試驗指導下進行的研究，檢查系統(tǒng)面對進水組成和流量變化的反應，還有很多方法都在運用，目的是在節(jié)省能源消耗的同時最大程度地去除COD（化學需氧量）和氮。 基于知識的專家系統(tǒng)已經(jīng)廣泛地在用于彌補污水處理廠的控制系統(tǒng)，在早先的工作中，我們團隊側(cè)重于知識框架的構(gòu)造和控制策略；這項工作主要是關(guān)注數(shù)據(jù)知識結(jié)構(gòu)的實時執(zhí)行。 2.材料和方法 研究的過程基于多級式的硝化、反硝化、強化脫磷的A2-O工藝,處理在三個區(qū)域進行:厭氧,缺氧,好氧.主要過程如下. 在好氧區(qū),進行消化反應,產(chǎn)生的消化液和混合液回流到缺氧區(qū),這個過程叫內(nèi)循環(huán),在那里進行反硝化反應.從沉淀池回六的污泥進入到厭氧區(qū)這個過程為外循環(huán).厭氧和好氧的條件的交替促進聚磷微生物的生長從而提高除磷效率. 圖1b 示意性地描述了在試驗性設(shè)備中營養(yǎng)物質(zhì)的去除過程。這些設(shè)備由一個91#厭氧選擇器，三個同樣的281#曝氣池和一個601#沉淀池組成。三個曝氣池通過KBES（基于知識專家系統(tǒng)）的配置，在好氧或缺氧二選一的條件下工作，這樣就會造成好氧和厭氧總體積的變化。第一個池子通常作為缺氧池工作但是需要的話也可輕易地再配置成好氧池。 圖2描述硬件體系，體系有不同的管理級別包括兩個獨立過程控制計算機(污水廠和分析器控制系統(tǒng))和PLC(程序邏輯控制)。這個軟件用于廠區(qū)控制計算機，用C語言編寫，包括圖像監(jiān)控，數(shù)據(jù)備份。由PLC監(jiān)管和控制主要的工藝參數(shù)（溶解氧，流量，攪拌率等）。這臺電腦允許污水處理廠通過一系列預設(shè)定的參數(shù)來控制。另外一臺電腦控制兩臺用于測定硝，酸鹽-亞硝酸鹽和氨氮的即時分析器。另外還有一個自動取樣系統(tǒng)。這兩臺電腦通過以太網(wǎng)連接到一個由美國SUN公司工作站系統(tǒng)執(zhí)行的數(shù)據(jù)服務(wù)器。網(wǎng)關(guān)是基于TCP/IP協(xié)議的，允許數(shù)據(jù)庫根據(jù)來自每個子系統(tǒng)的信息實時更新。 基于知識的專家系統(tǒng)（KBES）位于系統(tǒng)體系的上層。系統(tǒng)由G2（開發(fā)實時專家系統(tǒng)的工具）開發(fā)，盡管也可由其他開發(fā)工具執(zhí)行。它使關(guān)于工藝的知識系統(tǒng)化，基于可利用的科學知識和特定系統(tǒng)的實踐。KBES系統(tǒng)充當著設(shè)定值控制的監(jiān)管角色，系統(tǒng)基于分散式體系結(jié)構(gòu)。KBES系統(tǒng)由嵌入式數(shù)據(jù)（酸堿度，溫度，溶解氧，氧化還原電位，曝氣量和流速）和即時式數(shù)據(jù)（硝酸鹽，亞硝酸鹽和銨）組成，這些數(shù)據(jù)來自數(shù)據(jù)服務(wù)器。定性數(shù)據(jù)（嗅味，色度，微生物指標）和離散型數(shù)據(jù)來自于離線分析（磷酸鹽，化學需氧量，總懸浮固體，總揮發(fā)固體，總基耶達氮和污泥容積指數(shù)）也組成了KBES系統(tǒng)。通過使用這些定型數(shù)據(jù)，系統(tǒng)不間斷地決定最適控制方式，以達到需要的氮和有機物去除效率。最終，控制指令傳送給過程控制計算機，而它啟動處理廠的每一部分。在系統(tǒng)里，有一整套319條規(guī)則和45條程序用于故障檢查，處理廠的維護和硝化-反硝化運行都是試驗規(guī)模上的。知識由幾個代表處理廠的子工藝的模塊組成。利用這種組合式配置有一些優(yōu)勢，例如，系統(tǒng)模塊的再利用性和延展性。因此系統(tǒng)可以管理人工智能的日益復雜性。在正常情況和控制單一工藝參數(shù)下，每個模塊都是獨立地運用數(shù)字運算法則。工藝參數(shù)通常是數(shù)據(jù)驅(qū)動，使用早先的數(shù)據(jù)鏈，直到新的數(shù)據(jù)傳至實時數(shù)據(jù)庫。主要模塊用于生物反應器，沉淀池，泵站，進水系統(tǒng)，去除COD除營養(yǎng)物質(zhì)和污泥齡控制上。對于整個系統(tǒng)的完整描述在另見它文，對于不同模塊的簡介總結(jié)如下： 在生物反應器模塊里，建立了一些用于管理這里單元的規(guī)則（特殊地有曝氣，攪拌，檢測子系統(tǒng)狀況），對于本地操作系統(tǒng)可能出現(xiàn)的鈍化現(xiàn)象，例如氧氣的控制，也包括在這個模塊中。 在沉淀池模塊里，執(zhí)行沉淀管理的程序。這些程序主要檢測沉淀池水力負荷和微生物負荷，出水中的污泥沉降性和總懸浮物濃度。為了能提前發(fā)現(xiàn)污泥和水分離時可能出現(xiàn)的問題，水泵模塊包括監(jiān)督試驗廠水泵運行和維護日程，而且負責維持想要的理想循環(huán)條件。它可以以不同策略運行，例如固定流或是固定循環(huán)流量，給料系統(tǒng)模塊管理自動進料系統(tǒng)，檢查進料總量和濃度。去除COD模塊評估食物和微生物的比例并在比例失當時警告管理者。一些預定義的常見情況，像超負荷或低負荷出現(xiàn)時可以被檢測到，然后程序控制會適應以減少將來的問題出現(xiàn)的幾率。在去除營養(yǎng)物的模塊中執(zhí)行著一些用于提高氮去除量而不會影響到磷去除的控制程序。例如，改變內(nèi)循環(huán)比（提高硝酸鹽和亞硝酸鹽去除率）的程序，還有修正外循環(huán)比（調(diào)整負荷）以及修正在三個反應器中的氧氣設(shè)定值(為了獲得更高的硝化率或者低負荷運行下減少氧氣消耗)，其他的不同模塊包括用于維持預定義的污泥齡或監(jiān)察微生物在污泥中的種群變化的規(guī)則，這些規(guī)則用于檢測污泥膨脹問題。在這些程序里，每一項檢查措施都使用了不同的標準。措施應納入預定組，變化率不能太大或是太小并且這些措施不能和其他措施相沖突。如果數(shù)據(jù)被認為不可靠，基于知識的專家系統(tǒng)可以根據(jù)常量建立恒動方程。 系統(tǒng)在相同進料條件的實驗中得到檢測，這些條件下的變化是由污水廠控制電腦自動發(fā)出的而不是使用進水的數(shù)據(jù)。實驗全面模擬了來自污水處理廠對出水的銨，硝酸鹽和亞硝酸鹽所做的10分鐘間隔的檢測。 2.1試驗條件 為了獲得所需的來水，（約400L/d已知可變成分的廢水），合成水由進料濃縮后和自來水按照不同比例稀釋而成。合成水的成分近似于污水廠經(jīng)過初沉后得到的典型廢水。具有不同生物降解率的成分被包含在合成水里，為了減少微生物污染并且實現(xiàn)濃度自動變化，兩種包含著氮源和碳源的不同濃縮物被運用。其他的非有機成分分散在兩種濃縮物中。表格1表明了每種濃縮物的確切成分。 試驗廠的進水在成分上和流量上是變化的，并且全面模擬處理廠，也是全剖面進水的。進料負荷按照濃縮物和自來水的比例變化，比例從1：540到1：150，提供COD，氨氮和有機氮如圖3所示。這些都造成了低負荷段關(guān)于低濃度和低流量（最低化學需氧量，氨氮和有機氮含量分別在170mg/l，6.7mg/l,4.7mg/l）還有一段高負荷（最大化學需氧量，氨氮和有機氮含量分別在530mg/l，24.0mg/l,16.7mg/l）平均水力停留時間為8.5h,圖3中氮的總負荷隨著使用的自來水中硝酸鹽的出現(xiàn)而增加。表2表明了不同形態(tài)的氮對污水廠進水在24小時內(nèi)所起的作用。 整個實驗中，在進水端定期取樣，這樣做為了檢查定量給料系統(tǒng)是否正常工作。而且，在每個實驗中，所使用的濃縮物的量也接受檢查看是否和所預期的一樣。測試顯示：如果從事廠得到的結(jié)論是可靠的話，這種量對可再生能力高的條件是適用的。 用來自城市污水處理廠的污泥來去除氮。為了使生物群落適應所使用的構(gòu)造，試驗廠的條件保持5 MCRT(（細胞平均停留時間）穩(wěn)定，廠內(nèi)的進水和環(huán)境條件在整個適應期和試驗期間維持不變。 通過檢測揮發(fā)性懸浮固體和總懸浮固體在反應器中，出水，和回流水中的含量來控制細胞平均停留時間。數(shù)據(jù)傳送到KBES系統(tǒng)，作為負反饋，系統(tǒng)自動調(diào)整廢水以維持預設(shè)的污泥齡。整個試驗中揮發(fā)性懸浮固體濃度維持在一個近似水平（相當于鈣當量的5100~7100mg/l）,總生物停留時間為10天(從這點來看，除磷的效率是較高的)。 pH在3號反應器中的初設(shè)值為7.5，而pH是由重碳酸鹽的溶解濃度來控制的，這就要求試驗在近似的pH條件下進行，并且阻止pH這一變量有反饋現(xiàn)象出現(xiàn)。重碳酸鹽的添加量也得為硝化微生物提高適宜的生長環(huán)境，并且避免對微生物的營養(yǎng)源無機碳造成限制。其他反應器的pH也保持在一定范圍的近似值（從6。8-7.5）。 最后，所有試驗都在室溫下進行（20-23.1攝氏度）。 2.2監(jiān)控 所有實驗中，關(guān)于A2-O工藝內(nèi)嵌式的，即時式的，離線式的變量都實行監(jiān)控。內(nèi)嵌式的變量包括流量（進水，內(nèi)循環(huán)，外循環(huán)），外加pH，氧化還原電位，溫度，溶解氧，反應器1-3中的曝氣閥門的驅(qū)動。 即時式的變量包括氨氮，亞硝態(tài)氮，硝態(tài)氮，這些量都由自動取樣系統(tǒng)聯(lián)合CFA和FIA分析儀測定（CFA和FIA為某種型號的測定儀器……）最后，監(jiān)控的離線式變量有：反應器中的TSS（總懸浮固體），VSS（可揮發(fā)性懸浮固體），DSVI（稀釋污泥容積指數(shù)）；進出水中COD（化學需氧量），N-NO2- (亞硝態(tài)氮)，N-NO3-(硝態(tài)氮)，P-PO43-(磷酸鹽態(tài)磷)；還有進水中的N-NH4+(氨氮)和N-Norg(有機氮)。 對于N-NO2- (亞硝態(tài)氮)，N-NO3-(硝態(tài)氮)，P-PO43-(磷酸鹽態(tài)磷)的離線分析是這樣操作的：利用毛細電泳原理，使用沃特斯公司的Quanta 4000E CE型號儀器來進行測定。所使用的電解液是來自沃特斯公司的溶液（精選高遷移率陰離子電解液）。工作條件如下：20攝氏度下，電壓為15千伏的陰極電源 ，利用245納米的紫外線間接探測，分析5分鐘。這些測量都旨在確保系統(tǒng)運行無誤和每次實驗中自動分析儀（FIA）的精確度。 使用標準應用方法的協(xié)定來測定反應器中的COD（化學需氧量），TSS（總懸浮固體），VSS（可揮發(fā)性固體）有機氮。 ...... 4 結(jié)論 總體上說，一個污水處理廠的去除效率可以在避免在曝氣和回流上的浪費能源消耗的基礎(chǔ)上通過可用資源得到大幅度提高。 值得注意的是，控制方略的主體是根據(jù)進水種類開發(fā)的，可能不適合別的種類；但在任何情況下，控制系統(tǒng)都可以糾正本身來適應某一特定的進水條件。假設(shè)進水中的氮不可以測量，用于彌補的控制方略像是前饋方案也能執(zhí)行。此外，一旦對KBES系統(tǒng)強加更嚴格的限制，去除率還可以進一步提高。這會涉及到在2和3號反應器中更長時間地維持好氧條件，并且使用可能的最大回流比。事實上，這些條件下肯定會提高去除率，雖然成本會更高。 基于這項工作的結(jié)果，可以得到如下結(jié)論： （1）常被忽略的在出水中的亞硝酸鹽濃度相對于硝酸鹽來說也是很重要的，所以任何用于去除氮的控制系統(tǒng)都應該考慮執(zhí)行。 （2）基于知識的專家系統(tǒng)中的氮去除規(guī)律是建立分析實驗結(jié)論基礎(chǔ)上。 （3）要獲得極大的氮的去除效率，就得在每個環(huán)節(jié)中使用相當數(shù)量的能源，并且實時修正工藝。和普通運行條件比，氮的去除量可以增加11%，這就導致了總氮和氨氮濃度在出水中分別減少了49%和64%。 （4）所建議的模塊化構(gòu)造允許KBES系統(tǒng)在傳統(tǒng)控制系統(tǒng)上執(zhí)行或在SCADA（控制監(jiān)督和數(shù)據(jù)獲得）系統(tǒng)上執(zhí)行，該系統(tǒng)經(jīng)常被用于全規(guī)模處理廠控制系統(tǒng)中。系統(tǒng)也允許執(zhí)行不同操作方略為了使系統(tǒng)適應相關(guān)的驅(qū)動變量。否則，用于提高氮去除的方略就不可以在更簡單的控制系統(tǒng)上執(zhí)行。