王曉蓮¹， 彭永臻¹， 馬 勇²， 王淑瑩¹
(1．北京工業大學 環境與能源工程學院，北京 100022；2．哈爾濱工業大學 市政環境工程學院，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(Benchmark)，它是對污水廠控制策略進行模擬評價的平臺，包括裝置構造、模擬模型、進水負荷、測試程序和評價標準，可應用不同的模擬軟件進行結果模擬。該基準的建立，為客觀評價不同控制策略的性能、獲得最優控制策略、改善污水廠的管理和運行起到了重要作用。
　　關鍵詞： 污水處理廠； 控制策略； 評價基準
　　中圖分類號：X703.1　　　文獻標識碼：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水流量、水質波動性大，是典型的非線性系統，需要建立嚴格、綜合、全面的模擬環境以對控制策略進行評價。IWA就此建立了國際評價基準(Benchmark)，該模擬環境包括裝置構造、模擬模型、進水負荷、測試程序和評價標準。它并非特定的模擬平臺，而是可以應用C／Ｃ++以及Fortran語言進行代碼開發，也可以應用商業的WWTP模擬軟件包，使用者可以在模擬代碼的基礎上開發任何控制策略，并應用規定的評價標準對其性能進行比較，所有模型參數可在COST624網址獲得(http：//www.ensic.u-nancy.fr/COSTWWTP)。
１ 裝置構造
　　該基準以前置反硝化工藝為基礎(如圖1所示)，由5個隔室(6000 m³)和一個二沉池(6000m³)組成，所有隔室均認為完全混合，二沉池假設分割為10層(一維濃度分布模型)。設計平均水量為2×10⁴m³/d，平均COD為300 mg/L，污泥濃度為3000mg／L，污泥負荷約為0.2kgBOD₅/(kgMLSS·d)。采用IWA的活性污泥模型ASMl模擬生物反應^[1]、Takacs等人開發的二次指數沉淀速率模型模擬沉淀過程^[2]。控制對象包括：供氧量(由每個隔室的氧傳遞系數K_La表示)、硝化液內循環回流量(Q_a)、污泥回流量(Q_r)和剩余污泥排放量(Q_w)。

2　進水負荷
　　該基準所應用的進水數據來源于三組歷時兩周的運行數據文件，第一組進水數據文件代表旱天進水濃度和進水量的晝夜變化，第二和第三組數據文件均以旱天數據為基礎，在第二周添加下雨情況，第二組數據文件添加持續2 d下雨情況，進水量恒定增加，相對于旱天數據進水COD和氮負荷沒有增加；而第三組數據文件添加暴雨進水情況，暴雨持續時間很短，相對于旱天數據不但增加了進水量而且進水負荷也相應提高。因此，任何控制策略都可以應用這三組進水數據文件來測試。
3　模擬軟件的估計
　　為驗證模擬軟件的可執行性設計如下程序：設定所有控制器處于開環，所有變量設為一定值，在恒定的條件下模擬100d，將此穩定狀態下獲得的數值和COST網址提供的參考值相比較，如果誤差在允許的范圍內則說明模型執行正確，最后應用旱天數據文件來測試模型對動態負荷的響應。
4　控制策略
　　用Benchmark提供的控制策略來驗證用戶模擬代碼的可用性。基本控制策略包括：
　　① 應用一個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DO探頭的測定是理想的，沒有滯后時間和噪聲干擾。
　　② 通過控制Q_a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。當進行閉環測試時，需要100d的穩定期(測定沒有噪聲)。在測試三組數據文件時，需要首先測試旱天天氣數據文件(14 d)。如果控制器可合理地調節，那么大部分時間內出水應該滿足第5部分的限制性排放標準，在該階段無需應用模型等式進行控制器的設計和調整。
5　出水限制和性能評價
　　性能評價可以通過應用不同的天氣數據文件得出的模擬結果進行。三個測試周期(旱天、持續雨天和暴雨)限制性出水水質的平均濃度都應滿足以下標準：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。出水超過限制標準的時間占總時間的比例和次數都作為性能指標，上述物質的出水濃度按下式計算(文中參數意義同活性污泥數學模型ASM1)：

　　性能估計需要兩步，第一步是應用IAE(絕對偏差的積分)和ISE(偏差平方值的積分)準則估計本地控制系統，測算出水水質的測定值與設定值之間的最大偏差及平均偏差，證明開發的控制策略是否可被應用。第二步是應用控制策略后污水廠的處理效果，它又分為兩個子步驟：
　　① 出水水質。出水水質指數以E．Q．表示，該指數是觀察期的平均值，因而E．Q．可表示為：

　　　　式中 B_i——不同污染物對受納水體的污染程度的權重系數
　　② 運行參數。a.污泥產量，根據研究時間內排放的污泥量以及系統積累的污泥量來計算。b.控制器輸出值的變化大小，應設定執行變量的最大變化量和平均偏差，從而表明系統是否處于高負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K_La(h^-1)來計算。例如型號為DP230、淹沒深度為4 m的多孔曝氣設備的能耗為：

6　模擬結果
6．1 應用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，y^set是設定值，應用的行為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)/T_i}
　　|Du|≤Du_max(限制兩個連續行為的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^set－y(k)，X和T_i分別是PI控制器的比例系數和積分系數，通過調整，獲得如表1所示的設置。

表1 基于FORTRAN平臺PI控制的參數設置
Tab.1 PI controller settings using FORTRAN

６.２ 應用Simulink模擬平臺
　　應用Simulink模擬平臺的硝酸鹽氮和DO控制器應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生超調現象將嚴重影響控制器的性能。控制結構是連續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^set－y(k)，控制信號。是一個計算值，還需證實控制輸出是否超過設定值：

　　如果控制信號已經飽和，U_lim－u將引起積分部分變化，直到飽和作用消失，相應避免控制器停止。控制器的參數如表2。

表2 基于Simulink平臺PI控制的參數設置
Tab.2 PI controller setting using Simulink

6．3 執行結果
　　圖2是應用FORTRAN模擬平臺從穩定狀態轉換為旱天，數據文件前一天及后三天PI控制器的性能。
　　結果表明，DO控制器可以維持5隔室DO接近設定值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，因為改變Qa并不能對第2隔室的硝酸鹽氮濃度立即產生影響，內循環混合潦首先進入第1隔室，工藝響應時間不可避免地晚于控制行為；另外第一隔室發生反硝化反應，因而一些硝酸鹽氮被消耗，這些都沒有提前預見。如果應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平臺的系統性能比較，從表中看出，盡管二者沒有獲得相同的穩態結果，但是在開環和閉環情況下均具有可比性。

表3 應用Simulink和FORTRAN平臺性能標準比較
Tab.3 Comparison of the performance criteria obtained using Simulink and FORTRAN

　　表4是應用Simulink平臺在第二和第三組天氣數據文件下獲得的結果。對于旱天數據的控制策略可降低出水氨氮濃度。

表4 應用暴雨和雨季數據文件的性能標準比較
Tab.4 Results obtained using Simulink for the rain and the storm data files

7 結語
　　Benchmark為評價不同的控制策略提供了連續的公平的方法，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控制策略。但是Benchmark模擬平臺僅限于單級連續流活性污泥系統，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工作組將從裝置構造、模擬模型、測試儀器和評價標準等方面不斷擴大其適用范圍，用戶也可以免費下載其軟件工具并定義自己的傳感器和執行器。

　參考文獻：
　[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