活性污泥法的多变量最优控制_.基础理论与DO浓度对运行费用的影响_彭永臻

＊国家自然科学基金资助项目(59478017)活性污泥法的多变量最优控制＊Ⅰ.基础理论与DO浓度对运行费用的影响彭永臻王宝贞王淑莹(哈尔滨建筑大学市政环境工程学院,150008)摘要在现有的关于活性污泥法最优控制研究的基础上,首次提出了以两个最重要的控制参数污泥排放量和溶解氧浓度(DO)为控制变量、以出水水质为约束条件、以运行费用为性能指标的活性污泥法多变量最优控制的研究问题,并着重进行了基础研究.首先建立了最优控制所必要的基本状态方程与性能指标的泛函表达式.然后通过计算研究了在满足同一出水质量前提下控制不同的DO浓度时所需要的运行费用.结果表明,DO为0.9mg/L时所需运行费用最少,这与主张应当维持DO浓度大于2mg/L的传统观点相比相差甚远;衰减速率常数Kd不受DO影响的假设也不合理.关键词活性污泥法;最优控制;溶解氧(DO)浓度.1概述无论是城市污水还是工业废水处理厂,由于其进水水质水量时刻在变化,都处于非稳定状态下运行,这必然引起其它参数和出水质量的不断变化.近年来,污水处理厂的自动控制日益普及与深入,但至今仍没能实现最优控制.最优控制在其它一些工业过程中已得到较广泛的应用.它是过程控制中层次最高、要求最严格和技术难度最大的控制方式.它能根据被控制系统的状态方程,输入变量、约束条件和性能指标(也称目标函数、指标泛函等)等,通过计算,提供一个(组)最优控制变量.按最优控制进行过程控制,将能最大限度地使性能指标最优.如何选择控制变量、状态变量和约束条件、建立状态方程和性能指标是最优控制研究的基础和重要内容,也直接影响最优控制的质量.最优控制理论在60年代初才较完整地建立起来,而有关活性污泥法最优控制的研究在70年代刚刚起步,近年来人们进一步认识到该研究课题的重要理论意义与应用价值.至此关于该课题的研究有如下三个显著特点:一是总体来看真正涉及活性污泥法系统最优控制问题研究报道与公开发表的论文不多;二是多数的研究是以污泥回流量作为控制变量[1—6],这属于单变量最优控制,少数以污泥排放量和污泥回流量(或进水流量)为控制变量[7,8];三是几乎所有的研究都以平均出水底物浓度或出水底物浓度波动最小为性能指标[2,4,5—9],只有Kabouris[7]等极少数研究以回流污泥与排放污泥的能耗最小为性能指标.Hamalainen[2]、Cheruy[3]和Kabouris[7]等人的研究表明:以污泥回流量作为控制变量来减少出水水质波动的效果很差甚至几乎是无效的.因为这并不能有效地控制曝气池中的混合液悬浮固体浓度(MLSS),反而加大了二次沉淀池中的水力扰动.Kabouris[7]等人认为控制污泥排放量比控制污泥回流量更有效.目前,污水处理厂出水中的底物(有机物)浓度较高或波动大与运行费用较高是普遍存在第18卷第1期1998年1月环境科学学报ACTASCIENTIAECIRCUMSTANTIAEVol.18,No.1Jan.,1998DOI:10.13671/j.hjkxxb.1998.01.002的两个问题,也是两个永久性的研究课题.本文将这两个问题联系起来进行最优控制的研究,以污泥排放量(以下用Qw表示)和曝气池中溶解氧浓度(以下用DO表示)作为控制变量,以包括剩余污泥处理、污泥回流与供气这三者的运行费用(即能耗)之和作为性能指标,以出水水质为约束条件.显然,除了进水水质水量之外,Qw和DO是活性污泥法运行中最重要的输入参数.本研究的性能指标包括了活性污泥法的绝大部分运行费用,在满足出水水质要求的前提下,减少运行费用是最重要目标.本课题分三部分来研究限制有机物(均以BOD5计、也称底物)排放总量、限制出水有机物浓度、同时限制出水中平均与最高有机物浓度等三种不同出水排放标准下,使运行费用最省的最优控制问题,第一部分主要研究有关的若干基础理论.2多变量最优控制的基本数学模型2.1基本状态方程的建立由于完全混合式活性污泥法系统的生化反应过程易于数学化描述,在工业废水处理中也有广泛地应用,其它类型的曝气池也可看成是由若干个完全混合式曝气池串联而成.因此,本文以该系统作为研究对象.Grieves[10]与Milbury[11]等人的研究表明,推流式曝气池中的实际混合状态更接近于完全混合.本研究忽略二沉池中微生物的代谢作用与进水中溶解氧,为了便于对排放污泥量进行定量控制,规定从曝气池直接排泥,系统如图1所示.图1活性污泥法系统与控制示意图Fig.1Flowschemofactivatedsludgeprocessandcontrol图中与本文中的符号意义如下:Q,Qr,Qw———分别表示进水、污泥回流和污泥排放的流量(m3/d);X,Xr———MLSS和回流污泥浓度,mg/L;So,S———进水与出水(即曝气池中)的底物(BOD)浓度,mg/