第1章概述加，污水处理厂能否处理？在污水厂处理量必需增加之前，它到底可以承受多大的负荷？出水标准将变得更加严格。有迹象表明，“-些国家的未来标准是要求抽样检查必须合格，而不是满足以月为单位确定的平均标准。也许有些污水处理厂目前应用年平均排放标准，为了满足未来更严格的排放标准必须确定调节污水处理厂的最好方法，否则不满足排放标准其代价将是很昂贵的。尤其随着污水处理部门和政府之间的政企分离，污水处理厂目前财政预算很紧张，未来将更加紧张。高级控制并不能解决所有问题，但确实能带来帮助。事实上它已经解决了相当一部分问题。实际结果表明，高级控制可以减少出水水质的变化，增加系统的稳定性。大量运行实例的研究也表明，高级控制可以大大节约运行费用并可降低出水超标排放的时间。活性污泥厂.艺和石油精炼或其他化学过程的控制存在不同吗？可以回答是“一样”的，也可以回答是“不一样”的。“一样”是因为，所有的工艺通过控制后都能运行得更好。工艺知识、传感器技术、污水厂设计和建造都可能限制系统更好地发挥。但是哪有需求，哪就有相应的方法。污水处理过程的确具有一些不同的特性：流量、干扰、较低的浓度、微生物、分离，另外所有的污水必须全部处理。当然，其他过程也有它们的独特特性，例如原油成分很多，一些原油像发臭的污水，一些原油冷却后像果酱，其成分包括致癌物质和恶化物质，它们易燃或易爆炸。不同行业真正不同之处在于态度和激励不同，当然通常态度取决于激励。虽然污水、食品和采矿行业各自不同，实际上它们直到今天才得到重视，成为我们的基础行业（而石油工业20世纪70年代就已获得重视）。虽然刚刚开始，但是它们的发展会很快，这当然部分归功于石油工业。和石油工业一样，在10年内污水处理将采用一些高级控制，或许更高级的控制（高级控制和污水处理系统的特性相关）。本书并不是一本教学用书，正如前言谈到的，我们假定读者已经掌握控制和过程技术的基础知识。我们的目的是阐述污水处理系统仪表、控制和自动化的应用。我们有目的地排除了污水管网运行的阐述，而集中围绕活性污泥系统进行论述。本书并没有列举全部研究文章中所有控制策略测试的文献，例如通过理论分析、模拟甚至应用中试或实际污水厂来测试，我们只提供了一些主要文献供有兴趣的读者进一步参考。2
1.2ICA技术的现状1.2ICA技术的现状ICA技术早已应用在污水处理系统，如今它是一个已建立起来的且被认可的专业技术领域。ICA技术的发展得益于以下因素条件：（1）仪表技术今关已非常成熟，复杂的仪表现在已普遍应用于现场，如在线营养物传感器和呼吸计，但是仪仪一部分传感器已应用或可应用于闭环控制系统。（2）控制器近年来不断提高。今天变频泵和压缩机已经广泛应用，可以更好地控制污水厂。（3）计算功能大大发展，几乎不再是控制系统的限制因素。（4）控制理论和自动化技术提供了功能强大的工具，例如可以识别不同控制方法的基准，已经开发出评价不同控制策略性能的一些新型工具，如能耗、稳定性和性能图像，（5）数据收集已经不是最大的瓶颈。我们已经具有数据获取和污水厂监控的软件包。一些公用设施已经在设计、安装它们的第二代基至第三代的SCADA和过程控制系统。这些系统所带来的优势明显，可以应用多变量统计和软计算方法（如神经网络和模糊系统）的数据加工工具。但在控制过程中仍需探索这些工具和低水平控制环路的结合方法。（6）已经开发许多单元过程的高级动态模型，商业化模拟器可以集中模拟污水厂的动态特性。（7）操作员和过程工程师在仪表、计算机和控制方面已受到较好的培训，当然仍需要更好的培训。（8）经济因素等多种因素明显促进了ICA发展，污水厂变得越来越复杂也是提高其仪表化和控制水平的一个原因。过程/全厂控制方法的发展仍然处于初级阶段，虽然其发展速度很慢，但该思想的提出具有里程碑的意义，希望本书能帮助较好地理解综合控制的发展潜力。ICA技术已作为污水处理厂设计的一个标准。为了降低能源需求、对设施进行有效的运行，急需ICA技术。虽然ICA技术获得了广泛的接受，但污水处理系统应用ICA技术的潜力还很大，调查表明当前将近50%的控制环路仍然基于手动控制模式。在线传感器已经不是在线过程控制的主要限制因素，而工艺过程缺乏灵活性是当前污水系统实现过程控制主要的限制和棘手的问题，将在3
第1章概述第3章对其进一步论述。1.3ICA技术的发展动力1993年IAWQ的一个工作组对ICA在污水方面的发展动力和限制性因素进行了总结，下面是ICA发展的推动力。1出水水质标准公众意识的不断增强是ICA技术发展的有效推动力，国家水质管理策略的形成将推动污水处理的发展。许多国家对污染物超标排放加大了罚款力度。必须始终保证出水水质达标和较好的处理性能，促进了ICA的应用。立法者通常选择已有技术中最好的技术。然而，出水水质标准必须技术上、经济上可行，同时污水排放水体的要求也应成为ICA发展的推动力。2.经济性这可能是最主要的推动力。许多国家已制定了最低允许的排放标准，因此推动力也就变为从满足排放标准到在满足排放标准的前提下尽可能节约运行费用。许多国家根据出水污染程度（不同的排放成分规定不同的加权因子）收取排污费。无论如何，应尽可能降低费用、提高处理效果。尤其必须考虑能耗、化学药剂和人工费的节约。ICA技术的应用可以使基建费用大大降低，这也是最主要的经济因素。应用传统的设计方法扩建污水厂增大反应器容积从长远上说是较昂贵的。相反，应在设计过程中考虑过程的动态特性和运行方法，从而最大程度的利用污水厂的处理能力。在有效运行下污水处理厂的设计安全系数可以降低，因此应导找设计的边界条件。为了保证控制性能，必须充分理解工艺，尤其在低温下硝化和反硝化的性能。污水回用将是未来的一个研究方向，污水成为产品，这也表明污水处理可以盈利。相应地，这是实现过程控制的一个更深层次的动力，从而在工业生产中节约原材料和产品。3.污水厂的复杂化污水厂的复杂化也许是应用ICA最重要的动力。污水中营养物去除变得越来越普遍，从而使污水厂的复杂程度大大增加。活性污泥不但在好氧，而且还在缺氧、厌氧条件下运行。污水厂需要连续运行进一步强调了ICA的重要性。4
1.4ICA限制性因素对负荷变化给运行系统所带来的影响的深人认识使得应用ICA越来越重要。污泥量不断增加和污泥填理埋机会的降低使得开发污泥处理和处置工艺控制方法变得越来越必要。4.设备的提高不但对污水进水而且对污水厂自身的变化也要进行动态监控。需要的采样频率必须要准确，这使对更好的在线传感器的需求更为追切。今天，可以购买大量高级传感器，如营养物传感器、呼吸仪，他们可以促进控制在实际污水厂应用。欧共体水协会制定了一个在许多欧洲国家为快速增加新建和升级现有污水处理厂从而满足不断严格的出水水质标准的立法，该立法将为ICA技术的应用提供机会.1.4ICA限制性因素1993年IAWQ的1个工作组也列举了限制ICA技术在污水处理方面快速发展的因素：1.4.1立法在许多国家，由于缺乏严格的执行标准，因此没有加强污水厂的控制，对出水标准的执行力度也远远不够。由于没有考虑出水水质的动态变化，许多标准不能适应接受水体的需求。1.4.2教育、培训和理解在大多数国家，公众环保意识一直很淡薄，这种情况直到现在才有所改善，这导致了对较好处理设施投资滞后。运行管理人员从未接受在线仪表和控制方面的教育。大部分人不知在哪里、如何获得合理的采样以及如何对其调整。大部分环境工程师（包括运行工程师和设计工程师）需要接受动力学方面的基础教育，以便让他们了解应用ICA的需求和潜力。制造商和供应商通常不考虑系统灵活性和控制的需求，而当设计一且确定，再考控制系统已经晚了。必须意识到管理是污水厂控制的一部分，许多管理者没有进行技术上的培训，从而对污水厂操作的理解出现偏差或造成操作的不连续性。1.4.3经济因为污水处理基本上是非盈利的，因此对应用ICA技术是否获得5
第1章概述经济目标并不很清楚。由于自动化费用高，最初设计并未考虑。相反，设计初步完成后，再考虑ICA，从而不能较好的权衡设计和运行费用的关系。实际上充分利用ICA可使污水厂经济、高效地连续运行。1.4.4测定工具在1993年时缺乏可靠的传感器，传感器仍是ICA技术应用的约束因素，但是如第9章所述，当前传感器的可靠性已大大增加。然而，许多传感器对于小型污水处理厂仍然很昂贵。甚者，在许多实例中运行管理人员还不具有应用和维护仪表的水平。1.4.5污水厂的限制应用ICA技术仍然存在-些不确定性。然而ICA的功能已在许多实例中证实一一见后面章节的介绍，但许多设计者仍然很保守，设计和建造污水处理厂时仍然应用较大的安全系数，这使得污水厂通常缺乏灵活性和可控制性。1.4.6软件商业化自动系统获得较大的发展，已经开发控制软件的国际标准，IEC61131-3标准已在高质量控制系统中应用，这表明传统控制器的传统PI.C编程和实施具有结构化和友好用户界面的特性。在开放系统过程控制环境下，管理员界面可以满足大部分需求。然而，使用户能够使用软件还需要培训。1.4.7教育污水处理系统的控制和运行需要多学科的知识，因此有必要把过程设计，动态系统模拟、控制、实时系统及仪表化的知识结合在一起。经常遗忘的领域是执行器的设计，很多污水厂由于执行器的变化范围较小，因此控制幅度有限，例如阀门的运行范围、控制器不可变速，或者泵或压缩机超安全标准设计。1.5干扰污水厂存在干扰是实施控制的促进因素之一，必须补偿于扰因素的影响。假如在影响到污水厂之前，如能减弱或消除干扰将获得较好6