环境工程专项技术研究与应用系列丛书Environmental UnitProcessTechnologiesSeries:ResearchandApplication污水系统的仪表、控制和自动化Instrumentation,ControlandAutomation inWastewaterSystemsGustafOlsson等著马勇彭永臻译中团建结工业出报社
原著序仪表、控制和自动化（ICA）技术经过这些年的发展：如今它已得到认可，并确定了它在污水处理领域的重要地位。以下这些因素促进了ICA技术的发展：（1）仪表技术（测定为了获知）如今已经很成熟。复杂的仪表，如现场营养物在线传感器当前已应用在污水处理领域。（2）执行器近年来大大改进。由丁变速驱动泵和压缩机已普遍应用，因此可以更好地对污水处理厂进行控制。（3）数据收集不再是阻碍ICA发展的障碍。可获得数据收集和污水厂监控的软件包。许多公共设施正在设计、安装它们的第二代，基至第三代监控和数据收集系统（SCADA）和过程控制系统。（4）计算能力远远满足控制系统的需求。（5）已开发许多单元过程的先进动力学模型，提炼或概括污水厂动力学知识的商业模拟器也已市场化。（6）控制理论和自动化技术为ICA技术提供了功能强大的工具。（7）运行人员和过程工程师今天可在仪表、计算机和控制技术方面获得较高水平的教育。随着技术的更新，对运行人员和工程师的教育需要不断进行。ICA技术的促进因素很多，并不仅限于经济因素。污水处理厂变得越来越复杂，这使得有必要实现污水处理厂的自动化和控制。出版本书是2001年6月3日～7日在瑞典马尔莫市召开IWA第1届ICA会议提出的，这次会议主题是给水和污水处理及其输配系统控制，会议特邀了三个人做调查报告发言：AndersLynggaard介绍了仪表方面的内容；ZhiguoYuan介绍了控制方面的内容；MarinusNielsen介绍了自动化方面的内容。这些调查报告和会议取得的成果成为本书的基础。后来Jean-Philippe也参加进来，负责撰写厌氧消化ICA方面的技术材料。本书最后由GustafOlsson统稿，他也撰写了大部分章节。在初期，我们就意识到仪表、控制和自动化三个领域是高度关联的，很难把其分为三个独立的部分；相反，应该综合在一起。所有作者4
都有义务完成本书，因此我们希望以统一的风格展示上述令人关注的领域。我们的月的并不是出版一本教科书或完成·份当前运行经验的手册，而是介绍些新技术，并希望加深对新技术的理解和进一步促进其发展，以下读者可以应用本书：（1）过程工程实践者和运行人员。他们可以了解ICA技术领域的进展和应用情况。（2）工艺设计者。他们应关注设计和运行之间的耦合。（3）研究者。他们需要对复杂的污水系统的控制有一个总体印象。（4）环境工程专业的学生。他们需要学习应用ICA技术所带来的效益。该科学技术报告的目的并不是主要介绍当前污水处理的控制方法，而是提供一些实例，应用技术和经济方法进行控制。如今污水处理厂应用不同控制策略获得的经济利益已被量化，一些不能量化的利益通过定性的手段也进行了较好的表达，如对工艺理解更深入、运行人员可更加面对挑战性问题。该报告关注现代控制系统如何促进运行、如何为运行人员提供决策支持。该报告也说明应用当前的测定仪表和信息技术，ICA能解决环境和经济报告中提到的-一些任务。为了促进污水处理整个系统性能和稳定性评价，降低数据量，获取信息对于现代控制系统是至关重要的。为了表示新型控制给系统带来的可能效果，在本报告中介绍了很多推测性结果。然而，证实这些假设还需要所有的限制条件都满足，这意味着，即使某些假设在试验室或中试规模下合理，并不证明他可以应用到实际污水厂，只有实际证明了才可信。另外，试验必须能在任意时间内反复可行，如可在更多的污水厂实现。阅读本书的读者需掌握自控控制的一些基本知识，关于这方面的文献很多，在第13章的参考文献中我们列出了一些关于过程控制的书，尤其关于污水处理系统的控制。读者应对污水处理系统处理工艺有一个基本的理解，见第13章。Gustaf Olsson，瑞典，隆德ZhiguoYuan，澳大利亚，昆士兰州，布里斯班MarinusNiesen，丹麦，VirumAndersLynggaard-Jesen，丹麦，奥胡斯Jean-PhilippeSteyer，法国，那邦尼5
作者Gustaf OlssonProfessor and department Head, Ph.D.,DocentDepartrnent of industrial Electrical Engineering and Automation (IEA)Lund University, SE-22100 Lund, Swedengustaf.olsson@iea.lth.seMarinus K. NielsenDirectol, Ph. D.Waste Water control apsCopenhagen, Denmarkmkn@wwcontrol.dkZhiguo YuanAssociateWastewater ManagementCentre(AWMC)TheUniversityof Queensland,StLucia,QLD4072,Australiazhiguo@awmc. uq, edu. auAnders Lynggaard-JensenHead of Innovation,Urban WaterDHI-Water&Environment,ScienceParkAarhusGustay Wieds Vej 108000 Aarhus C, Denmarkalj@dhi.dkJean-PhilippeSteyer,Ph.D.Process Engineering and Control Engineering (PEACE) groupLaboratoire de Biotechnologie deI'Environment-INRAAvenue des Etangs, F-11100 Narbonne, France6
stcyer@ensam.inra.fr本书其他参与作者Pernille Ingildsen,Ph.D.,Kruger A/S,Soborg,Denmark (PEI@kruger.dk），第3章、第5章和8章部分内容Uif Jeppsson, Ph. D. , Lund University, Lund, Sweden (ulf. jeppsson@iea.lth.se），第3章部分内容Christian Rosen, Ph,D., Lund University, Lund, Sweden, (Chris-tian.rosen@iea.Ith.se），第10章部分内容David Cecil,Odense WaterLtd,Odense,Derrnark (dc@ov.dk),第5章和10章部分内容7
致谢本书是由5位作者合作编写的。我们每位作者都试图提供内容详尽的且风格一致的内容。因此，我们起合作写了这本书，而不是简单地收集每个人的文章。这项工作是比较费时的，因此推迟了出版时间。我们希望这项工作是值得的，本书包含了一些更新的结论。Pernille Ingildsen、Ulf Jeppsson、Christian Rosen 和 David Cecil也为本书作出了贡献，他们提供了一些成果和建议，从而保证本书质量足够高。JohnF.Andrews教授（美国阿肯色州费耶特维尔市）和Dr.TruellGarrett（美国得克萨斯州休斯敦市）审核了本书ICA发展历程部分的手稿。2001年IWA第1届ICA会议分会的主席们提供了他们对ICA进展的看法和建议，如BobHill（美国得克萨斯州休斯敦），UlfJeppsson（瑞典，隆德），ChangwonKim（韩国釜山），StefanoMarsiliLibelli（意大利佛罗伦萨）、Marie-NoellePons（法国，南锡），WolfgangRauch（奥地利因斯布鲁克）和PeterVanrolleghem（比利时根特大学），在此一并感谢。瑞典隆德大学的UlfJeppson和ChristianRosen审核本书稿并给出富有建设性的意见。我们也感谢IWA出版社，感谢他们的耐心，并延长该书出版的最后期限。MichaelDunn和AlanClick也为本书提供了一些帮助。8
译者序随着经济的发展和人类生活水平的提高，用水量急剧增长、污水排放量也相应增加：加剧了水资源的短缺和水体富营养化问题。为了控制水环境污染实现污水资源化，我国城镇污水处理厂的建设正以前所未有的速度发展。据初步统计，到2004年，我国已建设城市污水处理厂667座，污水处理设计规模达到3000万m2/d。目前在建的污水处理厂还有300余座。根据国务院2000年36号文，到2010年，所有设市的城市污水处理率应不低于60%，预计未来5年内我国城市污水处理设计规模将超过5000万m/d。然而大部分污水厂虽然建立起来，由于运行费用不足处于半运行或停运状态。由于污水处理的运行费用是庞大的、长期的，如果通过有效的控制能将城市污水处理厂的运行费用节省1%，也是个天文数字，因此，加强城市污水处理系统的过程控制非常必要。城市污水处理厂的一个显著发展趋势是工艺运行由经验判断走向定量分析，将在线传感器与PILC应用于各种污水处理工艺过程中，来确定工艺参数、优化运行方案、预测运行过程中可能出现的问题及采取的防治措施。另一方面，废水排放标准越来越严格，对污水处理工艺及其运行提出了越来越高的要求。而实现污水处理系统过程控制可提高污水处理厂的性能、可靠性、灵活性和运行效率，可降低污水厂改造或扩建所需的基建费用，在现有污水处理厂反应器容积下，通过优化控制可以增大污水处理厂的处理负荷：可降低污水处理厂的运行费用：可提高和促进污水厂运行管理人员的水平。因此当前如何快速提高我国污水处理系统的过程控制水平，无论在环境效益方面还是经济效益方面上都具有非常重要的作用。发达国家在污水二级处理普及以后投入大量资金和科研力量加强污水处理设施的检测、运行和管理，实现了计算机控制、报警、计算和瞬时记录。美国在20世纪70年代中期开始实现污水处理厂的自动控制，目前主要污水处理厂已实现了工艺流程中主要参数的自动测试和控制。9
与国外相比，我国污水处理自动化控制起步较晚，20世纪90年代以后污水处理厂才开始引人自动控制系统，国产自动控制系统在污水处理厂的应用很少，虽然我们已经建立了自动控制系统，然而仅仅是维护系统的自动运行，无论进水水质、水量如何变化以及处理目标是否变化，都是采用一种运行状态或者基本不变的运行模式，并没有采用先进的控制策略或控制技术，因此造成我国大部分污水处理系统处理不达标、运行费用过高以及系统不稳定。与发达国家相比，我国在污水处理的基本理论、工艺流程和工程设计等方面并不明显落后，但是在运行管理与自动控制方面却存在着较大的差距。目前，我国城市污水处理厂的每吨水耗电量是发达国家的近2倍，而运行管理人员数又是其若千倍，大部分已建的污水处理厂仍处于人工操作状态，这严重影响了城市污水处理的质量，带来了不可预料的后果。鉴于仪表、控制和自动化（ICA）技术在污水处理系统中的广泛应用，以及ICA技术在整个污水处理系统中的投资比重越来越高。为了进一步发挥ICA技术的优势，从而提高污水处理效率、降低系统运行费用，2001年在IWA第一届ICA会议上，本领域的几位绝对权威学者正式提出了编写《污水系统的仪表、控制和自动化》一书的想法。该书涵盖了仪表、控制和自动化的各方面，基本上是几位作者多年的科学研究成果的总结。有助于读者对污水处理控制系统的理解和应用。本书在中国的翻译出版，期待在一定程度上能提高我国城市污水处理系统的过程控制水平，从而实现达标、稳定、高效、低耗的目标。另外本书的出版还有助于我国在污水脱氮除磷和厌氧处理工艺控制方面的研究，并推动在设计及运行管理方面的应用。本书得到了国家自然科学基金一国际（地区）重大合作项目（编号：50521140075）“污水脱氮除磷新理论、新工艺及过程控制”的资助，在此，谨向《污水系统的仪表、控制和自动化》的各位原著作者，以及国际水协出版公司的支持和帮助表示裹心的感谢！侯红勋博士、孙洪伟博士、郭建华博士等对本书稿进行了核对，在此一并感谢。限于作者水平，本书多处翻译不当，敬请广大读者不客赐教，批评指正。马勇、彭永臻2006年10月10
缩略词AD—厌氧消化模数转换器，可以把模拟信号转变为二进制数字A/Dconverter信号Actuator-执行器Adaptivecontrol一自适应控制，根据输入信号的变化，控制器设备自动调整控制Alkalinity碱度Analogsingal模拟信号Anaerobic-一厌氧Anoxic缺氧Autoregressive（AR）model-自回归模型，描述一个信号y（t）对以前观测到的信号依赖的数学方程式，y（t）+ay(t一1)十十an(t--n)=e(t)Autoregressivemovingaverage（ARMA）model自回归移动平均模型，包括一个自回归和一个移动平均成分的数学方程式ARMAX一一包含外部输人的ARMA模型BNR（biologicalnutrientremoval）一生物营养物去除BOD（biochemicaloxygendemand）一生化需氧星Clasedloopcontrol闭环控制，也称为反馈控制COD（chenicaloxygendemand）—化学需氧量CSO（combinedseweroverflow）一一合流制下水道溢流DAC (disturbance accommodation control theory)一干扰调节控制理论Database--数据库Deadband—死带，一定范围的数据通过它在没有触发响应时可以改变测定值Dead time-死时间，某个输入变量变化和任何输出变量变化之间的11
时间间隔Digitalfilter—数字过滤器Digital signal——数字信号DMP (disturbance modeling principle)于扰模型原理DN（denitrification）反硝化DO-—溶解氧Drift-—漂移Dynamic, dynamics-动态的，动力学。环境随着时间变化，不稳定Dynamicmodels--动力学模型Ethernet-以太网Filter过滤器Filtering过滤Fuzzy controller一模糊控制器Fuzzy logic模糊逻辑理论Gain增益，输出信号和输人信号之间的比例大小High pass filter高通道过滤器，能减弱低频率的变化，并增强高频率的变化HRT水力停留时间Hysteresis-滞后作用，磁滞现象IAWPRC (International Association on Water Pollution Research andControl)一国际水污染研究和控制协会IAWQ（InternalAssociationonWaterQuality）—国际水质协会ICA（instrumentation，controlandautomation）仪表、控制和自动化Identification识别，从多个线形公式中获得描述某个系统最好的过程，然后，估计公式中的参数值ISO (international organisation for standardisation)-一国际标准组织KLa—氧传递系数LAN—局域网Least squaresmethod-最小二乘法Linearity一线性Low pass filter低通道过滤器，能减弱高频率的变化，并增强低频率的变化12