基于污水处理厂运行工况诊断的污泥膨胀预防与控制专家系统及方法

摘要

基于污水处理厂运行工况诊断的污泥膨胀预防与控制专家系统及方法，本发明属于环境工程技术、计算机软件技术及自动控制技术的交叉领域，解决了现有污水处理技术中对污泥膨胀的问题只能由人来进行分析诊断和控制，诊断速度慢，还容易出现人为原因误判的缺陷。知识库模块，用于存储诊断方法和控制方法，其中规则的建立重点基于工艺运行参数和污泥沉降性能的变化，并能通过人机交互单元及时更新知识库模块中的方法，以及添加诊断和控制过程中的成功和不成功案例；数据库模块，用于存储在线监测仪表获取的原始数据、离线检测数据以及二次数据；推理机模块，用于进行正向推理；解释机模块，用于进行解释；人机交互单元，完成用户与系统之间的信息交流。

说明书

技术领域

本发明属于环境工程技术、计算机软件技术及自动控制技术的交叉领域，涉及到污水处理系统和智能控制系统，尤其是开发的专家系统基于运行工况与污泥沉降性能等为指示特征进行故障诊断，能应用于污水生物处理过程中污泥膨胀的预防与控制。

背景技术

活性污泥法是目前国内外城市污水和工业废水处理中广泛采用的污水生物处理工艺，它主要包括两个阶段，即污染物的生物化学处理阶段和泥水分离的物理阶段。污水中所含的有机物、氮和磷等污染物进入生物反应池内将被活性污泥经过生物化学作用而去除。活性污泥中的微生物主要包含各种细菌，以及原生和后生动物，细菌根据形态区分主要分为菌胶团菌及丝状菌。其次，二沉池内良好的泥水分离性能和活性污泥的压缩性能是保证出水水质达标的关键所在。但污泥膨胀问题(通常指由丝状菌的过量生长所引起的)是活性污泥工艺运行中经常遇到的一个非常棘手的问题，丝状菌污泥膨胀会造成活性污泥沉降速率变慢，压缩性能变差，进而导致出水水质下降、运行不稳定的不良后果，严重时会使整个污水处理系统崩溃，被认为是活性污泥法的“癌症”。

国内外很多专家学者对污泥膨胀问题进行了大量的研究工作，多集中在污泥膨胀的成因、机理、数学模型和控制方法等方面。但由于污泥膨胀问题的复杂性，目前尚无统一的理论认识和持久有效的控制方法。在生产实践中，一般采用两种方法来控制污泥膨胀，一种是通过向曝气池或回流污泥管道投加一些具有强氧化性的消毒剂，比如次氯酸、H2O2、臭氧等来抑制或灭活丝状菌；另一种方法主要是调查污泥膨胀前后进水水质、运行参数的变化情况，找出诱发丝状菌过量繁殖的具体成因，通过改变运行参数来提供适宜菌胶团菌优势生长的条件来控制污泥膨胀，普遍采用的方法有生物选择器，如在曝气池首端设置好氧、缺氧或厌氧生物选择器。尽管国内外已投入了大量的科研经费来研究污泥膨胀现象，但目前污泥膨胀问题仍普遍发生。据调查，我国有60％以上的污水处理厂每年都会遭遇污泥膨胀现象。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于污水处理厂运行工况诊断的污泥膨胀预防与控制专家系统及方法，以解决现有污水处理技术中对污泥膨胀的问题只能由人来进行分析诊断和控制，诊断速度慢，还容易出现人为原因误判的缺陷。

基于污水处理厂运行工况诊断的污泥膨胀预防与控制专家系统包括知识库模块、数据库模块、推理机模块、解释机模块和人机交互单元；

知识库模块，用于存储基于污水处理厂运行参数来诊断污泥膨胀的方法和控制污泥膨胀的方法，知识库模块中规则的建立重点基于工艺运行参数和污泥沉降性能的变化，并能通过人机交互单元及时更新知识库模块中的方法，以及添加诊断和控制过程中的成功案例和不成功案例；

数据库模块，用于存储在线监测仪表获取的原始数据、离线检测的数据以及诊断过程中产生的二次数据；

推理机模块，用于借助CLIPS编程制定的推理过程和利用知识库模块中的方法进行正向推理；

解释机模块，用于对推理机模块给出的推理结果进行解释，使用户了解推理过程及所运用的知识和数据；

人机交互单元，完成用户与专家系统之间的信息交流。

基于污水处理厂运行工况诊断的污泥膨胀预防与控制方法的步骤如下：

步骤一：人机交互单元输入诊断污泥膨胀所需的数据，数据包括在线监测仪表获取的原始数据、离线检测的数据和工艺运行参数；

步骤二：在数据库模块中整合数据，把步骤一中的工艺运行参数和污泥沉降性能的数据写入数据库模块，并在内部计算得到二次数据；

步骤三：把步骤一和步骤二得到的数据导入推理机模块；

步骤四：推理机模块通过知识库模块诊断是否发生污泥膨胀；是，则执行步骤五；否，则执行步骤七；

步骤五：发生污泥膨胀，推理机模块接着诊断导致污泥膨胀产生的具体原因，并提供针对该情况下产生污泥膨胀的解决方法；

步骤六：根据实际情况选择可行的解决方法，并跟踪采取该解决方法后污泥沉降性能的变化情况，如果污泥沉降性能得以恢复，污泥膨胀得到解决，保存该成功案例到知识库模块，退出系统；如果污泥沉降性能未恢复，污泥膨胀得不到解决，保存不成功案例到知识库模块，继续采集工艺运行参数的变化情况，返回步骤五，直至完成步骤六；

步骤七：未发生污泥膨胀，诊断是否存在发生污泥膨胀的可能性；是，则执行步骤八；否，则执行步骤十；

步骤八：存在出现污泥膨胀现象的可能性，推理机模块诊断在接下来的运行过程中可能导致发生污泥膨胀的原因，并提供预防这种可能性的预防方法；

步骤九：根据实际情况选择可行的预防污泥膨胀的方法，并跟踪采取该措施后污泥沉降性能的变化情况，如果污泥沉降性能得以改善，污泥膨胀得到预防，保存该成功案例到知识库模块，退出系统；如果污泥沉降性能未改善，预防方法不能解决可能发生的污泥膨胀，保存不成功案例到知识库模块，继续采集工艺运行参数的变化情况，返回步骤八，直至完成步骤九；

步骤十：不存在发生污泥膨胀的可能性，则诊断沉淀池污泥沉淀效果，如果沉淀池沉淀效果差，检查污泥回流管道是否畅通或二沉池是否受到水力负荷冲击，并给予解决方法；如果污泥沉淀效果好，则说明系统没有发生污泥膨胀问题，退出系统。

本发明提供了基于污水处理厂运行工况与污泥沉降性能为指示特征来实现污泥膨胀的诊断、预防与控制的智能控制系统及方法。该发明以处理城市污水和工业废水的活性污泥法中各种运行指标(包括进出水指标和运行控制参数)和污泥沉降性能(包括污泥沉降指数SVI、污泥层高度、丝状菌指数)的变化为依据，建立常规污水处理工艺中预防与控制污泥膨胀的调控规则，构建预防与控制污泥膨胀的专家系统，通过内部专家系统的内部推理，提供可供运行人员参考的污泥膨胀诱发成因和有效的解决方案，实现对丝状菌污泥膨胀的预测和专家诊断，向运行人员提供可靠的解决方案或帮助其完成自动调控功能，最终实现污水处理厂的高效稳定运行，并提高现有污水处理厂的自动控制水平。

本发明的优点在于：本发明在于通过污水处理工艺的运行工况和污泥沉降性能的变化为主要依据，判断出污泥膨胀的发生及其产生的原因，并提供有效的和针对性的解决方案，并通过对历史库的管理，增加事故样本，实现污泥膨胀的预防和预警功能。解决了现有污水处理技术中对污泥膨胀的问题只能由人来进行分析诊断和控制，诊断速度慢，还容易出现人为原因误判的缺陷。

附图说明

图1为本发明的方法流程图，图2为常见的污泥膨胀故障诊断决策树，图3是具体实施方式五中实施案例中污泥沉降指数SVI随时间的变化曲线图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式包括知识库模块1、数据库模块2、推理机模块3、解释机模块4和人机交互单元5；

知识库模块1，用于存储基于污水处理厂运行参数来诊断污泥膨胀的方法和控制污泥膨胀的方法，知识库模块1中规则的建立重点基于工艺运行参数和污泥沉降性能的变化，并能通过人机交互单元5及时更新知识库模块1中的方法，以及添加诊断和控制过程中的成功案例和不成功案例；

数据库模块2，用于存储在线监测仪表获取的原始数据、离线检测的数据以及诊断过程中产生的二次数据；

推理机模块3，用于借助CLIPS编程制定的推理过程和利用知识库模块1中的方法进行正向推理；

解释机模块4，用于对推理机模块3给出的推理结果进行解释，使用户了解推理过程及所运用的知识和数据；

人机交互单元5，采用VC++可视化编程语言开发，完成用户与专家系统之间的信息交流。

步骤一：人机交互单元5输入诊断污泥膨胀所需的数据，数据包括在线监测仪表获取的原始数据、离线检测的数据和工艺运行参数；

在线监测仪表获取的原始数据包括好氧区DO浓度、进水流量、pH值、温度和二沉池污泥层；离线检测的数据包括进水水质指标、出水水质指标、MLSS值、SVI值和丝状菌指数；工艺运行参数包括污泥回流比、排泥量和污泥龄；

步骤二：在数据库模块2中整合数据，把步骤一中的工艺运行参数和污泥沉降性能的数据写入数据库模块2，并在内部计算得到二次数据；

污泥沉降性能包括污泥沉降指数SVI、污泥层高度、丝状菌指数；二次数据包括COD-污泥负荷、COD/N/P比、曝气池水力停留时间、二沉池水力停留时间和水力负荷；

步骤三：把步骤一和步骤二得到的数据导入推理机模块3；

步骤四：推理机模块3通过知识库模块1中的基于污水处理厂运行参数来诊断污泥膨胀的方法和控制污泥膨胀的方法和不断从人机交互单元5得到的更新的方法和添加案例诊断是否发生污泥膨胀；是，则执行步骤五；否，则执行步骤七；

步骤五：发生污泥膨胀，推理机模块3接着诊断导致污泥膨胀产生的具体原因，并提供针对该情况下产生污泥膨胀的解决方法；

步骤六：根据实际情况选择可行的解决方法，并跟踪采取该解决方法后污泥沉降性能的变化情况，如果污泥沉降性能得以恢复，污泥膨胀得到解决，保存该成功案例到知识库模块1，退出系统；如果污泥沉降性能未恢复，污泥膨胀得不到解决，保存不成功案例到知识库模块1，继续采集工艺运行参数的变化情况，返回步骤五，直至完成步骤六；

步骤七：未发生污泥膨胀，诊断是否存在发生污泥膨胀的可能性；是，则执行步骤八；否，则执行步骤十；

步骤八：存在出现污泥膨胀现象的可能性，推理机模块3诊断在接下来的运行过程中可能导致发生污泥膨胀的原因，并提供预防这种可能性的预防方法；

步骤九：根据实际情况选择可行的预防污泥膨胀的方法，并跟踪采取该措施后污泥沉降性能的变化情况，如果污泥沉降性能得以改善，污泥膨胀得到预防，保存该成功案例到知识库模块1，退出系统；如果污泥沉降性能未改善，预防方法不能解决可能发生的污泥膨胀，保存不成功案例到知识库模块1，继续采集工艺运行参数的变化情况，返回步骤八，直至完成步骤九；

步骤十：不存在发生污泥膨胀的可能性，则分析沉淀池污泥沉淀效果，如果沉淀池沉淀效果差，检查污泥回流管道是否畅通或二沉池是否受到水力负荷冲击，并给予解决方法；如果污泥沉淀效果好，则说明系统没有发生污泥膨胀问题，退出系统。

结果推出后，专家系统会通过解释机模块4从知识库模块1中提取相关的信息并和推理结果一块输出，显示在人机交互单元5上，自学习修正知识库模块1中的内容或保存案例日志，同时通过解释机模块4对推理机模块3给出的推理结果进行解释，使用户了解推理过程及所运用的知识和数据。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同点在于所述知识库模块1中存储的基于污水处理厂运行参数来诊断污泥膨胀的方法包括根据污泥沉降指数SVI、丝状菌指数、污泥层高度、出水悬浮物浓度和是否出现污泥流失现象来判断是否发生污泥膨胀方法；步骤四中诊断是否发生污泥膨胀的条件为：在镜检发现存在丝状菌的条件下，当发生以下症状之一或多种症状同时发生时，则污泥膨胀已经发生；所述的症状包括：a、污泥沉降指数SVI高于250mL/g；b、当镜检观察发现丝状菌指数高于3；c、污泥层高度接近警戒位；d、二沉池出现明显污泥流失现象；否则污泥膨胀未发生。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同点在于步骤五中当发生污泥膨胀时，根据污水处理系统内的工艺运行参数：溶解氧浓度、污泥负荷范围、进水水质指标、出水水质指标、水温、污泥回流比、污泥龄，分析并给出污泥膨胀的产生原因，并提供相应的解决措施及该推理结果的可信度。所述的具体原因包括低溶解氧引起的污泥膨胀、低负荷引起的污泥膨胀、进水C/N/P比失衡引起的污泥膨胀、低温引起的污泥膨胀、高负荷引起的污泥膨胀、进水硫化物浓度过高引起的污泥膨胀与低pH引起的污泥膨胀等。污泥膨胀的解决方法包括提高曝气量、提高污泥负荷、适当添加营养物质、超越初沉池、将有毒物质引入事故池、投加氯消毒、增大污泥回流比和设置生物选择器。其它组成和连接方式与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同点在于步骤七中诊断是否存在发生污泥膨胀的可能性的条件为：当发生以下症状之一或多种症状同时发生，则存在出现污泥膨胀现象的可能性，症状包括：A、污泥沉降指数SVI界于150-200mL/g之间，且连续7天内出现上涨趋势；B、镜检观察发现丝状菌指数在1-3之间，且连续7内出现上涨趋势；C、污泥层高度出现上升趋势，逐渐逼近警戒位；D、出水水质明显变清澈；否则不存在发生污泥膨胀的可能性。其它组成和连接方式与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：结合图1、图2和图3说明本实施方式，本实施方式与具体实施方式一或四不同点在于给予了具体实施例：某污水生物处理系统采用缺氧-好氧(A/O)工艺处理实际的生活污水，在运行过程中发现污泥沉降性能逐步下降，SVI值一度高于350mL/g，镜检发现丝状菌大量繁殖，丝状菌指数为4-5，滋生的丝状菌严重影响了泥水在二沉池内的分离，部分污泥会随着出水从二沉池内流失。针对此现象采用本发明对该污水生物处理系统内发生的污泥膨胀进行了诊断。对该污水生物处理系统的运行参数进行了检测和计算，并将系统所需的信息输入人机交互界面中，经内部推理发现，该污水生物处理系统COD-污泥负荷低于0.18kgCOD/kdMLSS/d，好氧区的平均低DO浓度为0.6mg/L，经诊断是由低负荷结合低DO浓度导致的丝状菌污泥膨胀，系统给出的解决方案有设置生物选择器、增大进水量、减少水力停留时间、增大排泥量提高负荷、增大曝气量等措施。根据这些方案，首先选取增大曝气量，将好氧区DO浓度提升至2.5mg/L，运行7天后，发现SVI值从之前的350mL/g降至270mL/g，但镜检发现仍有较多的丝状菌存在。之后在不降低DO浓度的情况，增大了排泥量，将污泥负荷增加至0.24kgCOD/kdMLSS/d以上，经运行10天后，该污水生物处理系统内活性污泥的SVI降至140mL/g左右，丝状菌指数降低至1，污泥膨胀得到了解决。也就是说如果怀疑或确定污水处理系统出现污泥膨胀，可以触发污泥膨胀预防与控制的决策树，并通过决策树分析发生的原因及其解决方案。决策树首先分析污泥沉降性能(SVI值、丝状菌指数和污泥层高度)，如果SVI值正常或较低(低于150mL/g，该值可人为修改)，继续分析沉淀池污泥沉淀效果，如果污泥沉淀效果好，则说明系统没有发生污泥膨胀问题，退出决策树推理系统。如果沉淀池沉淀效果差，则可知系统没有出现污泥膨胀现象，但需要检查污泥回流管道是否畅通或二沉池是否受到水力负荷冲击。如果SVI值介于150-200mL/g，且污泥沉降性能在一定时间内逐渐开始下降，则可推断污水处理系统发生发生污泥膨胀的可能性。如果SVI值高于250mL/g，且丝状菌指数大于3，则可推断污水处理系统发生污泥膨胀，启动故障诊断与解决模块。如果好氧区溶解氧(dissolved oxygen，DO)浓度较低，可加大曝气量，提高好氧区DO浓度，还可以采取降低污泥负荷(F/M)和污泥浓度(MLSS)等手段间接提高DO浓度；如果污泥负荷F/M值较低，采取的控制方式有：加大排泥量提高负荷，设置生物选择器；如果是高F/M值，则可采用回流污泥再生、加大污泥回流比或降低污泥排放量，降低系统F/M，并增加污泥龄(SRT)；如果进水中悬浮物浓度过低，可以超越初沉池或曝气沉砂池来提高曝气池悬浮物SS浓度；如果温度过低，可以温度过低，有条件的话可以通入锅炉蒸汽，或可以间接的减少排泥量来提高污泥的耐低温特性；如果进水pH值变化较大或进水pH值较低，则需确定废水来源，控制排放源同时投加碱性物质，提高进水pH值；如果进水中营养物匮乏，当进水BOD/N＞100/3时，投加氮元素，当进水BOD/P＞100∶1时，投加磷元素，并根据进水N/P浓度确定所需投量；如果设置的反硝化区反硝化不完全，也可能诱发污泥膨胀，可适当投加碳源或降低硝化液回流比；如果进水腐化含有硫化物，对硫化物进行氧化，同时进行预曝气；如果进水中或旁路中含有大量丝状菌，则需确定其来源，需要加氯消毒，预氧化；如果无法确定原因可以采用以下方式控制：投加杀生剂或设置生物选择器。其它组成和连接方式与具体实施方式一或四相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。