生物流化床污水处理技术进展与展望 8页

'万方数据综述与评论化工自动化及仪表，2010，37(2)：1-6ControlandInstrumentsinChemicalIndustry生物流化床污水处理技术进展与展望刘载文，苏震，王小艺，连晓峰(北京工商大学计算机与信息工程学院，北京100048)摘要：生物流化床是一种高效的、适应性广的新型污水处理技术，它是一个分布参数、非线性、时变、大滞后和多变量耦合的复杂系统，难以建立精确的数学模型，生物流化床的自动控制已经成为其推广的重要障碍之一。本文在简要介绍生物流化床污水处理技术的工艺特点及发展状况基础上，着重从控制方案、策略方面对其他流化床的控制方法进行总结，并提出生物流化床控制思路，最后分析生物流化床的发展前景，针对目前生物流化床存在的问题，提出未来的发展方向。关键词：污水处理；生物流化床；智能控制中图分类号：TE992文献标识码：A文章编号：1000．3932(2010)02-0001-061引言随着人类的发展、水资源的短缺、污染已经成为社会发展的一块绊脚石，污水、废水的处理将是我们一直面临并一定要解决的重要问题。近20多年来，城市污水处理事业已有较大的发展，城市污水处理厂大多采用生化处理工艺，其技术成熟、运行经济可靠、处理能力强、效果好。在生化处理污水的工艺中，生物流化床技术以其表面积巨大、传质效果高效、抗冲击能强力、微生物活性强、占地面积少等优点成为近年来研究的热点。但是，由于生物流化床为较新的污水处理工艺，目前研究多集中在床体原理、结构和反应物上，在控制方面的研究较少，大多生物流化床污水处理系统还采用定时曝气、定量进水的控制方法，这种控制方法不仅耗费了大量的电能，而且不能保证出水指标的稳定。经深入调研，在流化床工艺的其他领域方面，对智能控制已经进行了不少的研究，并取得了一定成效，鉴于生物流化床和其他流化床的相似性，可以借鉴其先进的控制方法提高生物流化床污水处理系统的效能。本文针对生物流化床污水处理的发展状况，对生物流化床的工艺进行简要介绍，并总结其历史和现状，着重从控制方法上对其他流化床进行总结，分析生物流化床控制方法的最新发展趋势，并指出未来控制方法的研究方向，为治理污水、综合保护水资源提供有效参考。2生物流化床工艺简介生物流化床是20世纪70年代发展起来的污水处理技术⋯，图1为三相内循环生物流化床示意图。其工艺原理是将对废水中主要污染物有降解作用的好氧生物通过一定的方式固定在一定粒度的载体上，空气和待处理的废水从反应器底部同向进入，通过控制气、液两相的流速，使流化床反应器内载有生物体的固相呈流化状态。废水中的污染物与生长在载体上的好氧微生物接触反应，降解去除废水中的污染物。在反应器顶部，通过分离装置实现三相分离，澄清的废水从溢流槽排出。由于空气的搅动使生物膜及时脱落，控制载体上生物膜的厚度，也不需另设专门的脱膜装置。在流化床内，填料流态化的同时，还进行氧的吸收和有机物的降解两项功能，因此这种工艺的难点在于正确地确定气、液比例和控制气、液、固三相协调的操作条件。3生物流化床研究历史及现状早在上个世纪30年代就有人提出在悬浮床、膨胀床或流化床中采用将活细胞固定在颗粒载体上的办法来处理废水的设想㈨。但直到60年代后期，这收稿日期：2009—12-30(修改稿)基金项目：国家科技支撑计划子课题(2007BAK36807)；北京市教委科技创新平台项目 万方数据·2·化工自动化及仪表第37卷一设想都未能在废水生物处理的工业化过程中付诸实施。1971年Robert等人对废水生物处理水作深度净化时，发现被活性炭吸附的有机物大都能被微生物所分解，这为发展具有生物膜法和活性污泥法两者优点的生物流化床技术提供了试验基础。从那以后，美国、英国、日本等国对生物流化床技术进行了大量的研究试验工作。1973年美国JerisJohns等人成功开发了厌氧生物流化床技术，用于去除COD。和NH，一N的硝化处理，同年申请了专利。1975年，美国Ecolotrol公司开发了HY-FIO生物流化床工艺，用于废水的二、三级处理。美国Dorr—Oliver公司在流化床的实用性方面做了许多研究，尤其是充氧器与进水分布系统上取得了很大的进展。Dorr．Oli．vet设计的Oxitron反应器一1，在床底部的锥体部分采用喷嘴造成一种强有力的喷射床作为流化床的分布器。英国水研究中心和美国水研究中心又分别对充氧方式进行改进Ho，并成功地用于厌氧一好氧两段流化床对废水进行全面的二级处理，包括有机碳的去除和脱氮。日本于70年代中期进行此方面的研究，它着眼于中小型工厂的废水处理，采用的空气曝气装置的构型和脱膜方式与欧美不同。例如，三菱公司研制的流动循环曝气反应器，把曝气、脱膜、循环合成一体。1993年日本Hokkaido大学的学者报道了一种由颗粒流化床分离器、好氧生物滤床和薄膜过滤器组成的新型处理系统”1。在工程实践中，以好氧流化床降解含22种酚和氮杂环、芳香胺的废水，以纯氧为氧源的生物流化床降解含多氯代酚的地下水、生物流化床处理酵母废水、垃圾填埋场浸出液中难降解有机污染物的处理、在颗粒活性炭流化床中2，4，6．三氯代酚的厌氧降解，流化床生物膜反应器系统处理湖水中的藻类等均取得了满意的效果。随着生物流化床应用范围日益扩大，越来越多的学者开始研究生物流化床工艺。在流化床结构方面，何卫中等人在复合生物流化床基础上，研制了一种新型自充氧式内循环三相复合事物流化床反应器，是一种全混流型与置换型相叠加的反应器一。；华彬等人设计了两个内循环三相反应器的改进型——外循环三相流化床。’】，其特点是主床一侧设置副床；徐功娣等人研究的序批式生物流化床，采用序批式操作，能完成从液固二相流化床到气液固三相流化床的转化。8|。在流化床载体方面，蔡建安等人发现，在气升式流化床反应器中使用粗粒焦碳与细粒石英砂组成的混合载体来处理废水，有良好的效果。与单一载体相比，使用不同粒径的混合载体不易流失，并且使流化床的容积负荷更高，有利于载体挂膜和氧的转移传质，可降低曝气能耗旧’；李探微等人也采用气升式流化床反应器处理污水，对炉渣、焦碳、塑料颗粒进行了载体实验比较¨0。。结果表明，塑料颗粒较易流化，但稍有流失。载体挂膜效果，焦碳略优于炉渣，塑料效果最差。有机物降解作用，焦碳、炉渣两者在COD去除率相当，塑料效果最差；Edwards在研究生物流化床处理高浓度化工废水时发现，颗粒活性炭流化床比以砂粒作载体的流化床具有更高的抗COD负荷冲击的能力，也能更迅速地启动⋯1。在流化床生物膜方面，Ka哂等人对生物流化床进行了理论分析，认为生物膜有一个最理想的厚度可以使废水中污染物的去除效率最高一“；周平等人也对生物膜厚度对流化床反应器处理性能的影响进行了分析，发现载体生物膜较薄时，虽然膜内传质阻力较小，但由于这时生物浓度也较低，故处理效果较差，出水浓度较高；而当载体生物膜较厚时，一方面由于膜内传质阻力较大，另一方面由于为维持床高而排出的载体量过大，导致床内生物浓度下降，故处理效果也不好，出水浓度较高¨引。作为影响流化床性能的重要参数，作者研究得到流化床载体生物膜最佳厚度为180“m；刘焱等人对生物流化床中载体生物膜的生长、脱落、活性、性质及生物膜厚度与流化床反应器的处理效率的关系等问题进行了综合研究¨“。在流化床其他方面，不少学者也进行了研究。韦朝海等人分析了主要过程参数如气水比、液体循环速度、氧传递系数及混合时间与结构参数、操作参数的相关性【1卜1。“。徐颖等人从生物流化床的结构参数、流体力学方面进行了研究。”’”J引。杨卫国等人采用溶氧法测量了三相循环流化床中液相溶氧浓度的轴向分布，并按轴向扩散模型处理实验数据，优化得到气液体积传质系数Kla，并研究了主要操作条件对气液传质系数的影响规律¨⋯。4生物流化床控制技术展望前人在生物流化床污水处理方面的研究主要集中在流化床构造结构、流体力学特性、氧传质特性、液传质特性以及载体和生物膜等方面，并已取得了突破性进展。但是在生物流化床污水处理的自动控制方法上的研究却较少，再加上出水水质很难在线实时测量，绝大多数污水处理厂仍然采用开环控制， 万方数据第2期刘载文等．生物流化床污水处理技术进展与展望·3·即使少数污水厂采用闭环控制也是采用国外进口检测仪器构成闭环，大大增加了成本，也没有达到理想中的优化控制。生物流化床的控制目的一方面要维持出水指标的稳定，另一方面就是要实现节能降耗，优化控制。目前国内生物流化床污水处理闭环系统主要是根据经验，采用单变量手动控制，在曝气量恒定的条件下控制进水量或者在进水量恒定的基础上控制曝气量㈣驯，这种控制方法的缺陷一方面在于不能根据污水进水水质的实际情况及时调整运行参数，难以实现优化控制；另一方面在于当进水负荷变化较大时很难保证出水指标的稳定。由于生物流化床污水处理是一个分布参数、非线性、时变、大滞后、多变量耦合的复杂控制对象。常规的控制方法在控制生物流化床对象时存在许多缺点：忽视对象内部的耦合性，尤其是孤立的控制进水量和曝气量；没有采取有效的克服过程大滞后的方法，导致系统不稳定；只简单考虑稳定工况下的自动控制，忽视了不同工况之间的切换或外界环境变化导致的对象特性变化，造成控制系统无法长期有效的运行。对此，可以采用先进的智能控制方法解决这些问题。通过文献调研早已有学者在流化床其他应用领域进行过研究，如循环流化床燃煤技术心引、生产技术心31等。虽然是在不同工艺的研究，但其均为分布参数、非线性、时变、大滞后、多变量强耦合系统，具有一定的相似性，因此可以借鉴一些先进的智能控制，将其应用于生物流化床污水处理的控制中去。4．1生物流化床自适应控制生物流化床是一个时变、多工况的对象，因此一个固定参数的控制器很难在整个时间域内都适用。在这种情况下，引入自适应机构是十分自然的。自适应控制可以通过不断测量系统的状态、性能或参数，得到当前系统运行指标并与期望的指标进行比较，从而调整控制器的结构或者参数，以保证系统运行在某种意义下的最优或次优状态。自适应控制器的这种特性就可以保证当生物流化床对象发生时变或改变工况时，控制器可以通过调整参数来适应这个变化，从而保证了系统的控制效果。可以将模糊控制与自适应机构相结合Ⅲ。，对进水量和曝气量进行多变量控制，用对系统影响大的变量做为一级变量，次之的选作二级变量，以此类推。在此基础上引入自适应机构通过计算各项性能指标(拟衰减率、振荡度、残差、超调量)，由监控规则集在线调整量化因子、加权因子等控制器参数，实现多级白适应模糊控制系统，大大提高了系统的鲁棒性。多级自适应模糊控制系统如图2所示。或是针对生物流化床锅炉主蒸汽压力被控对象时变、非线性的特性，采用模糊控制与PID控制相结合的模糊PID自整定算法∞1，对曝气系统或进水系统进行联动控制。当过程参数变化过大、PID不能进行有效控制时，切换到模糊控制，同时进行在线辨识，直到辨识精度满足要求；当过程参数变化较小时切回常规PID控制。这类控制算法具有调量小、稳定性好、对模型参数适应能力强等特点，能够取得良好的控制效果，提高了其控制品质和适应性。另外，基于全系数自适应控制理论采用COD自适应串级控制12⋯、无辨识自适应预估控制心71等先进控制方法都可以应用到生物流化床污水处理系统中去。该类系统能有效地克服被控对象高阶、滞后等对系统的不良影响，系统结构简单、实用，具有工程实用价值。参考信号图2多级自适应模糊控制系统结构图4．2生物流化床的模糊控制目前许多先进控制策略需要有被控对象的较为精确的数学模型，但是由于生物流化床的复杂性，使得建立生物流化床数学模型成为一件十分不易的事情。虽然对生物流化床的建模有很大难度，但是目前有许多生物流化床的实际控制经验，这给模糊控制提供了有利的条件。可以采用分层多变量模糊控制mJ，当具有多个输入变量时，多变量模糊控制器将其中一个或几个作为辅助输入量，由其变化来代表不同的过程状态K。在不同的过程状态下，再根据被调量的偏差E及偏差变化率EC定出模糊控制规则。它比常规模糊控制器能更好地适应生产过程状态的变化，能更全面地反应人工操作的经验。分层多变量模糊控制原理如图3所示。或是利用模糊控制和广义预测控制相结合的控制思路旧9|，控制系统中各控制回路均采用模糊控制方案，针对COD和NH：3-N的强耦合，运用 万方数据·4·化工自动化及仪表第37卷基于广义预测控制的指导系统，即广义预测控制控制器，利用生物流化床动态模型预测COD和NH3-N，作为COD和NH3-N控制回路的给定值，从而实现COD和NH3-N的模糊解耦控制。另外带自整定因子的模糊控制器m1、分层多变量模糊控制器一u都可以尝试应用到生物流化床污水处理系统中去。过程状态判别高层／2＼⋯＼P＼＼低层l控制规则集挖制规则集控制规则集R．I{，Rr图3分层多变量模糊控制原理结构图4．4生物流化床的专家系统控制污水处理厂有经验的操作人员能熟练应付各种由恶劣工作环境引起的于扰，并对生物流化床运行中的各项指标进行较好地协调。如基于现场运行经验的循环流化床专家智能控制策略¨“。或是根据循环流化床锅炉的动态特性，提出的适合该种炉型的仿人智能控制系统∞4|。受此启发，在总结专家控制经验的基础上，可以设计模仿专家的智能控制器，不需要知道对象的数学模型，就可以对生物流化床进行有效的控制。这种基于现场运行经验的专家智能控制策略，结构简单，易于实现，投运后提高了控制系统的控制精度和鲁棒性。专家控制系统结构如图5所示。蕊鬲瓣=⋯⋯～；；厂_叫型墨壁卜_]传感器图5专家控制系统结构图4．5生物流化床的解耦预测控制针对流化床的强耦合和大延迟问题，可以在多变量频域理论的补偿式解耦控制方法哺·的基础上，吸取运行专家的经验，并将其引入到生物流化床系统设计中，在控制系统设计中附加模糊判据，根据控制变嚣偏差和变化趋势，改变调节作用的强弱，提高系统在内外扰动作用下的调节品质，实现了流化床的解耦控制。或是采用基于多模型的广义预测控制和基于多模型的自适应预测控制系统m’371对COD进行控制。另外还可以考虑采用解耦广义预测控制"副(DGPC)、前馈解耦多变量模糊控制等方法对COD和NH，-N进行控制。前馈解耦模糊控制如图6所示。1旦咂丑L回，l物流化床对象尸厨L—二J上旧“2L——]图6前馈解耦模糊控制系统框图5总结由于生物流化床具有较高的污水处理效率，较少的占地面积等优点，在处理城市污水和工业废水中展现了良好的发展前景。近20年，城市污水处理事业有较大的发展，在生化处理废水的工艺中，生物流化床技术是近年来研究的热点。事实证明，在居民小区内构建污水处理站，将生活污水直接处理成中水供小区使用，是当前城市生活污水处理的一种必然趋势。在工业废水处理领域 万方数据第2期刘载文等．生物流化床污水处理技术进展与展望·5·中，高效地处理工业废水一直是生物流化床的研究和发展方向。工业污水的特点是成分复杂，含有多种不同的污染物质，且工业废水中的污染物质和浓度有较大的差别，较难处理。生物流化床由于其耐冲击负荷，而且能根据不同的污水水质培养出高效的用于污水处理的微生物菌群，从而能有效地处理工业废水。由此可见，随着技术的进步，生物流化床在城市污水处理和工业废水的处理中将占据蕈要的地位。生物流化床工艺的应用前景将更加广阔。同时，也应注意到我国生物流化床工艺还有许多问题值得注意：(1)由于生物流化床工艺耗能较高，积极研究生物流化床的优化控制，降低能耗，成为生物流化床工艺能否被广泛应用的前提。(2)生物流化床动力学模型的研究：寻找气、液、固的传质代谢规律，研究流体力学特性，建立生物流化床污水处理工艺的机理模型是智能、优化控制的重点。(3)生物流化床操作技术复杂，应加强工艺自动化控制水平，深入研究生物流化床智能、优化控制方法，稳定出水指标。(4)进一步研究生物流化床化学工艺，进行放大效应的研究。相信随着生物流化床污水处理系统自动控制技术的进步，各种有效的先进控制策略将逐步应用于实际工业过程，生物流化床污水处理的优越性将更为显著，从而极大地带动生物流化床技术的推广，因此而带来的经济效益和社会效益将是显著的。参考文献：[1]王荣昌，文湘华，钱易．流化床生物膜反应器在污水处理中的应用研究现状[J]．环境污染技术与设备，2003，4(7)：550—553．[2]L—S范．气液固流态工程[M]．俞正青，译．北京：中国石化出版社，1989．[3]HOYLANDG．AerobicTreatmentin‘Oxitmn’BiologicalFlu—idizedBedPlantatColeshili[J]．WaterPollutionControl，1983。82(4)：479—493．[4]COPPERPF．CompleteTreatmentofSewageinaTwo·stageFluidized—bedSystemPart1[J]．WaterPollutionControl，1982，81(4)：447—464．[5]TatauhikoSuzuki．ANewSewageTreatmentSystemwithFluid—izedPelletBedSeparator[J]．WaterScienceandTechnology，1993，27(11)：185—192．[6]何卫中，刘有智．好氧生物流化床反应器处理有机废水技术进展[J]．化工环保．1999．19(5)：278—283．[7]华彬，陆永生，等．外循环流化床处理印染废水[J]．过程工程学报，2002，2(2)：107—111．[8]徐功娣，陆永生，张仲燕，等．新型序批式双外循环牛物流化床流体力学特性研究[J]．齐齐哈尔大学学报，2005，21(1)：l一4．[9]蔡建安，等．i相流化床中混合载体的协同作用[J]．环境科学，1995，16(6)：50一52．[10]李探微，等．气提升循环反应器生物载体的选择[J]．污染防治技术，1999，12(4)：231—232．[11]EDWARDSDE，eta1．Laboratory．scaleEvaluationAerobicFlu--idizedBedReactorsfortheBiotreatmentofaSynthet—ic，Hish—strengthChemicalIndustrywasteStream[J]．WarEnvironRes，1994，66(1)：70—83．[12]KARGIF，etai．OptimalBiofilmThicknessforFluidized—BedBiofilmReactors[J]．JChemTeehBiotechnol，1982，32：744—744．[13]周平，等．牛物流化床降解有机物动力学研究[J]．中国环境科学，1993，13(3)：168—173．[14]刘焱，杨平，方治华．生物流化床中生物膜特性与反应器效率的关系[J]．环境科学进展，1999，7(5)：113—123．[15]徐颖。张林军，曹忠．曝气牛物滤池去除有机物及氨氮的影响因素分析[J]．水资源保护，2008，24(2)：76—81．[16]韦朝海，谢波，吴超飞，等．三相牛顿流体缩放型导流筒气升式内环流反应器研究[J]．化学工程，1999，27(5)：14一17．[17]韦朝海，谢波，吴超飞。等．三重环流生物流化床的流体力学与传质特性[J]．化学反应J：程与工艺，1999，15(2)：166—178．[18]刘津．李敏。于洗，等．新型内循环生物流化床反应器氧传质特性研究[J]．环境工程，2004，22(4)：12一14．[19]杨卫国，王会福，王铁峰，等．三相循环流化床中的气液相界面积和传质系数[J]．化工冶金，2000，21(4)：363—368．[20]鲁继川，孙悦．生物流化床处理生活污水的实验研究[J]．浙江化工，2008。39(1)：14一16．[21]何世钧，王化祥，杨立功，等．城巾．污水处理系统溶解氧的控制[J]．化工自动化及仪表，2003，30(1)：36—38．[22]付萍，韩璞．先进控制策略在循环流化床中的应用[J]．仪器仪表用户，2005，12(4)：71—73．[23]王伟，薛美盛，等．丙烯腈流化床反应器先进控制[J]．化工自动化及仪表，2008，35(3)：58—61．[24]张秀玲，郑翠翠，黄兴格，等．基于参数优化的自适应模糊神经网络控制在污水处理中的应用[J]．化工自动化及仪表，2009，36(3)：12一14．[25]李振国，王亚利，等．锅炉改造燃烧过程的自动控制[J]．上海大学学报，2001，7(5)：442—444．[26]牛培峰，周丽芹，李国胜，等．大型国产循环流化床锅炉的汽温自适应串级控制系统[J]．动力工程，2004，24(2)：204—206．[27]王俊杰．循环流化床锅炉燃烧控制系统优化[J]．热电技 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生物流化床污水处理技术进展与展望作者：刘载文，苏震，王小艺，连晓峰，LIUZai-wen，SUZhen，WANGXiao-yi，LIANXiao-feng作者单位：北京工商大学,计算机与信息工程学院,北京,100048刊名：化工自动化及仪表英文刊名：CONTROLANDINSTRUMENTSINCHEMICALINDUSTRY年，卷(期)：2010,37(2)参考文献(38条)1.周平生物流化床降解有机物动力学研究1993(03)2.KARGIFOptimalBiofilmThicknessforFluidized-BedBiofilmReactors19823.EDWARDSDELaboratory-scaleEvaluationAerobicFlu-idizedBedReactorsfortheBiotreatmentofaSynthetic,High-strengthChemicalIndustryWasteStream1994(01)4.TatsuhikoSuzukiANewSewageTreatmentSystemwithFluidizedPelletBedSeparator1993(11)5.COPPERPFCompleteTreatmentofSewageinaTwo-stageFluidized-bedSystemPart11982(04)6.HOYLANDGAerobicTreatmentin"Oxitron"BiologicalFluidizedBedPlantatColeshill1983(04)7.徐向东;张永哲解耦广义预测控制(DGPC)在循环流化床锅炉控制中的应用2000(增刊B)8.WANGDong-feng;HANPu;GUOQi-gangMulti-ModelGPCforSteamTemperatureSystemofCirculatingFluidizedBedBoiler20039.WANGDong-feng;HANPu;GUOQi-gangMulti-ModelAdaptivePredictiveControlforSteamTemperatureSystemofCirculatingFluidizedBedBoiler200310.焦健循环流化床燃烧控制系统解祸设计[期刊论文]-东北电力技术2004(05)11.牛培峰国产75t/h循环流化床锅炉智能控制系统[期刊论文]-华东电力2000(05)12.俞海斌循环流化床锅炉的先进控制策略及工程199913.马宝萍模糊建模与神经网络控制的研究及其在循环流化床锅炉中的应用200014.宋雨;王德文控制在循环流化床锅炉嫩烧系统的应用仿真研究1999(03)15.易扬;易非;郎文鹏模糊控制在循环流化床锅炉床层温度控制中的应用[期刊论文]-工业仪表与自动化装置2001(01)16.吕泽华;徐向东循环流化床燃烧的补偿式解耦控制系统2002(05)17.WANGDong-feng;HANPu;ZHAIYong-jiePredictiveFuzzyControllerforBedTemperatureSystemofCFBBoilerBasedonMulti-SensorInformationFusionAlgorithm200418.蔡建安三相流化床中混合载体的协同作用1995(06)19.徐功娣;陆永生;张仲燕新型序批式双外循环生物流化床流体力学特性研究[期刊论文]-齐齐哈尔大学学报2005(01)20.华彬;陆永生外循环流化床处理印染废水[期刊论文]-过程工程学报2002(02)21.何卫中;刘有智好氧生物流化床反应器处理有机废水技术进展[期刊论文]-化工环保1999(05)22.L-S范;俞正青气液固流态工程198923.王俊杰循环流化床锅炉燃烧控制系统优化2006(01)24.牛培峰;周丽芹;李国胜大型国产循环流化床锅炉的汽温自适应串级控制系统[期刊论文]-动力工程2004(02)25.李振国;王亚利锅炉改造燃烧过程的自动控制[期刊论文]-上海大学学报2001(05) 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