第1章绪论
1.1城市污水处理过程运行现状
城市污水富含大量氮、磷等有机污染物，直接排放将促进自然水体中藻类、浮游生物等大量生长，造成自然水体富营养化现象，严重影响水生态环境[1]。目前我国重点监测的湖泊和水库约5%处于中度富营养化状态，约23%处于轻度富营养化状态[2]。除含有大量有机污染物，城市污水还含有重金属、病菌、病毒等，直接排放易污染淡水水源，影响居民用水健康。我国约90%的城市水域受城市污水污染，约50%的重要城镇水源水质不符合饮用标准，约75%污染水质细菌超过卫生标准，约1.6亿人饮用水源水质受到有机物污染[3]。我国地表水水质的监测结果表明，全国七大水系中满足I类水质(GB3838—2002《地表水环境质量标准》中规定，I类水质主要适用于源头水和国家自然保护区)的水域不足3%，部分水域V类水质占比达到5.4%(主要适用于农业用水区及一般景观要求水域，仍然存在大量污染物)[4]，如图1-1所示。随着我国城市化进程的加速推进，我国城市污水排放总量每年以5%的速度递增，排放总量已达千亿吨级别[5]，占全国污水排放总量的74%，部分城市水源污染严重、生态系统失衡等问题亟待解决。
图1-1我国城市污水及其引起的水系污染情况
为了保障居民用水健康、改善生态环境，我国建设了不同处理工艺的城市污水处理厂，去除污水中的污染物，实现水资源持续利用和良性循环。由于我国城市存在建设分布范围广、部分城市人口密集等特点，城市污水处理厂的建设与运营具有以下主要特性：
(1)建设规模大。截止到2021年12月，全国累计建成城市污水处理厂12000多座，日均污水处理超万吨的城市污水处理厂3147座，超百万吨的城市污水处理厂10余座，多项数据指标均居世界*位[5，6]。此外，城市污水处理厂每年新增100余座，提高了城市污水的处理率。
(2)水处理量大。2018年我国城市污水中处理量约560亿m3，污水日处理量约为1.6亿m3，年累计削减化学需氧量(chemical oxygen demand，COD)、氨氮总量分别约为1424万t和152万t[7，8]，不仅有效地提高了城市污水的回用率，还缓解了城市水域生态系统失衡的压力。
围绕我国城市污水处理厂建设与运营的特性，城市污水处理过程通常考虑出水水质达标与运行成本*小两项指标，采用相关过程控制措施实现出水水质达标和降低运行成本，具体为：
(1)出水水质标准。目前我国城市污水处理执行的标准是GB18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》[9]。近年来，为了提高污水处理质量，我国部分城市要求污水处理厂污水处理达到一级A标准(一级A标准要求化学需氧量低于50mg/L，生化需氧量低于10mg/L，氨氮浓度低于5mg/L，以及总磷浓度低于0.5mg/L等)[10-12]。排放标准的多项指标显示，当前我国城市污水处理厂出水水质要求较为严格。因此，为了满足城市污水处理出水水质达标排放，城市污水处理厂需要采取必要的措施进行改造或革新。实际运行经验表明，实施城市污水处理过程控制，可在已有的工艺基础上显著提高污水的处理能力，保障城市污水处理出水水质达标。
(2)运行成本。城市污水处理厂的运行成本主要包括电耗、人员工资、管理费等，其中电耗在城市污水处理运行成本中占比*大[13]。目前，我国城市污水处理厂电耗占全国总电耗的0.26%，吨水耗电量是发达国家的近两倍，运行管理人员数是发达国家的若干倍，不仅增加了污水处理成本，还严重影响了城市污水处理效率，限制了我国城市污水处理能力的提高[14，15]。此外，城市污水处理厂涉及的过程操作环节较多，包含多个运行参数，均需进行及时的调整才能满足污水处理需要，运行参数调整不当易导致污水处理异常工况的发生。为了缓解这一问题，我国城市污水处理厂不断引入过程控制技术，不仅降低了污水处理成本，还提高了城市污水处理效率。
1.2城市污水处理过程运行特点分析
城市污水处理过程控制需要结合不同工艺结构以及不同控制环节的特点设计相应的控制方法，本节结合城市污水处理过程运行工艺及机理，分析不同污水处理工艺对过程控制方法的需求，总结控制方法设计与实现的关键因素，归纳城市污水处理过程的相关可控变量。
1.2.1城市污水处理过程运行工艺
城市污水处理过程运行工艺是实现污水处理功能的基础，也是选择和实施城市污水处理过程控制技术的重要依据之一。目前我国城市污水处理厂应用*广泛的城市污水处理工艺为活性污泥法工艺，该工艺由英国的Edward Ardern和William T.Lockett于1914年提出[16]。活性污泥法工艺主要通过有效的曝气、回流以及加药等运行操作，利用活性污泥微生物分解污水有机物和无机物，同时能去除被活性污泥吸附的悬浮固体和其他一些污染物，具有出水水质好、运行成本低等优势。
随着居民生活及工业生产对污水处理出水水质要求的不断提高，活性污泥法工艺不断完善，经过100多年的发展和改良，已衍生出多种不同类型的活性污泥法工艺，主要包括序列间歇反应器(sequencing batch reactor[l1]，SBR)工艺[17]、厌氧-好氧(anoxic-oxic，A/O)工艺[18]及厌氧-缺氧-好氧(anaerobic-anoxic-oxic，A2/O)工艺、氧化沟工艺[19]等，每类活性污泥法工艺都具有其自身的特点以及相应的控制目标，具体介绍如下。
1.SBR工艺
SBR工艺是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理方式，由进水、曝气反应、沉降、出水、消毒等多个处理环节组成[20]。SBR工艺在好氧条件下使用活性污泥微生物对污水中的有机物、氮、磷等污染物进行有效的降解，直至出水水质达标。SBR工艺具有流程简单易操作、造价低、涉及的相关设备较少且便于维护管理等优点，同时具有良好的脱氮除磷效果，对水质、水量的波动具有较强的适应性[21]。但是其在使用过程中也存在稳定性差、容易发生污泥膨胀和污泥流失等缺点。因此，SBR工艺需要通过调节曝气与回流，克服水量、水质的波动及干扰等影响，强化脱氮除磷效果，抑制污泥膨胀等异常工况的发生。
2.A/O工艺
A/O工艺是将前段缺氧段和后段好氧段进行串联的污水处理工艺，其中，在缺氧段使用活性污泥中的异养菌将污水中的有机物水解为有机酸、小分子有机物以及可溶性有机物等；在好氧段通过调节溶解氧浓度为好氧菌创造良好的生长环境，从而进一步降解有机物[22]。A/O工艺不仅能够有效降解有机物，而且能够有效脱氮除磷，具有污水处理效率高、流程及其环节设置简单、污水处理费用低等优势，缺氧反硝化对有机物具有较高的降解效率、耐负荷冲击能力强且容积负荷高。A/O工艺通常控制曝气过程、回流过程以及碳源添加等环节，保证生化反应微生物的活性，维持出水水质达标。但由于运行成本较高，需要实施优化调控，以实现污水处理过程出水水质达标、节能降耗的双重目标。
3.A2/O工艺
A2/O工艺是通过厌氧区、缺氧区和好氧区的组合以及不同的污泥回流方式来去除水中氮、磷等有机污染物的污水处理工艺。A2/O工艺主要利用曝气、内外回流比、停留时间以及碳源等多环节控制系统，达到稳定的脱氮除磷效果。A2/O工艺具有污染物去除效率高、运行平稳、耐冲击负荷、污泥沉降性能良好、不易发生污泥膨胀现象等优点[23]。然而，A2/O工艺运行费用高于普通活性污泥法，且运行管理要求高。
4.氧化沟工艺
氧化沟工艺是污水和活性污泥在曝气渠道中不断循环流动的一种污水处理工艺，适用于硝化-反硝化的脱氮生物处理。相比于A/O、A2/O等活性污泥法工艺，氧化沟工艺省略了初沉池、污泥硝化池，以及二沉池等工艺环节，具有单元组合简单的优势，但对生物处理系统的曝气过程要求十分严格，一旦调控失当则易产生污泥膨胀、污泥上浮、污泥沉积等问题[24，25]。因此，曝气调控对氧化沟污水处理运行十分关键，将决定污水处理过程运行工况是否稳定以及出水水质是否达标等。
1.2.2城市污水处理过程运行机理
1.城市污水处理过程处理环节
城市污水处理过程通常包含一级、二级和三级处理环节[26]，如图1-2所示。
1)一级处理
一级处理包括格栅、泵房、初沉池等环节，主要是将污水中的固体污染物、油、沙、硬粒以及其他颗粒大、易沉淀的物质清除，同时去除约30%悬浮物和约50%生化需氧量。一级处理涉及泥沙沉降分离等物理过程。
2)二级处理
二级处理包含生物处理单元和二沉池，生物处理单元主要包括厌氧池、缺氧池以及若干曝气池(好氧池)，其功能是将有机物、富营养物质进行降解，形成污泥，并在二沉池中将泥水混合物进行沉降、分离等。二级处理主要涉及复杂的生化反应过程，能够去除该阶段污水中约95%生化需氧量。
图1-2城市污水处理三级处理过程
3)三级处理
三级处理包含硝化池、消毒池等单元，主要采用混凝沉淀、砂滤、活性炭吸附、离子交换和电渗析等方法去除污染物，进一步降低生化需氧量、悬浮物等污染物的含量。三级处理主要涉及物理化学反应。
2.城市污水处理过程生物处理单元运行机理
生物处理单元是城市污水处理过程去除污染的核心区域，不仅涉及硝化-反硝化、聚磷-释磷等化学反应，还包括微生物大量增殖、氧化、分解有机污染物等生物过程。为了便于介绍污水处理过程机理，这里以A/O工艺为例，分析生物处理单元运行机理及其动力学表达方法。
1)生物处理单元运行机理
A/O工艺中的污染物去除过程通常需要经历缺氧、好氧等阶段。为了强化污染物去除效果，一些A/O工艺则由缺氧、好氧几个阶段交替组合而成。该工艺主要涉及生物脱氮、生物除磷以及含碳有机底物分解，其中生物脱氮、生物除磷过程是确保出水水质达标的关键过程，涉及复杂的生化反应机理[26]，具体如下。
(1)生物脱氮过程。
生物脱氮过程包含硝化和反硝化过程，如图1-3所示。在有机氮转化为氨氮的基础上，*先在生物处理单元中利用硝化细菌和亚硝化细菌的硝化作用，将氨氮转化为亚硝态氮和硝态氮；其次在缺氧条件下通过反硝化作用将硝态氮转化为氮气，以气体形式溢出水面，使污水中含氮物质大量减少，达到脱氮的效果。
图1-3 A/O工艺生化反应单元生物脱氮的硝化与反硝化过程
在生物脱氮的各阶段，泥水混合物中的溶解氧浓度、底物浓度、硝态氮浓度等对硝化和反硝化影响较大，因此需要根据泥水混合物中微生物的状态、调控回流量、停留时间以及溶解氧浓度等关键变量，有效平衡硝化和反硝化过程，实现脱氮效率的*大化。
(2)生物除磷过程。
生物除磷过程是把水中溶解性磷转化为颗粒性磷，实现污水中磷和水的分离[27]，如图1-4所示。在生化反应过程的厌氧段，聚磷菌的生长受到抑制，使其
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