基于丝状菌种群结构诊断的污泥膨胀控制专家系统

摘要

基于丝状菌种群结构诊断的污泥膨胀控制专家系统，本发明涉及基于丝状菌种群结构组成和变化为依据进行诱因识别和故障诊断的专家系统，能应用于污水生物处理过程中污泥膨胀的控制。解决现有技术中对污泥膨胀由人进行分析和判断容易出现误判的缺陷。它的知识库存放基于丝状菌种群结构来诊断污泥膨胀的知识及相应控制策略，规则的建立基于出现的优势丝状菌种类和污泥沉降性能的变化，并能及时更新知识库和添加事故样本；它的数据库存储在线监测仪表获取的污泥采样原始数据、离线检测的数据、丝状菌鉴定过程中获取的生态和形态特性以及二次数据；它的推理机利用知识库中的知识推理，判断污泥膨胀的原因；它的解释机对推理机给出的推理结果进行解释。

说明书

技术领域

本发明涉及一种污水处理的智能控制系统，尤其是基于丝状菌种群结构组成和变化为依据进行诱因识别和故障诊断的专家系统，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。丝状菌污泥膨胀是采用活性污泥法的污水处理厂最常遇到的污泥沉降性变差问题。菌胶团细菌和丝状菌之间有一个合适的比例关系，活性污泥中适当数量的丝状菌对于维持污泥的絮体结构是非常重要的。当丝状菌数量适当时，不但不会影响污泥沉降性能，反而有助于污泥絮体的形成。如果污泥絮体内无丝状菌，污泥絮体则比较松散、脆弱，易形成针状污泥，二沉池出水浑浊，且悬浮物浓度较高。但当丝状菌过量生长时，就会导致丝状菌污泥膨胀，使活性污泥的沉降速度变慢，进而影响污水处理厂的出水效果和稳定运行。

根据国内外学者对发生污泥膨胀的案例调查，活性污泥中含有30多种丝状菌，这些丝状菌对活性污泥的沉降性能的影响也各不相同，大多数丝状菌大量存在会引起污泥膨胀，有些丝状菌会引起生物泡沫或浮渣。而且活性污泥中的丝状菌和其相应的水质、工艺条件具有一定的相关性，即某种优势丝状菌的生长对应着某一特性的生长环境或一定的运行条件。因此，可通过对污泥样本进行镜检和染色观察，在鉴定优势丝状菌的基础上，推测诱发丝状菌的原因，进而调节运行工况来预防和控制污泥膨胀。

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、缺氧或厌氧等生物选择器。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。

专家控制系统(Expert Control System，简称专家系统)是智能控制的一个重要分支，所谓专家系统，是把专家的理论和技术同控制理论、方法与技术相结合，在未知环境下仿效专家的智能，实现对系统的控制。专家系统内部含有大量的某个领域的专家水平的知识与经验，能够运用人类专家的知识和解决问题的方法进行推理和判断，模拟人类专家的决策过程，来解决该领域的复杂问题。专家系统具有适应性强、成本低、危险性低、持久性好、可靠性强、解释说明性好、响应快、始终稳定理智和可开发的自学习能力等特点和优势，可提高对问题的辨识、诊断和建议能力，在一些复杂问题的解决方面具有事半功倍的作用，在航天、医疗等领域已得到了应用。目前，国内外关于采用专家系统实现污水处理过程的优化与控制的研究尚处于起步阶段，尚未出现针对污泥膨胀问题的专家系统。因此对污泥膨胀的问题只能由人来进行分析和判断，判断速度慢，还容易出现人为原因的误判。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于丝状菌种群结构诊断的污泥膨胀控制专家系统，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和判断，判断速度慢，还容易出现人为原因误判的缺陷。所述专家系统由知识库1、数据库2、推理机3、解释机4和人机交互单元5共五部分组成；

知识库1，采用基于产生式的知识表示法，存放基于丝状菌种群结构来诊断污泥膨胀的知识及相应控制策略，知识库中规则的建立基于出现的优势丝状菌种类和污泥沉降性能的变化，并能通过人机交互单元5及时更新知识库和添加事故样本；

数据库2，用于存储在线监测仪表获取的污泥采样原始数据、离线检测的数据、丝状菌鉴定过程中获取的生态和形态特性以及诊断过程中产生的二次数据；

推理机3，采用正向推理策略，通过CLIPS编程的规则，利用知识库中的知识进行推理，判断污泥膨胀的原因；

解释机4，对推理机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，完成用户与专家系统之间的信息交流。

本发明提供了一种基于丝状菌种群结构组成和变化为依据进行诱因识别和故障诊断的智能控制系统。该系统以处理城市污水的处理厂中经常出现的优势丝状菌种类和污泥沉降性能(主要以污泥沉降指数SVI和丝状菌指数为表征参数)的变化为依据，结合污泥形态和种群结构的变化，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，采用CLIPS和VC++计算机编程语言，构建能对预防与控制污泥膨胀产生对策的专家系统，通过本发明中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，实现专门对常见丝状菌种类引发的污泥膨胀问题的预测和专家诊断，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：本发明的专家系统通过优势丝状菌种群结构组成和变化为重要依据进行诱因识别和故障诊断，能够诊断出污泥膨胀的发生及其产生的原因，并提供针对优势丝状菌的特效解决方案，利用生态调控的方法解决污泥膨胀问题，防止了投加药剂等非针对性解决方法带来的高成本和污泥膨胀反复出现的弊病。同时避免了由人来进行分析和判断，判断速度慢，还容易出现人为原因误判的缺陷。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。图2是本发明基于丝状菌种群结构诊断的污泥膨胀控制专家系统的专家决策树结构示意图，图3是污泥膨胀期间第一优势丝状菌的革兰氏图片，本图片是放大1000倍的图片，标尺＝20um。图4是污泥沉降性恢复后污泥镜检图片，本图片是放大40倍的图片，标尺＝50um。图5是基于丝状菌种群结构诊断的污泥膨胀控制专家系统的人机交互单元5的一幅图面。

具体实施方式

具体实施方式一：下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由知识库1、数据库2、推理机3、解释机4和人机交互单元5共五部分组成；

知识库1，采用基于产生式的知识表示法(该技术是公知技术)，存放基于丝状菌种群结构来诊断污泥膨胀的知识及相应控制策略，知识库中规则的建立基于出现的优势丝状菌种类和污泥沉降性能的变化，并能通过人机交互单元5及时更新知识库和添加事故样本；

数据库2，用于存储在线监测仪表获取的污泥采样原始数据、离线检测的数据、丝状菌鉴定过程中获取的生态和形态特性以及诊断过程中产生的二次数据；

推理机3，采用正向推理策略，通过CLIPS编程(公知技术，全称是The C Language Integrated Production System)的规则，利用知识库中的知识进行推理，判断污泥膨胀的原因；

解释机4，对推理机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，完成用户与专家系统之间的信息交流。

具体实施方式二：本实施方式与实施方式一的不同之处是：存放在知识库1中基于丝状菌种群结构来诊断污泥膨胀的知识，还包括污泥膨胀征兆，即根据污泥沉降指数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的知识，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，判定为污泥膨胀已经发生。症状包括：(1)污泥沉降指数SVI高于250mL/g；(2)当镜检观察发现丝状菌指数(丝状菌指数是一个已知的参数)高于3；(3)污泥层高度接近警戒位；(4)二沉池出现明显污泥流失现象时。

当发生污泥膨胀时，首先对污水处理系统内繁殖的丝状菌进行种属鉴别，主要通过显微镜形态观察、革兰氏染色、纳氏染色和积硫实验得到的结果对优势丝状菌进行鉴定，有条件的情况下可选用特异性的核苷酸分子探针对初步鉴定的丝状菌进行荧光原位杂交技术的确认鉴定，保证鉴定结果正确。由于优势丝状菌的生长繁殖离不开其特定的生长环境，根据知识库中预存的优势丝状菌与其生长环境之间的相关性，对导致第一和第二优势丝状菌的生长环境进行预诊断。然后结合污水处理系统内的溶解氧浓度、污泥负荷范围、进水水质指标、出水水质指标、水温和污泥龄等工况运行参数，双重分析并相互对照给出污泥膨胀的产生原因，并提供针对抑制优势丝状菌过量繁殖的生态调控解决措施。

具体实施方式三：下面结合图2和3、4对本发明做进一步详细的说明。本实施方式与实施方式一或二的不同之处在于：推理机3中对污泥膨胀原因的诊断通过CLIPS编制的规则实现，所述规则通过构建的污泥膨胀故障诊断决策树实现，其具体过程见图2。

如果怀疑或确定污水处理系统出现污泥膨胀，可以触发污泥膨胀故障诊断决策树，通过污泥膨胀故障诊断决策树分析发生的原因并制定解决方案；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，则断定污水处理系统没有出现污泥膨胀，接着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之间，且污泥沉降性能在一定时间内(一般是两周内)逐渐下降，则可断定污水处理系统可能发生污泥膨胀，启动后续的污泥膨胀预防措施；控制；如果SVI值高于250mL/g，且丝状菌指数大于3，则断定污水处理系统发生污泥膨胀；确定为出现污泥膨胀后，通过显微镜进行形态观察、革兰氏染色、纳氏染色和积硫实验，通过得到的结果对优势丝状菌进行鉴定，启动后续故障诊断，采取相应的污泥膨胀控制措施。

例如，如果鉴定发现优势丝状菌为Thiothrix，可能主要是由于低负荷引起丝状菌污泥膨胀，采取的控制方式有：加大排泥量提高负荷，设置生物选择器；如果鉴定发现优势丝状菌为Type 021N，主要原因为低DO引起的丝状菌污泥膨胀，可加大曝气量，提高好氧区DO浓度，还可以采取降低F/M和MLSS等手段间接提高DO浓度；如果鉴定发现优势丝状菌为M.parvicella，主要原因为低DO、低负荷或低温引起的丝状菌污泥膨胀，并结合具体的运行工况确定具体的诱发原因，再采取相应的措施。如果鉴定发现优势丝状菌为Sphaerotilus natans，可能主要是由于进水中营养物匮乏引起丝状菌污泥膨胀，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。

本发明专家系统的主要操作包括：

①登陆人机交互界面，用户类型分为管理员和普通用户；管理员有权限修改知识库，而普通用户只能使用该专家系统；

②从知识获取界面获取或输入诊断污泥膨胀所需的数据，数据主要包括第一优势丝状菌、第二优势丝状菌、MLSS值、SVI值和丝状菌指数等；

③把第②步中输入的数据导入推理机；

④推理机通过知识库中的知识和不断从人机交互界面得到的优势丝状菌的信息推出具体的诱发原因；

⑤推理机接着提供针对该情况下产生污泥膨胀的解决方案；

⑥运行人员根据实际情况选择可行的解决方案，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恢复，污泥膨胀得到解决，保存该成功案例到知识库；

⑦如果第⑥步采取的解决方案不能解决污泥膨胀，保存不成功案例，并适当修正知识库，继续核实工艺运行工况的变化情况，重复第⑥步，直至完成第⑦步；

⑧结果推出后，专家系统会从知识库中提取相关的信息并和推理结果一块输出，显示在人际交互界面上，同时通过自学习修正知识库中的内容或保存事故日志。

下面举一个具体的实例来说明。某污水生物处理系统采用普通推流式工艺处理实际的城市污水，在运行过程中发现污泥沉降性能逐步下降，SVI值一度高于400mL/g，镜检发现丝状菌大量繁殖，丝状菌指数界于4～5之间，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。在污泥膨胀发生后，对活性污泥中的优势丝状菌进行了鉴定和分析，发现优势丝状菌主要为Type 021N型和Sphaerotilus natans。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。

将专家系统所需的第一、第二优势丝状菌和污水处理运行工况等信息输入知识获取操作界面中，点击专家系统推理按钮，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0.5mg/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，专家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，首先在推流式前端设置缺氧搅拌区，运行10天后，发现SVI值从之前的400mL/g降至250mL/g，但镜检发现仍有部分丝状菌存在。之后又逐步将好氧区的DO浓度提升至2.0mg/L左右，在经运行两周后，该污水生物处理系统内活性污泥的SVI降至150mL/g以下，丝状菌指数降低至1，污泥膨胀得到了解决。图3和图4分别为污泥膨胀期间第一优势丝状菌的革兰氏图片和污泥沉降性恢复后的污泥镜检图片。