沈文浩，博士，教授，博士生导师；研究方向：废水处理过程中温室气体减排的建模与控制、纳米气敏传感器的制备、性能研究及计算机模拟。
黄菲妮女士，在读硕士研究生；主要研究方向：废水仿真及优化控制。
造纸工业普遍采用活性污泥法处理废水，然而对该过程中温室气体排放却关注很少，缺少温室气体在线监测和减排措施。针对这一问题，提出了一种基于自适应回归神经网络PI 控制（Adapted Kernel Regression Back Propagation Neural Network-Proportional Integral Control， AKRBP-PI）的溶解氧分层优化控制策略，旨在保证出水质量的同时，减少温室气体排放。该优化控制基于溶解氧对温室气体排放的作用机制，采用分层思想，根据出水污染物含量与溶解氧的函数约束关系，采用遗传算法求解溶解氧优化设定值，实现神经网络跟踪控制。仿真结果表明，对比开环控制，AKRBP-PI方案的出水污染物含量均未超标，温室气体总排放量减少了8.6%。其中，减少的温室气体主要来自曝气机耗电量的下降。
温室气体排放模型
基于ASM1模型和物质守恒建立了温室气体直接和间接排放模型，以实现温室气体的在线监测。温室气体的直接排放源为：内源性衰变、BOD去除、硝化过程和反硝化过程；间接排放源为：曝气机耗电、泵耗电、化学品消耗和污泥处理。
溶解氧浓度对温室气体排放的影响
采用Pearson相关系数法评估曝气量的变化对各个温室气体排放源的影响，这是实现温室气体减排的溶解氧优化控制的基础。综合各排放源与曝气量的关系，全部正相关系数之和为0.3429，因此温室气体总排放量随着曝气量的增加而增加。
图1 废水处理过程温室气体排放源与曝气量Pearson相关系数的关系
溶解氧浓度分层优化控制
AKRBP-PI控制基于溶解氧对温室气体排放的作用机制，采用分层思想，根据出水污染物含量与溶解氧的函数约束关系，采用遗传算法求解溶解氧优化设定值，实现神经网络跟踪控制。
图2 造纸废水处理过程实现温室气体减排的AKRBP-PI分层优化控制方案
使用不同控制策略的温室气体排放量
将AKRBP-PI优化控制方案的仿真结果与开环控制、恒定的溶解氧设定值（1 mg/L）和恒定的PI控制参数（Kp=0.9、Ki=0.15）、恒定的溶解氧设定值（1 mg/L）和自整定的BP-PI控制方案进行对比。控制仿真结果表明，对比开环控制，PI控制和BP-PI控制下的温室气体总排放量分别增加了8.1%和4.1%；然而在AKRBP-PI控制下，不仅未出现出水水质超限，而且减少了8.6%的温室气体总排放量，其中主要来源于曝气机耗电间接产生的温室气体减少。
图3 造纸废水处理过程采用不同控制方案所带来的温室气体减排量
文章信息：黄菲妮,沈文浩.造纸废水处理中温室气体减排的溶解氧智能优化控制[J].中国造纸,2020,39(08):37-45.
原文链接： http://zgzz.cnjournals.com/zgzz/article/html/202008004
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