導讀：污水處理過程復雜、影響因素多，我國污水處理廠故障頻發(fā)和出水不能實現(xiàn)穩(wěn)定達標排放，污水處理故障診斷對保證污水處理廠正常運行和達標排放有非常重要的意義。

我國污水處理系統(tǒng)不正常運行、出水不能穩(wěn)定達標的現(xiàn)象仍然比較嚴峻。而造成上述問題的部分原因是污水處理過程復雜、影響因素多、故障不易診斷;污水處理廠工作人員專業(yè)性差，致使污水處理過程中出現(xiàn)的各種故障發(fā)現(xiàn)滯后并且不能及時準確地解決。因此對污水處理廠進行運行故障診斷和精細化監(jiān)管十分必要和關(guān)鍵。

1污水處理故障診斷方法

1.1知識綜合法

知識綜合法主要是指利用知識和經(jīng)驗等方法綜合對污水處理過程中的問題進行診斷并找出解決辦法，一般是針對某一案例。知識來源包括前期知識的積累和查閱相關(guān)材料來獲取與診斷相關(guān)的信息，材料如污水處理方面的設(shè)計手冊、技術(shù)規(guī)范、技術(shù)指南、相關(guān)文獻和類似污水處理工程案例資料等。

1.2數(shù)學模擬診斷法

數(shù)學模擬法是利用現(xiàn)有的一些污水處理方面的數(shù)學模型或模擬軟件對污水處理廠的運行工況進行診斷并提出優(yōu)化方案的一種方法。該方法通過模擬能同時實現(xiàn)診斷與優(yōu)化。這類方法對操作人員專業(yè)水平要求較高，過程較復雜，但是診斷和優(yōu)化方案比較精確高效，目前很多污水處理廠采用了數(shù)學模擬來診斷運行的報道，例如仇付國等利用BioWin軟件對北京某ICEAS工藝的污水廠進行氮、磷出水不達標診斷，并從調(diào)整工藝運行參數(shù)和改變工藝流程兩方面提出了升級改造方案。

1.3統(tǒng)計學診斷法

污水處理過程復雜，涉及到的影響因素頗多，污水處理參數(shù)很多并且相互影響，這就促進了統(tǒng)計學診斷方法應(yīng)用于污水處理故障診斷中。且統(tǒng)計學診斷方法已從最初的單變量統(tǒng)計逐步發(fā)展到多元統(tǒng)計診斷分析，如主成分分析法，偏最小二乘法等。

(1)基于主成分分析的診斷方法。主成分分析是從影響過程的眾多相關(guān)變量中挑選幾個主要過程變量來表示原有的多個變量，從而簡化分析過程的一種統(tǒng)計方法?；谥鞒煞址治龅脑\斷方法是將污水處理的歷史數(shù)據(jù)，按一定標準去掉一些重復的線性干擾，找出影響過程變量的主成分，構(gòu)建主成分模型，通過數(shù)據(jù)對模型進行檢驗，對實時數(shù)據(jù)與模型之間進行比對，實現(xiàn)故障診斷。

(2)基于故障樹的診斷方法。故障樹診斷法是Bell實驗室于1961年提出來的一種推理方法，整個構(gòu)成倒樹狀結(jié)構(gòu)。最上層是頂事件，向下一級一級分支是中間事件和子事件，子事件下部是導致事件的根部原因。事件與事件之間存在“與”門和“或”門的關(guān)系。將故障樹診斷法用于污水處理廠的診斷之中，可以通過這樣一種樹狀關(guān)系來探討導致頂事件的可能原因，邏輯清晰，并且能夠定量分析出各事件發(fā)生的概率。

(3)基于支持向量機的診斷方法?；谥С窒蛄繖C的診斷方法是通過構(gòu)造最優(yōu)分類平面將異常數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)區(qū)分開，它是基于統(tǒng)計理論的一種機器學習方法，它在解決污水處理廠的故障監(jiān)測和診斷方面是一個有力工具。

1.4人工智能診斷法

(1)基于遺傳算法的診斷方法。遺傳算法是從生物進化過程“適者生存”“優(yōu)勝劣汰”啟發(fā)而來?；谶M化過程中的信息遺傳機制和優(yōu)勝劣汰原則的算法，把求解問題的自變量看作原因，編碼構(gòu)成染色體(個體)，在個體集合(群體)內(nèi)依據(jù)個體適應(yīng)能力進行最優(yōu)評價。遺傳算法搜索性能優(yōu)越，同時能進行全局性能優(yōu)化。

(2)基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的診斷方法。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種用大量簡單相連人工神經(jīng)元來模仿生物神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一種人工智能處理系統(tǒng)，包括硬件和軟件。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)由大量人工神經(jīng)細胞(處理單元)組成，每個處理單元都可以輸出信號，該信號又成為別的處理單元的輸入，這種輸入和輸出關(guān)系一般用輸入值的加權(quán)乘積和函數(shù)來表示。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的運作有學習過程和回想過程，可以進行大規(guī)模的運算、存儲、處理、學習和記憶能力，針對污水處理這類多影響因素和條件可以進行評估和診斷。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)診斷在污水處理故障診斷領(lǐng)域主要關(guān)注的是污水處理過程的模擬和控制和對特定參數(shù)進行預測等。

(3)基于模糊理論的故障診斷方法。模糊理論診斷法是模仿人類思維的模糊綜合判斷推理來處理問題的一種方法。該方法對于診斷一些過程本身具有不確定性、不精確性的問題有突出優(yōu)勢，主要是通過構(gòu)造隸屬度函數(shù)來實現(xiàn)診斷。

(4)基于專家系統(tǒng)的診斷方法?；趯＜蚁到y(tǒng)的診斷方法是將長期大量的知識經(jīng)驗和故障信息進行收集和整理，然后轉(zhuǎn)化成計算機語言，設(shè)計出智能程序來解決復雜問題。專家系統(tǒng)診斷法在設(shè)備、電子系統(tǒng)、機械系統(tǒng)和運行過程故障診斷方面都有大量的應(yīng)用，同時也逐步開始應(yīng)用于污水處理故障診斷中。

1.5集成診斷法

集成診斷法是結(jié)合各種診斷方法的優(yōu)點而形成的一種診斷方法，基于此作出的決策對污水處理廠的管理有重要推動作用。用的比較多的集成診斷法有神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)的集成、模糊理論和專家系統(tǒng)的集成、故障樹和專家系統(tǒng)的集成、模糊理論和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)集成等。

2專家系統(tǒng)在污水處理故障診斷中的應(yīng)用

專家系統(tǒng)包括知識庫、推理機、數(shù)據(jù)庫、解釋模塊和人機交互端口等幾部分。專家系統(tǒng)最重要的是知識庫，也是整個系統(tǒng)的瓶頸所在。需要盡可能多的收集所診斷對象可能出現(xiàn)的問題，并且找出對應(yīng)問題的原因和解決辦法。推理機是根據(jù)一定的邏輯及推理規(guī)則，利用知識庫里的知識，對用戶輸入的問題進行分析和解釋。數(shù)據(jù)庫是系統(tǒng)操作對象。解釋模塊是對用戶的提問進行解釋。人機交互端口是用戶與計算機或者只能專家進行交流的端口。

專家系統(tǒng)及其集成系統(tǒng)從1970年開始在污水處理領(lǐng)域得到應(yīng)用，至今為止已經(jīng)有不少成功案例，相關(guān)文獻報道也比較多。既有用于全過程診斷的，也有針對某個具體處理單元的。

孫強等在國內(nèi)首次提出建立基于模糊理論的城市污水處理廠故障診斷專家系統(tǒng)(STFES)。施漢昌等2001年用正反向推理機制，用故障樹的形式，建立了一套故障診斷系統(tǒng)，并用于城市污水處理廠的運行診斷。王剛通過故障樹法進行知識庫構(gòu)建，采用正向推理機制，在Eclipse平臺采用MySQL開發(fā)工具構(gòu)建數(shù)據(jù)庫，構(gòu)建了一套專家診斷系統(tǒng)，用于榨菜廢水處理廠故障診斷。該診斷系統(tǒng)還包括運行維護模塊，可以提供廢水處理運行、維護和管理知識的查詢功能。田在興利用故障樹理論對引起出水問題的原因進行組織和整理，構(gòu)建知識庫(如圖1)。然后采用正向推理機制，建立了一套專家診斷系統(tǒng)，用于城市污水處理廠BAF工藝的診斷中。通過實際應(yīng)用發(fā)現(xiàn)該診斷系統(tǒng)能準確判斷出水異常數(shù)據(jù)并能對引發(fā)故障的原因給予解釋并提出相應(yīng)解決方案。劉宇基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)法構(gòu)建貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型，再基于該模型構(gòu)建了城市污水處理廠A2/O工藝故障診斷專家系統(tǒng)。王龍雙針對處理冶煉廢水和混合化工廢水的工業(yè)廢水處理廠運行故障，利用模糊理論構(gòu)建知識庫，采用正向推理方法構(gòu)建推理機，在此基礎(chǔ)上開發(fā)了一套污水處理運行監(jiān)控與故障診斷的專家系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實現(xiàn)污水處理廠運行異常數(shù)據(jù)自動提取、實時顯示、故障在線或離線診斷功能，實際調(diào)試運行效果良好。

國外方面，Punal建立了一個厭氧處理工業(yè)廢水的診斷專家系統(tǒng)，以高濃度化纖廢水的處理為實際診斷案例，可靠性和穩(wěn)定性好。Baeza等為了提高總氮的去除效率，建立了一個基于知識的專家系統(tǒng)(KBES)用于A2/O工藝污水處理廠的運行診斷。Carrasco等建立了一套基于規(guī)則的模糊診斷專家系統(tǒng)，用于對厭氧廢水處理過程中酸化相的診斷。該診斷系統(tǒng)搭載了Matlab模糊邏輯工具箱進行數(shù)據(jù)分析，試用結(jié)果證明該系統(tǒng)能很好地診斷反應(yīng)器的操作異常問題。Lardon等針對專家系統(tǒng)容易出現(xiàn)診斷錯誤的現(xiàn)象，經(jīng)過改進后建立了一種基于事實理論的診斷專家系統(tǒng)，并應(yīng)用于厭氧工業(yè)廢水處理中，通過驗證發(fā)現(xiàn)該系統(tǒng)能自動檢測信息和數(shù)據(jù)沖突。Chen等開發(fā)了一個基于知識的在線診斷專家系統(tǒng)，用來診斷MBR工藝污水處理廠同步去除有機物和氮。

雖然專家系統(tǒng)的開發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)較多，但專家系統(tǒng)目前在污水處理診斷中的應(yīng)用也存在如下不足：一是知識庫內(nèi)容有限，不能包含污水處理過程中的所有故障，因此建立的專家系統(tǒng)可能不能解決污水處理廠的所有問題;二是專家系統(tǒng)知識庫不能自動更新，需要人為不斷地補充新的問題，并且轉(zhuǎn)化成計算機語言給系統(tǒng)不斷升級;三是故障診斷系統(tǒng)沒有與自動控制相結(jié)合，還是限于工作人員通過專家系統(tǒng)診斷問題，得到系統(tǒng)反饋后再去采取相應(yīng)措施，存在一定的延滯，不夠高效。

3其他診斷方法在污水處理故障診斷中的應(yīng)用

3.1知識綜合法

王先寶等采用知識綜合診斷法對昆明某氧化溝工藝的污水處理廠進行問題診斷，通過收集污水處理廠運行一年的進出水水質(zhì)水量數(shù)據(jù)，利用專業(yè)知識積累、文獻查詢或咨詢專業(yè)人士等手段來尋找運行問題的原因，最后發(fā)現(xiàn)進水碳源問題、供氧問題等幾個方面的原因并給出了優(yōu)化建議。李鵬峰等對某CAST工藝污水處理廠進行診斷分析，在歷史運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過污泥活性測試和工藝模擬試驗提出相應(yīng)的工藝優(yōu)化運行措施。

知識綜合法進行故障診斷需要長期的知識和經(jīng)驗的積累，專業(yè)性太強，且容易以主觀意識為主，缺乏科學性，導致診斷結(jié)論錯誤，造成損失。

3.2數(shù)學模擬法

數(shù)學模擬法是近幾年興起較快的一項技術(shù)，在污水處理診斷、工藝優(yōu)化、升級改造、能耗評估等多方面均有實際應(yīng)用。目前應(yīng)用比較多的模擬模型軟件包括：BioWin模擬軟件、TUD模型、GP-X軟件、WEST軟件等。

仇付國等利用BioWin軟件對北京某ICEAS工藝的污水處理廠進行氮、磷出水不達標診斷，先建立概化模型，校正模型參數(shù)，進行動態(tài)模擬，從調(diào)整工藝運行參數(shù)和改變工藝流程兩方面提出了升級改造方案。郝曉地等通過數(shù)學模擬的方式對荷蘭某污水處理廠進行節(jié)能降耗優(yōu)化，采用TUD模型，使用AQUASIM 2.0軟件進行模擬，發(fā)現(xiàn)反硝化脫氮除磷在同步脫氮除磷過程中能節(jié)約53%~59%的COD，多余的COD可以轉(zhuǎn)化為CH4，從而降低能耗。

Nuhoglu等利用GPS-X軟件對土耳其某卡魯塞爾氧化溝工藝的污水處理廠進行了全流程模擬，發(fā)現(xiàn)調(diào)整μmax h、μmax a、KNH、KS這4個參數(shù)能使得模擬結(jié)果與實際出水水質(zhì)有很好的匹配。Vitanza等采用BioWin模擬軟件對污水處理廠進行診斷和工藝優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)模型擬合度好，模擬準確。Guo等基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型建立了一種新的用于A2/O工藝污水處理診斷的方法。

數(shù)學模擬法需要基于數(shù)據(jù)建?；蛘呃矛F(xiàn)有的模型軟件建立概化模型等，需要專業(yè)水處理知識和強的數(shù)學功底，同時對模型軟件很好的掌握，能獨立操作，相對難度大。另外，目前數(shù)學模擬法也僅局限于對生活污水的處理，對于進水成分復雜的工業(yè)廢水目前應(yīng)用效果不好，有空缺。但是數(shù)學模擬法有很多別的方法不能比擬的優(yōu)勢，一方面能夠通過數(shù)據(jù)校正、擬合，對污水處理廠進水水質(zhì)水量改變、污水處理工藝條件變化、構(gòu)筑物容積等發(fā)生改變的情況下對污水處理系統(tǒng)的影響，對于新建污水處理廠和需要完成升級改造的污水處理廠有比較準確的預測作用，可以節(jié)約成本和節(jié)省工作量。另一方面，模型軟件可以同時實現(xiàn)診斷與優(yōu)化，并針對每個污水處理廠的實際情況提出精確、具體可行的優(yōu)化方法，包括工藝優(yōu)化和能耗優(yōu)化，實用性非常強。

3.3統(tǒng)計學診斷法

劉乙奇等為了克服PCA方法的不足，提出因子分析(FA)故障診斷方法，并在BSM1模型上進行了驗證，發(fā)現(xiàn)與PCA法相比，F(xiàn)A錯誤率更低，對不確定信息的表述能力更完整。

Tao等采用主成分分析方法(PCA)法診斷SBR工藝污水處理廠的傳感器系統(tǒng)故障，在歷史運行數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合主成分得分和主成分負荷系數(shù)，建立了新的故障診斷方法和模型，在實際案例中能準確進行故障診斷。

3.4故障樹診斷法

故障樹診斷法可以單獨用來對故障進行分析，也常用來與其他方法進行組合后以集成的方式來進行診斷。

高大康針對CAST工藝常見出水故障，采用故障樹法分析故障原因和邏輯關(guān)系，建立了基于規(guī)則的故障診斷模型，并用于廣州某工業(yè)園區(qū)廢水處理故障診斷，離線診斷對污水處理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行有積極作用。

Beauchamp等將故障樹診斷法引入電化學超濾技術(shù)的診斷分析中。針對水處理過程中微生物(Cryptosporidium parvum，小球隱孢子蟲)容易超標，以此為頂事件，逐層分析導致該事件的各項因素及根本原因。該研究結(jié)論有助于更好地理解電化學超濾過程，合理控制、提高操作能力和技術(shù)，確保出水安全。Taheriyoun等采用故障樹分析法對某活性污泥法工藝的污水處理廠進行診斷，分析影響污水處理廠出水效果的各項因素。結(jié)果表明人為因素是導致污水處理廠出水故障的最主要的影響因素，通過故障樹分析能有效的評估風險，排除故障。

3.5其他集成診斷法

陸林花將遺傳算法和聚類算法應(yīng)用于污水處理異常診斷中，采用基于距離的異常因子來檢測異常數(shù)據(jù)，再建立故障診斷規(guī)則。通過實際案例證明該方法能對污水處理中的異常數(shù)據(jù)進行有效檢測。

Han等基于故障樹理論，利用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(FNN)建立了一個廢水處理在線診斷系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含一個診斷污泥體積指數(shù)(SVI)的在線傳感器。該診斷系統(tǒng)通過對實際試驗數(shù)據(jù)和FNN預測結(jié)果的對比進行故障診斷，最終應(yīng)用于SBR工藝污水處理進行診斷效果驗證。

4結(jié)論與展望

在總結(jié)故障診斷方法的基礎(chǔ)上，結(jié)合對污水處理故障診斷方法的認識和目前應(yīng)用現(xiàn)狀的了解，對該領(lǐng)域未來的發(fā)展提出以下觀點：

(1)現(xiàn)有的診斷方法或者診斷系統(tǒng)基本集中在對某種處理工藝、單一的故障診斷問題等，對于多種處理工藝都通用的診斷系統(tǒng)和多方位故障診斷還比較缺乏。與此同時，污水處理廠運行故障與故障之間可能存在各種關(guān)聯(lián)，會產(chǎn)生鏈式反應(yīng)。因此建立適應(yīng)性更強、全污水廠逐級分布式故障診斷系統(tǒng)是一個可行的研究方向。

(2)人工智能應(yīng)用與污水處理故障診斷領(lǐng)域是一個發(fā)展趨勢，而目前專家系統(tǒng)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等人工智能診斷方法有自身的缺陷和局限性，主要是自主學習能力差、數(shù)值計算能力弱、經(jīng)驗推理能力不足等。因此，將來可以從以下兩方面考慮，一方面可以采用多種智能方法相結(jié)合的集成智能診斷系統(tǒng)可以發(fā)揮各自優(yōu)勢，取得更好的效果。另一方面，在人工智能中開發(fā)機器自主學習的方法，有助于及時補充知識，提高診斷系統(tǒng)能力。

(3)目前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，有助于建立虛擬故障診斷平臺，實施遠程故障診斷。電腦搭載診斷系統(tǒng)的同時開發(fā)診斷APP，污水處理廠實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆\斷APP，利用診斷軟件可以隨時進行故障診斷，更便捷、高效。同時，網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展又可以實現(xiàn)污水處理故障診斷資源共享，幫助污水處理廠優(yōu)化運營。

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