近十年是我国污水处理事业飞速发展时期，截至2015年12月底，全国已运行的城镇污水处理厂3851座，污水处理能力达1.25亿吨/日，累计污水处理量达511.1亿吨。虽然在污水处理技术水平上已取得了突飞猛进的进步，但污水处理厂由众多构筑物及设备组成，进水情况、处理水平、管理水平、设施设备运转状况等因素相互联系、相互影响、相互制约，构成了一个纷繁复杂的系统，其中某一个因素的改变往往会连锁影响到其他因素，故受各方面因素影响所有污水处理厂稳定运行仍存在一定的难度，特别是污水处理厂的快速建设导致了高水平运行管理人员不足，进而导致部分污水厂运行能力欠佳、出水难以稳定达标。因此，在提高我国的污水处理工艺设计水平和完善相关设备设施的同时，污水处理厂运行管理人员的专业技术水平也需同步提高。

专家系统是一类具有专门知识和经验的计算机智能程序系统，采用人工智能中的知识表达和知识推理技术来模拟和解析通常由专家才能解决的复杂问题。将专家系统应用于污水处理领域源于20世纪80年代，Rossman于1980年率先提出将数学模型应用于污水处理厂的设计工作中。Nam等1996年根据进水流量和进水COD采用基于规则的专家系统计算DO的设定值。Baeza等人通过专家系统知识的运用，对提高A2O工艺污水处理厂脱氮能力进行研究，2002年开发了基于多Agent体系结构的污水处理分布式控制系统，表现出优良的监测管理和决策指导能力。2001年施汉昌等采用正反向混合推理机制，开发了用于诊断城市污水处理厂日常运行故障的专家系统，并采用故障树的形式将知识库中的知识组织形式向用户公开，便于用户使用和对系统的维护。2011年周振等开发了运行监控与故障诊断专家系统，该专家系统能够有效分析、诊断污水处理系统的故障，保证污水处理厂的稳定运行。但是，目前的已有污水处理专家系统一般针对个别工艺开发，不太适应污水处理厂广泛和复杂的实际问题，同时系统结构比较复杂，对使用者要求较高，难以推广应用。因此，迫切需要快速解答、适用广泛、持续更新、网络开放的污水处理智能化专家系统。

本文针对城镇污水处理厂普遍存在进水水质水量变化幅度大、工业废水冲击、污水处理工艺设备不配套问题突出和新建污水处理厂缺乏运行管理经验等问题，总结了实施一级A提标改造以来的经验，研发了“智能化城市污水处理厂运行专家系统”软件，可为污水处理厂落实“水十条”的要求，稳定实现一级A排放标准提供技术支撑。

通过调研总结大量关于污水处理领域的经验与知识，采用网络智能化技术，建立具有模拟人类专家的思维方式解决污水处理厂运行管理中出现的实际问题的污水处理厂智能化专家系统。主要分为污水处理厂运行管理故障查询与水质超标原因判断两个功能模块，具有污水处理厂运行管理故障查询和出水水质超标原因推理两大大功能。图1为专家系统的研发的技术框架。

图1    污水处理厂智能化专家系统研发技术框架

知识库的构建是专家系统的基础。研究中收集到了上万条污水处理领域知识信息，涉及污水处理厂的各个处理单元。信息来源包括作者多年污水处理厂建设运行管理经验、太湖流域城镇污水处理厂除磷脱氮技术攻关科技等科研课题研究成果、20多座污水处理厂全流程分析总结、全国300多座污水处理厂绩效考核、节能减排考核工作获得的信息、作为污水处理行业培训授课专家70多期授课交流总结、6部行业技术规程导则编写成果以及污水处理厂厂长群交流平台技术交流信息八个方面。其中污水处理厂厂长群交流平台目前共有618位成员，包括来自全国65座城市的300多座污水处理厂厂长和技术人员，以及少量高校老师、市政设计研究院、污水处理相关企业研究人员及政府污水管理单位人员，该交流平台主要讨论污水处理厂日常管理中易出现的问题及对应的解决措施，通过定期整理交流内容，获得了上万条关于污水处理厂日常运行管理中容易出现问题及相应解决措施的信息，为专家系统知识库的建立打下基础。对这些知识信息经过筛选整理，将其中的千余条信息录入到专家系统知识库中。全部知识信息均经过实际污水处理厂运行的检验，可以有的放矢地提供问题解决方案，并可提高污水处理厂技术人员的专业水平。

知识库按照不同层次将各种属性的污水处理知识用程序语言编辑存储在数据库的相应区域中。上层数据同时拥有多个下层数据，而下层数据只是拥有唯一确定的上层数据。研究组根据污水处理中的不同单元，以树状结构将大量具有专家水平的问题解决方案进行了分类处理。本知识库具有2个一级目录、7个二级目录和36个三级目录。目前知识库的内容主要集中于污水处理厂运行管理的问题分析和建议。

根据以上目录在管理系统中进行新增知识信息的编写，依次在一级目录、二级目录和三级目录中选择知识信息所属的类别；然后分别输入具体的“问题”、在实际过程中产生的“现象”，分析该问题产生的“原因”及对应的解决措施。另外，设置了该问题所涉及的专业术语，可供用户进行链接查询。用户可以采用专家系统软件的“问题分类查找功能”和“智能化搜索功能”两种方式检索，通过输入问题或关键词，找到相关问题的现象、原因和解决问题的建议。

“问题分类查找功能”方式检索示例：依次在一级目录、二级目录和三级目录中选择“污水处理厂运行管理各阶段问题及分析”、“污水处理”和“生物反应池”，在具体问题的下拉框中选择想查询的问题如“MBR工艺：冬季产水量低”，系统界面如图3所示。

图3    问题分类查找界面

系统直接显示该问题的“现象描述”、“原因分析”和“对策”，该问题的专业术语为“MBR”，点击“术语解释”中的“MBR”，显示对该工艺类型的介绍，如图4所示。

图4     问题查询术语解释界面

“智能化搜索功能”方式是为使用户更为方便快捷的访问数据库中的知识信息，用户在搜索框中输入相关问题的关键词，即可检索出与关键词相关的问题及解决措施。

“智能化搜索功能”检索示例：如在搜索框中输入“MBR”，点击“搜索”图标，操作界面如图5所示。

图5     智能化检索操作界面

结果如图6所示。

图6    智能化检索结果界面

如上图所示，系统搜索出了涉及到“MBR”的所有问题类型，用户点击所要查询问题的“查看详情”，即可实现数据库中信息的访问。如选择“MBR工艺：膜出水突然变差”，点击右侧相应的“查看详情”按钮，即得到如图7所示的访问结果。

图7    智能化检索问题界面

在水质超标原因判断及运行建议的功能模块中，为根据污水处理厂可获得的条件参数实现超标原因的诊断并提出改进运行的建议，在专家系统中制定了一系列智能化逻辑推理程序，涉及到的相关理论方法包括归纳推理、分类讨论、模糊控制等。例如，归纳推理的意义在于人们可以由已知原因发生的事件，根据某种关联，推测未知同类型事件发生的原因，提高解决实际问题的效率。在污水处理厂的运行管理中，许多问题的发生具有关联性，可根据以往查明原因且具有关联的故障事件，归纳出这一类事件的解决办法。为了提高故障解决的准确性，这一类事件的判断方法除需要实践经验的累积外，还需要有科学理论的解释。本研究中采用分类讨论的方法，将污水处理厂主要发生的出水超标事件分解为“TN超标原因判断”、“NH3-N超标原因判断”、“COD超标原因判断”、“SS超标原因判断”和“TP超标原因判断”五个智能推理子系统。在五个子系统的基础上相互关联形成了污水处理厂水质超标原因判断及运行建议智能推理系统。图8是COD超标原因判断及运行建议的逻辑推理关系，图中给出了超标的现象、可能的原因、判定阈值和建议的解决方法。

例如，当出水COD浓度超标时，除了需要排除测试方法误差外（如高Cl-浓度的干扰），还需要考察出水中悬浮固体物（SS）浓度指标。大量的实践证明，当出水中SS超标时，COD值具有极高的超标风险。因为出水SS的组分极有可能为活性污泥絮体，当进行消解测试COD值时，微生物细胞破裂，胞内有机物质溶出，会显著提高COD值。判断出水COD与SS相关联的逻辑过程经过了大量的实践检验，可以归纳为一种普遍的推理过程：当出水COD超标时，检测出水SS是否超标，若出水SS不超标，排除SS干扰；若SS超标，进一步过滤出水水样后，测试COD仍然超标，排除出水SS干扰；若SS过滤水样后测试COD不超标，COD超标部分则是由出水SS中的有机物质贡献，解决SS超标问题即为COD超标的解决措施。同理可以运用此图判断其他引起出水COD超标的原因并找到建议的解决方法。

图8     COD超标原因判断及运行建议的逻辑推理关系

智能化城市污水处理厂运行专家系统的建立为污水处理厂的管理人员和技术人员优化污水处理厂运行提供了条件，实现稳定达标排放创造了条件。一些污水处理厂的工程技术人员已经开始应用这一软件，并取得了较好的效果。

典型案例：

某污水处理厂位于江苏省太湖流域，处理规模为3.0万m3/d，出水水质执行“城镇污水处理厂污染物排放标准”（GB18918-2002）一级A标准。生物处理工艺采用A2O+MBR工艺，在生物除磷的基础上辅以化学除磷以提高对总磷的去除效果。该污水处理厂工艺运行状况良好，但由于上游工业废水的影响进水总磷浓度在3-15mg/L之间，波动较大，导致出水的总磷浓度在0-1.4 mg/L之间，时有总磷浓度超标的现象发生。图9是2014年1月—2015年6月该污水处理厂进出水的总磷浓度。

图9    2014.01-2015.06污水处理厂进出的总磷浓度

污水处理厂的工程技术人员运用智能化城市污水处理厂运行专家系统进行了分析，专家系统的界面如图10所示。

图10    专家系统的操作界面示例

实施步骤如下：
（1）首先选择软件初始界面的“水质超标分析”，然后输入“出水总磷浓度超标”，系统提示“出水总磷（TP）浓度超标，若出水SS浓度>10mg/L，请输入1；否则请输入2。”，由该厂历史数据可知该厂SS稳定低于10mg/L，故不是由于SS高引起TP超标，输入“1”。

（2）系统推理界面显示“出水SS不超标，分析总磷（TP）成分，若出水磷酸盐（PO43--P）过高>0.35mg/L”，该厂出水TP超标期间监测出水中PO43--P超过90%大于0.35mg/L，故系统认为该厂出水超标主要是出水PO43--P高引起。引起出水TP超标的成分确定是后续强化措施推理的基础。

（3）系统在明确该厂出水TP超标的原因后，对出水TP去除强化措施从生物除磷和化学除磷两个方面进行推理分析。其中生物除磷措施主要从影响生物除磷效果的pH、厌氧段DO浓度、硝态氮浓度、进水碳源量和排泥情况五个主要因素进行推理分析，化学除磷主要从化学除磷药剂有效成分、投加量以及pH三个主要因素进行推理分析。分析结果表明pH值在正常范围（7.0-7.5）；厌氧池DO浓度偏高（约为0.2mg/L）；厌氧池NO3--N浓度偏高（在0.35-0.45mg/L）；进水BOD5/TP较高，生物除磷碳源充足；该厂TP出水超标主要发生在2014年2月和2014年5月，期间排泥量较低。综合以上分析结果，为了强化生物除磷效果，将调整好氧池末端DO和降低内回流比以降低厌氧段DO和NO3--N的浓度，同时适当增大排泥量。

（4）系统对化学除磷主要从化学除磷药剂有效成分、投加量、反应时间和pH值四个主要因素进行推理分析。技术人员对化学除磷药剂有效成分、反应时间和投加量进行了小试，试验结果表明该厂采用聚合铝铁的除磷效果略好一些。

（5）结合专家系统的建议，该厂在2015年8月主要完成了好氧池末端溶解氧控制、内回流比例降低、适当增大排泥量和对化学除磷药剂的投加量进行了控制优化。改造和优化运行后，2015.09-2015.12期间TP去除率为95.65%，出水的TP浓度如图11所示，出水TP浓度在0.01-0.33 mg/L之间，无超标现象，出水TP的平均浓度为0.13 mg/L，较优化前降低了19%，能够稳定达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》（GB18918-2002）中一级A标准。

图11    2015.09-2015.12期间出水的TP浓度

（1）针对我国城镇污水处理厂改善运行管理的迫切需求，研发了“智能化城市污水处理厂运行专家系统”。该专家系统具有污水处理厂运行管理故障查询和出水水质超标原因判断及运行建议三大功能，可为污水处理厂落实“水十条”的要求，稳定实现一级A排放标准提供技术支撑。

（2）研究建立了专家系统知识库，知识库信息以理论知识为固定基础，将研究中收集到的运行经验和科研成果进行补充，构成理论与实际相结合的知识库，可以有的放矢地提供问题解决方案，并可提高污水处理厂技术人员的专业水平。

（3）形成了“问题分类查找”、“智能化搜索”、“水质超标原因判断”和“改进运行建议”四大功能，使污水处理厂的技术人员可以方便地通过查询、搜索和推理判断，发现问题，分析原因，找到解决问题的访案。

（4）专家系统已在污水处理厂得到应用。应用案例找到了TP超标的主要原因，通过改进运行使处理出水的TP浓度稳定达标，取得了良好的效果。这一案例表明，在“物联网+”的时代，把污水处理厂优化运行的知识和经验放在网络上，将有力地推动我国新建污水处理厂运行水平的提高。

该文将在2016年5月1日出版的《中国给水排水》杂志上正式发表。