PAGE2國家技術發明獎提名書(2018年度)一、項目基本情況專業評審組：序號：編號：提名者安徽省科學技術廳項目名稱項目名稱城鎮污水處理廠智能監控和優化運行關鍵技術公布名城鎮污水處理廠智能監控和優化運行關鍵技術主要完成人俞漢青李志華盛國平侯紅勛王穎哲項目密級非密定密日期保密期限(年)定密機構(蓋章)學科分類名稱1水污染防治工程代碼61030202市政環境工程代碼56055503代碼所屬國民經濟行業水利、環境和公共設施管理業所屬國家重點發展領域環境任務來源國家自然科學基金、國家重大水專項、中科院、省級攻關、企業已呈交的科技報告編號：授權發明專利（項）21授權的其他知識產權（項）4項目起止時間起始：2004年9月1日完成：2014年12月31日國家科學技術獎勵工作辦公室制

項目簡介本項目屬于水污染防治工程的科學技術領域。城鎮污水處理廠屬于多輸入、多輸出、長時滯的動態開放系統，涉及復雜的生化反應、物化反應及物質/能量的轉化和傳遞，且工藝參數眾多，因而污水廠普遍存在能耗高、出水波動大、穩定性差等問題。因此，本項目在深入研究污水生物處理廠微生物呼吸動力學、微生物產物特性及形成規律等的基礎上，圍繞城鎮污水廠的運行狀態監測、模擬優化及相關技術與設備開展攻關，發展了污水處理系統動態模擬和運行狀態判定的系列新技術，發明了微生物代謝狀態的在線監測與預警關鍵技術，研發了在線監控、動態模擬與優化控制三位一體的污水廠運行平臺，突破了污水廠常規中控系統只面向設備控制的局限性，提升了污水處理廠運行效率和穩定性，解決了城鎮污水處理廠智能監控和優化運行的技術難題。主要發明成果如下：發明點1、發明了污水廠運行狀態判定和動態模擬關鍵技術。通過對污水處理過程中微生物呼吸動力學的深入解析，發展了定量判定污水廠運行狀態的多維呼吸圖譜核心技術，解決了水質水量波動導致無法定量判定污水廠狀態的難題；通過對現有污水廠數據的全面分析，建立了描述污水處理過程的數學模型，結合模式識別和優化算法，發展了符合我國污水廠水質特點的仿真模擬技術，提升了污水廠仿真模擬的預測精度和可靠性，從而解決了污水廠動態模擬、微生物呼吸動力學解析、系統運行狀態判定等一系列技術問題。發明點2、發明了污水廠中微生物代謝狀態的在線監測與預警關鍵技術。基于對污水廠進出水和微生物代謝產物的紫外、熒光和紅外光譜信息的化學計量學解析，獲得了污水廠微生物代謝產物的特征信號，建立了污水處理微生物代謝產物光譜指紋譜庫，克服了傳統方法無法直接表征污水廠中微生物活性的障礙；通過呼吸圖譜與光譜指紋譜庫的聯用，解決了動態運行條件下活性污泥特性測試過程復雜和應用門檻高的難題，從而實現了污水處理好氧、厭氧、缺氧全過程的智能監測，顯著提升了污水處理廠的監控與預警能力。發明點3、發明了多目標決策的污水廠過程優化和控制技術。在污水處理動態模擬基礎上，發展了基于技術、經濟、環境多目標決策的多輸入、多輸出優化和節能控制技術；以上述光譜監測和呼吸圖譜測試數據為基礎，研發了看水狗、工作站等污水廠過程優化與控制設備，構建了專家云端決策平臺，實現了廠群數據感知功能，并與測試、模擬、決策控制整個分析過程相融合，發明了多目標決策的污水廠過程優化與控制技術，實現了污水處理廠的高效、節能運行。基于上述技術發明，研發了污水處理廠動態模擬、在線監測與診斷、控制運行等關鍵技術，解決了污水處理過程的智能監測、實時預警與優化控制等一系列技術難題。研究成果已成功應用于安徽、陜西、江蘇、廣東、山西、河北、山東、甘肅、寧夏、新疆等地的30多個城鎮污水處理廠，為城鎮污水廠的安全運行和升級改造提供了良好的示范作用，環境、經濟和社會效益顯著。

客觀評價科技查新報告評價意見該項目進行了城鎮污水處理廠的智能監控和優化運行關鍵技術研究與應用，主要成果包括：構建了基于微生物多維呼吸圖譜的污水廠運行狀態判定技術，并將該技術和優化算法相結合，建立了符合我國污水廠水質特點的仿真模擬技術，實現了水質水量波動條件下的污水處理系統狀態定量判斷。建立了污水處理微生物代謝產物光譜指紋譜庫并將其與呼吸圖譜聯用，解決了多參數、多任務污泥特性測試過程復雜和應用門檻高的難題，實現了污水處理好氧、厭氧、缺氧全過程智能監測，提升了污水廠的監控與預警能力。研發了污水廠過程優化與控制系列化設備，構建了專家云端決策平臺，實現了廠群數據感知功能，并與測試、模擬、決策控制分析過程相融合，發明了多目標決策的污水廠過程優化與控制技術，實現了污水處理廠的高效、節能運行。目前，國內外未見有綜合上述相同技術研究及應用的文獻報道。驗收評估意見“該子課題針對污水廠穩定化運行和新建污水廠建設，開展A2/O系統功能提升與模擬控制技術的研究，完成了屬地化水質參數及動力學參數分析與數據采集，建立望塘污水處理廠工藝模型優化及集成智能控制技術，完成模型的軟件表達。該子課題開發的污水廠工藝優化軟件V1.0屬于自主知識產權，具有創新性…”。2）中科院對知識創新重要方向項目課題“污水處理系統模型優化與多尺度調控穩定運行技術研究”的驗收意見：“課題構建了污水處理工藝的集成結構模型，可用于污水處理工藝的模擬，并和優化算法結合，對影響污水處理工藝運行效率的主要工藝參數進行了優化，構建了模擬污水處理工藝運行特性的數學模型及優化運行技術。該優化技術及結果對保證污水處理過程的穩定運行和高效低耗運行提供了技術支持……”。3）陜西省科技廳對省科技計劃項目“基于呼吸法的污水廠節能的調控模型及關鍵調控設備研究”的驗收意見：“針對活性污泥法的關鍵能耗過程，建立了以呼吸參數作為輸入參數的污水廠調控模型，研發了適合于我國城鎮污水處理廠的污水運行管理控制技術與設備。該設備能對污水處理廠運行狀況進行診斷與評估，提出改善污水處理廠優化運行方案，并在預防沖擊、保證出水達標、保持污泥健康、控制運行條件等方面實現污水廠最優控制、事故快速恢復等方面得到了工程應用。”4）安徽省科技廳對省十一五科技攻關項目“城鎮生活污水智能化脫氮除磷技術研究與開發”的驗收意見：“課題組建立了可推廣應用的城鎮生活污水智能化脫氮除磷技術，解決了生物反應器和智能控制技術的耦合和集成等關鍵技術問題；通過中試示范工程的運行，完善了智能化脫氮除磷工藝的放大設計，并被國家“十一五”水重大專項用于工程示范，積累了該技術工藝在工程應用中的控制經驗和對策…”。國際同行評價意見成果在TrendsinBiotechnology(IF:11.126)，BiotechnologyAdvance(IF:10.587)，Environ.Sci.Technol.(IF:6.198),WaterRes.(IF:6.942)等SCI刊物發表論文67篇，被SCI他人正面引用1200余次。項目所建立的描述污水廠水質波動的模型及其在污水廠中的應用被美國、澳大利亞、西班牙等國專家在文章中多次正面引用和評價，認同其可用于指示微生物生長、COD去除、硝化反硝化及好氧缺氧除磷過程，適合于描述進水水質的波動情況。項目所發明的微生物代謝產物熒光光譜監測技術受到歐美研究者的廣泛關注，被評價具有快速、高選擇性和靈敏性等優勢，適合用于檢測生物反應器中的熒光物質，尤其是三維熒光光譜法可用于研究反應器中微生物代謝產物的動力學過程。項目所發明的污水處理反應器近紅外光譜和動態光散射監測技術分別得到了英國帝國理工學院Stuckey教授和丹麥Aalborg大學Madsen教授的高度認可，認為我們的成果為發展和應用污水廠的智能監控技術提供了重要的參考依據。項目所發明的污水處理廠優化技術得到西班牙Valencia大學Sala-Garrido教授和法國deLorraine大學Hreizj教授的高度認同，認為該技術可以被污水廠的設計和運行人員用于反應器設計、運行和優化，能夠獲得最佳的去除效率和最少的運行費用。完成人俞漢青和盛國平在環境/生態學領域的學術影響力進入了全球ESI前1%，分別為國家杰出青年基金和優秀青年基金獲得者，也是長江特聘教授和青年長江學者，還作為負責人和骨干入選教育部創新團隊和科技部重點領域創新團隊。“污水處理廠的模擬、監測和優化運行關鍵技術應用”獲2015年安徽省科學技術一等獎。推廣應用情況2004年以來，項目組在技術研發的基礎上，通過產學研合作技術實現了工程化應用，日處理規模從數千噸的縣級污水處理廠到幾十萬噸的大型污水處理廠，推廣應用遍布安徽、陜西、江蘇、廣東、山西、河北、山東、甘肅、寧夏、新疆等多個省（自治區），總應用規模超過了150萬m3/d，攻克了大中型污水處理廠高排放標準下的節能增效的技術瓶頸，解決了大批小型污水處理廠技術人員匱乏條件下的安全穩定運行技術難題，推動了我國城鎮污水處理廠的精細化運行管理水平，得到了應用單位的一致好評。

主要知識產權證明目錄（不超過10件）知識產權類別知識產權具體名稱國家授權號授權日期證書編號權利人發明人專利有效狀態發明專利一種污水處理工藝的優化方法中國ZL201110127239.12013年6月26日1225247中國科學技術大學俞漢青，方芳，倪丙杰，盛國平有效發明專利一種判定污水生物處理系統穩定性和污泥健康狀態的方法中國ZL201510030628.02016年10月19日2278823西安建筑科技大學李志華，柴波，孫垂猛有效發明專利一種厭氧反應器的在線監測診斷方法及系統中國ZL201210140167.92014年3月19日1364087中國科學技術大學俞漢青，董方，趙全保，盛國平，趙進保有效發明專利一種判定活性污泥處理能力的方法中國ZL201610149875.72017年9月1日2604234西安建筑科技大學李志華，呂建坤，唐姚輝有效發明專利生物膜反應器、廢水處理系統及廢水的處理方法中國ZL201110134094.82013年8月7日1247060中國科學技術大學俞漢青，王允坤，劉紹根，江鴻，盛國平有效發明專利一種自養菌動力學參數測量裝置及測量方法中國ZL201210114127.72013年6月5日1207523號西安建筑科技大學李志華，王之璽，姬曉琴，王曉昌有效發明專利一種厭氧反應器的在線監測系統中國ZL201210140200.82013年12月18日1323720中國科學技術大學俞漢青，董方，趙全保，盛國平有效發明專利一種預警活性污泥絲狀菌膨脹的方法中國ZL201510243664.52016年10月19日2279102號西安建筑科技大學李志華,唐姚輝，朱珂晨有效發明專利一種用于測定水中化學需氧量的光電耦合方法中國ZL201310659607.62016年3月9日1977938中國科學技術大學俞漢青，張愛勇，劉暢，李琛，裴丹妮有效發明專利一種改良型A2O污水處理方法中國ZL201310474121.52015年01月07日1564112西安建筑科技大學李志華，白喬有效

主要完成人情況表姓名俞漢青性別男排名第1國籍中國技術職稱教授最高學歷研究生最高學位博士工作單位中國科學技術大學化學與材料科學學院行政職務無完成單位中國科學技術大學所在地安徽合肥單位性質高校參加本項目的起止時間2004年9月1日至2014年12月31日對本項目技術創造性貢獻：是本項目的負責人，主持項目總體設計、研發和工程示范，對發明點1、2、3有貢獻。對發明點1的主要貢獻是研發了污水處理廠的動態模擬技術；對發明點2的主要貢獻是發明了污水廠的在線光譜監測技術；對發明點3的主要貢獻是發明了基于數據分析多目標決策的污水廠評價和優化關鍵技術。是2項核心發明專利的第1發明人（專利1和3）、其他10項主要發明專利的第一或共同發明人。姓名李志華性別男排名第2國籍中國技術職稱教授最高學歷研究生最高學位博士工作單位西安建筑科技大學行政職務無二級單位環境與市政工程學院黨派完成單位西安建筑科技大學所在地陜西西安單位性質高校參加本項目的起止時間2010年9月1日至2014年12月31日對本項目技術創造性貢獻：對發明點1、2、3有貢獻，對本項目的關鍵支撐設備開發與工程應用有重要貢獻。對發明點1的主要貢獻是發明了基于呼吸圖譜的污水處理系統運行狀態判定方法；對發明點2的主要貢獻是發明了污水處理典型生物過程監測與智能診斷與預警技術；對發明點3的主要貢獻是研發了測試關鍵參數的設備，研發了在線監測、動態模擬與優化控制三位一體的運管控制平臺。是1項核心發明專利的第1發明人（專利2）、其他5項主要發明專利的第一發明人。

姓名盛國平性別男排名第3國籍中國技術職稱教授最高學歷研究生最高學位博士工作單位中國科學技術大學行政職務無完成單位中國科學技術大學所在地安徽合肥單位性質高校參加本項目的起止時間2004年9月1日至2014年12月31日對本項目技術創造性貢獻：對發明點2、3有貢獻，對發明點2的主要貢獻是發明了污水處理典型生物過程中微生物代謝產物的光譜監測技術；對發明點3的主要貢獻是結合光譜監測技術，發明了污水處理廠運行的監控和優化技術。是4項代表性發明專利的發明人、其他7項主要發明專利的第一或共同發明人。姓名侯紅勛性別男排名第4國籍中國技術職稱教授級高工最高學歷研究生最高學位博士工作單位安徽國禎環保節能科技股份有限公司行政職務首席科學家完成單位安徽國禎環保節能科技股份有限公司所在地安徽合肥單位性質民營企業參加本項目的起止時間2006年5月30日至2014年12月31日對本項目技術創造性貢獻：為污水處理智能監控和優化運行技術研發及工程化推廣應用的主要實施人之一，對發明點1中的“非穩態污水處理系統的動態模擬技術”有貢獻，4項發明專利的共同發明人和1件軟件著作登記權的擁有人之一。姓名王穎哲性別男排名第5國籍中國技術職稱高級工程師最高學歷研究生最高學位碩士通訊地址安徽省合肥市高新技術開發區科學大道91號郵政編碼230088工作單位安徽國禎環保節能科技股份有限公司行政職務董事長完成單位安徽國禎環保節能科技股份有限公司所在地安徽合肥單位性質民營企業參加本項目的起止時間2005年2月1日至2014年12月31日對本項目技術創造性貢獻：是本項目應用研究的骨干，對本項目成果的工程應用和設備開發有重要貢獻，對發明點3中“多目標決策的污水處理系統參數優化的仿真模擬方法”有貢獻，是一篇重要SCI論文的完成人之一。完成人合作關系說明該成果由中國科學技術大學的俞漢青、盛國平，西安建筑科技大學李志華，安徽國禎環保節能科技股份有限公司的侯紅勛、王穎哲等5人共同完成。1）在本項成果形成期間，盛國平作為俞漢青的博士研究生參與了其承擔項目的研究工作