1、1国家技术发明奖提名书( 2018 年度)一、项目基本情况专业评审组： 序号： 编号：提 名 者安徽省科学技术厅项目名称 城镇污水处理厂智能监控和优化运行关键技术项目名称 公布名 城镇污水处理厂智能监控和优化运行关键技术主要完成人 俞汉青 李志华 盛国平 侯红勋 王颖哲项目密级 非密 定密日期保密期限(年) 定密机构(盖章)1 水污染防治工程 代码 61030202 市政环境工程 代码 5605550学科分类名称3 代码所属国民经济行业 水利、环境和公共设施管理业所属国家重点发展领域 环境任务来源 国家自然科学基金、国家重大水专项、中科院、省级攻关、企业已呈交的科技报告编号： 授权发明专利（项
2、） 21授权的其他知识产权（项）4项目起止时间 起始： 2004 年 9 月 1 日 完成： 2014 年 12 月 31 日国家科学技术奖励工作办公室制2项目简介本项目属于水污染防治工程的科学技术领域。城镇污水处理厂属于多输入、多输出、长时滞的动态开放系统，涉及复杂的生化反应、物化反应及物质/能量的转化和传递，且工艺参数众多，因而污水厂普遍存在能耗高、出水波动大、稳定性差等问题。因此，本项目在深入研究污水生物处理厂微生物呼吸动力学、微生物产物特性及形成规律等的基础上，围绕城镇污水厂的运行状态监测、模拟优化及相关技术与设备开展攻关，发展了污水处理系统动态模拟和运行状态判定的系列新技术，发明了微
3、生物代谢状态的在线监测与预警关键技术，研发了在线监控、动态模拟与优化控制三位一体的污水厂运行平台，突破了污水厂常规中控系统只面向设备控制的局限性，提升了污水处理厂运行效率和稳定性，解决了城镇污水处理厂智能监控和优化运行的技术难题。主要发明成果如下：发明点 1、发明了污水厂运行状态判定和动态模拟关键技术。通过对污水处理过程中微生物呼吸动力学的深入解析，发展了定量判定污水厂运行状态的多维呼吸图谱核心技术，解决了水质水量波动导致无法定量判定污水厂状态的难题；通过对现有污水厂数据的全面分析，建立了描述污水处理过程的数学模型，结合模式识别和优化算法，发展了符合我国污水厂水质特点的仿真模拟技术，提升了污水
4、厂仿真模拟的预测精度和可靠性，从而解决了污水厂动态模拟、微生物呼吸动力学解析、系统运行状态判定等一系列技术问题。发明点 2、发明了污水厂中微生物代谢状态的在线监测与预警关键技术。基于对污水厂进出水和微生物代谢产物的紫外、荧光和红外光谱信息的化学计量学解析，获得了污水厂微生物代谢产物的特征信号，建立了污水处理微生物代谢产物光谱指纹谱库，克服了传统方法无法直接表征污水厂中微生物活性的障碍；通过呼吸图谱与光谱指纹谱库的联用，解决了动态运行条件下活性污泥特性测试过程复杂和应用门槛高的难题，从而实现了污水处理好氧、厌氧、缺氧全过程的智能监测，显著提升了污水处理厂的监控与预警能力。发明点 3、发明了多目标
5、决策的污水厂过程优化和控制技术。在污水处理动态模拟基础上，发展了基于技术、经济、环境多目标决策的多输入、多输出优化和节能控制技术；以上述光谱监测和呼吸图谱测试数据为基础，研发了看水狗、工作站等污水厂过程优化与控制设备，构建了专家云端决策平台，实现了厂群数据感知功能，并与测试、模拟、决策控制整个分析过程相融合，发明了多目标决策的污水厂过程优化与控制技术，实现了污水处理厂的高效、节能运行。基于上述技术发明，研发了污水处理厂动态模拟、在线监测与诊断、控制运行等关键技术，解决了污水处理过程的智能监测、实时预警与优化控制等一系列技术难题。研究成果已成功应用于安徽、陕西、江苏、广东、山西、河北、山东、甘肃
6、、宁夏、新疆等地的 30 多个城镇污水处理厂，为城镇污水厂的安全运行和升级改造提供了良好的示范作用，环境、经济和社会效益显著。3客观评价（一） 科技查新报告评价意见该项目进行了城镇污水处理厂的智能监控和优化运行关键技术研究与应用，主要成果包括：构建了基于微生物多维呼吸图谱的污水厂运行状态判定技术，并将该技术和优化算法相结合，建立了符合我国污水厂水质特点的仿真模拟技术，实现了水质水量波动条件下的污水处理系统状态定量判断。建立了污水处理微生物代谢产物光谱指纹谱库并将其与呼吸图谱联用，解决了多参数、多任务污泥特性测试过程复杂和应用门槛高的难题，实现了污水处理好氧、厌氧、缺氧全过程智能监测，提升了污水
7、厂的监控与预警能力。研发了污水厂过程优化与控制系列化设备，构建了专家云端决策平台，实现了厂群数据感知功能，并与测试、模拟、决策控制分析过程相融合，发明了多目标决策的污水厂过程优化与控制技术，实现了污水处理厂的高效、节能运行。目前，国内外未见有综合上述相同技术研究及应用的文献报道。（二） 验收评估意见1） 国 家 水 体 污 染 控 制 与 治 理 科 技 重 大 专 项 子 课 题 验 收 意 见 ：“该子课题针对污水厂稳定化运行和新建污水厂建设，开展 A2/O 系统功能提升与模拟控制技术的研究，完成了属地化水质参数及动力学参数分析与数据采集，建立望塘污水处理厂工艺模型优化及集成智能控制技术，
8、完成模型的软件表达。该子课题开发的污水厂工艺优化软件 V1.0 属于自主知识产权，具有创新性 ”。2）中科院对知识创新重要方向项目课题“污水处理系统模型优化与多尺度调控稳定运行技术研究” 的验收意见：“课题构建了污水处理工艺的集成结构模型，可用于污水处理工艺的模拟，并和优化算法结合，对影响污水处理工艺运行效率的主要工艺参数进行了优化，构建了模拟污水处理工艺运行特性的数学模型及优化运行技术。该优化技术及结果对保证污水处理过程的稳定运行和高效低耗运行提供了技术支持”。3）陕西省科技厅对省科技计划项目“基于呼吸法的污水厂节能的调控模型及关键调控设备研究”的验收意见：“针对活性污泥法的关键能耗过程，建
9、立了以呼吸参数作为输入参数的污水厂调控模型，研发了适合于我国城镇污水处理厂的污水运行管理控制技术与设备。该设备能对污水处理厂运行状况进行诊断与评估，提出改善污水处理厂优化运行方案，并在预防冲击、保证出水达标、保持污泥健康、控制运行条件等方面实现污水厂最优控制、事故快速恢复等方面得到了工程应用。 ”4）安徽省科技厅对省十一五科技攻关项目“城镇生活污水智能化脱氮除磷技术研究与开发” 的验收意见：“课题组建立了可推广应用的城镇生活污水智能化脱氮除磷技术，解决了生物反应器和智能控制技术的耦合和集成等关键技术问题；通过中试示范工程的运行，完善了智能化脱氮除磷工艺的放大设计，并被国家“ 十一五” 水重大专
10、项用于工程示范，积累了该技术工艺在工程应用中的控制经验和对策”。4（三） 国际同行评价意见成果在 Trends in Biotechnology (IF: 11.126)，Biotechnology Advance (IF: 10.587)，Environ. Sci. Technol. (IF: 6.198), Water Res. (IF: 6.942)等 SCI 刊物发表论文 67 篇，被 SCI 他人正面引用 1200 余次。项目所建立的描述污水厂水质波动的模型及其在污水厂中的应用被美国、澳大利亚、西班牙等国专家在文章中多次正面引用和评价，认同其可用于指示微生物生长、COD 去除、硝化反
11、硝化及好氧缺氧除磷过程，适合于描述进水水质的波动情况。项目所发明的微生物代谢产物荧光光谱监测技术受到欧美研究者的广泛关注，被评价具有快速、高选择性和灵敏性等优势，适合用于检测生物反应器中的荧光物质，尤其是三维荧光光谱法可用于研究反应器中微生物代谢产物的动力学过程。项目所发明的污水处理反应器近红外光谱和动态光散射监测技术分别得到了英国帝国理工学院 Stuckey 教授和丹麦 Aalborg 大学 Madsen 教授的高度认可，认为我们的成果为发展和应用污水厂的智能监控技术提供了重要的参考依据。项目所发明的污水处理厂优化技术得到西班牙 Valencia 大学 Sala-Garrido 教授和法国
12、de Lorraine 大学 Hreizj 教授的高度认同，认为该技术可以被污水厂的设计和运行人员用于反应器设计、运行和优化，能够获得最佳的去除效率和最少的运行费用。完成人俞汉青和盛国平在环境/生态学领域的学术影响力进入了全球 ESI 前1%，分别为国家杰出青年基金和优秀青年基金获得者，也是长江特聘教授和青年长江学者，还作为负责人和骨干入选教育部创新团队和科技部重点领域创新团队。“污水处理厂的模拟、监测和优化运行关键技术应用” 获 2015 年安徽省科学技术一等奖。推广应用情况2004 年以来，项目组在技术研发的基础上，通过产学研合作技术实现了工程化应用，日处理规模从数千吨的县级污水处理厂到几
13、十万吨的大型污水处理厂，推广应用遍布安徽、陕西、江苏、广东、山西、河北、山东、甘肃、宁夏、新疆等多个省（自治区） ，总应用规模超过了 150 万 m3/d，攻克了大中型污水处理厂高排放标准下的节能增效的技术瓶颈，解决了大批小型污水处理厂技术人员匮乏条件下的安全稳定运行技术难题，推动了我国城镇污水处理厂的精细化运行管理水平，得到了应用单位的一致好评。5主要知识产权证明目录（不超过 10 件）知识产权类别知识产权具体名称国家 授权号 授权日期证书编号权利人 发明人 专利有效状态发明专利 一种污水处理工艺的优化方法中国 ZL 201110127239.12013 年6 月 26日1225247 中国
14、科学技术大学俞汉青，方芳，倪丙杰，盛国平有效发明专利 一种判定污水生物处理系统稳定性和污泥健康状态的方法中国 ZL 201510030628.02016 年10 月 19日2278823 西安建筑科技大学李志华，柴波，孙垂猛有效发明专利 一种厌氧反应器的在线监测诊断方法及系统中国 ZL 201210140167.92014 年3 月 19日1364087 中国科学技术大学俞汉青，董方，赵全保，盛国平，赵进保有效发明专利 一种判定活性污泥处理能力的方法中国 ZL 201610149875.72017 年9 月 1日2604234 西安建筑科技大学李志华，吕建坤，唐姚辉有效发明专利 生物膜反应器、
15、废水处理系统及废水的处理方法中国 ZL 201110134094.82013 年8 月 7日1247060 中国科学技术大学俞汉青，王允坤，刘绍根，江鸿，盛国平有效发明专利 一种自养菌动力学参数测量装置及测量方法中国 ZL 201210114127.72013 年6 月 5日1207523号西安建筑科技大学李志华，王之玺，姬晓琴，王晓昌有效发明专利 一种厌氧反应器的在线监测系统中国 ZL 201210140200.82013 年12 月 18日1323720 中国科学技术大学俞汉青，董方，赵全保，盛国平有效发明专利 一种预警活性污泥丝状菌膨胀的方法中国 ZL 201510243664.5201
16、6 年10 月 19日2279102号西安建筑科技大学李志华, 唐姚辉，朱珂晨有效发明专利 一种用于测定水中化学需氧量的光电耦合方法中国 ZL 201310659607.62016 年3 月 9日1977938 中国科学技术大学俞汉青，张爱勇，刘畅，李琛，裴丹妮有效发明专利 一种改良型A2O 污水处理方法中国 ZL201310474121.52015 年01 月 07日1564112 西安建筑科技大学李志华，白乔 有效6主要完成人情况表姓名 俞汉青 性别 男 排名 第 1 国籍 中国技术职称 教授 最高学历 研究生 最高学位 博士工作单位 中国科学技术大学化学与材料科学学院 行政职务 无所在地
17、 安徽合肥完成单位 中国科学技术大学单位性质 高校参加本项目的起止时间 2004 年 9 月 1 日至 2014 年 12 月 31 日对本项目技术创造性贡献：是本项目的负责人，主持项目总体设计、研发和工程示范，对发明点 1、 2、 3 有贡献。对发明点 1 的主要贡献是研发了污水处理厂的动态模拟技术；对发明点 2 的主要贡献是发明了污水厂的在线光谱监测技术；对发明点 3 的主要贡献是发明了基于数据分析多目标决策的污水厂评价和优化关键技术。是 2 项核心发明专利的第 1 发明人（专利1 和 3）、其他 10 项主要发明专利的第一或共同发明人。姓名 李志华 性别 男 排名 第 2 国籍 中国技术
18、职称 教授 最高学历 研究生 最高学位 博士工作单位 西安建筑科技大学 行政职务 无二级单位 环境与市政工程学院 党派所在地 陕西西安完成单位 西安建筑科技大学单位性质 高校参加本项目的起止时间 2010 年 9 月 1 日至 2014 年 12 月 31 日对本项目技术创造性贡献：对发明点 1、 2、 3 有贡献，对本项目的关键支撑设备开发与工程应用有重要贡献。对发明点 1 的主要贡献是发明了基于呼吸图谱的污水处理系统运行状态判定方法；对发明点 2 的主要贡献是发明了污水处理典型生物过程监测与智能诊断与预警技术；对发明点 3 的主要贡献是研发了测试关键参数的设备，研发了在线监测、动态模拟与优
19、化控制三位一体的运管控制平台。是 1 项核心发明专利的第 1 发明人（专利 2）、其他 5 项主要发明专利的第一发明人。7姓名 盛国平 性别 男 排名 第 3 国籍 中国技术职称 教授 最高学历 研究生 最高学位 博士工作单位 中国科学技术大学 行政职务 无所在地 安徽合肥完成单位 中国科学技术大学单位性质 高校参加本项目的起止时间 2004 年 9 月 1 日至 2014 年 12 月 31 日对本项目技术创造性贡献：对发明点 2、3 有贡献，对发明点 2 的主要贡献是发明了污水处理典型生物过程中微生物代谢产物的光谱监测技术；对发明点 3 的主要贡献是结合光谱监测技术，发明了污水处理厂运行的
20、监控和优化技术。是 4 项代表性发明专利的发明人、其他 7 项主要发明专利的第一或共同发明人。姓名 侯红勋 性别 男 排名 第 4 国籍 中国技术职称 教授级高工 最高学历 研究生 最高学位 博士工作单位 安徽国祯环保节能科技股份有限公司 行政职务 首席科学家所在地 安徽合肥完成单位 安徽国祯环保节能科技股份有限公司单位性质 民营企业参加本项目的起止时间 2006 年 5 月 30 日至 2014 年 12 月 31 日对本项目技术创造性贡献：为污水处理智能监控和优化运行技术研发及工程化推广应用的主要实施人之一，对发明点1 中的“非稳态污水处理系统的动态模拟技术”有贡献，4 项发明专利的共同发
21、明人和 1 件软件著作登记权的拥有人之一。姓名 王颖哲 性别 男 排名 第 5 国籍 中国技术职称 高级工程师 最高学历 研究生 最高学位 硕士通讯地址 安徽省合肥市高新技术开发区科学大道 91 号 邮政编码 230088工作单位 安徽国祯环保节能科技股份有限公司 行政职务 董事长所在地 安徽合肥完成单位 安徽国祯环保节能科技股份有限公司单位性质 民营企业参加本项目的起止时间 2005 年 2 月 1 日至 2014 年 12 月 31 日对本项目技术创造性贡献：是本项目应用研究的骨干，对本项目成果的工程应用和设备开发有重要贡献，对发明点 3中“多目标决策的污水处理系统参数优化的仿真模拟方法”
22、有贡献，是一篇重要 SCI 论文的完成人之一。8完成人合作关系说明该成果由中国科学技术大学的俞汉青、盛国平，西安建筑科技大学李志华，安徽国祯环保节能科技股份有限公司的侯红勋、王颖哲等 5 人共同完成。1）在本项成果形成期间，盛国平作为俞汉青的博士研究生参与了其承担项目的研究工作。例如，盛国平参加了俞汉青主持的国家自然科学基金委员会项目“处理废弃物和废水的高效生物反应器的监测、模拟和调控” （2010-2013）和“厌氧生物处理反应器出水荧光和红外指纹图谱的解析与应用” （2009-2011）的研究工作。此外，俞汉青参加了盛国平主持的中国科学院知识创新项目子课题“污水处理系统模型优化与多尺度调控
23、稳定运行技术研究” （2009-2011） 。俞汉青和盛国平是成果中多项发明专利的共同发明人、计算机软件著作权的共同拥有人和多篇 SCI 文章的共同作者。2）李志华是本项成果中多项发明专利的第一发明人。他于 2006 年回国后与俞汉青建立了紧密的科研合作关系，长期合作开展了污水处理厂智能控制和优化运行的研究工作，并作为“西部之光”访问学者在俞汉青实验室进行了长达一年的全职学术访问，合作研发本项目技术，推动成果的产业化，共同申请了发明专利，也是 2 项计算机软件著作权的共同拥有人和 SCI 文章的共同作者。3）国祯环保节能科技股份有限公司是俞汉青主持的安徽省十一五科技攻关重大项目“城镇生活污水智能化脱氮除磷技术研究与开发” 、十五科技攻关项目“高效低耗城镇污水处理新技术” 和盛国平主持的中科院知识创新项目子课题 “污水处理系统模型优化与多尺度调控稳定运行技术研究”的技术支撑单位。侯红勋作为该公司首席科学家，参加了项目研究工作并发挥重要作用；俞汉青等参加了国祯环保主持的安徽省十二五科技攻关项目“小城镇污水处理高效生物脱氮除磷技术及关键设备开发” （ 2012-2013） 。侯红勋是本项成果中 3 项发明专利的发明人，王颖哲和俞汉青是 1 篇重要 SCI 文章的共同作者。
