基于SBR工藝城市污水自動(dòng)控制優(yōu)化應(yīng)用

易建國(guó)

摘 要：本文以某大型SBR污水處理廠為背景，詳細(xì)論述了SBR工藝城市污水處理的控制系統(tǒng)組成，以及主要工藝段優(yōu)化控制的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：SBR;AB PLC;INTOUCH;自動(dòng)控制

1、前言

SBR序批式活性污泥法處理工藝占地小，平面布置緊湊，工藝具有較好的穩(wěn)定性，但操作相對(duì)復(fù)雜，對(duì)自動(dòng)化控制要求較高。近年來(lái)國(guó)內(nèi)污水處理行業(yè)大部分已實(shí)現(xiàn)PLC自動(dòng)控制，但大多數(shù)只具備簡(jiǎn)單的設(shè)備啟停與聯(lián)鎖控制功能，很少會(huì)根據(jù)不同工藝特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化控制。本文將通過(guò)某大型SBR工藝城市污水處理廠控制系統(tǒng)闡述主要工藝段優(yōu)化控制方法。

2、控制系統(tǒng)應(yīng)用設(shè)計(jì)

某集團(tuán)城市污水處理廠設(shè)計(jì)日處理能力100000t，采用SBR工藝作為主處理工藝，由預(yù)處理、SBR反應(yīng)池、提升井、磁混凝沉淀、高效纖維過(guò)濾、紫外消毒、污泥脫水等工藝系統(tǒng)構(gòu)成。

本項(xiàng)目控制系統(tǒng)采用集散控制系統(tǒng)架構(gòu)，根據(jù)不同工藝段重要性和地理分布位置設(shè)計(jì)多臺(tái)AB CompactLogix PLC控制器，保證了核心系統(tǒng)可靠性。利用當(dāng)前成熟先進(jìn)的工業(yè)以太網(wǎng)Ethernet/IP技術(shù)構(gòu)成全廠控制和監(jiān)控環(huán)網(wǎng)，保證了全廠數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性、可互操作性、抗干擾性和安全性。各工藝段儀表采用PROFIBUS-DP協(xié)議數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化智能傳感器，顯著提高了系統(tǒng)抗干擾能力，縮短響應(yīng)時(shí)間，改善了系統(tǒng)測(cè)量及控制的精細(xì)程度。上位機(jī)系統(tǒng)采用國(guó)際先進(jìn)組態(tài)軟件Wonderware Intouch，按照對(duì)象化、模塊化的軟件架構(gòu)模式進(jìn)行開發(fā)實(shí)施。在中控室設(shè)置4臺(tái)操作員站，可互為備用，設(shè)工程師站1臺(tái)，用于項(xiàng)目開發(fā)，同時(shí)設(shè)置工業(yè)歷史庫(kù)，用于存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)，并預(yù)留信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口。全廠控制系統(tǒng)架構(gòu)如下：

2.1 預(yù)處理系統(tǒng)控制設(shè)計(jì)

預(yù)處理系統(tǒng)主要包括粗格柵、提升泵房、細(xì)格柵、曝氣沉砂池等工藝：

2.1.1 粗格柵和細(xì)格柵主要用于去除堵塞水泵機(jī)組及管道閥門的懸浮物，并保證后續(xù)處理設(shè)施能正常運(yùn)行。格柵除污機(jī)采用時(shí)間控制、液位差控制、混合控制三種方式，采用螺旋輸送機(jī)優(yōu)先的運(yùn)行模式，停止時(shí)應(yīng)先將格柵停止后再使螺旋輸送機(jī)停止。在確保水量及合理的水頭損失前提下，合理縮短格柵的運(yùn)行時(shí)間，既保證了柵渣的積累，避免無(wú)效運(yùn)行，又減輕設(shè)備的磨損和節(jié)約能耗。

2.1.2 污水提升泵站的作用是將上游來(lái)的污水提升至后續(xù)處理單元所要求的高度，使其實(shí)現(xiàn)重力流。提升泵站采用泵站液控模式或SBR池液控模式靈活、高效、節(jié)能完成污水提升。

泵站液控模式按照提升泵站設(shè)定的啟停泵液位閥值和各泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，控制4臺(tái)提升泵變頻和工頻啟停，即能保證泵站液位控制在設(shè)定液位又高效利用各提升泵工作性能，減輕提升泵長(zhǎng)期運(yùn)行磨損;SBR池液控優(yōu)化模式是根據(jù)SBR池容積模型和提升泵供水能力，優(yōu)化調(diào)度當(dāng)前SBR池進(jìn)水階段的啟泵臺(tái)數(shù)和頻率，根據(jù)實(shí)時(shí)液位與當(dāng)前目標(biāo)液位的液位差自動(dòng)加減頻率修正當(dāng)前進(jìn)水流量，控制當(dāng)前進(jìn)水速率，有效保證硝酸鹽氮和污水碳源的充分接觸反應(yīng)。

2.1.3 曝氣沉砂池是在平流沉砂池的側(cè)墻上設(shè)置一排空氣擴(kuò)散器，使污水產(chǎn)生橫向流動(dòng)，形成螺旋形的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。其構(gòu)造特點(diǎn)是由進(jìn)水裝置、出水裝置、沉淀區(qū)、曝氣系統(tǒng)和排泥裝置組成，曝氣沉砂池可以克服平流沉砂池中沉砂夾雜15%有機(jī)物使沉砂后續(xù)處理難度增加的缺點(diǎn)。本系統(tǒng)按照一定的時(shí)間間隔或主控人員發(fā)送強(qiáng)制運(yùn)行命令，按制定的時(shí)序自動(dòng)運(yùn)行一個(gè)周期。具體控制流程圖如下：

2.2 SBR工藝的控制設(shè)計(jì)

SBR是序列間歇式活性污泥法的簡(jiǎn)稱，是一種按間歇曝氣方式來(lái)運(yùn)行的活性污泥污水處理技術(shù)，又稱序批式活性污泥法。SBR技術(shù)的核心是SBR反應(yīng)池，該池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池。

SBR 法工藝處理周期由進(jìn)水、曝氣、沉淀、潷水和閑置5個(gè)過(guò)程按順序循環(huán)往復(fù)，在沉淀時(shí)，SBR 法是非流動(dòng)狀態(tài)下的沉淀，是完全靜止的沉淀，沉淀效率高，經(jīng)處理后的水通過(guò)SBR法工藝中的潷水器自動(dòng)排水。每組SBR池由4個(gè)反應(yīng)池組成，每組中只能有一個(gè)反應(yīng)池處于進(jìn)水階段，上一反應(yīng)池進(jìn)水完成即開始下一池進(jìn)水，各反應(yīng)池工藝處理過(guò)程嚴(yán)格按時(shí)序進(jìn)行。各段時(shí)序可在循環(huán)周期范圍內(nèi)根據(jù)實(shí)際工況需求任意設(shè)置，每個(gè)反應(yīng)池的任何設(shè)備均可通過(guò)手動(dòng)/自動(dòng)轉(zhuǎn)換開關(guān)改變狀態(tài)，但均不能改變PLC所設(shè)定的工作時(shí)序， 并且一旦切入自動(dòng)狀態(tài)后便進(jìn)入PLC 所設(shè)定的時(shí)序。

曝氣階段是整個(gè)SBR工藝中能耗重點(diǎn)，曝氣能耗占全廠電能耗的50%以上，DO值控制是工藝控制難點(diǎn)。DO值過(guò)高其結(jié)果是更多的有機(jī)物轉(zhuǎn)化為二氧化碳和水，即經(jīng)由污泥的呼吸作用而消耗，造成曝氣的浪費(fèi)，而且污泥容易老化。如果DO值過(guò)低，則影響到了微生物的呼吸和吸附有機(jī)物的過(guò)程，造成出水有機(jī)物含量過(guò)高。一般溶解氧濃度保持在2mg/ L 左右，活性污泥系統(tǒng)將具有良好的凈化作用。常規(guī)DO控制模式采用DO分段設(shè)置高低限值，在設(shè)定階段內(nèi)通過(guò)高低限值開關(guān)曝氣閥門，這一通用控制方法設(shè)置的DO余度較大，生化池系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。對(duì)此，系統(tǒng)采用模糊自適應(yīng)PID智能模式調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)輸出風(fēng)量，同時(shí)保證曝氣調(diào)節(jié)閥在大開度條件下工作，減少因壓力損耗而造成的能源損耗。

模糊控制以專家知識(shí)建立控制規(guī)則，在實(shí)際工況復(fù)雜多變的情況下能迅速調(diào)整控制參數(shù)，具有較好的魯棒性，但本質(zhì)上是離散的PD控制，缺少積分環(huán)節(jié)，穩(wěn)態(tài)精度稍差，而傳統(tǒng)PID控制穩(wěn)態(tài)精度較高，故自適應(yīng)模糊PID控制算法將兩者結(jié)合，大大提高了系統(tǒng)控制品質(zhì)和動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。

自適應(yīng)模糊PID控制器采用雙輸入三輸出MIMO結(jié)構(gòu)，輸入由DO誤差E和誤差變化EC構(gòu)成，輸出由比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd組成，在好氧曝氣階段控制器不斷檢測(cè)計(jì)算E和EC，然后根據(jù)模糊控制規(guī)則對(duì)PID的3個(gè)參數(shù)在線整定，從而調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)變頻器控制頻率增量，最終將e控制在零附近。綜合控制精度和控制穩(wěn)定的要求，選取E、EC、Ki、Kp、Kd模糊集為{負(fù)大，負(fù)中，負(fù)小，零，正小，正中，正大}，記作 {NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}，論域?yàn)閧-3，-2，-1，0，1，2，3}，隸屬度函數(shù)NL選zmf，PL選smf，其它選為三角形函數(shù)trmif。同時(shí)DO的偏差E、EC、Kp、Ki、Kd基本論域范圍分別取[-0.3，0.3]、[-0.03， 0.03]、[-60， 60]、[-10， 10]、[-6， 6]。

根據(jù)PID調(diào)節(jié)參數(shù)原理，考慮不同時(shí)刻Ki、Kp、Kd的相互關(guān)系和目標(biāo)穩(wěn)定需求，按以下控制規(guī)則進(jìn)行知識(shí)庫(kù)獲?。?/p>

1）誤差E絕對(duì)值較大時(shí)，不論EC如何變化，為了鼓風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)響應(yīng)加快，控制器Kp應(yīng)取較大值;應(yīng)避免積分飽和，限制積分強(qiáng)度，Ki應(yīng)取小值;

2）當(dāng)E、EC在中等大小時(shí)，為保證鼓風(fēng)機(jī)響應(yīng)速度并控制超調(diào)，此時(shí)KP、Ki、Kd應(yīng)取值適中;

3）當(dāng)E較小時(shí)，此時(shí)實(shí)際DO值已接近設(shè)定值附近，系統(tǒng)只需要微調(diào)即可，此時(shí)適量增大Kp、Ki，Kd在E未到達(dá)可接受范圍前，適當(dāng)增大，之后可適當(dāng)減小，以保證系統(tǒng)穩(wěn)定;

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的歷史數(shù)據(jù)，分析鼓風(fēng)量對(duì)DO誤差的影響，建立以下模糊控制規(guī)則表

在解模糊算法處理中選擇模糊信息考慮較全面的重心法，通過(guò)模糊算法由模糊推理得出模糊控制查詢表，具體在PLC中PID參數(shù)在線自整定算法如下：

模糊PID控制的響應(yīng)速度、調(diào)節(jié)周期、動(dòng)穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)，在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，抗擾動(dòng)能力將大大加強(qiáng)，既穩(wěn)定了出水水質(zhì)，又達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

2.3 中間提升井的控制設(shè)計(jì)

中間提升井設(shè)置4臺(tái)提升泵，主要用于調(diào)節(jié)3組SBR池出水，通過(guò)啟停與變頻調(diào)節(jié)控制出水水量，減少后續(xù)過(guò)濾消毒設(shè)施的峰值流量。提升井按不同工況需求設(shè)有液控模式、恒液位控制模式、恒流量控制模式三種模式選擇。

液控模式時(shí)按提升井設(shè)定的啟停泵液位閥值和各泵累計(jì)運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)，合理控制4臺(tái)提升泵變頻啟停，即能保證泵站液位控制在合理液位又高效利用各提升泵工作性能，減輕提升泵長(zhǎng)期運(yùn)行磨損;恒液位控制模式在需要恒定控制提升井液位時(shí)選擇投入，可根據(jù)液位變化和趨勢(shì)變化對(duì)泵頻率進(jìn)行PID調(diào)節(jié);恒流量控制模式按照泵性能曲線，計(jì)算泵理論供水能力，根據(jù)出水目標(biāo)流量計(jì)算當(dāng)前泵的投運(yùn)臺(tái)數(shù)和初始頻率，并根據(jù)實(shí)際出水流量反饋對(duì)頻率進(jìn)行微調(diào)，充分利用提升井蓄流能力穩(wěn)定出水流量;

實(shí)際投運(yùn)過(guò)程中，在用于SBR非連續(xù)出水工況下對(duì)比液控模式和恒流量模式出水流量曲線，恒流量模式流量穩(wěn)定性明顯優(yōu)于液控模式，且泵投運(yùn)數(shù)量一直保持兩臺(tái)即可滿足生產(chǎn)需要，而液控模式下因間斷性出水造成泵投入數(shù)量波動(dòng)較大，泵啟停次數(shù)較頻繁。出水流量曲線對(duì)比如下：

（18：20分之前采用液控模式出水，18：20后采用恒流量模式出水）

2.4 磁混凝沉淀池

混凝沉淀工藝中在加入混凝劑時(shí)同步加入磁粉，使之與污染物絮凝結(jié)合成一體，加強(qiáng)絮凝效果，提高沉淀效率。同時(shí)磁粉可以通過(guò)磁鼓回收循環(huán)使用。由于其高速沉淀的性能，使其與傳統(tǒng)工藝相比，具有速度快、效率高、占地面積小、投資小等諸多優(yōu)點(diǎn)

磁混凝高效沉淀系統(tǒng)由反應(yīng)池、沉淀池、污泥回流系統(tǒng)、磁粉回收系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)等組成。核心加藥系統(tǒng)按前饋控制+反饋智能調(diào)節(jié)控制方案保證出水指標(biāo)，前饋控制根據(jù)進(jìn)水濁度和進(jìn)水流量按專家加礬曲線預(yù)置加藥量和磁粉投加比例系數(shù)，根據(jù)出水水質(zhì)檢測(cè)與設(shè)定值進(jìn)行比較，根據(jù)偏差和偏差變化率采用模糊控制算法進(jìn)行反饋校正，使出水水質(zhì)滿足要求。

2.5 高效纖維過(guò)濾罐

采用絮凝加藥裝置在泵前往循環(huán)水中投加絮凝劑，原水通過(guò)增壓泵增壓后，絮凝劑經(jīng)水泵葉輪攪拌后均勻混合將原水中的細(xì)小固體顆粒懸浮和膠體物質(zhì)進(jìn)行微絮凝反應(yīng)，快速生成體積大于5微米的絮體，流經(jīng)過(guò)濾系統(tǒng)管路進(jìn)入高效不對(duì)稱纖維過(guò)濾器，絮凝物被濾料過(guò)濾截留。

主要設(shè)備包括PAM投加系統(tǒng)、進(jìn)水調(diào)節(jié)閥、過(guò)濾出水閥、反沖進(jìn)水閥、反沖空氣閥、反沖出水閥、公用設(shè)備（鼓風(fēng)機(jī)和水泵）等組成。PAM投加系統(tǒng)采用流量比例控制，過(guò)濾階段通過(guò)PID調(diào)節(jié)進(jìn)水閥控制罐內(nèi)液位保持恒定，過(guò)濾時(shí)間到或液位差達(dá)到設(shè)定值開始對(duì)此過(guò)濾罐進(jìn)行反沖洗，多臺(tái)過(guò)濾罐同一時(shí)段都需反沖洗時(shí)，按照先入先出原則排隊(duì)進(jìn)行反沖洗。過(guò)濾罐工藝控制流程如下圖：

2.6 紫外消毒池

紫外線的殺菌原理是利用紫外光的能量破壞水體中各種病毒、細(xì)菌及其它致病體的DNA，紫外線穿透微生物的細(xì)胞膜和細(xì)胞核，使其失去復(fù)制能力或活性而死亡。

紫外消毒池自動(dòng)控制包括紫外光強(qiáng)度自動(dòng)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)清洗系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)等。

紫外光強(qiáng)度自動(dòng)監(jiān)測(cè)：系統(tǒng)可以根據(jù)實(shí)時(shí)檢測(cè)到的UVC劑量，對(duì)紫外燈管的輸出強(qiáng)度參照流量及污水UVC透過(guò)率的變化進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用; 自動(dòng)清洗系統(tǒng)：采用自動(dòng)機(jī)械清洗方式，運(yùn)行模式有手動(dòng)和自動(dòng)，自動(dòng)清洗模式時(shí)，根據(jù)紫外線光強(qiáng)變化或清洗周期自動(dòng)運(yùn)行和停止。水位控制系統(tǒng)：通過(guò)明渠水位傳感器自動(dòng)調(diào)節(jié)出水調(diào)節(jié)閥，確保水渠中的水位保持在設(shè)計(jì)的數(shù)值范圍，當(dāng)明渠水位長(zhǎng)時(shí)間超出設(shè)定最小/最大水位時(shí)能自動(dòng)向控制系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，將燈管熄滅。

2.7 進(jìn)出水水質(zhì)

控制系統(tǒng)具有較高的先進(jìn)性、穩(wěn)定性，有力的保證了出水指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)（城市污水排放標(biāo)準(zhǔn)一級(jí)A）。具體水質(zhì)指標(biāo)如下表：

3、結(jié)束語(yǔ)

污水處理行業(yè)“十三五規(guī)劃”、《水十條》和《國(guó)家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃》等文件對(duì)全國(guó)所有縣城、重點(diǎn)鎮(zhèn)的污水處理能力提出了新的要求，在此背景下各污水廠對(duì)控制系統(tǒng)的高效、節(jié)能、穩(wěn)定性提出了更高的要求。

本項(xiàng)目通過(guò)采用基于總線式傳感器分布式控制系統(tǒng)，極大的保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性、健壯性以及可擴(kuò)展性，結(jié)合先進(jìn)的工藝控制邏輯和算法，有效保證了全廠工藝設(shè)備的高效、節(jié)能和出水指標(biāo)穩(wěn)定，該控制系統(tǒng)在類似污水處理工藝系統(tǒng)中有較大的推廣意義。

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