關于污水處理廠溶解氧自動控制系統的運行

王紅睿 蔣增河

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.091

摘 要：生化反應池曝氣量的自動調節是污水廠節能降耗的重要手段。該文以廣州市西朗污水處理廠溶解氧自動控制系統的運行優化經驗為例，研究了基于壓力控制的鼓風機喘振控制方法和基于PID調節的溶解氧控制方法，得到了PID控制器的主要參數設定值：比例增益、微分增益、積分動作時間、響應臨界值分別為1.0、5.0、200 ms、10%。通過實際系統運行效果分析表明，該文所提出的方法節能效果明顯。

關鍵詞：污水處理 溶解氧 自動控制 運行優化

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2016）03（a）-0091-02

“節能減排”理念已深入人心，國家綜合治理力度不斷加大，讓生態文明發展步入新階段。作為綜合治理工作的重點——污水處理受大家的廣泛關注。當前生活污水的處理大多采用活性除淤泥法，具體措施有入口水流量、爆破氣壓、回流優化控制等。城市污水排量較大，水質水量穩定性調控需求多，致使處理生化池過程中氧氣供應量變化頻度高。因此，文章提出關于污水處理廠溶解氧自動控制系統的運行研究有重要的參考價值。

1 溶解氧自動控制系統的提出

溶解氧過程是處理生化池中最重要的一環，生化池中的溶解氧要控制在一定的范圍內，也就是爆破氣動系統要實時監測水量和水質的變化，并做出及時的調整，使氧氣供給能滿足進水處負載的要求，提升生化池溶解氧的自控質量。除此之外，該系統還能根據生化池中的氧氣含量進行調整，從而有效緩解了能源浪費問題。國內外的實際工程應用再一次證明，生化反應溶解氧氣量的自動控制方式是污水處理中降耗的重要方法。我國在污水處理技術的應用起步比較晚，污水處理生化池溶解氧氣的相關經驗比較少。當然也出現一些比較有實踐意義的單位，如廣州市的西朗污水排放處理廠在污水處理中不僅實現了生化池的溶解氧氣自動控制，而且還提出了改進方法，如消除鼓風機的喘振方案，基于出水氨氣、氮氣的控制溶解氧設置方法等，為溶解氧自動控制系統的發展提供了有利的依據。

2 溶解氧自動控制系統設計

文章以廣州市的西朗污水排放處理廠的生化池溶解氧自動控制設計為例，作為市政基礎設施建設的重點，污水處理設施的設計尤為重要。該廠從2001年底動工，到2004年中旬通水運營，并于2005年進行了生化反映優化，建立了溶解氧氣的自動控制系統。

該污水處理系統采用了改進A2/O工藝，共有兩個系列，各系列由預缺氧段、厭氧段、缺氧一段、缺氧二段、好氧一段、好氧二段組成。供應氧系統使用KA22SV—GL225型號的鼓風機，輸送管道采用枝狀的管網，其中主干管道設有4個電動閥門，分別用于調節AB兩個系列的好氧一段和二段的氧氣供給量。上述系統的總控制單元采用的是工用89C51型號的單片機，該種單片機的優點在于具有自帶的數據存儲器和指令控制串口，能夠保證自動系統各個控制指令的及時傳達。4個空氣調節閥門分別并聯在單片機的4個串口上，好氧一段和好氧二段的末端采用了外設傳感器，能夠對生化池中的氧氣含量進行實時動態檢測。同時，傳感器將采集到的信息以二進制信號的形式反饋給中央控制單元，通過專門的軟件進行整理、分析，將所得的數據與數據庫進行配對和匹配，最終控制供氧閥門的開放幅度，起到調節生化池含氧量的目的。

3 鼓風機喘振控制模型

上文已介紹污水排放處理生化池溶解氧自動控制系統布置，當系統投入使用后，空氣管道的閥門會進行實時調節，管道阻力曲線會產生相應的變化，容易導致管道壓力變化頻度加大，容易引起管道壓力鼓風喘振事故，而鼓風機喘振動控制模型的使用可以是管道自動調節進出導葉，改變供給氧氣量，穩定壓力變化。鼓風機壓力調節系統模型如圖1所示。

鼓風機壓力調節系統主要由中央控制單元和外部設備構成。鼓風機系統的運作流程為：首先，操作人員在鼓風機的主控界面對其各項數值進行一一調整和校對，保證后期鼓風機系統在正確的指令控制下完成各項工作。在進行參數調整的同時，操作人員要注意檢查鼓風管道內的空氣壓力值是否在標準范圍內，否則需要手動調節管道送風頻率，降低/升高空氣壓力。在調整完空氣壓力后，查看MCP柜內設置的控制參數是否與實際參數向吻合。當確定各項參數在平穩狀態下運行后，調節鼓風機出口處的導葉。鼓風機出口處的導葉和進口處的導葉也可通過PRC來實現聯動控制，當導葉處動作時，進口處的導葉也會產生相應的動作，以完成鼓風機出口處壓力調節的目的，有效免除了管道壓力頻繁變動所引發的鼓風機喘振故障等，同時穩定了鼓風機的出口處壓力，保證了設備高效運行，達到了節能減排的目的。實際投入運營進一步證實，進水的負載變化所引發的出口導葉開度波動處于0～50%之間，鼓風機的工作電流分為在20～40 A內，鼓風出口壓力則穩定在0.070～0.073 MPa范圍內，有效避免了鼓風機的喘振故障。

4 溶解氧氣的穩定控制方法探討

溶解氧氣的穩定控制方法主要有PID控制、模糊PID控制和自適應專家系統控制等。當前國內使用范圍比較廣的是PID控制，PID控制在溶解氧的自動調節中使用頻度更高，本文所舉實例也使用PID控制調節方法。PID溶解氧控制方法原理比較簡單，實現也比較容易，投資也比較少，主要的設備是電動閥門、具有自動清洗功能的溶解氧氣檢測儀器和PID控制器等。

如圖2所示，控制器需要實時檢測兩個時段的氧氣量可用變量（x1、x2）表示，計算出溶解氧氣的修正值（x），將偏差值輸入到PID控制器中，經計算得到輸出值y，用來調節入口處閥門開度大小。鼓風機、供氧通道的開關都受中央單元的指令控制，而指令控制的形式則是以脈沖信號來確定的。通過大量的數據分析可知，PID受工況的影響較為明顯，因此可以將PID作為數據信號采集的中心，圍繞PID設置管道阻力參數和閥門開放幅度等。同時，末端傳感器所采集的數據在進行整理和加工后，也可以成為PID參數設置的一項重要事實依據。隨著數據信息的不斷增加，PID參數的設計也會呈現出明顯的正態分布，逐漸達到一個相對穩定的狀態，從而實現系統穩定控制的目的。文章所舉實例是經過半年的實驗和摸索得到的，PID控制器的比例增益為1.0，微分增益為5.0，積分動作時間為200 ms，相應的臨界值為10%。將參數設定為以上值后，可以看出進水管的水流量變化為60%，好氧一段和二段的溶解氧分別可控制在（1.2±0.3）mg/L、（1.0±0.3）mg/L，較好地實現了對溶解氧的穩定控制。

5 溶解氧控制的工藝調控

在上述試驗中，采用了“逐步滴定，分布去除”的化學除雜理念。通過向混合溶液中添加一定數量的催化劑，溶液中過量的氧含量被催化反應，部分氧轉化為液態水溶于混合液中，另一部分氧則以氣體形式逸出。隨后向溶液中滴加氮氨飽和液，飽和液中富含的大量氮氨離子能夠與原溶液發生硝化反應，由于氮氨離子的數量足夠多，因此溶液中的溶解氧被徹底消化。在完成上述兩步滴定操作后，利用滴灌采取反應后的樣本溶液進行濃度測量。

通過對最終測量數據的綜合分析可知，當硝化反應完全進行時，溶液中氨氮離子的濃度也會呈現出一定程度的增加，為了是最終測量結果更加直觀，在進行滴定測量時對其濃度進行了記錄，并采取了橫向對比分析。在實驗開始階段，好氧二段的氧氣溶解率為0.8 mg/L，在向溶液中滴定氨氮溶液后，該溶解率從0.8 mg/L上升到1.1 mg/L，隨后停止實驗。4 d后再次測量溶液濃度，記錄所得數據為1.7 mg/L。隨后定期對該溶液的氧濃度進行測量，繪制成二維坐標曲線圖。2008年升級后的生化反應池好氧一段和好氧二段的溶解氧設定值為0.7～1.3 mg/L和0.7～1.9 mg/L。該溶解氧控制系統在長期的污水處理過程中，不可避免會出現設備的老化問題，影響污水處理的效果。實施上，污水中含有大量的金屬離子和其他雜質，污水的酸堿度也呈現出較大波動，尤其是在強酸污水環境下，溶解氧自動控制系統更容易受到腐蝕作用。因此，為了保證系統各項功能的有效發揮，相關的工作人員要做好定期的設備維修和檢查工作，及時發現老化、腐蝕、模式部件，進行更換，最大程度上保證設備的高效率、高質量運行。

通過對上述試驗參數的整合分析，結合具體的系統運行狀態可以得出，以PID為中央控制中心的溶解氧自動控制條件機制能夠最大程度保證溶解氧的參數設定與實際試驗相匹配。從另一個角度來說，PID控制下的溶解氧污水處理效果能夠實現較高水平的自動化處理，在提高污水轉化效率的同時，實現了節能降耗的效果。

6 結語

西朗污水處理所安裝的溶解氧自動控制系統，主要由溶解氧中央控制器、鼓風機控制和操作顯示界面等。鼓風機處壓力控制是保證對溶解氧的自動調節的前提。通過觀測壓力變化來避免鼓風機的喘振現象。實現得到鼓風出口處的壓力應穩定在0.070～0.073 MPa，才能達到消除喘振的目的。文章通過將PID的控制思想應用到溶解氧控制上來，得到PID控制器的參數設定情況：好氧一、二段的溶解氧控制范圍為（1.2±0.3）mg/L和（1.0±0.3）mg/L，較好地實現了穩定控制溶解氧量的目的，和傳統溶解氧控制相比，節能效果更好。

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