基于SBR工藝城市污水自動控制優化應用

易建國

摘 要：本文以某大型SBR污水處理廠為背景，詳細論述了SBR工藝城市污水處理的控制系統組成，以及主要工藝段優化控制的設計與應用。

關鍵詞：SBR;AB PLC;INTOUCH;自動控制

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，工藝具有較好的穩定性，但操作相對復雜，對自動化控制要求較高。近年來國內污水處理行業大部分已實現PLC自動控制，但大多數只具備簡單的設備啟停與聯鎖控制功能，很少會根據不同工藝特點進行優化控制。本文將通過某大型SBR工藝城市污水處理廠控制系統闡述主要工藝段優化控制方法。

2、控制系統應用設計

某集團城市污水處理廠設計日處理能力100000t，采用SBR工藝作為主處理工藝，由預處理、SBR反應池、提升井、磁混凝沉淀、高效纖維過濾、紫外消毒、污泥脫水等工藝系統構成。

本項目控制系統采用集散控制系統架構，根據不同工藝段重要性和地理分布位置設計多臺AB CompactLogix PLC控制器，保證了核心系統可靠性。利用當前成熟先進的工業以太網Ethernet/IP技術構成全廠控制和監控環網，保證了全廠數據傳輸實時性、可互操作性、抗干擾性和安全性。各工藝段儀表采用PROFIBUS-DP協議數字化、網絡化智能傳感器，顯著提高了系統抗干擾能力，縮短響應時間，改善了系統測量及控制的精細程度。上位機系統采用國際先進組態軟件Wonderware Intouch，按照對象化、模塊化的軟件架構模式進行開發實施。在中控室設置4臺操作員站，可互為備用，設工程師站1臺，用于項目開發，同時設置工業歷史庫，用于存儲歷史數據，并預留信息化系統數據接口。全廠控制系統架構如下：

2.1 預處理系統控制設計

預處理系統主要包括粗格柵、提升泵房、細格柵、曝氣沉砂池等工藝：

2.1.1 粗格柵和細格柵主要用于去除堵塞水泵機組及管道閥門的懸浮物，并保證后續處理設施能正常運行。格柵除污機采用時間控制、液位差控制、混合控制三種方式，采用螺旋輸送機優先的運行模式，停止時應先將格柵停止后再使螺旋輸送機停止。在確保水量及合理的水頭損失前提下，合理縮短格柵的運行時間，既保證了柵渣的積累，避免無效運行，又減輕設備的磨損和節約能耗。

2.1.2 污水提升泵站的作用是將上游來的污水提升至后續處理單元所要求的高度，使其實現重力流。提升泵站采用泵站液控模式或SBR池液控模式靈活、高效、節能完成污水提升。

泵站液控模式按照提升泵站設定的啟停泵液位閥值和各泵累計運行時長，控制4臺提升泵變頻和工頻啟停，即能保證泵站液位控制在設定液位又高效利用各提升泵工作性能，減輕提升泵長期運行磨損;SBR池液控優化模式是根據SBR池容積模型和提升泵供水能力，優化調度當前SBR池進水階段的啟泵臺數和頻率，根據實時液位與當前目標液位的液位差自動加減頻率修正當前進水流量，控制當前進水速率，有效保證硝酸鹽氮和污水碳源的充分接觸反應。

2.1.3 曝氣沉砂池是在平流沉砂池的側墻上設置一排空氣擴散器，使污水產生橫向流動，形成螺旋形的旋轉狀態。其構造特點是由進水裝置、出水裝置、沉淀區、曝氣系統和排泥裝置組成，曝氣沉砂池可以克服平流沉砂池中沉砂夾雜15%有機物使沉砂后續處理難度增加的缺點。本系統按照一定的時間間隔或主控人員發送強制運行命令，按制定的時序自動運行一個周期。具體控制流程圖如下：

2.2 SBR工藝的控制設計

SBR是序列間歇式活性污泥法的簡稱，是一種按間歇曝氣方式來運行的活性污泥污水處理技術，又稱序批式活性污泥法。SBR技術的核心是SBR反應池，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水、曝氣、沉淀、潷水和閑置5個過程按順序循環往復，在沉淀時，SBR 法是非流動狀態下的沉淀，是完全靜止的沉淀，沉淀效率高，經處理后的水通過SBR法工藝中的潷水器自動排水。每組SBR池由4個反應池組成，每組中只能有一個反應池處于進水階段，上一反應池進水完成即開始下一池進水，各反應池工藝處理過程嚴格按時序進行。各段時序可在循環周期范圍內根據實際工況需求任意設置，每個反應池的任何設備均可通過手動/自動轉換開關改變狀態，但均不能改變PLC所設定的工作時序， 并且一旦切入自動狀態后便進入PLC 所設定的時序。

曝氣階段是整個SBR工藝中能耗重點，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。DO值過高其結果是更多的有機物轉化為二氧化碳和水，即經由污泥的呼吸作用而消耗，造成曝氣的浪費，而且污泥容易老化。如果DO值過低，則影響到了微生物的呼吸和吸附有機物的過程，造成出水有機物含量過高。一般溶解氧濃度保持在2mg/ L 左右，活性污泥系統將具有良好的凈化作用。常規DO控制模式采用DO分段設置高低限值，在設定階段內通過高低限值開關曝氣閥門，這一通用控制方法設置的DO余度較大，生化池系統工作不穩定。對此，系統采用模糊自適應PID智能模式調節鼓風機輸出風量，同時保證曝氣調節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建立控制規則，在實際工況復雜多變的情況下能迅速調整控制參數，具有較好的魯棒性，但本質上是離散的PD控制，缺少積分環節，穩態精度稍差，而傳統PID控制穩態精度較高，故自適應模糊PID控制算法將兩者結合，大大提高了系統控制品質和動態響應速度。

自適應模糊PID控制器采用雙輸入三輸出MIMO結構，輸入由DO誤差E和誤差變化EC構成，輸出由比例系數Kp、積分系數Ki、微分系數Kd組成，在好氧曝氣階段控制器不斷檢測計算E和EC，然后根據模糊控制規則對PID的3個參數在線整定，從而調節鼓風機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定的要求，選取E、EC、Ki、Kp、Kd模糊集為{負大，負中，負小，零，正小，正中，正大}，記作 {NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}，論域為{-3，-2，-1，0，1，2，3}，隸屬度函數NL選zmf，PL選smf，其它選為三角形函數trmif。同時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PID調節參數原理，考慮不同時刻Ki、Kp、Kd的相互關系和目標穩定需求，按以下控制規則進行知識庫獲取：

1）誤差E絕對值較大時，不論EC如何變化，為了鼓風機動態響應加快，控制器Kp應取較大值;應避免積分飽和，限制積分強度，Ki應取小值;

2）當E、EC在中等大小時，為保證鼓風機響應速度并控制超調，此時KP、Ki、Kd應取值適中;

3）當E較小時，此時實際DO值已接近設定值附近，系統只需要微調即可，此時適量增大Kp、Ki，Kd在E未到達可接受范圍前，適當增大，之后可適當減小，以保證系統穩定;

根據現場采集的歷史數據，分析鼓風量對DO誤差的影響，建立以下模糊控制規則表

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參數在線自整定算法如下：

模糊PID控制的響應速度、調節周期、動穩定性優于傳統PID控制系統，在實際生產過程中，抗擾動能力將大大加強，既穩定了出水水質，又達到節能降耗的目的。

2.3 中間提升井的控制設計

中間提升井設置4臺提升泵，主要用于調節3組SBR池出水，通過啟停與變頻調節控制出水水量，減少后續過濾消毒設施的峰值流量。提升井按不同工況需求設有液控模式、恒液位控制模式、恒流量控制模式三種模式選擇。

液控模式時按提升井設定的啟停泵液位閥值和各泵累計運行時長，合理控制4臺提升泵變頻啟停，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，減輕提升泵長期運行磨損;恒液位控制模式在需要恒定控制提升井液位時選擇投入，可根據液位變化和趨勢變化對泵頻率進行PID調節;恒流量控制模式按照泵性能曲線，計算泵理論供水能力，根據出水目標流量計算當前泵的投運臺數和初始頻率，并根據實際出水流量反饋對頻率進行微調，充分利用提升井蓄流能力穩定出水流量;

實際投運過程中，在用于SBR非連續出水工況下對比液控模式和恒流量模式出水流量曲線，恒流量模式流量穩定性明顯優于液控模式，且泵投運數量一直保持兩臺即可滿足生產需要，而液控模式下因間斷性出水造成泵投入數量波動較大，泵啟停次數較頻繁。出水流量曲線對比如下：

（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同步加入磁粉，使之與污染物絮凝結合成一體，加強絮凝效果，提高沉淀效率。同時磁粉可以通過磁鼓回收循環使用。由于其高速沉淀的性能，使其與傳統工藝相比，具有速度快、效率高、占地面積小、投資小等諸多優點

磁混凝高效沉淀系統由反應池、沉淀池、污泥回流系統、磁粉回收系統、加藥系統等組成。核心加藥系統按前饋控制+反饋智能調節控制方案保證出水指標，前饋控制根據進水濁度和進水流量按專家加礬曲線預置加藥量和磁粉投加比例系數，根據出水水質檢測與設定值進行比較，根據偏差和偏差變化率采用模糊控制算法進行反饋校正，使出水水質滿足要求。

2.5 高效纖維過濾罐

采用絮凝加藥裝置在泵前往循環水中投加絮凝劑，原水通過增壓泵增壓后，絮凝劑經水泵葉輪攪拌后均勻混合將原水中的細小固體顆粒懸浮和膠體物質進行微絮凝反應，快速生成體積大于5微米的絮體，流經過濾系統管路進入高效不對稱纖維過濾器，絮凝物被濾料過濾截留。

主要設備包括PAM投加系統、進水調節閥、過濾出水閥、反沖進水閥、反沖空氣閥、反沖出水閥、公用設備（鼓風機和水泵）等組成。PAM投加系統采用流量比例控制，過濾階段通過PID調節進水閥控制罐內液位保持恒定，過濾時間到或液位差達到設定值開始對此過濾罐進行反沖洗，多臺過濾罐同一時段都需反沖洗時，按照先入先出原則排隊進行反沖洗。過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、細菌及其它致病體的DNA，紫外線穿透微生物的細胞膜和細胞核，使其失去復制能力或活性而死亡。

紫外消毒池自動控制包括紫外光強度自動監測、自動清洗系統、水位控制系統等。

紫外光強度自動監測：系統可以根據實時檢測到的UVC劑量，對紫外燈管的輸出強度參照流量及污水UVC透過率的變化進行自動調整，以節約運行費用; 自動清洗系統：采用自動機械清洗方式，運行模式有手動和自動，自動清洗模式時，根據紫外線光強變化或清洗周期自動運行和停止。水位控制系統：通過明渠水位傳感器自動調節出水調節閥，確保水渠中的水位保持在設計的數值范圍，當明渠水位長時間超出設定最小/最大水位時能自動向控制系統發出警報，將燈管熄滅。

2.7 進出水水質

控制系統具有較高的先進性、穩定性，有力的保證了出水指標達到設計標準（城市污水排放標準一級A）。具體水質指標如下表：

3、結束語

污水處理行業“十三五規劃”、《水十條》和《國家新型城鎮化規劃》等文件對全國所有縣城、重點鎮的污水處理能力提出了新的要求，在此背景下各污水廠對控制系統的高效、節能、穩定性提出了更高的要求。

本項目通過采用基于總線式傳感器分布式控制系統，極大的保證了系統穩定性、健壯性以及可擴展性，結合先進的工藝控制邏輯和算法，有效保證了全廠工藝設備的高效、節能和出水指標穩定，該控制系統在類似污水處理工藝系統中有較大的推廣意義。

參考文獻

[1] 代芳，基于PLC的SBR污水處理方法 南昌工程學院學報， 2014（01）

[2] 吳凌云，基于PLC的模糊控制器在污水處理中的應用，機電一體化， 2003（04）

[3] 高素萍， 尹麗娟， 徐勤， Intouch組態軟件在計算機監控系統中的應用， 計算機工程與設計， 2007（13）

[4] 劉金強， 梁竹君， 施耐德PLC和intouch組態軟件在自來水處理自動控制系統中的應用， 科技創新與應用， 2015（33）