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(tǒng)組成，以及主要工藝段優(yōu)化控制的設(shè)計與應(yīng)用。

　　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，但操作相對復(fù)雜，對自動化控制要求較高。近年來國內(nèi)污水處理行業(yè)大部分已實現(xiàn)PLC自動控制，但大多數(shù)只具備簡單的設(shè)備啟停與聯(lián)鎖控制功能，很少會根據(jù)不同工藝特點進行優(yōu)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(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

　　某集團城市污水處理廠設(shè)計日處理能力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、高效纖維過濾、紫外消毒、污泥脫水等工藝系統(tǒng)構(gòu)成。

　　本項目控制系統(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)計多臺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(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)時間，改善了系統(tǒng)測量及控制的精細程度。上位機系統(tǒng)采用國際先進組態(tài)軟件Wonderware Intouch，按照對象化、模塊化的軟件架構(gòu)模式進行開發(fā)實施。在中控室設(shè)置4臺操作員站，可互為備用，設(shè)工程師站1臺，用于項目開發(fā)，同時設(shè)置工業(yè)歷史庫，用于存儲歷史數(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

　　預(yù)處理系統(tǒng)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(xù)處理設(shè)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(yōu)先的運行模式，停止時應(yīng)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(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的污水提升至后續(xù)處理單元所要求的高度，使其實現(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(shè)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(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池進水階段的啟泵臺數(shù)和頻率，根據(jù)實時液位與當(dāng)前目標液位的液位差自動加減頻率修正當(dāng)前進水流量，控制當(dāng)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(yīng)。

　　2.1.3 曝氣沉砂池是在平流沉砂池的側(cè)墻上設(shè)置一排空氣擴散器，使污水產(chǎn)生橫向流動，形成螺旋形的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。其構(gòu)造特點是由進水裝置、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%有機物使沉砂后續(xù)處理難度增加的缺點。本系統(tǒng)按照一定的時間間隔或主控人員發(fā)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(shè)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(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水、曝氣、沉淀、潷水和閑置5個過程按順序循環(huán)往復(fù)，在沉淀時，SBR 法是非流動狀態(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SBR法工藝中的潷水器自動排水。每組SBR池由4個反應(yīng)池組成，每組中只能有一個反應(yīng)池處于進水階段，上一反應(yīng)池進水完成即開始下一池進水，各反應(yīng)池工藝處理過程嚴格按時序進行。各段時序可在循環(huán)周期范圍內(nèi)根據(jù)實際工況需求任意設(shè)置，每個反應(yīng)池的任何設(shè)備均可通過手動/自動轉(zhuǎn)換開關(guān)改變狀態(tài)，但均不能改變PLC所設(shè)定的工作時序， 并且一旦切入自動狀態(tài)后便進入PLC 所設(shè)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(jié)果是更多的有機物轉(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，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(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)機輸出風(fēng)量，同時保證曝氣調(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建立控制規(guī)則，在實際工況復(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計算E和EC，然后根據(jù)模糊控制規(guī)則對PID的3個參數(shù)在線整定，從而調(diào)節(jié)鼓風(fēng)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(wěn)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(shù)NL選zmf，PL選smf，其它選為三角形函數(shù)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]。

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