基于SBR工艺城市污水自动控制优化应用

易建国

摘 要：本文以某大型SBR污水处理厂为背景，详细论述了SBR工艺城市污水处理的控制系统组成，以及主要工艺段优化控制的设计与应用。

关键词：SBR;AB PLC;INTOUCH;自动控制

1、前言

SBR序批式活性污泥法处理工艺占地小，平面布置紧凑，工艺具有较好的稳定性，但操作相对复杂，对自动化控制要求较高。近年来国内污水处理行业大部分已实现PLC自动控制，但大多数只具备简单的设备启停与联锁控制功能，很少会根据不同工艺特点进行优化控制。本文将通过某大型SBR工艺城市污水处理厂控制系统阐述主要工艺段优化控制方法。

2、控制系统应用设计

某集团城市污水处理厂设计日处理能力100000t，采用SBR工艺作为主处理工艺，由预处理、SBR反应池、提升井、磁混凝沉淀、高效纤维过滤、紫外消毒、污泥脱水等工艺系统构成。

本项目控制系统采用集散控制系统架构，根据不同工艺段重要性和地理分布位置设计多台AB CompactLogix PLC控制器，保证了核心系统可靠性。利用当前成熟先进的工业以太网Ethernet/IP技术构成全厂控制和监控环网，保证了全厂数据传输实时性、可互操作性、抗干扰性和安全性。各工艺段仪表采用PROFIBUS-DP协议数字化、网络化智能传感器，显著提高了系统抗干扰能力，缩短响应时间，改善了系统测量及控制的精细程度。上位机系统采用国际先进组态软件Wonderware Intouch，按照对象化、模块化的软件架构模式进行开发实施。在中控室设置4台操作员站，可互为备用，设工程师站1台，用于项目开发，同时设置工业历史库，用于存储历史数据，并预留信息化系统数据接口。全厂控制系统架构如下：

2.1 预处理系统控制设计

预处理系统主要包括粗格栅、提升泵房、细格栅、曝气沉砂池等工艺：

2.1.1 粗格栅和细格栅主要用于去除堵塞水泵机组及管道阀门的悬浮物，并保证后续处理设施能正常运行。格栅除污机采用时间控制、液位差控制、混合控制三种方式，采用螺旋输送机优先的运行模式，停止时应先将格栅停止后再使螺旋输送机停止。在确保水量及合理的水头损失前提下，合理缩短格栅的运行时间，既保证了栅渣的积累，避免无效运行，又减轻设备的磨损和节约能耗。

2.1.2 污水提升泵站的作用是将上游来的污水提升至后续处理单元所要求的高度，使其实现重力流。提升泵站采用泵站液控模式或SBR池液控模式灵活、高效、节能完成污水提升。

泵站液控模式按照提升泵站设定的启停泵液位阀值和各泵累计运行时长，控制4台提升泵变频和工频启停，即能保证泵站液位控制在设定液位又高效利用各提升泵工作性能，减轻提升泵长期运行磨损;SBR池液控优化模式是根据SBR池容积模型和提升泵供水能力，优化调度当前SBR池进水阶段的启泵台数和频率，根据实时液位与当前目标液位的液位差自动加减频率修正当前进水流量，控制当前进水速率，有效保证硝酸盐氮和污水碳源的充分接触反应。

2.1.3 曝气沉砂池是在平流沉砂池的侧墙上设置一排空气扩散器，使污水产生横向流动，形成螺旋形的旋转状态。其构造特点是由进水装置、出水装置、沉淀区、曝气系统和排泥装置组成，曝气沉砂池可以克服平流沉砂池中沉砂夹杂15%有机物使沉砂后续处理难度增加的缺点。本系统按照一定的时间间隔或主控人员发送强制运行命令，按制定的时序自动运行一个周期。具体控制流程图如下：

2.2 SBR工艺的控制设计

SBR是序列间歇式活性污泥法的简称，是一种按间歇曝气方式来运行的活性污泥污水处理技术，又称序批式活性污泥法。SBR技术的核心是SBR反应池，该池集均化、初沉、生物降解、二沉等功能于一池。

SBR 法工艺处理周期由进水、曝气、沉淀、滗水和闲置5个过程按顺序循环往复，在沉淀时，SBR 法是非流动状态下的沉淀，是完全静止的沉淀，沉淀效率高，经处理后的水通过SBR法工艺中的滗水器自动排水。每组SBR池由4个反应池组成，每组中只能有一个反应池处于进水阶段，上一反应池進水完成即开始下一池进水，各反应池工艺处理过程严格按时序进行。各段时序可在循环周期范围内根据实际工况需求任意设置，每个反应池的任何设备均可通过手动/自动转换开关改变状态，但均不能改变PLC所设定的工作时序， 并且一旦切入自动状态后便进入PLC 所设定的时序。

曝气阶段是整个SBR工艺中能耗重点，曝气能耗占全厂电能耗的50%以上，DO值控制是工艺控制难点。DO值过高其结果是更多的有机物转化为二氧化碳和水，即经由污泥的呼吸作用而消耗，造成曝气的浪费，而且污泥容易老化。如果DO值过低，则影响到了微生物的呼吸和吸附有机物的过程，造成出水有机物含量过高。一般溶解氧浓度保持在2mg/ L 左右，活性污泥系统将具有良好的净化作用。常规DO控制模式采用DO分段设置高低限值，在设定阶段内通过高低限值开关曝气阀门，这一通用控制方法设置的DO余度较大，生化池系统工作不稳定。对此，系统采用模糊自适应PID智能模式调节鼓风机输出风量，同时保证曝气调节阀在大开度条件下工作，减少因压力损耗而造成的能源损耗。

模糊控制以专家知识建立控制规则，在实际工况复杂多变的情况下能迅速调整控制参数，具有较好的鲁棒性，但本质上是离散的PD控制，缺少积分环节，稳态精度稍差，而传统PID控制稳态精度较高，故自适应模糊PID控制算法将两者结合，大大提高了系统控制品质和动态响应速度。

自适应模糊PID控制器采用双输入三输出MIMO结构，输入由DO误差E和误差变化EC构成，输出由比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd组成，在好氧曝气阶段控制器不断检测计算E和EC，然后根据模糊控制规则对PID的3个参数在线整定，从而调节鼓风机变频器控制频率增量，最终将e控制在零附近。综合控制精度和控制稳定的要求，选取E、EC、Ki、Kp、Kd模糊集为{负大，负中，负小，零，正小，正中，正大}，记作 {NL，NM，NS，ZO，PS，PM，PL}，论域为{-3，-2，-1，0，1，2，3}，隶属度函数NL选zmf，PL选smf，其它选为三角形函数trmif。同时DO的偏差E、EC、Kp、Ki、Kd基本论域范围分别取[-0.3，0.3]、[-0.03， 0.03]、[-60， 60]、[-10， 10]、[-6， 6]。

根据PID调节参数原理，考虑不同时刻Ki、Kp、Kd的相互关系和目标稳定需求，按以下控制规则进行知识库获取：

1）误差E绝对值较大时，不论EC如何变化，为了鼓风机动态响应加快，控制器Kp应取较大值;应避免积分饱和，限制积分强度，Ki应取小值;

2）当E、EC在中等大小时，为保证鼓风机响应速度并控制超调，此时KP、Ki、Kd应取值适中;

3）当E较小时，此时实际DO值已接近设定值附近，系统只需要微调即可，此时适量增大Kp、Ki，Kd在E未到达可接受范围前，适当增大，之后可适当减小，以保证系统稳定;

根据现场采集的历史数据，分析鼓风量对DO误差的影响，建立以下模糊控制规则表

在解模糊算法处理中选择模糊信息考虑较全面的重心法，通过模糊算法由模糊推理得出模糊控制查询表，具体在PLC中PID参数在线自整定算法如下：

模糊PID控制的响应速度、调节周期、动稳定性优于传统PID控制系统，在实际生产过程中，抗扰动能力将大大加强，既稳定了出水水质，又达到节能降耗的目的。

2.3 中间提升井的控制设计

中间提升井设置4台提升泵，主要用于调节3组SBR池出水，通过启停与变频调节控制出水水量，减少后续过滤消毒设施的峰值流量。提升井按不同工况需求设有液控模式、恒液位控制模式、恒流量控制模式三种模式选择。

液控模式时按提升井设定的启停泵液位阀值和各泵累计运行时长，合理控制4台提升泵变频启停，即能保证泵站液位控制在合理液位又高效利用各提升泵工作性能，减轻提升泵长期运行磨损;恒液位控制模式在需要恒定控制提升井液位时选择投入，可根据液位变化和趋势变化对泵频率进行PID调节;恒流量控制模式按照泵性能曲线，计算泵理论供水能力，根据出水目标流量计算当前泵的投运台数和初始频率，并根据实际出水流量反馈对频率进行微调，充分利用提升井蓄流能力稳定出水流量;

实际投运过程中，在用于SBR非连续出水工况下对比液控模式和恒流量模式出水流量曲线，恒流量模式流量稳定性明显优于液控模式，且泵投运数量一直保持两台即可满足生产需要，而液控模式下因间断性出水造成泵投入数量波动较大，泵启停次数较频繁。出水流量曲线对比如下：

（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

混凝沉淀工艺中在加入混凝剂时同步加入磁粉，使之与污染物絮凝结合成一体，加强絮凝效果，提高沉淀效率。同时磁粉可以通过磁鼓回收循环使用。由于其高速沉淀的性能，使其与传统工艺相比，具有速度快、效率高、占地面积小、投资小等诸多优点

磁混凝高效沉淀系统由反应池、沉淀池、污泥回流系统、磁粉回收系统、加药系统等组成。核心加药系统按前馈控制+反馈智能调节控制方案保证出水指标，前馈控制根据进水浊度和进水流量按专家加矾曲線预置加药量和磁粉投加比例系数，根据出水水质检测与设定值进行比较，根据偏差和偏差变化率采用模糊控制算法进行反馈校正，使出水水质满足要求。

2.5 高效纤维过滤罐

采用絮凝加药装置在泵前往循环水中投加絮凝剂，原水通过增压泵增压后，絮凝剂经水泵叶轮搅拌后均匀混合将原水中的细小固体颗粒悬浮和胶体物质进行微絮凝反应，快速生成体积大于5微米的絮体，流经过滤系统管路进入高效不对称纤维过滤器，絮凝物被滤料过滤截留。

主要设备包括PAM投加系统、进水调节阀、过滤出水阀、反冲进水阀、反冲空气阀、反冲出水阀、公用设备（鼓风机和水泵）等组成。PAM投加系统采用流量比例控制，过滤阶段通过PID调节进水阀控制罐内液位保持恒定，过滤时间到或液位差达到设定值开始对此过滤罐进行反冲洗，多台过滤罐同一时段都需反冲洗时，按照先入先出原则排队进行反冲洗。过滤罐工艺控制流程如下图：

2.6 紫外消毒池

紫外线的杀菌原理是利用紫外光的能量破坏水体中各种病毒、细菌及其它致病体的DNA，紫外线穿透微生物的细胞膜和细胞核，使其失去复制能力或活性而死亡。

紫外消毒池自动控制包括紫外光强度自动监测、自动清洗系统、水位控制系统等。

紫外光强度自动监测：系统可以根据实时检测到的UVC剂量，对紫外灯管的输出强度参照流量及污水UVC透过率的变化进行自动调整，以节约运行费用; 自动清洗系统：采用自动机械清洗方式，运行模式有手动和自动，自动清洗模式时，根据紫外线光强变化或清洗周期自动运行和停止。水位控制系统：通过明渠水位传感器自动调节出水调节阀，确保水渠中的水位保持在设计的数值范围，当明渠水位长时间超出设定最小/最大水位时能自动向控制系统发出警报，将灯管熄灭。

2.7 进出水水质

控制系统具有较高的先进性、稳定性，有力的保证了出水指标达到设计标准（城市污水排放标准一级A）。具体水质指标如下表：

3、结束语

污水处理行业“十三五规划”、《水十条》和《国家新型城镇化规划》等文件对全国所有县城、重点镇的污水处理能力提出了新的要求，在此背景下各污水厂对控制系统的高效、节能、稳定性提出了更高的要求。

本项目通过采用基于总线式传感器分布式控制系统，极大的保证了系统稳定性、健壮性以及可扩展性，结合先进的工艺控制逻辑和算法，有效保证了全厂工艺设备的高效、节能和出水指标稳定，该控制系统在类似污水处理工艺系统中有较大的推广意义。

参考文献

[1] 代芳，基于PLC的SBR污水处理方法 南昌工程学院学报， 2014（01）

[2] 吴凌云，基于PLC的模糊控制器在污水处理中的应用，机电一体化， 2003（04）

[3] 高素萍， 尹丽娟， 徐勤， Intouch组态软件在计算机监控系统中的应用， 计算机工程与设计， 2007（13）

[4] 刘金强， 梁竹君， 施耐德PLC和intouch组态软件在自来水处理自动控制系统中的应用， 科技创新与应用， 2015（33）