应对进水量临界波动的SBR控制工艺改良

郭 毅，杨天博*，李冬亮

（1.北控水务（中国）投资有限公司 数字化研究院，北京 100102）

（2.陕西北控水务有限公司 北京分公司技术部，北京 100102）

0 引言

随着城镇化建设的推动，城市面积扩张，城市居住人口增加，导致生活污水排放量大幅增长，很多建设年代较早的城镇污水厂处理能力无法满足现有处理需求，在白天用水高峰进水量超过污水厂设计处理能力，大量未处理污水直接超越排放，而夜间进水变少，污水厂处于低负荷运行状态，处理效率降低，造成资源、能源的浪费。

为了应对这一挑战，尝试对采用SBR（序批式活性污泥法）处理工艺的污水处理厂的控制方法进行改进，以应对进水量在设计值附近临界波动的情况，进一步提升污水厂的处理水量和运行效率。

1 介绍

凯里市位于贵州省黔东南苗侗自治州，凯里市第一污水处理厂（简称凯里一污）设计处理能力为5万吨/日，但由于SBR池控制逻辑不够完善，近年实际日均最大处理量仅有4.6万吨/日。白天，凯里地区污水排放量超过凯里一污最大处理能力，大量未处理污水超越排放造成污染，夜晚24时至第二天6时的排水低谷期，进水量下降，约有5个小时时间进水量不足白天的60%，而SBR生化池仍按照白天的控制逻辑自动运行，造成能源的浪费。当地环保部门因此承受很大压力，但因资金问题一直未能进行扩容整改。

图1 凯里一污进水量曲线

2020年北控水务集团启动凯里地区智慧化建设，对水厂进行自动化改造，统一智慧化管理。以此为契机，针对进水量临界波动较大的问题，对现有SBR池控制工艺进行实验性改进。改良后的新控制程序可以有效提升水厂污水处理效率，减少未处理污水的排放，同时在低水量时间段节约能源。

2 技术方案及实验过程

2.1 原控制工艺存在的不足

原控制程序中，单座SBR池按时序自动执行各阶段动作，即自动按时钟顺序自动控制阀门，回流泵，风机，滗水器，排泥泵的启停及相关阀门开闭。运行周期为4小时或6小时，4池组每天运行6周期或4周期。为达到全自动运行的目的，时钟逻辑设计为：

1）单池周期=T1（进水/搅拌/曝气）+T2（沉淀）+T3（滗水/排泥）+T4（闲置）；

2）单池周期=2 x T1（进水/搅拌/曝气）；

3）T1=延迟时间+搅拌时间+曝气时间；

4）T4=单池周期-（T1+T2+T3）。

T1、T2、T3可根据生产需要调节设置，进入T1期间时开始进水，在T1范围内进水时间可任意设置。

此前，凯里一污运行人员为保证出水水质同时尽可能的提升处理能力，进行了认真的摸索和计算，最终确定单池生产周期为240分钟，T1为120分钟，T1期间的进水时间为60分钟。在此条件下，4个生化池可连续进水。大部分时间可以良好处理凯里地区污水。

但此控制逻辑仍有不足之处：

1）单池周期由T1决定（周期为2倍T1），如果延长搅拌/曝气时间δt，整个周期会延长2δt；

2）若延长T1时间，由于T2、T3在生产中变化不会太大，就导致T4自动延长；

3）T4（闲置）无法提前结束，导致池组无法灵活衔接，造成生产能力的浪费，若T4过大还会进入厌氧状态。

而且原有控制逻辑无法有效应对凯里一污昼夜水量的变化，若希望在高水量期间获得更大处理能力，同时在低水量期间减少曝气等能耗，势必需要操作人员频繁操作修改参数，池组无法全自动运行。

2.2 新的探索

针对凯里一污的情况，我们期望通过对SBR池组控制工艺进行改进以提升污水厂的运行效率和处理能力，实现全自动运行的情况下，提升日间处理水量，降低夜间曝气电耗。

经过分析我们认为该系统需要进行改进之处在于：

1）低水量负荷时，减少运行周期数，增加单池处理水量。

低水量负荷时，一个周期内进水量较少，需要减少曝气时间、降低风机运行频率，否则会造成风机电能的浪费和过曝；若通过延长进水时间的方式提高单个周期进水水量，就需要在进水量由高变低、由低变高时反复修改进水时间、搅拌时间、曝气时间几个参数，尤其是在进水量由低变高时，需要及时减小进水时间避免溢流。

2）高水量负荷时，增加运行周期数，增加单池处理水量。

可以选择通过加快进水速度使单个周期进水水量增加，但此前的SBR自控程序，若加快进水速度势必要延长T1（更长的搅拌、曝气时间），从而使整个周期变长（延长时间是T1延长的2倍），造成单位时间处理效率降低，处理水量无法进一步提升；而且由4个池子组成的池组，其进水时间必须大于1/4单池周期，否则会出现进水不连续的情况，这对于自流进水的污水处理厂是无法接受的。

3）自动曝气：将原本的人工设定风机曝气频率，调整为DO自动控制风机频率，以适应水量变化时风量需求的变化。

于是，我们对控制逻辑和方式进行了修改：

首先，我们对运行周期进行修改：

单池周期=T1（进水）+T2（停止进水后曝气）+T3（沉淀）+T4（滗水），将闲置阶段作为一个单独的状态排除到周期外。T1、T2、T3、T4都可以单独设置。

其中T1阶段全阶段持续进水，同时先搅拌后曝气，停止进水后进入T2阶段继续曝气，因此总的曝气时间是由进水曝气和停止进水后的曝气两部分组成。

然后，将进水阶段由时间控制，改为时间、液位双参数控制。如果在设定进水时间T1结束之前生化池液位升高至设定液位（高液位），则停止进水进入曝气阶段T2（闷曝）。这样就可以保证每个周期处理水量，解决低水量负荷期间曝气浪费的问题，从而节约电能，也使得整个周期变得更加有弹性。为增加单周期处理水量，将SBR池工作液位区间调整加大为3.8m～6m。

同样的将滗水阶段也改为时间、液位双参数控制以缩短单周期时间，并将滗水速度与SBR生化池后的中间提升池液位联动以提升滗水速度。

为了使进水曝气和停止进水后曝气连续（避免风机频繁启停），从进水开始第n分钟（目前设定为3分钟）进行第一次计算，预估按照当前进水速度到达设定液位的时间，之后每3分钟进行一次计算对到达设定液位的剩余时间进行修正。当计算所得剩余时间小于等于进水阶段曝气时间时，T1进度直接跳转到进水曝气时间点，启动曝气风机开始曝气。

第三，增加进度修正功能，实现在全自动运行条件下生化池一个周期内进度按分钟尺度任意调整。

最后，增加以DO为控制目标值的自动曝气功能。

2.3 实验过程

为验证新控制逻辑的有效性，以及整体改良效果，设计了分阶段的实验步骤，以了解各因素的自变因变关系，验证改良效果。

第一阶段：

目标：解决低水量时曝气浪费问题，节省风机电量

地点：凯里一污。

过程：在保持水厂日处理水量不变的情况下，投入新自控程序，实验期间夜间水量负荷为80%左右，进水时长由60分钟延长为75分钟，低水量期间风机运行时间减少20%。

结论：新的控制程序可以有效减少低水量时间段风机运行时间，降低能耗。

第二阶段：

目标：缩短运行周期，增加单位时间运行周期数，提高水厂处理能力。

地点：凯里一污。

过程：在高水量时间段，加大进水阀门开度，提高自流进水量。控制程序根据进水速度自动控制进水时间，同时人为设定总曝气时间为75分钟，沉淀时间为50分钟，滗水时间为55分钟，将运行周期压缩至220分钟。经验证，在高水量期间（约19小时）共运行个20.2个周期，较原程序提高个1.2个周期，按滗水区间4-6米计算，每周期每池处理水量2400吨，即每天可多处理污水2880吨。实验时应注意避免进水阀门开度过大，使进水时间小于1/4个周期，导致不能连续进水。

运行稳定后，将SBR池滗水液位修改为3.85米-6米，即增加0.15米滗水行程，使单周期处理水量增加0.15×1200（池面积）=180立方米（吨），即每日多处理污水180×20=3600吨。

结论：新的控制方法可以缩短SBR池处理周期，增加单位时间运行周期数，从而提高处理水量，配合滗水器行程增加，可显著提升处理能力、效率。

第三阶段：

目标：自动曝气。

过程：投入风机自动控制程序，根据溶氧设定值自动调节风机运行频率。开始曝气时风机按照最大频率运行，DO达到1.6mg/L自动降低风机运行频率，DO低于1.4mg/L自动调高风机运行频率。经验证在自动曝气模式下，溶氧值在一定区间波动，可以满足生化段过程处理需要。

结论：新程序可以提高自动化程度减少人工干预，而且在曝气阶段风机20%时间运行在较低频率，也节省了能耗。

2.4 实验结论

经试验验证可以看出，改良后的控制工艺使SBR单元在工艺、能耗、处理水量等方面得到多维度改善：

1）减少工艺调整次数

因每一周期处理水量、水位达到相同参数，在无水质突变异常情况下，对工艺无需反复调整，4个池子同步镜像管理，减少了因水量变化导致的工艺调整次数。

2）降低能耗

低水量负荷期，由于T1（进水时间）可自动延长，且池内液位达到指定值才进入曝气阶段，所以避免了“空池”、“半池”曝气，且夜间运行周期数减少，减少了风机运行时间，降低了能耗。

3）增加处理水量

可根据进水量在合理范围内自动缩短单池运行周期，增加单位时间运行周期数，提高单池处理水量，一定程度提升水厂处理能力。

4）自动曝气

根据DO值PLC自动调整风机运行频率，减少人工干预，提高生产效率。

5）工艺调整灵活

由于增加了进度修正功能，可实现在全自动运行条件下生化池一个周期内进度按分钟尺度任意调整。提高了对突发情况的应对能力。

3 经济效益

凯里一污改良后的SBR池经济效益主要体现在两方面：

1）提升日处理水量

凯里一污设计处理水量5万吨/日，此前实际日均最大处理水量4.6万吨左右，采用新的控制方法后日处理水量有显著提升，近年及今年处理水量数据如表1所示。

表1

保守估计SBR池改良后凯里一污日均处理水量可增加5000吨，按照最终处理水价1.23元/吨计算，则每月收益增加18万元，每年收益增加200余万元，相比改进SBR池程序和试验投入的成本，总体效益非常可观。

2）节省电能

随着处理水量的提升和夜间风机运行时间的减少，处理单位水量的电耗明显减少，吨水电耗由0.2162度下降至0.1788度，预计每年可节约40万元。

4 价值及可推广性分析

改进后的SBR控制工艺有以下特点：

1）对水量变化适应性强；

2）一定程度提升处理水量；

3）低水量时避免能效浪费；

4）只需要进行程序优化，投入低。

结合凯里一污的特点，改进后的SBR控制工艺适用于三种情况：

（1）进水水量变化大；

（2）水厂未满负荷运行；

（3）部分水量超负荷水厂。

在以上几种情况下，改进后的SBR控制工艺可以很好的发挥作用，为水厂以及公司减少能效浪费，提升收益。

5 结语

改进后的SBR控制工艺可以有效应对污水厂进水量波动的情况，在进水量超过设计值的临界情况下可以进一步提升处理能力，水量较低时可减少设备的运行时间，在提高生产效率同时实现节能降耗，具有一定的推广价值。