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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(wěn)定性，但操作相對復雜，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(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計多臺AB CompactLogix PLC控制器，保證了核心系統(tǒng)可靠性。利用當前成熟先進的工業(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)絡化智能傳感器，顯著提高了系統(tǒng)抗干擾能力，縮短響應時間，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(fā)，同時設置工業(yè)歷史庫，用于存儲歷史數(shù)據(jù)，并預留信息化系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口。全廠控制系統(tǒng)架構(gòu)如下：

2.1 預處理系統(tǒng)控制設計

預處理系統(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(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(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(cè)墻上設置一排空氣擴散器，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，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(huán)周期范圍內(nèi)根據(jù)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(zhuǎn)換開關改變狀態(tài)，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(tài)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(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分段設置高低限值，在設定階段內(nèi)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(tǒng)工作不穩(wěn)定。對此，系統(tǒng)采用模糊自適應PID智能模式調(diào)節(jié)鼓風機輸出風量，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)響應速度。

自適應模糊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]。

根據(jù)PID調(diào)節(jié)參數(shù)原理，考慮不同時刻Ki、Kp、Kd的相互關系和目標穩(wěn)定需求，按以下控制規(guī)則進行知識庫獲?。?/p>

1）誤差E絕對值較大時，不論EC如何變化，為了鼓風機動態(tài)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(diào)，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(tǒng)只需要微調(diào)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(tǒng)穩(wěn)定;

根據(jù)現(xiàn)場采集的歷史數(shù)據(jù)，分析鼓風量對DO誤差的影響，建立以下模糊控制規(guī)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(shù)在線自整定算法如下：

模糊PID控制的響應速度、調(diào)節(jié)周期、動穩(wěn)定性優(yōu)于傳統(tǒng)PID控制系統(tǒng)，在實際生產(chǎn)過程中，抗擾動能力將大大加強，既穩(wěn)定了出水水質(zhì)，又達到節(jié)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(diào)節(jié)3組SBR池出水，通過啟停與變頻調(diào)節(jié)控制出水水量，減少后續(xù)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(jù)液位變化和趨勢變化對泵頻率進行PID調(diào)節(jié);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(jù)出水目標流量計算當前泵的投運臺數(shù)和初始頻率，并根據(jù)實際出水流量反饋對頻率進行微調(diào)，充分利用提升井蓄流能力穩(wěn)定出水流量;

實際投運過程中，在用于SBR非連續(xù)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(wěn)定性明顯優(yōu)于液控模式，且泵投運數(shù)量一直保持兩臺即可滿足生產(chǎn)需要，而液控模式下因間斷性出水造成泵投入數(shù)量波動較大，泵啟停次數(shù)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(jié)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(huán)使用。由于其高速沉淀的性能，使其與傳統(tǒng)工藝相比，具有速度快、效率高、占地面積小、投資小等諸多優(yōu)點

磁混凝高效沉淀系統(tǒng)由反應池、沉淀池、污泥回流系統(tǒng)、磁粉回收系統(tǒng)、加藥系統(tǒng)等組成。核心加藥系統(tǒng)按前饋控制+反饋智能調(diào)節(jié)控制方案保證出水指標，前饋控制根據(jù)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(shù)，根據(jù)出水水質(zhì)檢測與設定值進行比較，根據(jù)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(zhì)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(huán)水中投加絮凝劑，原水通過增壓泵增壓后，絮凝劑經(jīng)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(zhì)進行微絮凝反應，快速生成體積大于5微米的絮體，流經(jīng)過濾系統(tǒng)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(tǒng)、進水調(diào)節(jié)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(tǒng)采用流量比例控制，過濾階段通過PID調(diào)節(jié)進水閥控制罐內(nèi)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(jiān)測、自動清洗系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)等。

紫外光強度自動監(jiān)測：系統(tǒng)可以根據(jù)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(diào)整，以節(jié)約運行費用; 自動清洗系統(tǒng)：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(jù)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(tǒng)：通過明渠水位傳感器自動調(diào)節(jié)出水調(diào)節(jié)閥，確保水渠中的水位保持在設計的數(shù)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(tǒng)發(fā)出警報，將燈管熄滅。

2.7 進出水水質(zhì)

控制系統(tǒng)具有較高的先進性、穩(wěn)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(zhì)指標如下表：

3、結(jié)束語

污水處理行業(yè)“十三五規(guī)劃”、《水十條》和《國家新型城鎮(zhèn)化規(guī)劃》等文件對全國所有縣城、重點鎮(zhèn)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(tǒng)的高效、節(jié)能、穩(wěn)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(tǒng)，極大的保證了系統(tǒng)穩(wěn)定性、健壯性以及可擴展性，結(jié)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(jié)能和出水指標穩(wěn)定，該控制系統(tǒng)在類似污水處理工藝系統(tǒng)中有較大的推廣意義。

參考文獻

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