污水處理生化池曝氣量的智能控制系統

摘?要：針對國內大多數污水處理廠曝氣量的分配、供應效果很不理想，溶解氧濃度控制滯后、精度低、波動大、能耗高以及直接影響處理效果。本文敘述了已成功開發並應用的污水處理生化池曝氣量的智能控制系統。該系統能在水質水量不變時和變化時，採用串級、前饋、反饋控制和智能模型，保證曝氣平衡，並根據閥門的開度大小，調節鼓風機的操作壓力，達到節能的目的。本文對控制系統的設計思想、系統配置、控制演算法、軟體設計作了重點介紹，並給出了實際使用效果。

關鍵詞：曝氣量?溶解氧濃度控制?智能控制?PLC

1、引言

目前國內外污水處理工藝主要採用傳統活性污泥法及其變形工藝：A-B工藝、A-O工藝、A2O工藝（及其改良）、SBR工藝、CASS等工藝，其中污水處理過程中生化池的曝氣量控制始終是個難題。污水處理曝氣過程中溶解氧的分佈情況，直接影響污水處理的效果及污泥活力甚至出水水質。在歐洲，溶解氧濃度的設定值由十年前2～5mg/l，最近十年設定值2mg/l，到現在的1.0～1.2mg/l，國外也在結合不同的實際運行工況，不斷地摸索最合適的溶解氧濃度，降低原始設定值。

現在國內大多數污水處理廠曝氣量的分配、供應效果很不理想，溶解氧濃度振蕩大，周圍前後段溶解氧濃度相差很大，直接影響出水水質。大多數污水處理廠曝氣量的分配、供應仍然靠人工遠地手控，很容易產生差錯，對系統造成人為的衝擊。有一些污水處理廠也使用了自動化控制系統，其處理方法是以生化池溶解氧信號為控制信號，蝶閥為執行元件的方式進行控制，定值調節曝氣池內溶解氧的濃度。在污水處理廠實際運行控制中，這兩種方法均達不到很好的控制效果，控制滯后、精度低、溶解氧波動大、能耗高以及直接影響處理效果。

所以，研究和推廣新的控制系統來提高城市污水處理生產工藝水平很有必要，並且應該能滿足以下要求：

精確、穩定地控制污水曝氣池中的溶解氧濃度，提高生化處理率，改善出水水質;

實時根據風向、風力、溫度、進水水質情況改善溶解氧濃度，調整氣體流量，以需定供，及時、準確、科學的分配氣體;

優化鼓風機的運行，以達到節能減耗的目的;

避免由於溶氧儀儀錶故障而造成整套工藝癱瘓，曝氣不足或過量所造成的微生物的生長成活率，從而影響污水處理廠的正常生產;

降低污水處理廠的運行成本，減少值班人員的操作難度，提高工作效率;

替代國外同類產品，出口創匯。

2、設計思想

在系統穩定的情況下，假設進水水量、水質、水溫等條件都保持不變，鼓風機出口壓力、曝氣量也不變，耗氧速率和充氧速率基本平衡，溶解氧濃度穩定在給定值上。但在污水處理過程中不可能永遠處於這麼理想的平衡狀態，干擾發生時必然會破壞上述的平衡，所以必須得通過先進的自動調節手段才能使整個系統及時恢復穩定。

當水質水量不變時，系統如何保證曝氣平衡

假如進水水質、水量相對比較穩定，當系統受到外界因素的影響使鼓風機的出口壓力或流量發生了變化，或由於其它就地控制迴路的調節作用使該迴路的曝氣量發生了變化，平衡狀態被打破。

控制系統的每個現場控制迴路中，都配有一個高精度的氣體流量計，它會連續並且精

確的測量氣體流量的變化，當受到干擾時，該迴路的流量計立即測量到了這個變化，及時的反應到該迴路的輸入端，流量控制迴路很快對這個變化作出判斷，迅速改變該迴路中高精度調節閥的開度以保持曝氣量不變。這樣，經過流量控制迴路的控制，在干擾還未波及到溶解氧之前就已經被克服，即便是干擾較大，其大部分影響已經被流量控制迴路所克服，波及到溶解氧時，干擾已經很小，再通過流量計算迴路進一步調節，徹底消除干擾影響，使溶解氧恢復到給定值。

當水質水量發生變化時，系統如何保證曝氣量

假如供氣系統穩定，而進入曝氣池的水質、水量等發生了變化，使溶解氧發生了波動，

破壞了原來的平衡。控制系統中包括流量計算單元和流量控制單元。當干擾發生時，流量計將實際測得的氣體流量反應到流量計算單元，溶解氧的設定值、溶解氧實際測量值、溶解氧變化趨勢以及氨氮信號等也同時反應到流量計算單元，結合系統的歷史數據，通過系統內的模糊控制程序，系統會根據實際需要重新給定一個氣體流量設定值，反應給流量控制單元，及時調節現場迴路的曝氣量，干擾被克服，很快使溶解氧恢復到給定值。

如何智能控制鼓風機的操作壓力，達到節能的目的

曝氣電耗占污水處理廠的80%左右，通過先進控制演算法來降低能耗十分必要。如果鼓風機的當前操作壓力比較高，而閥門的開度都比較小，這樣系統處於比較耗能的狀態。所以由控制系統中的壓力控制單元，綜合所有的實際氣體流量信號及閥位信號，通過計算，給出一個最低所需的壓力設定，來重新調整鼓風機的操作壓力（調節進口導葉或變頻）），以達到按實際所需供應氣體的目的。

3、系統實現

圖1?系統控制迴路圖

3.1?系統配置

系統控制組成見圖1所示。系統以熱效應氣體質量流量計為主感測器，與DO儀相比，其測量數據更為準確，基本上不需維護。熱式氣體質量流量計採用熱擴散原理，熱擴散技術是一種在苛刻條件下性能優良、可靠性高的技術。系統採用菱形調節閥來代替傳統控制中的蝶閥。菱形調節閥有兩個優點，一是在0-100%內調節均呈線性關係，具有等百分比流量特性，而蝶閥僅在25-65%的範圍內呈線性關係;二是該類型閥步進值較小，因此可以精確地調整供風量。

圖2控制配置圖

系統控制器選用法國Schneider公司?Modicon系列PLC，控制配置見圖2。考慮到一個鼓風機帶了四個曝氣迴路，選用8路輸入模擬量模塊和4路輸出模擬量模塊構成控制閉環，並將PLC納入工廠控制網路，通過MODBUS?PLUS網與廠級控制控制系統（含鼓風機控制、水質監控等）通信。選用Schneider公司的10.4寸?64色觸模屏作為人機界面。

3.2?控制演算法

針對上文所述的設計思想，系統採用串級PID控制系統：主迴路的溶解氧濃度通過曝氣量的設定來調節，採用前饋和反饋相結合的複雜控制，前饋控制的擾動變數取水質（氨氮、硝酸鹽氮等），根據水質的變化、溶解氧的設定值、溶解氧當前值及一定時間內的歷史數據，通過計算重新給定一個曝氣量的設定值;副迴路的曝氣量通過閥門的開度來調節，也採用前饋和反饋相結合的複雜控制，前饋控制的擾動變數取鼓風機的出口總壓力設定值，這樣可快速克服由於鼓風機控制系統出口總壓力設定值的變化帶來的干擾，而反饋控制可以快速地根據曝氣量調節閥門開度，同時克服由於不同管道共用一個鼓風機而帶來的干擾。串級控制系統具有抗干擾、快速性、適應性和控制質量好的優點。

如果四個閥門的開度都比較小，這時管道阻力比較大，使得鼓風機能耗上升，效率下降。所以可以同時適當增加四個閥門的開度，而把鼓風機控制系統出口總壓力設定值調小，這樣達到了節能的目的。而由於鼓風機出口總壓力的變化導致曝氣量的變化可以很快被前饋環節消除。閥門的開度增加也不能太大，否則就沒有留下多少調節的餘地。

3.3?軟體設計

Modicon?Quantum系列PLC的編程軟體提供了豐富的函數庫，在過程式控制制方面功能更為強大。下面就軟體編寫中用到的幾個主要控制函數SAMPLETM、PIDFF和MS作簡單介紹。

SAMPLETM函數用來進行定時，INTERVAL引腳用來指定時間間隔;PIDFF函數是帶前饋輸入引腳FF的PID控制器，功能十分強大，支持增量式和絕對式PID運算，輸出信號幅值和梯度限幅，自動/手動切換，Para_PIDFF引腳是PID參數數據塊;MS是輸出控制函數，其OUT引腳的值可以是PID運算的輸出值，也可以是人機界面上的操作值，通過MAN_AUTO引腳進行設定，實現自動/手動雙向無擾動切換。通過兩組上面三個函數的連接很方便地實現了上文所述的串級PID控制演算法。