基于SBR工艺城市污水自动控制优化应用

　　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。

　　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簡称，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，上一反应池进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]。

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文章名称： 基于SBR工艺城市污水自动控制优化应用

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