關(guān)于污水處理廠溶解氧自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行

王紅睿 蔣增河

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2016.07.091

摘 要：生化反應(yīng)池曝氣量的自動(dòng)調(diào)節(jié)是污水廠節(jié)能降耗的重要手段。該文以廣州市西朗污水處理廠溶解氧自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)為例，研究了基于壓力控制的鼓風(fēng)機(jī)喘振控制方法和基于PID調(diào)節(jié)的溶解氧控制方法，得到了PID控制器的主要參數(shù)設(shè)定值：比例增益、微分增益、積分動(dòng)作時(shí)間、響應(yīng)臨界值分別為1.0、5.0、200 ms、10%。通過(guò)實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行效果分析表明，該文所提出的方法節(jié)能效果明顯。

關(guān)鍵詞：污水處理 溶解氧 自動(dòng)控制 運(yùn)行優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：X703 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2016）03（a）-0091-02

“節(jié)能減排”理念已深入人心，國(guó)家綜合治理力度不斷加大，讓生態(tài)文明發(fā)展步入新階段。作為綜合治理工作的重點(diǎn)——污水處理受大家的廣泛關(guān)注。當(dāng)前生活污水的處理大多采用活性除淤泥法，具體措施有入口水流量、爆破氣壓、回流優(yōu)化控制等。城市污水排量較大，水質(zhì)水量穩(wěn)定性調(diào)控需求多，致使處理生化池過(guò)程中氧氣供應(yīng)量變化頻度高。因此，文章提出關(guān)于污水處理廠溶解氧自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行研究有重要的參考價(jià)值。

1 溶解氧自動(dòng)控制系統(tǒng)的提出

溶解氧過(guò)程是處理生化池中最重要的一環(huán)，生化池中的溶解氧要控制在一定的范圍內(nèi)，也就是爆破氣動(dòng)系統(tǒng)要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水量和水質(zhì)的變化，并做出及時(shí)的調(diào)整，使氧氣供給能滿(mǎn)足進(jìn)水處負(fù)載的要求，提升生化池溶解氧的自控質(zhì)量。除此之外，該系統(tǒng)還能根據(jù)生化池中的氧氣含量進(jìn)行調(diào)整，從而有效緩解了能源浪費(fèi)問(wèn)題。國(guó)內(nèi)外的實(shí)際工程應(yīng)用再一次證明，生化反應(yīng)溶解氧氣量的自動(dòng)控制方式是污水處理中降耗的重要方法。我國(guó)在污水處理技術(shù)的應(yīng)用起步比較晚，污水處理生化池溶解氧氣的相關(guān)經(jīng)驗(yàn)比較少。當(dāng)然也出現(xiàn)一些比較有實(shí)踐意義的單位，如廣州市的西朗污水排放處理廠在污水處理中不僅實(shí)現(xiàn)了生化池的溶解氧氣自動(dòng)控制，而且還提出了改進(jìn)方法，如消除鼓風(fēng)機(jī)的喘振方案，基于出水氨氣、氮?dú)獾目刂迫芙庋踉O(shè)置方法等，為溶解氧自動(dòng)控制系統(tǒng)的發(fā)展提供了有利的依據(jù)。

2 溶解氧自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文章以廣州市的西朗污水排放處理廠的生化池溶解氧自動(dòng)控制設(shè)計(jì)為例，作為市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重點(diǎn)，污水處理設(shè)施的設(shè)計(jì)尤為重要。該廠從2001年底動(dòng)工，到2004年中旬通水運(yùn)營(yíng)，并于2005年進(jìn)行了生化反映優(yōu)化，建立了溶解氧氣的自動(dòng)控制系統(tǒng)。

該污水處理系統(tǒng)采用了改進(jìn)A2/O工藝，共有兩個(gè)系列，各系列由預(yù)缺氧段、厭氧段、缺氧一段、缺氧二段、好氧一段、好氧二段組成。供應(yīng)氧系統(tǒng)使用KA22SV—GL225型號(hào)的鼓風(fēng)機(jī)，輸送管道采用枝狀的管網(wǎng)，其中主干管道設(shè)有4個(gè)電動(dòng)閥門(mén)，分別用于調(diào)節(jié)AB兩個(gè)系列的好氧一段和二段的氧氣供給量。上述系統(tǒng)的總控制單元采用的是工用89C51型號(hào)的單片機(jī)，該種單片機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于具有自帶的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器和指令控制串口，能夠保證自動(dòng)系統(tǒng)各個(gè)控制指令的及時(shí)傳達(dá)。4個(gè)空氣調(diào)節(jié)閥門(mén)分別并聯(lián)在單片機(jī)的4個(gè)串口上，好氧一段和好氧二段的末端采用了外設(shè)傳感器，能夠?qū)ι刂械难鯕夂窟M(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)檢測(cè)。同時(shí)，傳感器將采集到的信息以二進(jìn)制信號(hào)的形式反饋給中央控制單元，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的軟件進(jìn)行整理、分析，將所得的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行配對(duì)和匹配，最終控制供氧閥門(mén)的開(kāi)放幅度，起到調(diào)節(jié)生化池含氧量的目的。

3 鼓風(fēng)機(jī)喘振控制模型

上文已介紹污水排放處理生化池溶解氧自動(dòng)控制系統(tǒng)布置，當(dāng)系統(tǒng)投入使用后，空氣管道的閥門(mén)會(huì)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，管道阻力曲線會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，容易導(dǎo)致管道壓力變化頻度加大，容易引起管道壓力鼓風(fēng)喘振事故，而鼓風(fēng)機(jī)喘振動(dòng)控制模型的使用可以是管道自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)出導(dǎo)葉，改變供給氧氣量，穩(wěn)定壓力變化。鼓風(fēng)機(jī)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)模型如圖1所示。

鼓風(fēng)機(jī)壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)主要由中央控制單元和外部設(shè)備構(gòu)成。鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)作流程為：首先，操作人員在鼓風(fēng)機(jī)的主控界面對(duì)其各項(xiàng)數(shù)值進(jìn)行一一調(diào)整和校對(duì)，保證后期鼓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在正確的指令控制下完成各項(xiàng)工作。在進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的同時(shí)，操作人員要注意檢查鼓風(fēng)管道內(nèi)的空氣壓力值是否在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，否則需要手動(dòng)調(diào)節(jié)管道送風(fēng)頻率，降低/升高空氣壓力。在調(diào)整完空氣壓力后，查看MCP柜內(nèi)設(shè)置的控制參數(shù)是否與實(shí)際參數(shù)向吻合。當(dāng)確定各項(xiàng)參數(shù)在平穩(wěn)狀態(tài)下運(yùn)行后，調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)出口處的導(dǎo)葉。鼓風(fēng)機(jī)出口處的導(dǎo)葉和進(jìn)口處的導(dǎo)葉也可通過(guò)PRC來(lái)實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制，當(dāng)導(dǎo)葉處動(dòng)作時(shí)，進(jìn)口處的導(dǎo)葉也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，以完成鼓風(fēng)機(jī)出口處壓力調(diào)節(jié)的目的，有效免除了管道壓力頻繁變動(dòng)所引發(fā)的鼓風(fēng)機(jī)喘振故障等，同時(shí)穩(wěn)定了鼓風(fēng)機(jī)的出口處壓力，保證了設(shè)備高效運(yùn)行，達(dá)到了節(jié)能減排的目的。實(shí)際投入運(yùn)營(yíng)進(jìn)一步證實(shí)，進(jìn)水的負(fù)載變化所引發(fā)的出口導(dǎo)葉開(kāi)度波動(dòng)處于0～50%之間，鼓風(fēng)機(jī)的工作電流分為在20～40 A內(nèi)，鼓風(fēng)出口壓力則穩(wěn)定在0.070～0.073 MPa范圍內(nèi)，有效避免了鼓風(fēng)機(jī)的喘振故障。

4 溶解氧氣的穩(wěn)定控制方法探討

溶解氧氣的穩(wěn)定控制方法主要有PID控制、模糊PID控制和自適應(yīng)專(zhuān)家系統(tǒng)控制等。當(dāng)前國(guó)內(nèi)使用范圍比較廣的是PID控制，PID控制在溶解氧的自動(dòng)調(diào)節(jié)中使用頻度更高，本文所舉實(shí)例也使用PID控制調(diào)節(jié)方法。PID溶解氧控制方法原理比較簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)也比較容易，投資也比較少，主要的設(shè)備是電動(dòng)閥門(mén)、具有自動(dòng)清洗功能的溶解氧氣檢測(cè)儀器和PID控制器等。

如圖2所示，控制器需要實(shí)時(shí)檢測(cè)兩個(gè)時(shí)段的氧氣量可用變量（x1、x2）表示，計(jì)算出溶解氧氣的修正值（x），將偏差值輸入到PID控制器中，經(jīng)計(jì)算得到輸出值y，用來(lái)調(diào)節(jié)入口處閥門(mén)開(kāi)度大小。鼓風(fēng)機(jī)、供氧通道的開(kāi)關(guān)都受中央單元的指令控制，而指令控制的形式則是以脈沖信號(hào)來(lái)確定的。通過(guò)大量的數(shù)據(jù)分析可知，PID受工況的影響較為明顯，因此可以將PID作為數(shù)據(jù)信號(hào)采集的中心，圍繞PID設(shè)置管道阻力參數(shù)和閥門(mén)開(kāi)放幅度等。同時(shí)，末端傳感器所采集的數(shù)據(jù)在進(jìn)行整理和加工后，也可以成為PID參數(shù)設(shè)置的一項(xiàng)重要事實(shí)依據(jù)。隨著數(shù)據(jù)信息的不斷增加，PID參數(shù)的設(shè)計(jì)也會(huì)呈現(xiàn)出明顯的正態(tài)分布，逐漸達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)穩(wěn)定控制的目的。文章所舉實(shí)例是經(jīng)過(guò)半年的實(shí)驗(yàn)和摸索得到的，PID控制器的比例增益為1.0，微分增益為5.0，積分動(dòng)作時(shí)間為200 ms，相應(yīng)的臨界值為10%。將參數(shù)設(shè)定為以上值后，可以看出進(jìn)水管的水流量變化為60%，好氧一段和二段的溶解氧分別可控制在（1.2±0.3）mg/L、（1.0±0.3）mg/L，較好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)溶解氧的穩(wěn)定控制。

5 溶解氧控制的工藝調(diào)控

在上述試驗(yàn)中，采用了“逐步滴定，分布去除”的化學(xué)除雜理念。通過(guò)向混合溶液中添加一定數(shù)量的催化劑，溶液中過(guò)量的氧含量被催化反應(yīng)，部分氧轉(zhuǎn)化為液態(tài)水溶于混合液中，另一部分氧則以氣體形式逸出。隨后向溶液中滴加氮氨飽和液，飽和液中富含的大量氮氨離子能夠與原溶液發(fā)生硝化反應(yīng)，由于氮氨離子的數(shù)量足夠多，因此溶液中的溶解氧被徹底消化。在完成上述兩步滴定操作后，利用滴灌采取反應(yīng)后的樣本溶液進(jìn)行濃度測(cè)量。

通過(guò)對(duì)最終測(cè)量數(shù)據(jù)的綜合分析可知，當(dāng)硝化反應(yīng)完全進(jìn)行時(shí)，溶液中氨氮離子的濃度也會(huì)呈現(xiàn)出一定程度的增加，為了是最終測(cè)量結(jié)果更加直觀，在進(jìn)行滴定測(cè)量時(shí)對(duì)其濃度進(jìn)行了記錄，并采取了橫向?qū)Ρ确治觥Ｔ趯?shí)驗(yàn)開(kāi)始階段，好氧二段的氧氣溶解率為0.8 mg/L，在向溶液中滴定氨氮溶液后，該溶解率從0.8 mg/L上升到1.1 mg/L，隨后停止實(shí)驗(yàn)。4 d后再次測(cè)量溶液濃度，記錄所得數(shù)據(jù)為1.7 mg/L。隨后定期對(duì)該溶液的氧濃度進(jìn)行測(cè)量，繪制成二維坐標(biāo)曲線圖。2008年升級(jí)后的生化反應(yīng)池好氧一段和好氧二段的溶解氧設(shè)定值為0.7～1.3 mg/L和0.7～1.9 mg/L。該溶解氧控制系統(tǒng)在長(zhǎng)期的污水處理過(guò)程中，不可避免會(huì)出現(xiàn)設(shè)備的老化問(wèn)題，影響污水處理的效果。實(shí)施上，污水中含有大量的金屬離子和其他雜質(zhì)，污水的酸堿度也呈現(xiàn)出較大波動(dòng)，尤其是在強(qiáng)酸污水環(huán)境下，溶解氧自動(dòng)控制系統(tǒng)更容易受到腐蝕作用。因此，為了保證系統(tǒng)各項(xiàng)功能的有效發(fā)揮，相關(guān)的工作人員要做好定期的設(shè)備維修和檢查工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)老化、腐蝕、模式部件，進(jìn)行更換，最大程度上保證設(shè)備的高效率、高質(zhì)量運(yùn)行。

通過(guò)對(duì)上述試驗(yàn)參數(shù)的整合分析，結(jié)合具體的系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)可以得出，以PID為中央控制中心的溶解氧自動(dòng)控制條件機(jī)制能夠最大程度保證溶解氧的參數(shù)設(shè)定與實(shí)際試驗(yàn)相匹配。從另一個(gè)角度來(lái)說(shuō)，PID控制下的溶解氧污水處理效果能夠?qū)崿F(xiàn)較高水平的自動(dòng)化處理，在提高污水轉(zhuǎn)化效率的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了節(jié)能降耗的效果。

6 結(jié)語(yǔ)

西朗污水處理所安裝的溶解氧自動(dòng)控制系統(tǒng)，主要由溶解氧中央控制器、鼓風(fēng)機(jī)控制和操作顯示界面等。鼓風(fēng)機(jī)處壓力控制是保證對(duì)溶解氧的自動(dòng)調(diào)節(jié)的前提。通過(guò)觀測(cè)壓力變化來(lái)避免鼓風(fēng)機(jī)的喘振現(xiàn)象。實(shí)現(xiàn)得到鼓風(fēng)出口處的壓力應(yīng)穩(wěn)定在0.070～0.073 MPa，才能達(dá)到消除喘振的目的。文章通過(guò)將PID的控制思想應(yīng)用到溶解氧控制上來(lái)，得到PID控制器的參數(shù)設(shè)定情況：好氧一、二段的溶解氧控制范圍為（1.2±0.3）mg/L和（1.0±0.3）mg/L，較好地實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定控制溶解氧量的目的，和傳統(tǒng)溶解氧控制相比，節(jié)能效果更好。

參考文獻(xiàn)

[1] 夏文輝，劉芬，周雹.污水處理廠曝氣控制研究[J].給水排水，2009，35（1）：121-125.

[2] 杜樹(shù)新.污水生化處理過(guò)程建模與控制[J].控制理論與應(yīng)用，2002，19（5）：660-665.

[3] 馬金峰，王佳偉，張勝海，等.污水處理廠溶解氧自動(dòng)控制系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化[J].中國(guó)給排水，2010，6（11）：17-20.