基于SBR污水处理工艺的自动控制系统的研究(3)(1).docx

基于SBR污水处理工艺的自动控制系统
李幸生1 李善田1,2 王康1
（1.安徽理工大学，安徽省 淮南市 232001；2.湖南首创投资有限责任公司，湖南省 长沙市410000)

摘要：针对现有污水处理厂自动化程度不高，运行效果不好等问题，在对SBR污水处理流程进行自动控制的基础上，提出一种废以水生物处理技术为基础的ICEAS（间歇式循环延时曝气活性污泥法）方法，以连续进水，间歇排水的方式进行。由于其阀门与电机设备较多，启停操作频繁，时序要求严格，因此对自动化程度要求很高，本文以湖北黄梅与阳新基于ICEAS工艺的污水处理厂为例探讨其高度自动化的运行模式、软件设计思想以及改进创新有效途径。
Automatic control system of wastewater treatment process
based on SBR
Abstract：According to the existing sewage treatment plant automation degree is not high, operation effect is not good, on the basis of automatic control of SBR sewage treatment process, put forward a kind of waste water biological treatment technology based ICEAS (ICEAS method) method, with continuous feeding, intermittent drainage way.Due to its valves and electrical equipment is more, start-stop frequent operation, strict time sequence, thus to a high degree of automation requirements, this paper takes hubei province huangmei and based on where the ICEAS process of sewage treatment plant as an example to explore the operation mode of the highly automated, software design idea and effective way to improve the innovation.
Keywords：SBR;Sewage treatment;The automatic control;AB PLC;factorytalk view

0引 言
国外的污水处理厂已基本完全使用计算机控制系统，一些技术先进的国际化污水处理厂已经实现完全自动化。
SBR活性污泥处理[1,2]系统最早是20世纪70年代由美国Natre Dame大学的RIrvine博士将老式系统改进发展至今的，早期的污水处理由于控制设备等方面原因限制了发展，后来由于计算机技术，自动控制技术的引入和发展，SBR在污水处理中的应用越来越广泛。
目前SBR工艺已经成 为各国竞相发展的热门工艺，集散型计算机系统已经广泛应用在国外的许多水处理厂，在一个厂内使用几台设备控制现场设备，包括进水阀，曝气阀，进气阀，排气阀，排水阀，鼓风机等等，上位机设在中控室内。
国内的污水处理技术还在不断的发展过程中，其核心技术和相应的设备还主要依赖进口，自动检测，控制系统和相关软件的进口比例更大，从监控系统的总体结构来说，通常采用以下几种形式：数据采集与监视控制系统；分布控制系统；上位机PC+PLC系统；工业现场总线控制系统。
现在的废水主要包括生活污水和工业废水两大类，污水必须达到一定的排放标准才能排入河流湖泊，于是各种污水处理厂应运而生。现有的主流污水处理办法主要有物理处理法，化学处理法和生物处理法三种。物理处理法[3,4]是指利用物理作用除去污水中呈悬浮固体杂质的方法，主要包括格栅截留法，沉淀法，气浮法，过滤法等等，这些方法所需设备简单，操作方法单一，但缺点也很明显，不能有效清除污水中较小颗，粒。化学处理法[5,6]是指利用化学反应的作用来回收污水中的各种污染物质，包括中和，氧化还原，电解，离子交换等等，其优点是能较细致的除去水中细小杂质，但是需要更多反应原料和设备，不太经济，而且化学反应中可能会产生新的杂质，对水源造成二次污染。污水的生物处理法[7,8]即运用好氧细菌的新陈代谢功能，使溶解在污水中的和呈胶体状的有机物被分解并转化为无害物质，以此达到净水的目的。主要包括活性污泥法，生物膜法，厌氧生物处理法等等。
本文介绍一种经过改进的SBR工艺----ICEAS工艺[9,10]，全称为间歇循环延时曝气活性污泥工艺，80年代兴起于澳大利亚，与传统的SBR方法相比，在进水端新增了预反应区，将系统由原来的间歇式转变为连续进水，间歇排水式，因此，系统没有了反应与闲置两个阶段。

1 ICEAS工艺
1.1 工艺流程简介

图1污水处理工艺流程图
Fig.1 Sewage treatment process flow chart

如上图所示，污水进入我厂后经一次提升进入细格栅及旋流沉砂池，后自流进入SBR池直至出水。值班人员每隔两小时分别从细格栅处，出水处提取水样，供化验员化验，将COD,TP，氨氮等指标进行对比分析，达到排放标准后排入河流。
1.2 ICEAS工艺简介
ICEAS全称为间歇式循环延时曝气活性污泥法（Intermittent Cycle Extended Aeration），其最大的特点就是在反应器的进水端增加了一个预反应区，运行方式为连续进水（沉淀期、排水期仍连续进水），间歇排水。

图2 ICEAS反应池构造
Fig.2 ICEAS reaction pool structure
这种改进式的SBR处理工艺在处理市政污水和工业废水方面比传统的SBR工艺更省费用，更方便进行管理。
1.2 SBR池的四种运行状态
阳新污水处理厂共有4个SBR反应池，每两个编为一个相对独立的工作组。下图是美国AB公司组态软件factorytalk view7.0上位机工作主界面。

图3 各池工作状态一览
Fig.3 List of working states of the pool

图中左上由上至下依次为1#，2#，3#，4#池，不同颜色代表SBR池不同的工作状态，1#池为滗水状态，2#，4#池为曝气状态，3#池为静态进水状态。共有四台鼓风机轮换工作，每个池子有一个进水阀，一个曝气阀，两个排水阀，一个充气阀和一个排气阀。

图4 四种运行状态
Fig.4 Four operation conditions

上图所示为一个SBR池所经历的一个循环示意图，阳新污水处理厂设置的总周期为288分钟，以沉淀开始为计时零点，设置沉淀时间为60分钟，这个时间是预先设置的不可改变，这四种状态中只有沉淀时间固定，其他三种状态时间根据实际情况作相应改变，滗水时间50分钟，进水时间88分钟，曝气时间90分钟。
下面将一一介绍这四个阶段：
(1)沉淀阶段
每个周期由沉淀开始计时，在正常流量下，一般设计沉淀时间为60分钟，之后沉淀状态结束，SBR池达到设定最高水位，进入滗水状态。在高峰流量长时间持续时，液位升至设定最高液位的时间会缩短，此时沉淀时间会缩短，注水滗水阶段提前开始。沉淀时间为设置固定不变值，电脑不会根据进水，曝气，排水时间自行调整。
(2)滗水阶段
采用独特的漂浮式滗水器，在滗水前各阶段，滗水器[11,12]漂浮于水面之上，滗水口脱离水面，避免未经完全处理的污水排出，当进入滗水状态时，滗水器收集管下沉到水面以下，靠上部浮筒的浮力使滗水器悬浮于叶面上，排水口始终保持与液面相同的距离，保证排出的都是上部的澄清液。为避免进水对排水造成冲击，SBR池型采用适当的长宽比，并在进水端设有水力分配和缓冲墙。滗水时间预计为50分钟，但是实际运行时间还可自行调整，目前滗水时间还是只和液位有关，电脑会将周期时间减去沉淀，滗水时间将剩余时间分配给曝气，进水时间，保证周期不变。出水时如果达到最低液位但设置的滗水时间还没到也会停止出水，开始静态进水。
(3)静态进水阶段
滗水阶段在液面达到低液位时停止，压缩空气管道的电磁阀开启，给滗水器进行充气，使集水管上浮，排水口脱离液面，随后程序进入静态注水阶段；从沉淀阶段开始到滗水、静态进水阶段，水中溶解氧会逐步降低，处于低值，能有效抑制活性污泥丝状菌的生长，有助于保持活性污泥良好的沉降性能。反硝化作用也同时在此阶段进行，反硝化菌以刚进入的污水中有机物作为电子供体，将池内NO3-N还原为N2逸出水面，并且消耗内碳源，减少氧气的需要量，缩短鼓风机的运行时间，降低运行费用。进水时间预计88分钟，静态进水时间为设定可变值，电脑将周期时间减去沉淀滗水时间将剩余时间分配给进水时间。
(4)曝气阶段
曝气预计时间为90分钟，鼓风机开启，通过SBR池底的微孔曝气头为污泥中的微生物提供氧气，以此来分解污水中的有机物。鼓风机的运行由时间和溶解氧量决定。曝气时间为设定可变值，由时间和液位共同决定，当曝气时液位达到最高液位时，即使曝气时间未到还是会停止曝气。
2 ICEAS工艺的工作原理
2.1 SBR池控制流程
下图所示为单个SBR池控制流程图：

图5 SBR控制流程图
Fig.5 Control flow chart of SBR

下面对4种工作状态的时间做简单的解释：
1、沉淀时间：沉淀时间最为固定，一般设置为60-70min,一旦设置完成，就不会改变。
2、滗水时间：滗水时间一般设为50min,但是实际滗水时间由液位决定，即液位到了最低滗水液位即使时间没到，也会停止滗水。
3、曝气时间：曝气时间一般为总周期时间的四分之一到二分之一，曝气方式有连续曝气和间歇曝气，曝气时间由正在曝气时间和停止曝气时间组成，当设置停曝时间为0时，为连续曝气方式，如果达到了停曝液位时间没到，仍然会停止曝气。
4、静态进水时间：进水时间由总周期时间减去沉淀时间，实际滗水时间，预计曝气时间得到的。
除了沉淀时间可自主设置不得改变之外，系统会根据实际情况对滗水时间，曝气时间，静态进水时间进行相应的调整，优先顺序为沉淀>曝气>滗水>静态进水；
2.2 参数控制
实际操作时，有些参数需要设置

图6 参数设置
Fig.6 Parameter setting

BATCH VOLUME:SBR池运行一周处理的水量1500立方米；
AF TIME ZERO FLOW：零流量下的曝气时间90分钟；
AF TIME NOMINAL FLOW:正常流量下的曝气时间；
NOMINAL CYCLE TIME:正常循环周期288分钟；
FILL SETTLE NOMINAL PRESET:正常沉淀时间预设60分钟；
FILL DECANT MAX STEP TIME:最大滗水时间72分钟。
2.3鼓风机开启流程

图7 鼓风机开启流程
Fig.7 Blower opening process

2.4曝气阀开启流程

图8 曝气阀开启流程
Fig.8 Aeration valve openng process

现场设备的电气控制面板上常规设置有远程和本地控制开关，通过中央控制室控制时开关置“远程”位置，如需人工本地操控则置“本地”位置；在PLC内部控制程序中设置有自动和手动模式，如需按照设定的程序自动运行则中控组态界面中将设备的运行模式设为“自动”，反之则设为“手动”，这时PLC的控制模式就会转化为接收外部启动停止指令来控制设备的运行和停止。
3 运行模式及创新
目前阳新污水处理厂4个SBR池主要采用液位和时间的双重控制模式，四个反应池24h都在进水，所以在非滗水状态下液位都是随时间增加的，滗水状态时出水流量大于进水流量所以液位就不随时间增加而增长。当曝气时达到设定最高液位时也将停止曝气。曝气过程中初期曝气量大，但随着时间的推移曝气量逐渐减小，当出现溶解氧的拐点（由低值跃升到高值）时在持续15至20分钟后停止曝气。但是时间控制受液位计影响较大，如果液位计不能够漂浮较长时间，则影响更大，为此本文提出一种新型控制曝气过程的方法——溶解氧PID控制。
3.1 PID控制算法
PID是比例，积分，微分的缩写，根据给定值和输出值的偏差进行控制。由于PID结构简单，原理易懂，使用方便，可靠性较好，所以大部分过控系统中都采用PID控制。

图9 PID原理图
Fig.9 The principle diagram of the PID
PID控制规律可以用数学表达式表示：
（3.1）
式中为比例常数，为积分时间常数，为微分时间常数。 对上式进行拉式变换 整理得：
（3.2）
（1）比例部分(P)
在比例部分，比例系数的作用是加快系统响应速度，提高系统的调节精度。增大K值，能提高系统开环增益，减小系统的稳态误差，加快系统响应速度，从而提升系统控制精度，但是会降低系统相对稳定性，甚至有可能造成闭环系统的不稳定，从而导致系统动的动、静态特性变坏。

（2）积分部分(I)
从积分部分的数学表达式可以知道，只要有偏差存在，则微分的控制作用一直积累。因为积分作用，当输入e(t)消失后，输出信号的积分部分有可能是一个不为零的常数。可见，积分部分的作用是消除控制系统的偏差。在串联校正时，采用I控制器可以提高系统的型别， 点的开环极点，使信号产生了90度的相角滞后，对系统的稳定性而言是不利的。因此，在校正设计控制系统中，通常不适合采用单一的I控制器。
（3）微分部分(D)
微分部分的作用是改善系统动态特性。PID控制器的微分环节能反映出输入信号的变化趋势，进而产生有效的早期修正信号，来增加系统阻尼程度，从而提高系统的稳定性。但是微分部分只对动态过程起作用，而对静态过程没有影响，同时对系统噪声非常敏感，所以在任何情况下单一的D控制器都不宜和被控对象串联起来单独使用。通常情况下，微分控制规律和比例控制规律或着比例一积分控制规律相结合起来，构成组合的PID或PD控制器，在实际的控制系统之中应用。
3.2 溶解氧PID控制

由于溶解氧控制只存在于曝气阶段，我们只讨论在曝气阶段的溶解氧控制。先设定一个溶解氧高值，曝气初期，通过SBR池中的溶解氧传感器测出的溶解氧浓度明显小于高值，这个差值通过PID 控制器计算结果送给被控对象变频器，这时变频器使鼓风机电机频率增大，从而风机转速增加，池中溶解氧浓度逐渐上升，当水中溶解氧浓度达到设定高值时，变频器使风机频率减少，风机转速下降至0，停止曝气。
4 实验分析
为了验证所提出的基于SBR污水处理工艺的自动控制系统性能，利用本系统对黄石伊高水务有限公司阳新污水处理厂的污水进行处理，为了保证可靠性，系统运行一个星期，每天的处理结果如下表所示：
表1
进水指标数据
Table 1 Influent index data 7

]日期
COD
NH3-N
TP
PH
6.8
155.44
6.15
0.92
7.36
6.9
147.52
3.62
0.77
7.22
6.10
166.53
11.22
1.28
7.24
6.11
153.86
10.99
1.24
7.12
6.12
157.02
12.34
1.48
7.22
6.13
150.69
12.68
1.53
7.33
6.14
149.1
9.81
1.25
7.63
表2出水指标数据
Table 2 Effluent index data
日期
COD
NH3-N
TP
PH
6.8
17.42
1.03
0.62
6.84
6.9
15.84
0.81
0.43
6.83
6.10
20.59
0.75
0.66
6.87
6.11
19.01
1.71
0.93
6.74
6.12
22.18
2.27
0.89
6.74
6.13
20.59
4.18
0.71
6.85
6.14
17.42
1.82
0.64
7.21
从实验数据可以看出，基于SBR污水处理工艺的自动控制系统对污水处理效果良好，处理后的污水各项指标达到国家一级A级标准[13,14]，且系统运行稳定。
5结论
本文就阳新污水处理厂的现场设备，ICEAS工艺的流程进行了详细的解释，着重叙述了对SBR池的控制过程，每个池子都要经历沉淀—滗水—静态进水—曝气这个循环过程，预设总周期时间为288min,沉淀时间可设置为固定值,一经确定便无法改变，其他三个阶段时间不确定，系统可以根据实际运行情况作出改变，优先保证沉淀，曝气状态，其次排水，静态进水，通过对进水口和出水口的COD，PH，氨氮进行比较分析，得出结论该厂排出的水符合排放标准.

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