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組成，以及主要工藝段優化控制的設計與應用。
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，工藝具有較好的穩定性，但操作相對復雜，對自動化控制要求較高。近年來國內污水處理行業大部分已實現PLC自動控制，但大多數只具備簡單的設備啟停與聯鎖控制功能，很少會根據不同工藝特點進行優化控制。本文將通過某大型SBR工藝城市污水處理廠控制系統闡述主要工藝段優化控制方法。
2、控制系統應用設計
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構成。
本項目控制系統采用集散控制系統架構，根據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，保證了核心系統可靠性。利用當前成熟先進的工業以太網Ethernet/IP技術構成全廠控制和監控環網，保證了全廠數據傳輸實時性、可互操作性、抗干擾性和安全性。各工藝段儀表采用PROFIBUS-DP協議數字化、網絡化智能傳感器，顯著提高了系統抗干擾能力，縮短響應時間，改善了系統測量及控制的精細程度。上位機系統采用國際先進組態軟件Wonderware Intouch，按照對象化、模塊化的軟件架構模式進行開發實施。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，同時設置工業歷史庫，用于存儲歷史數據，并預留信息化系統數據接口。全廠控制系統架構如下：
2.1 預處理系統控制設計
預處理系統主要包括粗格柵、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處理單元所要求的高度，使其實現重力流。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池液控優化模式是根據SBR池容積模型和提升泵供水能力，優化調度當前SBR池進水階段的啟泵臺數和頻率，根據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墻上設置一排空氣擴散器，使污水產生橫向流動，形成螺旋形的旋轉狀態。其構造特點是由進水裝置、出水裝置、沉淀區、曝氣系統和排泥裝置組成，曝氣沉砂池可以克服平流沉砂池中沉砂夾雜15%有機物使沉砂后續處理難度增加的缺點。本系統按照一定的時間間隔或主控人員發送強制運行命令，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，又稱序批式活性污泥法。SBR技術的核心是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個過程按順序循環往復，在沉淀時，SBR 法是非流動狀態下的沉淀，是完全靜止的沉淀，沉淀效率高，經處理后的水通過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。各段時序可在循環周期范圍內根據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/自動轉換開關改變狀態，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值過高其結果是更多的有機物轉化為二氧化碳和水，即經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，活性污泥系統將具有良好的凈化作用。常規DO控制模式采用DO分段設置高低限值，在設定階段內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，生化池系統工作不穩定。對此，系統采用模糊自適應PID智能模式調節鼓風機輸出風量，同時保證曝氣調節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則，在實際工況復雜多變的情況下能迅速調整控制參數，具有較好的魯棒性，但本質上是離散的PD控制，缺少積分環節，穩態精度稍差，而傳統PID控制穩態精度較高，故自適應模糊PID控制算法將兩者結合，大大提高了系統控制品質和動態響應速度。
自適應模糊PID控制器采用雙輸入三輸出MIMO結構，輸入由DO誤差E和誤差變化EC構成，輸出由比例系數Kp、積分系數Ki、微分系數Kd組成，在好氧曝氣階段控制器不斷檢測計算E和EC，然后根據模糊控制規則對PID的3個參數在線整定，從而調節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NL選zmf，PL選smf，其它選為三角形函數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]。
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