王红睿 蒋增河

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

摘 要：生化反应池曝气量的自动调节是污水厂节能降耗的重要手段。该文以广州市西朗污水处理厂溶解氧自动控制系统的运行优化经验为例，研究了基于压力控制的鼓风机喘振控制方法和基于PID调节的溶解氧控制方法，得到了PID控制器的主要参数设定值：比例增益、微分增益、积分动作时间、响应临界值分别为1.0、5.0、200 ms、10%。通过实际系统运行效果分析表明，该文所提出的方法节能效果明显。

关键词：污水处理 溶解氧 自动控制 运行优化

中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）03（a）-0091-02

“节能减排”理念已深入人心，国家综合治理力度不断加大，让生态文明发展步入新阶段。作为综合治理工作的重点——污水处理受大家的广泛关注。当前生活污水的处理大多采用活性除淤泥法，具体措施有入口水流量、爆破气压、回流优化控制等。城市污水排量较大，水质水量稳定性调控需求多，致使处理生化池过程中氧气供应量变化频度高。因此，文章提出关于污水处理厂溶解氧自动控制系统的运行研究有重要的参考价值。

1 溶解氧自动控制系统的提出

溶解氧过程是处理生化池中最重要的一环，生化池中的溶解氧要控制在一定的范围内，也就是爆破气动系统要实时监测水量和水质的变化，并做出及时的调整，使氧气供给能满足进水处负载的要求，提升生化池溶解氧的自控质量。除此之外，该系统还能根据生化池中的氧气含量进行调整，从而有效缓解了能源浪费问题。国内外的实际工程应用再一次证明，生化反应溶解氧气量的自动控制方式是污水处理中降耗的重要方法。我国在污水处理技术的应用起步比较晚，污水处理生化池溶解氧气的相关经验比较少。当然也出现一些比较有实践意义的单位，如广州市的西朗污水排放处理厂在污水处理中不仅实现了生化池的溶解氧气自动控制，而且还提出了改进方法，如消除鼓风机的喘振方案，基于出水氨气、氮气的控制溶解氧设置方法等，为溶解氧自动控制系统的发展提供了有利的依据。

2 溶解氧自动控制系统设计

文章以广州市的西朗污水排放处理厂的生化池溶解氧自动控制设计为例，作为市政基础设施建设的重点，污水处理设施的设计尤为重要。该厂从2001年底动工，到2004年中旬通水运营，并于2005年进行了生化反映优化，建立了溶解氧气的自动控制系统。

该污水处理系统采用了改进A2/O工艺，共有两个系列，各系列由预缺氧段、厌氧段、缺氧一段、缺氧二段、好氧一段、好氧二段组成。供应氧系统使用KA22SV—GL225型号的鼓风机，输送管道采用枝状的管网，其中主干管道设有4个电动阀门，分别用于调节AB两个系列的好氧一段和二段的氧气供给量。上述系统的总控制单元采用的是工用89C51型号的单片机，该种单片机的优点在于具有自带的数据存储器和指令控制串口，能够保证自动系统各个控制指令的及时传达。4个空气调节阀门分别并联在单片机的4个串口上，好氧一段和好氧二段的末端采用了外设传感器，能够对生化池中的氧气含量进行实时动态检测。同时，传感器将采集到的信息以二进制信号的形式反馈给中央控制单元，通过专门的软件进行整理、分析，将所得的数据与数据库进行配对和匹配，最终控制供氧阀门的开放幅度，起到调节生化池含氧量的目的。

3 鼓风机喘振控制模型

上文已介绍污水排放处理生化池溶解氧自动控制系统布置，当系统投入使用后，空气管道的阀门会进行实时调节，管道阻力曲线会产生相应的变化，容易导致管道压力变化频度加大，容易引起管道压力鼓风喘振事故，而鼓风机喘振动控制模型的使用可以是管道自动调节进出导叶，改变供给氧气量，稳定压力变化。鼓风机压力调节系统模型如图1所示。

鼓风机压力调节系统主要由中央控制单元和外部设备构成。鼓风机系统的运作流程为：首先，操作人员在鼓风机的主控界面对其各项数值进行一一调整和校对，保证后期鼓风机系统在正确的指令控制下完成各项工作。在进行参数调整的同时，操作人员要注意检查鼓风管道内的空气压力值是否在标准范围内，否则需要手动调节管道送风频率，降低/升高空气压力。在调整完空气压力后，查看MCP柜内设置的控制参数是否与实际参数向吻合。当确定各项参数在平稳状态下运行后，调节鼓风机出口处的导叶。鼓风机出口处的导叶和进口处的导叶也可通过PRC来实现联动控制，当导叶处动作时，进口处的导叶也会产生相应的动作，以完成鼓风机出口处压力调节的目的，有效免除了管道压力频繁变动所引发的鼓风机喘振故障等，同时稳定了鼓风机的出口处压力，保证了设备高效运行，达到了节能减排的目的。实际投入运营进一步证实，进水的负载变化所引发的出口导叶开度波动处于0～50%之间，鼓风机的工作电流分为在20～40 A内，鼓风出口压力则稳定在0.070～0.073 MPa范围内，有效避免了鼓风机的喘振故障。

4 溶解氧气的稳定控制方法探讨

溶解氧气的稳定控制方法主要有PID控制、模糊PID控制和自适应专家系统控制等。当前国内使用范围比较广的是PID控制，PID控制在溶解氧的自动调节中使用频度更高，本文所举实例也使用PID控制调节方法。PID溶解氧控制方法原理比较简单，实现也比较容易，投资也比较少，主要的设备是电动阀门、具有自动清洗功能的溶解氧气检测仪器和PID控制器等。

如图2所示，控制器需要实时检测两个时段的氧气量可用变量（x1、x2）表示，计算出溶解氧气的修正值（x），将偏差值输入到PID控制器中，经计算得到输出值y，用来调节入口处阀门开度大小。鼓风机、供氧通道的开关都受中央单元的指令控制，而指令控制的形式则是以脉冲信号来确定的。通过大量的数据分析可知，PID受工况的影响较为明显，因此可以将PID作为数据信号采集的中心，围绕PID设置管道阻力参数和阀门开放幅度等。同时，末端传感器所采集的数据在进行整理和加工后，也可以成为PID参数设置的一项重要事实依据。随着数据信息的不断增加，PID参数的设计也会呈现出明显的正态分布，逐渐达到一个相对稳定的状态，从而实现系统稳定控制的目的。文章所举实例是经过半年的实验和摸索得到的，PID控制器的比例增益为1.0，微分增益为5.0，积分动作时间为200 ms，相应的临界值为10%。将参数设定为以上值后，可以看出进水管的水流量变化为60%，好氧一段和二段的溶解氧分别可控制在（1.2±0.3）mg/L、（1.0±0.3）mg/L，较好地实现了对溶解氧的稳定控制。

5 溶解氧控制的工艺调控

在上述试验中，采用了“逐步滴定，分布去除”的化学除杂理念。通过向混合溶液中添加一定数量的催化剂，溶液中过量的氧含量被催化反应，部分氧转化为液态水溶于混合液中，另一部分氧则以气体形式逸出。随后向溶液中滴加氮氨饱和液，饱和液中富含的大量氮氨离子能够与原溶液发生硝化反应，由于氮氨离子的数量足够多，因此溶液中的溶解氧被彻底消化。在完成上述两步滴定操作后，利用滴灌采取反应后的样本溶液进行浓度测量。

通过对最终测量数据的综合分析可知，当硝化反应完全进行时，溶液中氨氮离子的浓度也会呈现出一定程度的增加，为了是最终测量结果更加直观，在进行滴定测量时对其浓度进行了记录，并采取了横向对比分析。在实验开始阶段，好氧二段的氧气溶解率为0.8 mg/L，在向溶液中滴定氨氮溶液后，该溶解率从0.8 mg/L上升到1.1 mg/L，随后停止实验。4 d后再次测量溶液浓度，记录所得数据为1.7 mg/L。随后定期对该溶液的氧浓度进行测量，绘制成二维坐标曲线图。2008年升级后的生化反应池好氧一段和好氧二段的溶解氧设定值为0.7～1.3 mg/L和0.7～1.9 mg/L。该溶解氧控制系统在长期的污水处理过程中，不可避免会出现设备的老化问题，影响污水处理的效果。实施上，污水中含有大量的金属离子和其他杂质，污水的酸碱度也呈现出较大波动，尤其是在强酸污水环境下，溶解氧自动控制系统更容易受到腐蚀作用。因此，为了保证系统各项功能的有效发挥，相关的工作人员要做好定期的设备维修和检查工作，及时发现老化、腐蚀、模式部件，进行更换，最大程度上保证设备的高效率、高质量运行。

通过对上述试验参数的整合分析，结合具体的系统运行状态可以得出，以PID为中央控制中心的溶解氧自动控制条件机制能够最大程度保证溶解氧的参数设定与实际试验相匹配。从另一个角度来说，PID控制下的溶解氧污水处理效果能够实现较高水平的自动化处理，在提高污水转化效率的同时，实现了节能降耗的效果。

6 结语

西朗污水处理所安装的溶解氧自动控制系统，主要由溶解氧中央控制器、鼓风机控制和操作显示界面等。鼓风机处压力控制是保证对溶解氧的自动调节的前提。通过观测压力变化来避免鼓风机的喘振现象。实现得到鼓风出口处的压力应稳定在0.070～0.073 MPa，才能达到消除喘振的目的。文章通过将PID的控制思想应用到溶解氧控制上来，得到PID控制器的参数设定情况：好氧一、二段的溶解氧控制范围为（1.2±0.3）mg/L和（1.0±0.3）mg/L，较好地实现了稳定控制溶解氧量的目的，和传统溶解氧控制相比，节能效果更好。

参考文献

[1] 夏文辉，刘芬，周雹.污水处理厂曝气控制研究[J].给水排水，2009，35（1）：121-125.

[2] 杜树新.污水生化处理过程建模与控制[J].控制理论与应用，2002，19（5）：660-665.

[3] 马金峰，王佳伟，张胜海，等.污水处理厂溶解氧自动控制系统的运行优化[J].中国给排水，2010，6（11）：17-20.