生物營養物去除工藝的數字化控制集成研究

郝曉地，衣蘭凱，秦建軍

（北京建筑工程學院可持續環境生物技術研發中心，北京 100044）

以中試生物營養物去除（BNR）系統為研究對象，采用在線水質監測儀獲取動態進水數據；通過控制轉換信號，將在線監測數據輸入計算機工藝模型；計算模擬出對應水質下的最佳運行工況，并將結果及時反饋給自控設備；自控設備在最佳參數信號下指揮設備運行。最終，以在線監測水質/水量、數學模擬最優工況、自動控制調節工藝參數為基礎，建立四層分布式控制系統，以實現工藝的數字化自動控制。

1 工藝運行控制策略及參數選擇

1.1 工藝運行控制策略

在污水生物處理過程中，生物化學氧化還原反應可由混合液中的ORP值來反映；ORP值降低暗示著有機物被氧化，O₂、NO_x^-和Fe³⁺等物質充當電子受體而被還原。ORP大小與反應物濃度、溫度和pH值有關，可通過能斯特方程計算獲得。由于ORP具有測量簡單易行、成本低及數值穩定等優點而成為許多污水處理過程控制的首選控制方法。

1.2 控制參數選擇

針對本研究工藝，選擇Q_A、Q_B、Q_C、Q_S、SRT和DO作為可調控控制運行參數。

內循環A的主要作用是防止污泥回流直接進入厭氧池，導致過量硝酸鹽和DO破壞厭氧環境。可通過檢測厭氧池ORP來實現對Q_A的控制。通過對Q_A的控制，不僅可以維持厭氧池厭氧環境，而且還可通過這種調整維持厭氧池內污泥濃度處于最佳水平。

內循環B的主要作用是從R5向R3回流NO₃^-，以確保實現反硝化除磷。然而，R3中NO₃^-濃度過高會影響厭氧池的厭氧環境，削弱生物釋磷效果。因此，對Q_B的控制不僅要取決于ORP值，也要結合出水與缺氧池中的NO₃^-濃度。

內循環C是建立在好氧池與缺/好氧池之間的循環，目的是強化硝化或同時硝化與反硝化的機會，以保證出水總氮達標。在進水TN負荷較低的情況下，內循環C一般不會對處理效果起太大的作用，一般并不開啟，只有當進水TN負荷過高而影響到出水水質時方予以啟動。對Q_C的控制視出水NH₄⁺-N、TN和進水COD/N值而定。

通過厭氧池側流磷回收可相對彌補生物脫氮除磷過程中碳源缺乏的問題，亦可解決因SRT過長而導致的生物除磷效果下降。為此，側流磷回收可保證出水TP達標排放。Q_S大小控制可通過對出水TP和厭氧池溶解性磷酸鹽濃度確定。

生物除磷過程通過排放剩余污泥實現，因此SRT在很大程度上決定著生物除磷效果的好壞。

在滿足生物需要量的前提下，DO越小則能量消耗越低。對曝氣量的控制應以SVI和出水NH₄⁺-N、COD及TP為依據。

2 系統的構建

在線監測→模擬預測→自動控制系統包括在線監測系統、模擬預測系統、自動控制系統和連接模擬軟件系統的接口管理軟件系統。接口管理軟件系統的主要作用是將在線監測系統采集到的數據輸入計算機模擬軟件，并將模擬后的結果輸出，反饋給自動控制系統，及時調整工藝參數。

2.1 在線監測系統

在線水質監測系統主要對水質和工藝運行參數進行實時監測，實現對工藝流程的數據采集，包括：水質監測儀與傳感器、電磁閥與電磁開關、水泵、攪拌器與曝氣裝置，主要水質在線監測儀器見表1。在線監測技術已十分成熟，完全能為數字化控制系統提供可靠的數據。

表1 主要在線分析儀器

2.2 模擬預測技術

模擬預測與試驗結果表明，兩者不僅在走向趨勢上十分相近，而且數值范圍也有著≥95%的吻合性。這充分說明，國外已經成熟的數學模型經國內實際污水廠運行驗證與校正后完全可用于BNR工藝的運行優化。研究采用WEST軟件平臺分析實際工藝流程，并根據需要選用合適的活性污泥模型。對試驗所得數據進行大誤差分析，校正并驗證模型，確定模型化學計量系數和動力學參數；將穩態模擬運行結果作為動態模擬的初始值，對動態進水水質進行動態模擬分析，將對應進水水質下的最佳工況模擬輸出。

2.3 自動控制系統

自動控制系統利用PLC和現場總線技術，實現對控制現場進行參數采集、控制現場執行元件、現場設備和監控管理層之間的通訊，主要硬件組成見表2。

表2 控制層的主要硬件

2.4 接口管理軟件

接口管理軟件的主要任務是將在線監測系統所采集的數據輸入到數學模擬軟件之中，實時輸出模擬預測出的最佳運行工況，并將這些最佳工況數據反饋給自動控制系統，以實時調整工藝運行參數。因此，接口管理軟件包括數據輸入軟件（即工藝組態軟件的接口管理軟件ccHelper）和數據輸出軟件（即數學模擬軟件的接口管理軟件Helpercc）。

采用ccHelper軟件進行數據管理，主要包括數據查詢、數據備份和數據輸出三個方面，可根據用戶需要設置采集數據所存放的位置、采集時間間隔以及輸入WEST數學模擬軟件的時間間隔。數據查詢模塊可查詢重要設備的運行參數、狀態、操作記錄及報警的歷史記錄；數據備份模塊負責各種數據庫的備份及維護，信息管理及監控軟件會定期將數據庫備份到另外的目錄下保存，并將當前使用的數據庫清空；數據輸出模塊負責各種數據報表的生成和打印輸出，夠生成日生產報表、月生產報表、年生產報表、電耗表等，同時還能以直觀的圖表形式打印。

采用Helpercc軟件進行模擬數據的保存，同時可控制模擬軟件運行的時間間隔；一旦輸入達標的水質參數要求，數學模擬結果便會自動與這些數據對比，若不達標則數學模擬軟件繼續運行，直至數據達標，將能達標的工藝運行參數反饋給工藝，從而實現污水處理的自動控制。

3 系統集成、運行過程及效果

3.1 控制系統集成

在上述四部分內容已完成的前提下，以BNR工藝（見圖1）為基礎，建立一個四層分布式控制系統，以實現工藝的數字化和自動化控制。四層分布式控制系統分別為現場控制層、集中控制層、監控管理層和綜合信息管理層，見圖2。

圖1 BNR工藝流程

圖2 四層分布式控制系統結構

現場控制層由執行單元、在線水質監測儀器和工藝系統構成，該層處在控制系統最低層，主要對工藝運行參數和水質進行實時監測，實現對工藝流程的數據采集和過程控制，負責開關量與模擬量信號的輸入、輸出。

集中控制層利用PLC和現場總線技術，實現對控制現場進行參數采集，控制現場執行元件、現場設備和監控管理層之間的通訊。對項目的各硬件組態后進行PLC程序編寫。PLC程序主要由系統初始化子程序、水泵起動停止子程序、水泵流量控制子程序、空氣壓縮機和曝氣閥門開啟關閉子程序、攪拌器控制子程序、數據采集子程序等構成。

監控管理層由一臺工業控制計算機、工藝組態軟件和人機界面組成，該層主要是對現場的監控和系統編程調試，對采集數據分析處理、存儲和顯示等，負責整個系統的數據庫管理、日志、報表和運行情況等。通過監控管理層可實時了解工藝運行狀況、現場與遠程工藝管理。

綜合信息管理層主要是對多個工藝進行維護與管理、遠程數據訪問與重用。本課題應用OPC接口進行遠程監控，應用以太網在計算機間進行OPC通信，配置作為OPC服務器的WinCC站，使用VB編寫OPC客戶端訪問WinCC，使用Macromedia Dreamwever 8軟件制作實時監控系統的網頁。綜合信息管理層可以實現綜合數據分析處理、遠程發送工藝調整指令、系統整體運行狀態遠程監控等等。

3.2 運行過程

通過上述四層分布式控制系統可以實現工藝的自動控制，其運行過程見圖3。首先，現場管理層的在線監測儀器可將進水水質、水量和工藝運行參數進行動態捕獲，利用PLC和現場總線技術等集中管理層通過控制轉換信號將數據傳到監控管理層。其次，監控管理層的工藝組態軟件WinCC和工業計算機共同組成的人機界面中可查看水質數據的完整性。如果不完整，可人工手動輸入數據，再次檢驗數據的完整性。數據完整后可通過ccHelper將數據整理并存儲。再次，經一定間隔，將在線監測數據輸入計算機數學模擬軟件，模擬得到對應水質下的最佳運行工況并反饋給自控設備。最后，將上述輸出結果自動與Helpercc中預先設置好的出水水質進行對比。通過該接口軟件的審核，自控設備在最佳參數信號下指揮設備運行。

圖3 數字化控制運行

3.3 運行效果

根據上述“在線監測→模擬預測→自動控制”這樣一種污水處理工藝運行與控制模式，工藝可實現數字化控制。經校正、調整后，BNR工藝運行穩定、效果較好。在線監測儀器采集到的一組進水數據：CODt為212.0 mg/L、CODs為103.0 mg/L、NH₄⁺-N為43.4 mg/L、NO₃^--N為1.2 mg/L、TN為45.4 mg/L、PO₄^3--P為3.07 mg/L、TP為4.33 mg/L、SALK為4.8 mmol/L。將該組數據輸入數學模型，模擬得到最佳工藝參數：Q_in為450 L/d、Q_A為900 L/d、Q_B為1350 L/d、Q_RAS為426 L/d、Q_W為9.98 L/d、k為40%、SRT為31.5 d、MLSS_R1為1520 mg/L、MLSS_R5為2010 mg/L、MLSS_RAS為4870 mg/L、MLVSS_R5為1527 mg/L、SS_eff為6 mg/L、DO_R4為2.8 mg/L、f（MLVSS_R5/MLSS_R5）為0.76。自控設備將這些參數直接反饋給工藝以指揮其運行，得到相應的出水水質：CODt為28.0 mg/L、CODs為24.0 mg/L、NH₄⁺-N為1.4 mg/L、NO₃^--N為11.4 mg/L、TN為13.8 mg/L、PO₄^3--P為0.33 mg/L、TP為0.46 mg/L。可知，在特定的進水水質下，通過數學模擬后得到最佳運行工況，該工況不僅能保證出水達標，而且可優化工藝運行，實現節能降耗。

專家點評：該論文研究的“在線監測-模擬預測-自動控制”技術，有利于保障污水生物處理運行的穩定性和節能減排，這是今后污水廠運行管理的發展方向。論文基于生化處理機理，采用數學模擬技術，得到污水處理設施最佳運行工況，實現高效節能的自動控制。論文論據充分、創新性明顯，具有較高的學術價值和應用價值。

本文榮獲《中國給水排水》2013年度“得利滿”優秀論文特等獎

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