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1 曝氣系統(tǒng)的工藝描述 
　　近年來，由于未達標的污水排放對生態(tài)的破壞日益嚴重，各地政府正在投入大量資金興建污水處理廠。 
城市污水的處理工藝一般都包括生物處理階段。生物處理過程是個復雜的生化反應(yīng)過程，曝氣是其中的一個十分重要的環(huán)節(jié)，不同的處理工藝，曝氣的方法也有所差異。典型的曝氣過程是這樣的:污水連續(xù)進入曝氣池，沿廊道向一個方向流動，直至出口，污水從入口到出口所經(jīng)歷的時間(停留時間)通常幾個小時，在這段時間內(nèi)，鼓風機通過密布在池底的曝氣頭向池中的污水充氣。從水處理的生物過程來看，曝氣作用的一種直觀解釋為:污水中的菌膠團(一種經(jīng)馴化的細菌)在生存期內(nèi)可以吸附并吃掉污水中的細菌，將有機物分解，而曝氣就是為了向菌膠團提供充足的氧氣，滿足其生存并大量繁殖的需要。 
污水處理廠的曝氣系統(tǒng)必須進行控制，因為:第一，必須適時提供菌膠團生存和繁殖所需的氧氣量。氧氣量在生物處理中有一定的適用范圍，少了會降低細菌分解的效果，延長處理時間，甚至導致生物處理失效；多了會發(fā)生細菌的過氧化，同樣降低活性，不利于處理。第二，鼓風機是污水廠的主要供氣供氧設(shè)備，一年四季長期運行，耗電量所占的比重很大，在滿足充氧要求的前提下盡量降低電耗，對減少運行成本起到重要作用。 
曝氣控制的首要問題是如何確定鼓風量。對于城市生活污水，在其停留時間內(nèi)，亦即曝氣時間內(nèi)需要多少氧氣(或空氣)與下列污水的水質(zhì)指標有關(guān): BOD(生物需氧量)、COD(化學需氧量)、SS(懸浮物)、水量及其溫度等。根據(jù)工藝理論，鼓風量的理論值可以由經(jīng)驗公式計算得到，而在運行當中，鼓風量應(yīng)根據(jù)進水水質(zhì)、水量的變化相應(yīng)地調(diào)整。但是存在這樣的問題，污水水質(zhì)指標大多依靠實驗測定，而測定時間需要數(shù)小時，甚至數(shù)天，這對實時控制的作用不大，在線的水質(zhì)檢測設(shè)備價格昂貴，目前國內(nèi)還沒有運行的例子，所以，污水在曝氣池進行生物反應(yīng)的過程當中，各種指標的變化，包括氧的需求量的變化很難實現(xiàn)定量的描述，微生物耗氧的速率怎樣變化還不能在線確定。 
為了從宏觀上控制曝氣效果，減小盲目性，引入了"溶解氧"這一中間參數(shù)，溶解氧參數(shù)可以通過儀表在線監(jiān)測。工程上認為，對于連續(xù)流的曝氣池，無論水質(zhì)、水量、水溫等擾動如何變化，只要污水在曝氣池出口的溶解氧濃度保持在某一設(shè)定值(如2mg/l)，就能從宏觀上恰當?shù)貪M足菌膠團繁殖、有機物分解的需要，保持污泥活性，實現(xiàn)污水的連續(xù)處理。這樣一來，自控系統(tǒng)就變得容易實現(xiàn)了。參數(shù)間最基本的控制關(guān)系是這樣的:在鼓風量理論計算值的基礎(chǔ)上，污水中溶解氧含量的偏差與鼓風機風量的增量(或減量)成反比，即溶解氧值偏小，風量向大調(diào)，溶解氧值偏大，風量向小調(diào)。 
在實際控制中，鼓風機的風量設(shè)定值為工藝理論值，這一值經(jīng)溶解氧反饋信號比較后，根據(jù)偏差實時調(diào)節(jié)風量的增減，最終使污水的溶解氧值穩(wěn)定在設(shè)定值。還應(yīng)指出，從風量的調(diào)節(jié)到溶解氧反饋信號的變化對自控系統(tǒng)來說是典型的純滯后過程，滯后時間τ大約數(shù)分鐘以上。 

2 曝氣控制系統(tǒng)實例 
　　某市污水處理廠一個系列的曝氣系統(tǒng)采用一臺鼓風機，經(jīng)空氣管路向一個曝氣池供氣，如果采用調(diào)節(jié)閥來調(diào)節(jié)空氣流量，調(diào)節(jié)閥會消耗一部分能量，長期運行，不利于節(jié)能，另一方面，曝氣池所需風量的變化與水質(zhì)、水量相關(guān)，而水質(zhì)、水量通常有一定的規(guī)律，不會發(fā)生劇烈的突變，轉(zhuǎn)速比不會太大，而且該工藝的曝氣池水位基本保持不變，所以鼓風機選用了靈活、節(jié)能的帶變頻調(diào)速的羅茨風機。因為送風管壓力變化較小，風機具有恒轉(zhuǎn)矩輸出的特性，流量和轉(zhuǎn)速成正比例關(guān)系，軸功率和轉(zhuǎn)速也成正比例關(guān)系，與離心風機相比較，在控制上更容易把握。 
控制系統(tǒng)由下列設(shè)備構(gòu)成:主送風管路裝設(shè)空氣流量計，壓力計、溫度計，并以標準信號上傳至曝氣系統(tǒng)的控制裝置。曝氣池上根據(jù)氧的理論分布裝設(shè)數(shù)臺溶解氧檢測儀，信號上傳至曝氣系統(tǒng)的控制裝置。為鼓風機配備一套無速度反饋的U/f可調(diào)的變頻器，變頻器具備PI調(diào)節(jié)功能的模塊，曝氣控制裝置的反饋和控制信號可下傳到變頻器。曝氣系統(tǒng)的控制裝置采用PLC(可編程邏輯控制器)和相應(yīng)的HMI(人機界面)，PLC具有包括PID等豐富的操作指令，并配有全面和安全的輸入輸出接口，HMI可以通過文字和圖形動態(tài)地反映在線數(shù)據(jù)，如流量、壓力、溫度、溶解氧值、頻率及設(shè)備狀態(tài)等，操作人員可以進行即時的參數(shù)修改、分布操作或模式選擇。曝氣系統(tǒng)的PLC是污水處理廠自控系統(tǒng)的組成部分，和中央控制室的上位計算機實現(xiàn)通信。 
工程上為了便于運行管理，曝氣系統(tǒng)通常采用3種控制模式，如 
(1) 風量恒定控制 
(2) 曝氣倍率控制 
(3) DO(溶解氧)控制 
其中模式(1)是人為地設(shè)定鼓風機流量并保持恒定送風，這種方式在水量和水質(zhì)穩(wěn)定的情況下，能夠滿足處理要求，但是曝氣效果不穩(wěn)定，不便于節(jié)能控制。 
模式(2)是人為地設(shè)定鼓風機流量與進水流量的倍率，按倍率調(diào)節(jié)鼓風機流量，是一種開環(huán)控制方法。在水質(zhì)穩(wěn)定的情況下能夠滿足處理要求。上述兩種模式控制簡單，運行中對設(shè)備的磨損較小， 
模式(3)是一種閉環(huán)調(diào)節(jié)的自動控制模式，根據(jù)溶解氧的偏差來調(diào)整鼓風機流量。這種模式可以在現(xiàn)有條件下實現(xiàn)關(guān)于水量、水質(zhì)的最優(yōu)控制，曝氣效果最佳，節(jié)能效果最顯著。下面對該模式作具體介紹。 

3 DO(溶解氧)控制策略 
　　曝氣所需的風量與溶解氧的關(guān)系是非線形的，按工藝理論，它們之間可以在經(jīng)驗的基礎(chǔ)上建立數(shù)學模型，為便于控制，它們的關(guān)系可以定性的認為是純滯后的慣性環(huán)節(jié)，并可以分段線性化。因此控制方法采用應(yīng)用廣泛的PID控制技術(shù)。具體采用的是串級加純滯后補償?shù)腜ID控制。如圖所示。 
3.1 副控系統(tǒng) 
在曝氣過程進行當中，不可避免地會出現(xiàn)隨機擾動，擾動會引起風管流量的隨機偏差，副控系統(tǒng)的調(diào)節(jié)目標就是通過閉環(huán)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)保持送風管的空氣流量恒定于給定值。副控系統(tǒng)把空氣流量作為反饋，通過變頻器內(nèi)裝的PI調(diào)節(jié)器適量調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速，使空氣流量穩(wěn)定于給定值。如圖示的內(nèi)環(huán)。 
r2(kT):鼓風機流量的給定值 
ΔU2(kT):鼓風機轉(zhuǎn)速的增量 
Y2(kT):風管流量計檢測的空氣流量 
e2(kT):給定流量與檢測流量的差值 
G2(s):鼓風機流量與轉(zhuǎn)速的傳遞函數(shù) 
D2(z):增量式PI調(diào)節(jié)器(變頻器內(nèi)裝) 
H0(s):零階保持器(變頻器) 
N2(s):空氣管路壓力等擾動 
T2:采樣周期 
閉環(huán)z傳函 

增量式PI調(diào)節(jié)器輸出 描述如下: 

其中K2P為比例因子，K2i為積分因子，采樣周期T取T2 
因為擾動(如壓力)不會很快，系統(tǒng)滯后時間與慣性時間比例不大，因此T2取1~5秒。K2p和K2i的選擇按照滿足控制度1.05取值。 
實際運行中K2p和K2I還需根據(jù)鼓風機和管路的流量--壓力曲線整定并調(diào)試。羅茨風機出風壓力對流量的影響較小，參數(shù)的整定相對容易。 
3.2 主控系統(tǒng) 
　　主控系統(tǒng)的作用是通過溶解氧反饋，克服水質(zhì)、水量、水溫等擾動，使曝氣池污水的溶解氧含量維持在設(shè)定值。如圖示的外環(huán)。 
r1(kT):溶解氧的給定值 
ΔU1(kT):鼓風機風量的增量 
U0(kT):鼓風機風量的計算給定量 
Y1(kT): 曝氣池溶解氧的測量值 
e1(kT): 溶解氧的給定值與檢測值的差值 
G2C(s):副控系統(tǒng)(鼓風機)的傳遞函數(shù) 
D1(z):增量式PID調(diào)節(jié)器(PLC功能指令) 
G1(s):溶解氧與風量的傳遞函數(shù) 
N1(s):水質(zhì)、水量、水溫等擾動 
T1:采樣周期 
由于曝氣所需空氣流量，即副控系統(tǒng)的輸入r2(kT)無法在線確定，為了在運行中簡單可行地滿足生物好氧的需要，工藝上要求曝氣池出口附近的污水始終保持一個穩(wěn)定的溶解氧設(shè)定值，而不直接考慮水質(zhì)、水量、水溫等的影響，因此，溶解氧信號可以作為反饋與其設(shè)定值進行比較，由PID調(diào)節(jié)器D1(z)根據(jù)其偏差輸出相應(yīng)的鼓風機流量的增量。副控系統(tǒng)的輸入r2(kT) 就是流量的增量再加上由工藝計算得到的鼓風機風量的理論值，即 

　　另外，菌膠團與氧的作用過程具有純滯后特性，有必要引入滯后補償，如Smith預(yù)估器。 
閉環(huán)z傳函 
增量式PID調(diào)節(jié)器輸出 描述如下: 
其中K1P為比例因子，K1i為積分因子，K1d為微分因子，采樣周期T取T1 
當考慮純滯后補償時 
τ為純滯后時間 
　　關(guān)于主控系統(tǒng)PID參數(shù)的設(shè)定問題，對于采樣周期T1，因為污水水質(zhì)、水量等變化不會很快，溶解氧的變化通常也不會太快，同時T1應(yīng)該大于T2，所以，T1的選擇可以長些，如30秒。 
由于對溶解氧的調(diào)節(jié)并不要求十分迅速，其動態(tài)特性可以適度放寬，K1p、K1i、K1d的可取范圍較大，但取得最合適的組合數(shù)值并非易事。溶解氧與風量的關(guān)系存在非線性，PID參數(shù)的取值是有適用范圍的，因此可以采用變參數(shù)PID，根據(jù)不同季節(jié)、不同水質(zhì)、水量尋求不同的規(guī)律，這種規(guī)律由工藝設(shè)計給定。實際在穩(wěn)定運行中，PID參數(shù)常常采用試湊的方法進行調(diào)整，這時應(yīng)注意，首先K1p由小到大，然后K1i由大到小，最后K1d由小到大。 
　　另外，每次啟動串級控制系統(tǒng)時，應(yīng)該首先運行副控系統(tǒng)，待副控系統(tǒng)穩(wěn)定后，手動設(shè)定風量給定值U0(kT)，實行開環(huán)調(diào)節(jié)風量，同時與溶解氧反饋值比較，待誤差較小且穩(wěn)定后，再投入主控閉環(huán)系統(tǒng)，這樣可減小偏差對系統(tǒng)的沖擊，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 
　　還應(yīng)注意，污水處理的環(huán)境比較惡劣，特別是水質(zhì)儀表的使用和維護對自控的影響很大，據(jù)國外的運行經(jīng)驗，儀表的采樣周期不宜太短，設(shè)備的調(diào)節(jié)頻率不宜太高。 

3 總結(jié) 
　　曝氣池溶解氧的PID控制還可以采用一些改進方法，如為了保護設(shè)備采用帶死區(qū)的PID、為了解決非線性采用模糊PID、為了抗拒擾動采用自適應(yīng)PID以及PID參數(shù)自尋優(yōu)等等。 
PID控制雖然在工程上廣泛采用，但只能解決線性系統(tǒng)的調(diào)節(jié)問題，曝氣系統(tǒng)中，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)對鼓風機的控制，但對水質(zhì)處理效果的控制能力有限，DO控制時，參數(shù)的整定需要根據(jù)實際情況不斷調(diào)整。從控制理論的角度來看，污水的生物處理過程具有大滯后、非線性、隨機性和多變量的特點，工藝理論建立的模型也是經(jīng)驗的、定性的、有條件的，因此，單純依靠理論模型建立的經(jīng)典控制方法已經(jīng)不能很好地滿足人們的需要。 
要把握曝氣系統(tǒng)的生物過程或水質(zhì)處理過程必須結(jié)合工藝理論，運用現(xiàn)代控制理論和智能控制理論的相關(guān)內(nèi)容，對系統(tǒng)的某些結(jié)構(gòu)和參數(shù)進行辯識和估計，在大量數(shù)據(jù)和運行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上運用諸如模糊技術(shù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及專家系統(tǒng)等智能化手段，才能由細節(jié)到宏觀實現(xiàn)對水質(zhì)處理過程的全面控制，另外，引入先進、智能的在線水質(zhì)檢測裝置也會更直接地提供控制依據(jù)。隨著環(huán)境治理力度的加大和相關(guān)指標的制定，污水處理過程的控制要求將會越來越高。