生物營(yíng)養(yǎng)物去除工藝的數(shù)字化控制集成研究

郝曉地，衣蘭凱，秦建軍

（北京建筑工程學(xué)院可持續(xù)環(huán)境生物技術(shù)研發(fā)中心，北京 100044）

以中試生物營(yíng)養(yǎng)物去除（BNR）系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀獲取動(dòng)態(tài)進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)；通過控制轉(zhuǎn)換信號(hào)，將在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)工藝模型；計(jì)算模擬出對(duì)應(yīng)水質(zhì)下的最佳運(yùn)行工況，并將結(jié)果及時(shí)反饋給自控設(shè)備；自控設(shè)備在最佳參數(shù)信號(hào)下指揮設(shè)備運(yùn)行。最終，以在線監(jiān)測(cè)水質(zhì)/水量、數(shù)學(xué)模擬最優(yōu)工況、自動(dòng)控制調(diào)節(jié)工藝參數(shù)為基礎(chǔ)，建立四層分布式控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)工藝的數(shù)字化自動(dòng)控制。

1 工藝運(yùn)行控制策略及參數(shù)選擇

1.1 工藝運(yùn)行控制策略

在污水生物處理過程中，生物化學(xué)氧化還原反應(yīng)可由混合液中的ORP值來(lái)反映；ORP值降低暗示著有機(jī)物被氧化，O₂、NO_x^-和Fe³⁺等物質(zhì)充當(dāng)電子受體而被還原。ORP大小與反應(yīng)物濃度、溫度和pH值有關(guān)，可通過能斯特方程計(jì)算獲得。由于ORP具有測(cè)量簡(jiǎn)單易行、成本低及數(shù)值穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)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(shù)選擇

針對(duì)本研究工藝，選擇Q_A、Q_B、Q_C、Q_S、SRT和DO作為可調(diào)控控制運(yùn)行參數(shù)。

內(nèi)循環(huán)A的主要作用是防止污泥回流直接進(jìn)入?yún)捬醭兀瑢?dǎo)致過量硝酸鹽和DO破壞厭氧環(huán)境�？赏ㄟ^檢測(cè)厭氧池ORP來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)Q_A的控制。通過對(duì)Q_A的控制，不僅可以維持厭氧池厭氧環(huán)境，而且還可通過這種調(diào)整維持厭氧池內(nèi)污泥濃度處于最佳水平。

內(nèi)循環(huán)B的主要作用是從R5向R3回流NO₃^-，以確保實(shí)現(xiàn)反硝化除磷。然而，R3中NO₃^-濃度過高會(huì)影響厭氧池的厭氧環(huán)境，削弱生物釋磷效果。因此，對(duì)Q_B的控制不僅要取決于ORP值，也要結(jié)合出水與缺氧池中的NO₃^-濃度。

內(nèi)循環(huán)C是建立在好氧池與缺/好氧池之間的循環(huán)，目的是強(qiáng)化硝化或同時(shí)硝化與反硝化的機(jī)會(huì)，以保證出水總氮達(dá)標(biāo)。在進(jìn)水TN負(fù)荷較低的情況下，內(nèi)循環(huán)C一般不會(huì)對(duì)處理效果起太大的作用，一般并不開啟，只有當(dāng)進(jìn)水TN負(fù)荷過高而影響到出水水質(zhì)時(shí)方予以啟動(dòng)。對(duì)Q_C的控制視出水NH₄⁺-N、TN和進(jìn)水COD/N值而定。

通過厭氧池側(cè)流磷回收可相對(duì)彌補(bǔ)生物脫氮除磷過程中碳源缺乏的問題，亦可解決因SRT過長(zhǎng)而導(dǎo)致的生物除磷效果下降。為此，側(cè)流磷回收可保證出水TP達(dá)標(biāo)排放。Q_S大小控制可通過對(duì)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(shí)現(xiàn)，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(duì)曝氣量的控制應(yīng)以SVI和出水NH₄⁺-N、COD及TP為依據(jù)。

2 系統(tǒng)的構(gòu)建

在線監(jiān)測(cè)→模擬預(yù)測(cè)→自動(dòng)控制系統(tǒng)包括在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、模擬預(yù)測(cè)系統(tǒng)、自動(dòng)控制系統(tǒng)和連接模擬軟件系統(tǒng)的接口管理軟件系統(tǒng)。接口管理軟件系統(tǒng)的主要作用是將在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)模擬軟件，并將模擬后的結(jié)果輸出，反饋給自動(dòng)控制系統(tǒng)，及時(shí)調(diào)整工藝參數(shù)。

2.1 在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要對(duì)水質(zhì)和工藝運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝流程的數(shù)據(jù)采集，包括：水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀與傳感器、電磁閥與電磁開關(guān)、水泵、攪拌器與曝氣裝置，主要水質(zhì)在線監(jiān)測(cè)儀器見表1。在線監(jiān)測(cè)技術(shù)已十分成熟，完全能為數(shù)字化控制系統(tǒng)提供可靠的數(shù)據(jù)。

表1 主要在線分析儀器

2.2 模擬預(yù)測(cè)技術(shù)

模擬預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果表明，兩者不僅在走向趨勢(shì)上十分相近，而且數(shù)值范圍也有著≥95%的吻合性。這充分說明，國(guó)外已經(jīng)成熟的數(shù)學(xué)模型經(jīng)國(guó)內(nèi)實(shí)際污水廠運(yùn)行驗(yàn)證與校正后完全可用于BNR工藝的運(yùn)行優(yōu)化。研究采用WEST軟件平臺(tái)分析實(shí)際工藝流程，并根據(jù)需要選用合適的活性污泥模型。對(duì)試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)進(jìn)行大誤差分析，校正并驗(yàn)證模型，確定模型化學(xué)計(jì)量系數(shù)和動(dòng)力學(xué)參數(shù)；將穩(wěn)態(tài)模擬運(yùn)行結(jié)果作為動(dòng)態(tài)模擬的初始值，對(duì)動(dòng)態(tài)進(jìn)水水質(zhì)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬分析，將對(duì)應(yīng)進(jìn)水水質(zhì)下的最佳工況模擬輸出。

2.3 自動(dòng)控制系統(tǒng)

自動(dòng)控制系統(tǒng)利用PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)采集、控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行元件、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和監(jiān)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(wù)是將在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)輸入到數(shù)學(xué)模擬軟件之中，實(shí)時(shí)輸出模擬預(yù)測(cè)出的最佳運(yùn)行工況，并將這些最佳工況數(shù)據(jù)反饋給自動(dòng)控制系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)調(diào)整工藝運(yùn)行參數(shù)。因此，接口管理軟件包括數(shù)據(jù)輸入軟件（即工藝組態(tài)軟件的接口管理軟件ccHelper）和數(shù)據(jù)輸出軟件（即數(shù)學(xué)模擬軟件的接口管理軟件Helpercc）。

采用ccHelper軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)管理，主要包括數(shù)據(jù)查詢、數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)輸出三個(gè)方面，可根據(jù)用戶需要設(shè)置采集數(shù)據(jù)所存放的位置、采集時(shí)間間隔以及輸入WEST數(shù)學(xué)模擬軟件的時(shí)間間隔。數(shù)據(jù)查詢模塊可查詢重要設(shè)備的運(yùn)行參數(shù)、狀態(tài)、操作記錄及報(bào)警的歷史記錄；數(shù)據(jù)備份模塊負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)庫(kù)的備份及維護(hù)，信息管理及監(jiān)控軟件會(huì)定期將數(shù)據(jù)庫(kù)備份到另外的目錄下保存，并將當(dāng)前使用的數(shù)據(jù)庫(kù)清空；數(shù)據(jù)輸出模塊負(fù)責(zé)各種數(shù)據(jù)報(bào)表的生成和打印輸出，夠生成日生產(chǎn)報(bào)表、月生產(chǎn)報(bào)表、年生產(chǎn)報(bào)表、電耗表等，同時(shí)還能以直觀的圖表形式打印。

采用Helpercc軟件進(jìn)行模擬數(shù)據(jù)的保存，同時(shí)可控制模擬軟件運(yùn)行的時(shí)間間隔；一旦輸入達(dá)標(biāo)的水質(zhì)參數(shù)要求，數(shù)學(xué)模擬結(jié)果便會(huì)自動(dòng)與這些數(shù)據(jù)對(duì)比，若不達(dá)標(biāo)則數(shù)學(xué)模擬軟件繼續(xù)運(yùn)行，直至數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)，將能達(dá)標(biāo)的工藝運(yùn)行參數(shù)反饋給工藝，從而實(shí)現(xiàn)污水處理的自動(dòng)控制。

3 系統(tǒng)集成、運(yùn)行過程及效果

3.1 控制系統(tǒng)集成

在上述四部分內(nèi)容已完成的前提下，以BNR工藝（見圖1）為基礎(chǔ)，建立一個(gè)四層分布式控制系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)工藝的數(shù)字化和自動(dòng)化控制。四層分布式控制系統(tǒng)分別為現(xiàn)場(chǎng)控制層、集中控制層、監(jiān)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(tǒng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)場(chǎng)控制層由執(zhí)行單元、在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)儀器和工藝系統(tǒng)構(gòu)成，該層處在控制系統(tǒng)最低層，主要對(duì)工藝運(yùn)行參數(shù)和水質(zhì)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工藝流程的數(shù)據(jù)采集和過程控制，負(fù)責(zé)開關(guān)量與模擬量信號(hào)的輸入、輸出。

集中控制層利用PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)控制現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)采集，控制現(xiàn)場(chǎng)執(zhí)行元件、現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和監(jiān)控管理層之間的通訊。對(duì)項(xiàng)目的各硬件組態(tài)后進(jìn)行PLC程序編寫。PLC程序主要由系統(tǒng)初始化子程序、水泵起動(dòng)停止子程序、水泵流量控制子程序、空氣壓縮機(jī)和曝氣閥門開啟關(guān)閉子程序、攪拌器控制子程序、數(shù)據(jù)采集子程序等構(gòu)成。

監(jiān)控管理層由一臺(tái)工業(yè)控制計(jì)算機(jī)、工藝組態(tài)軟件和人機(jī)界面組成，該層主要是對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控和系統(tǒng)編程調(diào)試，對(duì)采集數(shù)據(jù)分析處理、存儲(chǔ)和顯示等，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫(kù)管理、日志、報(bào)表和運(yùn)行情況等。通過監(jiān)控管理層可實(shí)時(shí)了解工藝運(yùn)行狀況、現(xiàn)場(chǎng)與遠(yuǎn)程工藝管理。

綜合信息管理層主要是對(duì)多個(gè)工藝進(jìn)行維護(hù)與管理、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)訪問與重用。本課題應(yīng)用OPC接口進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，應(yīng)用以太網(wǎng)在計(jì)算機(jī)間進(jìn)行OPC通信，配置作為OPC服務(wù)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(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)頁(yè)。綜合信息管理層可以實(shí)現(xiàn)綜合數(shù)據(jù)分析處理、遠(yuǎn)程發(fā)送工藝調(diào)整指令、系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)遠(yuǎn)程監(jiān)控等等。

3.2 運(yùn)行過程

通過上述四層分布式控制系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)工藝的自動(dòng)控制，其運(yùn)行過程見圖3。首先，現(xiàn)場(chǎng)管理層的在線監(jiān)測(cè)儀器可將進(jìn)水水質(zhì)、水量和工藝運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)捕獲，利用PLC和現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)等集中管理層通過控制轉(zhuǎn)換信號(hào)將數(shù)據(jù)傳到監(jiān)控管理層。其次，監(jiān)控管理層的工藝組態(tài)軟件WinCC和工業(yè)計(jì)算機(jī)共同組成的人機(jī)界面中可查看水質(zhì)數(shù)據(jù)的完整性。如果不完整，可人工手動(dòng)輸入數(shù)據(jù)，再次檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的完整性。數(shù)據(jù)完整后可通過ccHelper將數(shù)據(jù)整理并存儲(chǔ)。再次，經(jīng)一定間隔，將在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)數(shù)學(xué)模擬軟件，模擬得到對(duì)應(yīng)水質(zhì)下的最佳運(yùn)行工況并反饋給自控設(shè)備。最后，將上述輸出結(jié)果自動(dòng)與Helpercc中預(yù)先設(shè)置好的出水水質(zhì)進(jìn)行對(duì)比。通過該接口軟件的審核，自控設(shè)備在最佳參數(shù)信號(hào)下指揮設(shè)備運(yùn)行。

圖3 數(shù)字化控制運(yùn)行

3.3 運(yùn)行效果

根據(jù)上述“在線監(jiān)測(cè)→模擬預(yù)測(cè)→自動(dòng)控制”這樣一種污水處理工藝運(yùn)行與控制模式，工藝可實(shí)現(xiàn)數(shù)字化控制。經(jīng)校正、調(diào)整后，BNR工藝運(yùn)行穩(wěn)定、效果較好。在線監(jiān)測(cè)儀器采集到的一組進(jìn)水?dāng)?shù)據(jù)：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(shù)據(jù)輸入數(shù)學(xué)模型，模擬得到最佳工藝參數(shù)：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(shè)備將這些參數(shù)直接反饋給工藝以指揮其運(yùn)行，得到相應(yīng)的出水水質(zhì)：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�？芍�，在特定的進(jìn)水水質(zhì)下，通過數(shù)學(xué)模擬后得到最佳運(yùn)行工況，該工況不僅能保證出水達(dá)標(biāo)，而且可優(yōu)化工藝運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

專家點(diǎn)評(píng)：該論文研究的“在線監(jiān)測(cè)-模擬預(yù)測(cè)-自動(dòng)控制”技術(shù)，有利于保障污水生物處理運(yùn)行的穩(wěn)定性和節(jié)能減排，這是今后污水廠運(yùn)行管理的發(fā)展方向。論文基于生化處理機(jī)理，采用數(shù)學(xué)模擬技術(shù)，得到污水處理設(shè)施最佳運(yùn)行工況，實(shí)現(xiàn)高效節(jié)能的自動(dòng)控制。論文論據(jù)充分、創(chuàng)新性明顯，具有較高的學(xué)術(shù)價(jià)值和應(yīng)用價(jià)值。

本文榮獲《中國(guó)給水排水》2013年度“得利滿”優(yōu)秀論文特等獎(jiǎng)

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