一种精确曝气控制系统的设计与应用①

钱 宏

(中冶华天南京电气工程技术有限公司，江苏 南京 210019)

0 引 言

污水处理厂生化处理中，曝气系统是其最为核心环节，其生化池内溶解氧(DO)的含量的多少对活性污泥降解有机污染物至关重要。曝气量的不足和过量对生化处理过程中溶解氧含量都会产生影响，过低则导致好氧池丝状菌成倍增长引起污泥膨胀，过高则导致能源浪费严重，且通过回流携带DO进入缺氧池，从而减弱缺氧池反硝化能力，难以达到脱氮的效果。通过对污水处理过程全流程分析，曝气环节约占整个污水厂生产中能耗的50%以上，是污水处理过程中能耗最高的环节[1,2]。同时，由于在污水处理厂设计阶段缺少清晰的外围数据，为了保证污水处理后出水能够达标排放，通常在设计过程中对其安全系数留有较大的裕量，使得设备选型与实际情况有较大的出入[3,4]。又鉴于系统工况设计的局限性，大部分的污水处理厂都是采用集中供气的设计理念，即面临一根总管道分支给多条生化池供气，鼓风机分支安装于总管，这样导致无法从改变鼓风机的运行工况来控制各个生化池溶解氧。一些学者尝试于在每条生化池分支空气管道安装调节阀来解决以上问题，但是由于系统空气管路长延迟大、来自于外部干扰多、难以较好的实现控制[5]。同样，从鼓风机侧的总输出进行调节，更难解决针对生化池各区域内需氧量要求不一致的问题，控制效果不理想。

1 控制系统设计

针对前述问题设计一种多点组合式曝气控制系统。将多条生化池每个池进行分区(如前、中、后段或者内、中、外沟)。针对单条生化池，生化池内至少安装三组曝气器，根据进水方向分别安装于其前中后段，或者安装在外中内沟内；同时，每组曝气器总进气口处装有调节阀，根据工艺要求在每组曝气器区域具有代表性的点处安装有溶解氧测量仪；通过必要的隔离或信号转换装置将溶解氧测量仪测量的DO值y、调节阀开度反馈值x以及控制器输出调节阀的执行开度值i进行连接，组成单个溶解氧分区控制闭环回路，组成单个的溶解氧分区控制系统。将多条生化池内的多个调节系统值通过控制器的函数f(x)加权运算，调节系统值来自于每个分区调节系统的调节阀反馈值，加权运算其结果作为过程控制器和逻辑控制器输入值计算鼓风机投运台数及调整运行频率，同时，鼓风机总管流量或压力参数送入各分区控制器的前馈网络，负反馈于调节分区控制器的输入值，解决空气管路长导致控制系统失控或控制效果差的问题。各分区控制器通过优化控制算法对给定运行轨迹进行修正，使得各分区段溶解氧含量较好的跟踪给定期望值；从而实现了一路空气总管对多条生化池内DO值精确控制，同时对生化池的不同区域不同需氧量要求进行区别控制。

控制系统的组成包括1、曝气器；2、分区控制器；3、溶解氧测定仪；4、调节阀；5、曝气空气总管；6、加权运算器；7、过程控制器和逻辑控制器；8、变频控制器；9、鼓风机组合套件,其控制系统组成图如图1所示。

图1 控制系统组成图

图2 控制系统结构框图

选用控制系统的动力源为电动，控制器设备含可编程逻辑控制器和工业控制计算机。其结构框图如图2所示。

将多条生化池内的多个调节系统值通过控制器的函数f(x)加权运算如式(1)：

f(t)=k(t)f(x);(t为时间常数，x=xk1xk2…)

(1)

其结果作为逻辑控制器和过程控制器输入值计算鼓风机投运台数和调整鼓风机变频控制器的运行频率fk(t)，从而实现按需分配供气量、稳定于最佳运行点。

单个分区控制器，均分设期望轨迹存储器和控制存储器，期望轨迹存储器将工艺要求的溶解氧含量值在时间常数上进行离散存储yd1，并将采集实际溶解氧值yk1对期望轨迹取误差ek(t)和ek-1(t)。如式(2)：

ek(t)=yd(t)-yk(t),ek-1(t)=

yd(t)-yk-1(t);[t∈(0,T)]

(2)

通过实际输出与期望输出的相互比较产生系统误差ek(t)，引入先进的迭代学习律计算产生修正后的输入控制量，从而构造控制序列{uk(t)}函数不断的逼近一组控制量{ud(t)}，使得实际输出与期望输出间的误差逐渐减少直至满足控制的精度要求[6]。构造目标函数式(3)用来界定学习律计算结果是否满足控制的精度要求。当J<ε时(ε为相对极小数)，说明控制精度满足，此时，存储器记录其产生本次结果的一组控制量uk(t)和控制效果溶氧值yk(t)，停止学习过程。当J>ε时，说明超出了目标函数界定的控制精度要求，此时，启动学习计算，再次修正输入控制量的过程。如式(3)：

(3)

不断循环对目标函数的比较过程，在精度满足要求时，存储产生本次结果的一组控制量uk(t)和控制效果溶氧值yk(t)，同时可以通过K1选择开关自由切除或投入内环控制器，增加控制系统的快速跟踪性能。实现了鼓风机组空气总管内的空气流量和压力的动态调整；同时将空气总管内空气压力P参数和流量F参数送入各分区控制器的前馈网络，负反馈于调节分区控制器，实现预估补偿的控制目的，解决空气总管路长导致控制系统滞后、扰动或失控问题。

图3 控制效果图

2 控制效果及结论

从图3可以看出，在切换到设计的精确控制系统后， 10min后即可从较大的溶解氧含量值达到设定的稳态值，且控制精度达到2%以内，其控制效果较为理想。在采用各分区控制器的前馈网络，解决空气管路长导致控制系统失控或控制效果差的问题。利用了部分解耦和寻优控制方法，从而提高工艺参数的稳定性、节约能源，达到精确曝气的目的。同时，通过加权计算集成控制于鼓风机组的输出风量，从而在保证出水达标的前提上，兼顾曝气系统的经济型，对污水处理厂节能降耗，降低运营成本。