（环境工程专业论文）化学生物絮凝—悬浮填料床组合工艺自动控制系统的设计.pdf

摘要 摘要 本文主要对化学生物絮凝一悬浮填料床组合工艺的自动控制系统进行了初 步的设计和研究。首先介绍了该组合工艺自动控制系统的整体设计，该套自动控 制系统采用具有优越控制性能的p l c 作为控制器，能很好的实现对工艺的全面控 制。接下来，在结合具体中试试验的基础上，分别对化学生物絮凝工艺的自动加 药控制系统和悬浮填料床的曝气控制系统进行了具体的设计研究。通过对三种出 水水质的控制指标c o d 、s s 和t p 进行比较，确定以出水t p 作为化学生物絮凝 工艺加药系统的被控变量。此外，还进一步比较了三种不同的控制方法：反馈控 制、前馈控制和前馈一反馈控制，从中选用前馈反馈控制方法作为自动加药系 统的控制方法。系统前馈控制部分采用的数学模式是：f = 9 6 4 q x l p ( m l m i n ) ， 并对反馈控制部分进行了相应的设计。针对悬浮填料床脱氮反应过程的精确数学 模型难以建立的特点，本文采用模糊控制方法，设计出一个两输入一输出的曝气 量的模糊控制器。以d o 作为被控变量，在分析反应器中d o 与出水n h 4 + n 浓 度关系的基础上，把3 m g l 作为系统的控制目标值。模糊控制器的设计包括精 确量的模糊化、模糊推理与决策和模糊量的精确化三个部分，然后得出了完整的 输出量模糊控制表，设计出了悬浮填料床的曝气模糊控制系统。最后介绍了利用 m a t l a b 图形工具软件进行模糊控制器设计的方法和过程。 关键词：化学生物絮凝，悬浮填料床，p l c ，自动加药，模糊控制，m a t l a b a b s t r a c t a b s t r a c t t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h ep r i m a r yd e s i g no nt h ea u t o c o n t r o ls y s t e mo fc h e m i c a l a n db i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o n - s u s p e n d e dp a c k e db e dp r o c e s s i nt h ef i r s t ，g e n e r a ld e s i g n o nt h ea u t o c o n t r o ls y s t e mo ft h i sp r o c e s si si n t r o d u c e d p l cw h i c hh a se x c e l l e n t q 砌i t yi su s e da st h ec o n t r o l l e ro ft h es y s t e ma n dt h ec o n t r o lo ft h ep r o c e s sc a nb e w e l la c c o m p l i s h e d i nt h en e x t ，b a s e do np i l o tt e s t , a u t o - d o s i n gc o n t r o ls y s t e mo f c h e m i c a la n db i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o np r o c e s sa n da e r a t i o nc o n t r o ls y s t e mo fs u s p e n d e d p a c k e db e dp r o c e s sa r es t u d i e dc o n c r e t e l y b yt h ec o m p a r eo ft h r e ed i f f e r e n to u t f l o w i n d e x ：c o d ，s sa n dt p ，t pw a sc h o o s e da sc o n t r o lv a r i b l eo fa u t o - d o s i n gc o n t r o l s y s t e mo fc h e m i c a la n db i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o np r o c e s s f u r t h e r , t h r e ec o n t r o lm e t h o d ： f e e d f o r w a r dc o n t r o l ，f e e db a c kc o n t r o la n df e e d f o r w a r d - f e e db a c kc o n t r o la r ec a m p a r e d ， c h o o s e sf e e d f o r w a r d - f e e db a c kc o n t r o la sc o n t r o lm e t h o do f a u t o - d o s i n gc o n t r o l s y s t e m i nt h ep a r to ff e e d f o r w a r d ，m a t h e m a t i c sm o d ei s ：f = 9 6 4 x q x l p ( m l m i n ) ， t h e nc o r r e s p o n d i n g l yd e s i g n st h ep a r to ff e e db a c k b e c a u s ee x a c tm a t h e m a t i c sm o d e l o ff l o c c u l a t i o n - s u s p e n d e dp a c k e db e dp r o c e s si sh a r dt ob ee s t a b l i s h e d ，f u z z yc o n t r o l i su s e dt od e s i g nt h ec o n t r o ls y s t e mo ft h i sp r o c e s s t h ef u z z yc o n t r o l l e rh a st w oi n p u t a n do n eo u t p u t u s e dd oa sc o n t r o lv a r i b l e ，t h et a r g e to fc o n t r o li sd e f m e da s3 m g l b yt h ea n a l y s eo ft h er e l a t i o n s h i po fd oi nt h er e a c t o ra n dn h 4 + - no fo u t f l o w t h e d e s i g no ff u z z yc o n t r o l l e ri sc o n s i s to ff u z z i f i c a t i o no fi n p u t , m a k i n gf u z z yc o n t r o l r u l e sa n dd e f u z z i f i c a t i o n t h e n ，t h ef u z z yc o n t r o lt a b l ei sg o t t e na n da e r a t i o nc o n t r o l s y s t e mo fs u s p e n d e dp a c k e db e dp r o c e s sh a sb e e nd e s i g n e d f i n a l l y , t h em e t h o da n d p r o c e s so fd e s i g no nf u z z yc o n t r o l l e rb ym a t l a b s o f t w a r ei si n t r o d u c e d k e yw o r d s ：c h e m i c a la n db i o l o g i c a lf l o c c u l a t i o n , s u s p e n d e dp a c k e db e d ，p l c ， a u t o d o s i n g ，f u z z yc o n t r o l ，m a t l a b 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：姜钊 j 2 口d 箩年3 月3e l 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在夕年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 学位论文作者签名：受专 a d 口箩年；月岁曰 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均己在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 虢萎 玉剪年夕月3 别 1 日 第一章绪论 第一章绪论 我国经济的不断发展的同时，城市污水排放量也在加剧。2 0 0 3 年，全国工业 和城镇生活废水排放总量为4 6 0 0 亿吨，比上年增加4 7 。其中工业废水排放量 2 1 2 4 亿吨，比上年增加2 5 ；城镇生活污水排放量2 4 7 6 亿吨，比上年增加6 6 。 i l l ，水污染问题十分严重。因此，建立城市污水处理厂，把工业、家庭生活排放 的污水经集中治理后，使之达到国家规定的排放标准，已成为城市建设中必须遵 循的普遍原则【2 1 。随着污水处理排放标准要求越来越高以及操作过程越来越严 格，有些处理工艺，例如序批式活性污泥工艺法( s e q u e n c i n gb a t c hr e a c t o r ，s s r ) 工艺，由于操作和管理比较复杂，如果仅靠人工操作很难进行，因此要进行生产 推广就受到了限制。此外，由于很多污水处理工艺需要投入的药剂量和消耗的电 能等非常大，其高额的运行费用让很多的污水处理厂难以承受。因此，为了使城 市污水处理厂的管理更加简单方便，节省运行成本，改善出水水质，同时推广一 些高效的污水处理新工艺，提高城市污水处理厂的自动化控制水平，具有重要意 义。 1 1 国内外污水处理发展概况 在污水处理方面，西方发达国家起步较早，早在上个世纪初就开始了对污水 处理的研究与应用。瑞典政府在上个世纪5 0 年代后期就制定了城市污水b o d 和 s s 去除标准【3 】。德国、荷兰等西方国家也较早的开展了对污水处理技术的研究。 目前发达国家平均每0 5 1 万人就拥有一座污水处理厂【4 】。这些污水处理厂的 建立，为改善当地水环境，有效控制水污染发挥了巨大作用。 我国对污水处理的研究相对起步较迟，污水处理能力发展缓慢，自1 9 8 4 年 我国第一座大型污水处理厂天津纪庄子污水处理厂建成后，我国污水处理能力才 有了较大的发展【5 】。但是相对于日益增长的污水总量来说，处理能力仍显得非常 不足。据有关资料，我国每1 0 0 万人才拥有一座污水处理厂【4 】，相对发达国家来 说污水处理能力差距很大。大部分的污水未经处理直接排入水体，造成水体的严 重污染，河流湖泊的污染和富营养化问题非常严重。2 0 0 3 年度我国七大水系4 0 7 个重点监测断面中，3 8 1 的断面满足i 类水质要求，3 2 2 的断面属、 v 类水质，2 9 。7 的断面属劣v 类水质。其中七大水系千流的1 1 8 个监控断面中， 第章绪论 i 类水质断面占5 3 4 ，i v 、v 类水质断面占3 7 3 ，劣v 类水质断面占 9 3 。2 0 0 3 年，2 8 个重点湖库中，i i 类、类、类、v 类和劣v 类水质的湖 库分别占3 6 、2 1 4 、2 5 o 、1 4 3 和3 5 7 蟛。 为了解决日益严重的污染问题，我国还需建设更多的污水处理厂，尤其是中 小城镇，污水处理设施落后，很多城镇甚至没有污水处理厂。由于资金缺乏，这 些城市的污水处理厂在近期内可先大力发展并逐步普及强化一级处理，以较少的 投资消减较大最的污染负荷，到条件成熟后再建设二级处理工艺，这对我国这样 经济尚不发达而环境污染又较严重的国家，具有十分重要的意义。同时需要加强 对投资和运行成本相对较少、处理效率高的新型污水处理工艺的研究。化学生物 絮凝一悬浮填料床组合工艺就是为了解决中小城镇水污染问题而提出的，前期的 试验表明，它是一种高效的污水处理新工艺，而且处理和运行成本相对二级处理 工艺低，因此，对该工艺其进行全方面的研究，具有重要意义。 1 2 化学生物絮凝工艺与悬浮填料床工艺的研究进展 1 2 1 化学絮凝强化一级处理工艺 由于以自然沉淀为主的一级处理对有机物的去除率较低( b o d 。去除率仅为 2 0 - - - - 3 0 左右) 6 1 ，难以有效的控制水环境污染。为提高一级处理对污染物的去 除，需要进行强化，因此提出了强化一级处理工艺。所谓强化一级处理就是利用 一定的物理、化学或生物的方法使污水中的呈悬浮或胶体状态的污染物质颗粒发 生凝聚和絮凝，改善污染物质的可沉降性能，提高沉淀分离效果和去除能力，从 而改善出水水质的一种处理工艺。在普通一级处理的基础上，通过增加较少的投 资，能较大程度的提高污染物的去除率，消减总污染负荷，降低去除单位重量污 染物的费用。按照产生絮凝的方法可分为：化学强化一级处理、生物絮凝强化一 级处理和化学生物絮凝处理工艺。 化学生物絮凝处理是利用化学混凝和生物絮凝联合作用强化沉淀的污水处 理工艺。生物絮凝处理由一个停留时间较短( 3 0 分钟左右) 的曝气池和沉淀池构 成，在此系统中，进水中的可沉固体和回流污泥可以得到活化，具有絮凝吸附作 用和沉降性。而以化学混凝作用为主的单纯化学絮凝处理，以去除颗粒状的和胶 体状物质为主，对溶解性的c o d 和b o d 。的去除率不高，但对磷的去除效果很好， 2 第一章绪论 只是所需投药量较大，运行费用亦较高，特别是污水中总磷含量较高时，效果更 好。 根据化学絮凝处理工艺及生物絮凝处理工艺的特点，它们各有特色，如果将 两者有机结合起来，从理论上分析，可以得到加药量少、污泥产量少、运行成本 低、处理效果好的化学一生物絮凝处理工艺。因此，对于强化一级处理，采用空 气混合絮凝反应和污泥回流，利用外加的化学絮凝沉淀剂和污水中的天然生物絮 凝剂，可达到经济有效地去除磷酸盐、s s 、c o d 和b o d 。的目的。我们称这种以化 学絮凝沉淀为主、生物絮凝起重要辅助作用的工艺为化学一生物絮凝处理工艺。 化学生物絮凝处理工艺由絮凝反应池、沉淀池、污泥回流和空气混合系统构 成如图1 - l 。污水经过机械处理及提升后进入絮凝反应池，通过投加化学药剂与 空气混合实现化学一生物絮凝，形成沉降性能良好的污泥絮体和磷酸盐化学沉淀 物，然后在沉淀池完成固液分离。 投加药剂 泥 图1 1 化学生物絮凝处理工艺工艺流程图 将化学絮凝强化处理与生物絮凝强化处理相结合，可以取长补短，达到降低 药剂消耗量、减少污泥产量、降低处理成本的目吲7 1 。郑兴灿、张悦【8 】实验研究 结果表明，通过化学絮凝沉淀作用、生物絮凝与不完全氧化作用，可以提高和保 证s s 、c o d 、b o d 、t p 的去除效果，去除率一般为c o b ：6 0 - - 8 0 、b o b s ：6 0 - - 8 0 、s s ：；8 0 - 9 0 ，t p ：7 5 9 0 、t n 2 5 左右。澳大利亚的a n d r e w j p o o l e ， r a l f c o r d r u w i s ha n df w i l l i a mj o n e s 等 9 1 将一种新的化学絮凝处理工艺( s i r o l a n c y ) 与生物处理工艺进行组合，对含有高浓度有机污染物( 5 7 5 0m g lc o d ) 的 羊毛洗涤废水进行处理，c o d 去除率超过9 0 ，并全部废水中的可溶性萃取物。 3 第一章绪论 1 2 2 悬浮填料床处理工艺研究进展 悬浮填料床生物膜法( s u s p e n d e db i o - - m e d i am o v i n gb e db i o f i l m ) 是以比 重接近于水的悬浮填料直接投入到曝气池中作为微生物的活动载体，依靠曝气池 内的曝气和水流提升作用处于流动状态，它是悬浮生长的活性污泥法与附着生长 的生物膜法相结合的一种工艺【1 0 1 。悬浮填料床生物膜法处理工艺又可称为移动 床生物膜法工艺，是近年来在生物接触氧化法和生物流化床的基础上开发的一种 新型高效生物膜法废水处理装置，它具有生物膜法耐冲击负荷、泥龄长、剩余污 泥量少的特点，又具有活性污泥法的高效性和运转灵活性，是生物膜法和活性污 泥法的结合。在移动床生物膜反应器中，其核心部分是一种特殊的在反应器中能 保持悬浮的塑料填料，这些填料随反应器内混合液的回旋翻转作用而自由移动 ( 在好氧反应器中，这种回旋力是由曝气提升力而提供的，在缺氧和厌氧反应器 中则来自于机械搅拌) 。填料在水中充分流化，可以使填料上的微生物获得充分 的溶解氧和有机污染物质，提高了微生物的浓度，降低了污泥负荷；为世代周期 长的硝化细菌提供了栖息场所，为氨氮的硝化创造了条件。 王学江【l l j 在悬浮境料生物膜a 0 法处理石化废水试验研究中，当n h 3 - 州进 水在2 0 - - ，3 5m g l 时，最高去除率为9 7 5 ，最低为9 0 8 ，平均9 4 6 出水氨 氮不超过3m g l ，远低干城市二级污水厂的一级排放标准。m x l o u l d d o u 等【1 2 】 用m b b r 和s b r 联合工艺对垃圾渗滤液进行了处理，c o d 、b o d 5 和磷的去除 率平均分别为为6 5 ，9 5 ，6 5 ，且基本可以达到完全硝化，运行稳定时对 色度和浊度也有很好的去除效果。 1 2 3 化学生物絮凝一悬浮填料床组合工艺概述 由上面的论述可知，化学生物絮凝工艺在处理低浓度城市污水方面能对c o d ， s s ，t p 等进行非常有效的去除，但是由于污水在整个系统中的水力停留时间较 短，所以对氮的去除效果较差。而悬浮填料床工艺对氮却有很好的去除效果。因 此，为了结合利用两种工艺的各自优势，课题组对化学生物絮凝工艺和悬浮填料 床工艺进行了整合，提出了化学生物絮凝一悬浮填料床组合工艺。对该工艺进行 的前期试验已经表明该工艺对c o d ，s s ，t p 和氨氮去除效果很好，在此基础上， 为了进一步提高工艺的处理效率，降低运行管理成本以及为课题组决定对该工艺 4 第一章绪论 的自动控制技术进行研究。 1 3 污水处理自动控制发展概述 1 3 1 污水处理自动控制系统的特点 污水处理的控制系统属于过程控制，所以污水处理自动控制系统有其他过程 控制系统所具有的共性特征，既有模拟量又有数字量，既有顺序控制又有实时控 制，既有开环控制又有闭环控制。同时也有不同于一般过程控制系统的个性特征 ( 最终控制对象是c o d 、b o d 、s s 和p h 值) ，而为使这些参数达标，必须对众多设 备的运行状态、各池的进水量和出水量、进泥量和排泥量、加药量、各段处理时 间等进行综合调整与控制，这些共同决定了污水处理控制系统的复杂性。一个污 水处理厂控制系统涉及数百路开关量、数十路模拟量是很自然的，而且这些被控 量常常要根据一定的时间顺序和逻辑关系定时开停，许多参量的模拟调节量较 小，需要维持一定的值，因此需进行闭环控制定值调节。由于污水处理工艺过程 本身的独特性，需要对污水处理工艺进行必要的了解，有时需要进行长期的工艺 试验，来确定某些必须的工艺和控制参数，在此基础上才能设计出满足处理需要 的自动控制系统。 1 3 2 污水处理自动控制的发展 国外对污水处理自动控制技术的研究开展较早，发展美国从2 0 世纪7 0 年代 中期就开始实现对污水处理工艺的自动控制，目前主要污水处理厂已实现了工艺 流程中主要参数的自动测试和控制f 玎】。我国水厂采用自动化控制起步较晚。七 十年代开始应用集中巡检，至八十年代随着国家工业水平的提高，以及计算机的 应用，使水厂自动控制技术得以发展，特别是从国外引进自动控制技术以来，我 国水厂自动化控制水平有了很大的提高【1 4 1 。目前我国污水处理厂控制的现状是 手动与自动皆备，自制与引进并举。 对于小型的污水处理厂，由于资金不足，技术力量薄弱以及生产的季节性等 原因，所采用的检测仪表大部分是国产的离线仪表，监测手段也是靠取样后测量， 然后根据测量结果去调整设备运行状态。由于仪表的准确性差并且非连续性监 测，设备运行状态调整滞后，常常导致出水水质的不稳定。 5 第一章绪论 一些大型的污水处理厂为了实现自动化控制、保证出水水质达标，或借鉴国 内外先进的技术和经验自行开发，或利用政府投资和国外的优惠低息贷款，成套 引进国外的污水处理工艺、设备、监测仪器仪表、自控系统及相应的软件。由于 设备配套性好、技术先进、自动化程度高，系统都能连续稳定运行，所以能保证 出水水质达标。 1 - 3 3 活性污泥法污水处理自动控制技术的研究进展 活性污泥法( a c t i v a t e ds l u d g ep r o c e s s ) 是当前污水治理最基础的方法，我 国大多数污水处理厂都采用活性污泥法处理污水，应用相当广泛。它是利用微生 物的生命活动来处理污水中有机污染物的一种方法，其工艺流程如图1 2 所示。 空气 l j l l - - - - - 图1 2 活性污泥处理工艺基本流程图 活性污泥法处理工艺过程具有很大的时变性，需要较多地考虑其动态行为和 运行特性。为了保证过程连续运转和提高出水水质，对其处理过程加以控制以保 持其良好的运行。然而，目前对污水处理过程的控制多为基于数学模型的传统控 制方法，例如p i d ( 比例积分微分) 控制、比例控制等，有时甚至采用人工控制 方法，相对其他工业过程其控制方法和手段都比较落后，主要原因有：( 1 ) 系统 认知的缺陷。对过程的生物机理还不十分了解。而这对传统的控制策略而言是至 关重要的。( 2 ) 测量手段的欠缺。对某些变量，现有传感器还达不到足够的精确 性和可靠度，无法进行准确和有效的在线测量1 卯。随着我国对环境问题越来越 重视，污水处理的控制指标也日益严格，因此需要进一步提高污水自动控制水平。 同时，由于近年来计算机技术的迅速发展，为自动控制技术的发展提供了很好的 平台。在国外，在污水处理过程中除了监测、报警等常规管理以外，其他较高级 控制技术，如污水处理综合自动化控制、智能控制，也得到了实施；而国内在这 一领域的研究报道的相对较少。 6 第一章绪论 1 3 3 1 控制方法的研究进展 污水处理工艺中自动控制方法的研究在上世纪7 0 年代就开始了，但是由于系 统认知的缺陷、测量手段的欠缺等原因发展比较缓慢。现有的相关文献多为研究 常规的控制方法，控制手段主要有p i d 控制、比例控制、开关控制、最优控制等 t 6 - 1 9 】。近年来，由于计算机技术的发展，很多的专家学者开始研究将智能控制方 法应用到污水处理过程中f 2 0 2 2 】。对于活性污泥处理法工艺，其控制量主要可以分 为以下几种： ( 1 ) 溶解氧( d i s s o l v e do x y g e n ，d 0 ) 浓度控制。对于活性污泥法而言，曝 气池中的d o 浓度必须维持在合适的范围。曝气池中氧气不足和过量都会导致活性 污泥生存环境的恶化，当氧气不足时，一方面由于曝气池中丝状菌会大量繁殖， 最终产生污泥膨胀；另一方面由于其他细菌的生长速率降低而引起的出水水质下 降。而当氧气过量( 即过量曝气) 则会引起由于絮凝剂遭到破坏而导致悬浮固体沉 降性变差，同时使能耗过高【2 3 1 。d o 控制目的主要是通过对输入的空气量( 或氧气 量) 的控制，使曝气池中的d 0 浓度保持在一定的范围之内。 目前，对于曝气池d 0 浓度的控制，国内外研究得比较多。f l a n a g a n 利用o l s s o n 等提出的曝气池d 0 控制技术，以沿池长的d o 浓度变化曲线来估计曝气池中底物利 用效率和微生物活性。他的知识库中的知识不仅有根据工艺状态确定采用何种控 制措施这一类启发性规则，而且还有d o 曲线特征及相关工艺状态方面的知识。 b a r n e t t 把这些知识称为“汇编知识 ( c o m p i l e dk n o w l e d g e ) ，“汇编知识”作 为启发性知识的补充，提高了系统解决问题的深度和广度【2 4 】。 ( 2 ) 进水流量控制。进水流量的大小决定了污水在系统中的水力停留时间 的长短，而水力停留时间很大程度上决定了曝气池中反应进行的程度。故进水量 的变化往往会使系统中所有的变量都受到影响；另外细菌对污水中底物的浓度阶 跃变化非常敏感。因此，为了缓和曝气池中进水量的变化而使细菌有一个适应的 过程，需要采用一定的策略对进水流量进行控制。 ( 3 ) d h 值控制。曝气池中好氧菌的繁殖对p h 值大小有一定的要求，同时p h 值也会影响污水中氧化分解反应的速度。一般要求p h 值的范围保持在7 5 9 o 左右。 ( 4 ) 二沉池中污泥高度控制。对二沉池中污泥高度控制的作用有两个，一 7 第一章绪论 是通过污泥回流保持曝气他中生物固体浓度在一定范围内；二是防止其过高产生 溢出，使出水中的由s s 产生的有机物含量增加，导致b o d 浓度增加使水质下降。 近年来，为了进一步提高污水处理厂的自动控制水平，除了开发出更新、更 先进的自动控制设备外，国内外许多专家对污水处理工艺的自动控制技术进行了 更深入的研究，以寻求用更准确、更可靠的方法来实现自动控制。如j o h n 等【2 5 】 采用两种s b r 反应器对家禽生产废水进行处理，并且评价了它们的处理效率，同 时也考察了脱氮与反应器o r p ( 氧化还原电位) 之间的关系，并且使用了用于实 时p h 、o r p 和d o 监控的先进仪器设备和基于o r p 设定值控制曝气时间的过程控 制：当处理变组分废水时，该研究不仅获得了稳定的出水水质，而且依靠o r p 控制曝气时间，减少了空压机的运行时间。彭永臻等【2 6 】将o r p 作为s b r 反应器 有机物降解程度间接指标的研究结果表明，无论是在很大范围内改变曝气量或者 改变m l s s 浓度，还是使反应初始c o d 在2 3 0 2 1 8 0m g l 之间逐渐变化或突然变 化，当c o d 达到难降解浓度时，o r p 都迅速、大幅度地升高，随后又很快趋于平 稳，并在某一特定范围内稳定下来。因此，可以用o r p 作为s b r 法反应时间的计 算机控制参数，实现计算机在线自动控制。 1 3 3 2 模糊控制的应用 模糊控制( f u z z yc o n t r 0 1 ) 是将专家或操作者的经验转化为语言变量描述 的控制规则，然后用这些控制规则对系统进行控制。由于污水处理工艺的独特性， 有些工艺的过程模型很难建立，而模糊控制适用于数学模型未知的、复杂的非线 性系统的控制，因此，近年来，对于模糊控制系统在污水处理中的应用研究很多。 哈尔滨工业大学的曾薇，彭永臻等【2 刀对s b r 曝气量的模糊控制进行了试验 研究，利用反应初始阶段d 0 浓度的大学及变化情况作为s b r 的模糊控制参数， 很好的实现了对曝气量的模糊控制。 m a n e s i s 等【2 8 1 对一个前置反硝化污水处理厂进行了模糊控制系统研究。他们 以反应器中氨氮、硝态氮、d o 、温度、m l s s 和二沉池进出水b o d 的差值作为模 糊控制系统的输入变量，以曝气区供氧速率以及二沉池向反应器的污泥回流速率 作为输出变量，以处理厂操作人员的经验建立模糊控制规则，并在希腊p a t r a s 污水处理厂进行了仿真，取得了较好的结果。 由于活性污泥法出水b o d 或c o d 浓度通常随出水悬浮物浓度增加而增大，因 8 第一章绪论 此t s a i 等【2 9 】建立了对出水悬浮物浓度进行预测和控制的动态活性污泥法模糊控 制。 陆杰 3 0 l 研究了模糊控制在三沟式氧化沟中的应用，主要对转刷电机进行间 歇式控制和组合控制，以此来改变三沟中的充氧量，另外还建立了模糊控制专家 系统。 目前大多数的污水处理厂采用活性污泥工艺法处理污水，对于活性污泥法而 言，曝气池中污水的d o ( 溶解氧) 浓度值是控制工艺处理效果的一个重要参数， 因此，控制活性污泥工艺的曝气量成为污水处理自动控制技术研究的一个热点， 目前多数污水处理厂的曝气采用常规的p i d 控制，其控制效果不是很理想，需要 进一步的改进。此外，我国许多的城市污水处理厂采用一级强化处理，需要投加 大量的絮凝剂，如果靠人工调节的话，处理效果不能保证，而且往往会造成药剂 的浪费，增加运行成本，因此研究污水处理工艺加药量的自动控制也非常重要。 本课题所研究的化学生物絮凝一悬浮填料床组合工艺是一种新型高效的污水处理 工艺，它是由化学生物絮凝工艺和悬浮填料床两个工艺组合而成的，其中化学生 物絮凝工艺属于一级强化处理工艺，需要投加絮凝剂；悬浮填料床需要为保证出 水效果，需要控制曝气量。为了更好的提高该组合工艺的处理效果，节省运行成 本，研究利用自动控制系统实现对该工艺的全面控制，尤其是化学生物絮凝工艺 的加药自动控制和悬浮填料床的曝气控制显得很有必要。 1 4 课题来源、研究目的及课题主要研究内容 本课题来自国家高技术研究发展计划( 8 6 3 计划) 研究项目一化学生物絮凝组 合设备与技术。该项目的总体目标有两个：( 1 ) 形成化学生物絮凝一悬浮填料床 组合技术与设备的集成应用技术体系，达到开发出有自主知识产权的新技术；( 2 ) 开发城市污水回用深度处理技术与设备。对该组合工艺自动控制技术的研究是其 中的一个子课题，其研究目的在于应用现代控制技术设计出适合于该工艺的、拥 有自主知识产权的自动控制系统。 课题研究的主要内容有： ( 1 ) 化学生物絮凝一悬浮填料床组合工艺p l c 自动控制系统的整体设计和 初步实现； 9 第一章绪论 ( 2 ) 初步建立化学生物絮凝工艺的自动加药控制系统； ( 3 ) 初步建立悬浮填料床的曝气模糊控制系统。 1 5 课题的研究方法与实施方案 1 5 1 研究方法 首先在相关自动控制技术人员的协作下完成p l c 自动控制系统的一些基本 控制功能，包括水泵、风机等的开关控制、仪表检测数据的传送、上位机程序的 编制等等。然后进行工艺的试验研究，寻找合适的控制参数和建立相关数学模型， 对化学生物絮凝工艺而言，由于可以采用不同的加药量控制方法，需要对这些方 法进行比较选择，以确立最合适的控制方法，从而初步建立化学生物絮凝工艺的 控制模型；对于悬浮填料床的曝气控制，根据悬浮填料床的工艺特点，采用模糊 控制方法，在工艺试验基础上寻找模糊控制参数，初步建立曝气的模糊控制模型。 1 5 2 实施方案 1 ) 试验装置建设及选址 建设处理规模为5 0 m 3 d 的城市污水中试装置，试验装置安置在上海安亭污 水处理厂现场，直接采用城市污水作为研究对象。 2 ) 建立p l c 自动控制系统的硬件结构和软件系统 根据工艺的基本控制要求，选择合适的自动控制仪器仪表，主要包括各类检 测仪表，p l c ，p l c 的输入输出模块和上位机。建立p l c 和现场各类仪器仪表之 间的连接，以及p l c 和上位机之间的通讯线路。根据工艺的基本控制思想和控制 目标，初步建立系统的软件控制流程图，根据流程图完成p l c 中一些基本程序以 及上位机程序的编写。 3 ) 化学生物絮凝工艺自动加药系统的基本控制参数的试验研究 进行不同加药量工况条件下三个最主要的出水指标一出水c o d 、出水t p 和 出水s s 之间关系的试验研究，选择合适的被控变量，根据化学生物絮凝工艺特 点，选择合适的控制方法。再研究被控变量与加药量之间的关系，建立它们之间 的数学关系模型，再根据数学模型初步建立自动控制系统模型。 l o 第一章绪论 4 ) 建立悬浮填料床的曝气模糊控制系统 通过研究d o 与出水氨氮之间的关系，确定模糊控制的基本控制参数，建立 模糊控制规则表，初步建立悬浮填料床曝气模糊控制系统。 1 6 课题的意义 从上面对我国污水处理自动控制的现状和发展的讨论中可以知道，我国的污 水处理的自动控制技术水平还不是很高，在这方面做的研究很多还停留在理论方 面，结合实际工艺进行全面研究的很少。而化学生物絮凝一悬浮填料床组合工艺， 作为城市污水处理的一种新工艺，处理效果好，基建、运行管理( o m ) 费用低， 具有很好推广发展前景。对该组合工艺的自动控制系统进行全面的设计研究，不 仅可以进一步实现工艺的优化，提高工艺的应用价值，而且也能为其它同类型工 艺自动控制系统的设计提供借鉴。因此，对该组合工艺的自动控制系统，很有研 究的必要。 第二章化学生物絮凝一悬浮填料床组合工艺的介绍 第二章化学生物絮凝一悬浮填料床组合工艺的介绍 2 1 工艺概述 化学生物絮凝一悬浮填料床组合工艺是一种新型的污水处理工艺，目前尚处 于科研试验阶段。根据传统的化学混凝和生物絮凝污水处理工艺的各自特色，将 两者有机结合起来形成新的污水处理工艺一化学生物絮凝工艺，该工艺能充分发 挥物化和生化作用的各自优势，对一般城市污水可以达到很短时间内去除有机污 染物和总磷。该工艺与高效脱氮反应器一悬浮填料床组合而成化学生物絮凝一悬 浮填料床组合工艺，这是一种新型高效的污水处理组合工艺，能达到很好的污水 处理效果。对该组合工艺进行的前期试验结果表明：该工艺处理一般城市污水， 能在很短时间内( 3 0 m i n 左右) 去除7 0 左右有机污染物、8 0 以上总磷，污泥 产量比化学混凝工艺减少1 0 - - - 1 5 0 ，运行成本较低。为了推广该新工艺，国 家高新技术研究计划( 8 6 3 计划) 特资助进行研发，以上海市安亭水质净化厂作 为该项目的示范工程，在厂区内设计建成了规模为5 0 m 3 d 的中试处理装置，对 该工艺进行进一步的试验研究，研究成果将为示范工程提供直接的运行管理依 据。该组合工艺自动控制系统的设计是试验研究内容的一个重要组成部分。 2 2 试验装置介绍 本试验的中试装置建立在上海安亭污水处理厂内，该装置主体分为两大部 分：前面是并联的化学生物絮凝工艺和化学混凝工艺，这是为对两种工艺进行类 比试验而设计的；以及后续的悬浮填料床工艺。整个工艺过程通过p l c 进行控 制。工艺流程如图2 1 所示。 该装置主要构筑物包括快速混合池、化学生物絮凝反应池、化学混凝反应池、 悬浮填料床和沉淀池。快速混合池采用穿孔管曝气搅拌，快速混合池最大停留时 间6 0 s ，有效容积0 0 3m 3 ，有效水深为0 3 3 m ；空气搅拌絮凝反应池最大停留时 间3 5 m i n ，采用微孔曝气管曝气，有效水深为o 6 m ；设计水量为5 0 m 3 d 。池体采 用三段推流回转式布置1 3 到，由两道相互错开的隔板沿宽度方向分成三条廊道， 污水从第一条廊道进入池中，从第三条廊道流出。利用空气搅拌作为污水快速混 合的动力，在每条廊道底部布置微孔曝气管，采用三叶式小型回转鼓风机进行曝 第二章化学生物絮凝悬浮填料床组合工艺的介绍 气，可通过电动调节阀调节曝气量以改变速度梯度，并安装有玻璃转子流量计计 量。通过2 台加药计量泵可向池中投加无机絮凝剂和有机助凝剂，加药点位置设 置可调，有利于在试验研究中寻找最佳药剂投加点。 - r - - - - - - - ip l c 自动控制系统 i - - - - 1 ， 混合液回流 图2 1 工艺流程图 化学混凝池是为与化学生物絮凝池进行类比试验而设计，为常规的强化一级 处理反应池。为方便试验，化学混凝池的池体尺寸、有效水深、停留时间以及处 理规模采取与化学生物絮凝池完全相同的设计。池体由两块隔板沿长度方向分成 三格，分别在两块隔板下端和上端设置过流口。该池利用机械搅拌作为污水快速 混合的动力，在每格小池各设有1 台减速搅拌机。 悬浮填料生物反应器用的是三相流化床，其主要作用是脱氮，需要往池中投 加高比表面积的球形悬浮填料。池体高5 5 m ，有效水深5 m ，长1 8 m ，宽0 9 m ， 中间用导流板隔开。试验采用的是直径2 5 r a m 的高强度聚丙烯悬浮小球填料，投 加量约为0 5m 3 填料m 3 容积。 装置中三座沉淀池在构造上完全相同，均为圆形竖流式沉淀池，每池直径 1 8 m ，有效容积为3 5 m 3 ，总高度3 3 m 。前面两座沉淀池水力停留时间为1 5 h ， 表面负荷为0 8 m 3 m 2 h 。后面悬浮填料床的后续沉淀池主要作用是分离脱落的老 化生物膜，水力停留时间为0 7 5 h ，表面负荷为1 6m 3 m 2 h 。 该组合工艺由p l c 自动控制系统进行全面监控，除了对一般的开关量进行控 制和对水质指标进行实时监控外，p l c 控制系统主要对化学生物絮凝池和化学混 凝池的加药、化学生物絮凝池和悬浮填料床的曝气进行自动控制，这也是本课题 第二章化学生物絮凝一悬浮填料床组合工艺的介绍 的主要研究任务。对于p l c 自动控制系统，将在接下来的章节中作详细介绍。 2 3 工艺的优点 ( 1 ) 化学与生物协同作用大大提高了反应器的处理效率。由于化学生物絮 凝工艺结合了化学混凝和生物絮凝的各自优点，使得工艺的处理效率比常规的化 学混凝强化一级处理效率更高，且能高效去除总磷。 ( 2 ) 悬浮填料床作为一个脱氮反应器，除了能高效脱氮外，对其它污染物 也有一定的去除效果。 ( 3 ) 占地面积少，工程造价和运行费用低。目前的城市污水处理在去除有 机污染物的同时通常还要求脱氮除磷，采用常规的活性污泥法加深度处理的方法 往往造价很高，占地面积大，不适合资金缺乏的中小城镇污水处理厂。本工艺处 理构筑物较少，结构紧凑，占地面积相对较小，且工程投资和运行费用比二级处 理要低。 2 4 水质指标的分析方法 根据国家技术监督局、国家环境保护局批准发布的现行水质分析国家标准 2 3 1 ，将本课题中涉及到的c o d 、氨氮、总磷、m l s s 、p h 、s s 等主要试验测试 指标的分析方法列出，如表2 1 所示。 表2 1 主要测试指标及测试方法 测试指标测试方法 c o l c r 标准重铬酸钾法 氨氮纳氏试剂比色法 总磷抗坏血酸还原法 m l s s 1 0 5 烘干2 小时称重法 p hp h s - 2 5 型p h 计 s s 1 0 5 烘干2 小时称重法 1 4 第三章p l c 自动控制系统的整体设计 第三章p l c 自动控制系统的整体设计 自动控制系统的设计包括硬件的配置和软件的设计，首先必须根据客户和工 艺操作的需要给系统配置合适的硬件环境，在此基础上再完成软件方面的设计。 软件设计是整个自动控制系统设计的核心，一个自动控制系统设计的好坏主要取 决于软件设计的好坏，对于一个比较复杂的污水处理工艺来说，其软件设计不是 一蹴而就的，首先软件设计人员根据工艺人员的意见对系统进行初步的整体设 计，然后在工艺试验的基础上再逐步完善系统的设计，包括一些控制参数的改进， 控制性能的测试等等。 化学生物絮凝一悬浮填料床组合工艺作为一个新型的污水处理工艺，它在控 制系统的设计方面既有与常规污水处理工艺相同之处，也有自身的独特特点，因 此，在设计本工艺的自动控制系统时，需要充分了解化学生物一悬浮填料床组合 工艺的特点，并且需要进行相应的工艺试验，寻找出合理的控制参数，从而设计 出合理的控制系统。本章接下来的部分主要论述本组合工艺自动控制系统的的整 体设计，包括硬件配置，下位机程序的设计思路，上位机界面设计的介绍等等。 3 1 系统的基本设计要求 本工艺自动控制系统的基本控制要求有：系统要能实现对各类风机、泵等 的开关控制，要求控制稳定可靠，能实现2 4 小时全天运转；对主要的工艺参 数( d o 、s s 、液位、t p 、n h - n ) 和各种设备( 泵、搅拌机、风机) 工作状态进行 监控，在出现故障时能给出报警；化学生物絮凝池中溶解氧浓度控制。使池中 的溶解氧浓度保持在既能满足生物絮凝作用的需要，又能很好的发挥化学作用的 范围；化学生物絮凝池和化学混凝池的自动加药控制。这是控制系统软件设计 的一个重要内容，要求设计出的自动加药控制系统在提高污水处理效率的基础 上，能够减少加药量，从而节省运行成本；悬浮填料床曝气量控制。这是本控 制系统设计的又一个重要内容，要求设计出的自动控制系统既能保证悬浮填料床 脱氮能力，又易于控制，曝气量尽可能少，以减少空压机的输出功率，降低运行 成本。 第三章p l c 自动控制系统的整体设计 3 2 系统的硬件组成 根据上述系统的基本控制要求以及控制系统的设计经验，对该组合工艺进行 了硬件方面的配置。本工艺自动控制系统采用p l c 作为系统的控制器，p l c 具 有易编程、易安装、可靠性高等优点，特别在数字量输入输出等逻辑控制领域有 无可比拟的优点【3 3 1 ，由于污水处理工艺中主要是顺序逻辑控制，因此p l c 在污 水处理行业中的应用相当广泛，目前很多的污水处理厂都采用p l c 作为控制器。 p l c 具有丰富的逻辑控制指令和高级应用指令，它提供高质量的硬件平台和易学 易编程的应用软件平台。此