《污水处理优化研究（论文）》

S市污水处理过程的控制与优化TOC\o"1-3"\h\u223501绪论 绪论1.1研究背景及意义随着改革开放的不断推进，国内各省，地方城市和乡镇的规模和模式也在不断发展，国民经济呈现出稳定繁荣的态势，由于市场经济条件下工业的快速发展，相应地出现了一系列污染问题。其中，工业污水，生活污水处理等问题严重破坏了生态环境，成为当前环境保护亟待解决的重要问题之一。为了实现工业发展的进步，人们选择环境污染作为价格，污水污染是城市发展经济所付出的代价之一。在早期城市污水处理过程中，污水收集系统主要用于区内污水的集中处理。污水经系统收集后，统一排入近郊城区下游河道，仅将污水改排至另一处，而未达到真正的污水处理效果..收集的污水经下游河道水体稀释，或通过河道水体的清洁功能进行简单的污水处理。然而，随着近年来我国经济领域的快速发展，国民经济生活水平迅速提高，城市的区域面积和发展规模也不断扩大和扩大，人口也不断增加，导致城市工业和日常生活中的污水排放也呈指数增长，导致污水质量越来越浑浊，清晰度不断下降。不符合处理标准的污水直接排入下游河道，将对下游河道水体造成严重破坏，对生态环境造成极其严重的污染，无法对生态环境实施保护措施，因此对生态环境的破坏是无法弥补的。因此，对城市工业和日常生活条件下产生的污水采取相应的处理措施是非常重要的。改善和解决污水对环境污染的影响，必须提出有效的解决方案，尽力改善生态环境恶化趋势。S市东海污水处理厂是目前S市污水处理项目中，污水处理范围广的项目之一，其现有污水处理厂总建筑面积70万m3/d，但污水厂整体设备布局设计不够理想，不能完全满足污水排放控制指标。事实上，西部和南部污水厂的污水处理能力尚未达到满负荷运行，但北部污水厂的污水处理能力已达到超负荷运行状态。北郊污水处理厂未处理的大量污水只能直接排入河流，造成河流水质严重污染，其结果已经影响了下游的水环境质量。因此，研究将智能优化控制引入污水处理工艺具有重要意义。1.2污水处理过程的国内外研究情况随着当代社会发展的不断更新，各种先进的智能控制理论和计算机处理技术也在不断改革和创新，使污水处理工艺控制策略的研究逐渐转向智能化和信息化，可以进一步提高污水处理工艺控制的有效性，提高出水水质标准的效果越来越明显。（1）国外研究现状美国，西欧等发达国家政府高度重视污水处理研究，提出可行的污水处理解决方案，取得了良好的污水处理控制效果，通过对人工神经网络的预测，分析具有代表性和特殊性的数据，从而为污水处理过程建立神经网络非线性控制模型，使污水处理过程控制满足高效率。Swamy等人根据活性污泥废水处理工艺的控制特点，采用主动扰动抑制控制策略进行研究，仿真实验表明，溶解氧浓度控制能达到污水处理的设定点目标，超调量小，响应时间快，即使加入干扰信号，ADRC也能自动补偿外界干扰，保证溶解氧浓度控制效果的稳定性。NagamachiA根据曝气池的控制特性，将模糊控制器设计的优点与神经网络的自适应控制特性相结合，通过建立神经网络模型，应用模糊规则，使曝气池控制过程具有良好的控制效果，从而提高系统的控制精度，保证系统的鲁棒性。（2）国内研究现状与国外对污水处理工艺解决方案的研究相比，国内的研究起步较晚。自20世纪70年代初以来，我国污水处理工艺的解决方案研究逐渐开展。研究内容主要包括居民日常生活中产生的污水以及工业企业排放的废水的处理和净化。席冠男根据某石化污水处理厂污水处理工艺，采用PLC和PROFIBUS通信协议作为系统的总体方案设计，传统PID控制的优点与灰色预测算法相结合，通过SIMULINK仿真建立污水PH控制模型，仿真结果表明，PH值控制过程效果良好。同时将控制系统的设计应用于现场工程，现场调试结束后，实现PLC的远程控制操作。顾明采用污水参数智能集成控制策略，控制曝气池参数不稳定性，实验研究表明，控制策略优于传统融合模式的控制策略，可以使曝气池的控制更加稳定，为下一环节的污水处理过程提供良好的控制依据。与国外与污水处理控制策略相关的研究技术相比，我国的自动化和智能控制水平还处于相对较低的研发阶段，发展过程相对缓慢。污水处理工艺控制的有效性和可行性相对较低，实施效果相对较差。因此，对城市污水处理工艺控制策略的研究需要进一步拓展发展空间。2污水处理过程分析2.1污水处理过程及工艺2.1.1污水处理过程分析城市污水是由多种水质混合而成，其中可能包含工业废水、生活污水等，由于目前水资源的严重短缺，使城市污水处理的工艺流程显得尤为重要。污水处理一般需要五个加工处理部分，其中基本加工处理过程主要有四个，如图2-1所示。图2-1污水处理基本流程图一是预处理过程一般设置格栅和沉砂池。设置格栅的主要目的是为了拦截污水中呈现大块悬浮状的污染物，以防止这些污染物影响其他污水处理环节的流畅性。而沉砂池设置的主要目的就是对水中含有的其他较大无机颗粒污染物进行分离，为污水处理后续环节减少工作量。二是采用物理法进行处理。般设置初沉池，可将水中的部分污染物通过物理沉淀、泥水分离去除。其中，对于生化需氧量以及固体悬浮物等污染物的去除方法，通常情况下可以利用物理沉淀法。但是对于大多数不易去除的污染物质而言，则会存有部分残留，无法达到污水排放指标。三是二级处理主要生物法。一般设置高效沉淀池等处理设备，可去除污水中存在的有机物微粒，或者是可溶解的有机物等。在污水处理过程中，二级处理是核心处理环节，具有最为复杂的处理过程，通常采用活性污泥法进行工艺设计。由于二级处理过程会涉及到很多处理环节，因此经过二级处理后的污水能够去除水中多数污染物质，符合环境质量污水排放指标。但经该处理后的污水还存有部分细菌，无法满足水资源的重复使用，为此需要进行更彻底的加工处理。四是化学法。由于污水中除了一些污染物质外，还存有一些其他难以去除的杂质、细菌等，所以还需要将经过二级处理过的污水进行进一步的加工、消毒，保障水质具有良好的排放指标，城市居民和乡镇居民能够具有良好的生活环境。2.1.2污水处理过程工艺分析污水的组成成分中含有多种复杂物质，需要对污水进水量、进水水质等多种因素进行分析。为了降低设备能耗，提高处理效率，需要对其处理过程选择合适的工艺设计。常用的污水处理工艺设计主要有以下几种方式。（1）循环活性污泥工艺CASS工艺是以SBR工艺为设计基础，并对SBR工艺过程进行了部分改进，其在工艺设计中设置了生物选择器，以便CASS反应池中的菌状物质能够进行大量的繁殖，从而降低丝状菌的生长周期，并抑制其生长速率。CASS工艺设计仅将微生物质的生化反应过程与污泥排放过程集中在同一反应池中[36]，其余反应池均按照污水处理顺序逐一进行，从而使污水处理操作过程进行一个完整周期。CASS工艺的优点是能够使污水与污泥处于理想的混合状态，其中化学需氧量物质的去除率较高，并在沉淀过程中使悬浮物减少，建设费用低，管理简单，不易发生污泥膨胀，控制系统简单，运行安全可靠。CASS流程图如下2-2所示。图2-2CASS工艺流程图（2）膜生物反应器污水处理工艺MBR污水处理采用膜生物反应器技术，是工艺设计中最常用的方法，该方法主要将水中微生物的处理过程与膜分离技术有机结合，使反应过程中产生的悬浮物与纯化水分离，水中各种微生物可以顺利代谢，而不依赖于二沉池处理环节，该方法也有利于生长周期慢的细菌生长。但是污水中微生物质的分解时间较长，运行成本较高。MBB工艺流程图如下所示。图2-3MBB污水处理工艺流程图2.2污水处理过程曝气池的相关参数2.2.1东海污水处理厂污水处理工艺东海污水处理厂工艺的流程为：污水首先通过污水收集系统进行回收，将回收后的污水进行粗格栅及提升泵房，在这一过程中会将污水中的泥渣排出，并将部分污水排入到除臭管道进行生物除臭，将处理后的污水排放到高效沉淀池中。高效沉淀池将进一步进行沉砂外运，排出剩余沉砂和污泥，从而使处理过的污水能够流入到生化池中。将乙酸钠投入到生化池中进行污水反应，然后将污水流入到二沉池，其中二沉池是污水处理过程中的关键环节，其中就包含曝气池处理阶段。图2-4东海污水处理厂工艺流程图2.2.2曝气池环节控制参数污水中曝气量的多少是由鼓风机控制的，并且在污水处理反应环节中具有较快的响应速度，而曝气池中的溶解氧浓度会随着曝气量与微生物质耗氧量的变化而发生相应的改变，从而影响污水处理的效率。因此，曝气池控制是影响污水处理是否有效的关键过程之一，而影响曝气池控制的主要参数有以下几个:（1）生化需氧量生化池中的微生物质只有在氧气量充足的情况下才能进行自身的氧化分解，将生物进行氧化反应与分解反应所需的好氧量称作为生化需氧量。水中好氧生物进行氧化反应与分解反应时一般可以分为两个过程：第一个过程是碳化过程，第二个过程是硝化过程，而污水要达到排放标准，生化需氧量不能高于35mg/L。（2）PH值污水中PH值酸碱中和情况，主要是由工业废水排放出的酸性物质、碱性物质、以及自然灾害的酸雨等因素构成的，这些酸碱物质将会严重影响污水中水体PH值的大小，并破坏污水中某些物质的生长，影响水质的变化。其中，水中微生物的光合作用会对PH值中和状态产生一定影响，并且曝气池中的溶解氧浓度与PH值之间还存在一定关系。为此，PH值中和过程控制也是曝气池处理过程中的重要控制参数。2.3污水处理曝气池优化控制方案设计污水处理是一个非线性的过程，曝气池在污水处理过程中还是比较靠后的处理环节，因此在处理的过程中存在着大滞后的反应，其中曝气池PH值中和过程控制会受到很多干扰因素的影响，处理过程十分复杂。因此，基于物料守恒定律，曝气池PH值中和过程控制可以近似为CSTR系统工艺模型。本文设定污水水质呈现酸性状态，进而通过控制碱性物质流量，确保曝气池污水PH值中和过程控制能够达到稳定状态。那么CSTR系统工艺如下图2-5所示。图2-5CSTR系统工艺图3曝气池中和过程优化控制分析3.1专家控制器介绍专家控制是根据现场工程师的实践经验，或专家人员的专业知识形成知识库，从而建立多种不同情况下的控制规则，并通过计算机系统来实现专家控制。专家控制需要根据被控对象的反馈信息，迅速的做出相应的控制决策，因此对实时性的要求较高。并且，其主要是以知识库和推理机构为核心处理环节，它的结构设计相比较于专家系统而言较为简单。专家控制西戎具有以下几方面特点：一是较强的功能性：能够针对不同被控对象的闭环控制结构进行故障检测，从而获取较为丰富的专家经验与规则；能够不断地更新与存储知识库内的知识内容，并对被控对象控制过程所具有的稳定性与可行性控制策略进行分析与研究，以便提高被控对象的性能指标，保证控制系统的有效性。二是灵活性。能够根据被控对象误差的变化情况，以及系统的控制过程，从知识库中灵活的选取符合被控对象控制要求的规则，和系统匹配的控制规律。三是稳定性。对具有非线性、大偏差等控制特性的控制系统而言，专家控制系统能够利用相应的专家规则，使被控对象能够保持良好的稳定性。根据专家控制系统所具有的功能特点，可将其划分为两种控制器形式：一种是直接型专家控制器，另一种就是间接型专家控制器。（1）直接型专家控制器它是一种能够对被控对象的控制特点进行直接分析与设计的专家控制器，一般可替代常规控制器设计。其控制过程有效的前提基础是被控对象的控制过程，只能在实时等环境条件下进行。因此，直接型专家控制的知识库和知识表达式，可由几十条不同种类的规则构成，以便于对经验知识进行修改、补充以及删减，从而保证控制过程较为简单。直接型专家控制器结构如图3-1所示。图3-1直接型专家控制器（2）间接型专家控制器它是一种能够与常规控制算法进行结合，对被控对象进行间接智能控制操作的专家控制器。其包括了直接型专家控制器的优点，能够对被控对象与控制器之间的适应性、以及与常规控制器之间的间接操作进行优化与调整。间接型专家控制器结构如图3-2所示。间接专家控制器将PID控制算法与专家系统相结合，对专家在实际工程中积累的实际经验和调试过程中PID控制器参数形成的知识内容进行分类总结，从而形成不同类型的专家规则，从而自动调整控制器参数的设定值范围，使系统控制过程更加智能化。通过分析曝气池PH值中和过程控制具有非线性、不稳定等特征，需要根据工况的不同而修改PID控制器参数。因此，PH值中和过程控制选用间接型专家PID控制器进行设计。图3-2间接型专家控制器3.2PH值中和过程专家PID优化控制3.2.1PH值中和过程PID控制器参数在PID控制器中，被控对象的输入变量与输出变量之间，通过比例、微分两个设定值建立了一种关系，其表达式为。在上式中是表示比例增益，其主要作用是提高被控对象的控制效率。它能够根据被控对象输入偏差与偏差变化率之间的关系进行比例调节，使被控对象的输出变量能够达到理想化，并减小系统运行误差。表示为微分增益，能够根据输入偏差的变化，调整系统中的被控对象，并调节控制量大小，从而使系统减小超调量。根据被控对象输入变量与输出变量之间的变化关系，需要对PID控制器参数的初始值进行预整定处理，满足被控对象控制要求。则参数预整定的方法主要包括以下几种：一是临界比例度法。采用纯比例系数调整法调节被控对象控制规律。通过不断增加比例系数值范围，对控制系统中的被调参数做等幅振荡处理，当被调参数值大小达到被控对象稳定情况的边界时，测量出比例系数临界值放大度以及参数振荡周期的大小，按照经验数据进行分析与研究，确定PID控制器参数的初始值范围。二是响应曲线法。根据调节器预先测定好的参数值，手动断开控制器连接，使控制系统处于开环状态，确定被控对象输入变量单位阶跃响应信号的反应曲线，即飞升曲线。对飞升曲线的凸点处进行求导，能够得到最大斜率处的切线方程。通过对切线方程进行求解，根据得到数据进行分析，确定PID控制器参数初始值大小。3.2.2专家控制规则的形成根据现场工程师和专家的工作经验，针对曝气池PH值中和过程中输入偏差的控制特性，将专家控制规则总结如下：一是当曝气池PH值中和过程控制的输入偏差绝对值比偏差阈值的设定值要大时，此时可忽略PH值偏差本身变化大小，只考虑控制器输出端状态，并将最大值或最小值作为控制器输出值，从而调整PH值偏差大小，使系统能够保持稳定。此时，专家控制相当于开环控制过程。二是当曝气池PH值中和过程控制的输入偏差与偏差变化率之间呈现，或者是时，此时的PH值中和过程输入偏差绝对值的取值范围在逐渐减小，或者偏差取值为零，进而保证控制系统能够处于稳定状态，被控对象的输出值保持不变。三是当曝气池PH值中和过程输入偏差的绝对值小于某一正实数时，通过调整PID控制器参数中的积分参数，可以减小污水处理控制系统的输出误差范围，使系统保持稳定状态。3.3仿真实验及结果分析进行专家PID控制与PID控制仿真实验对比，验证专家PID控制算法对曝气池PH中和过程控制的有效性和可行性。根据对曝气池PH值中和过程的推理，可以利用MATLAB软件对这两种控制算法进行仿真实验。仿真模型，t为1.6s，采用的PH值中和过程的工程实际设定值r=8.其中PID控制器参数的初始值分别为=0.97，=1.6，这两种控制算法的仿真实验结果如下图3-3所示。图3-3信号仿真实验结果由上图可知，专家PID控制算法中PH中和过程的动态性能指标优于PID控制算法。则两种控制算法的性能指标对比结果如下表3-1所示。表3-1实验结果分析表性能指标及采用方法PID控制专家PID控制上升时间7.39s4.26s调整时间23.47s16.37s超调量16.47%11.84%由表3-1能够看出，通过比较两种控制方法的性能指标，专家PID控制算法中曝气池PH值中和过程控制的有效性优于PID控制。其中，曝气池PH值中和过程控制上升时间增加3.13s，调节时间增加7.1s，超调量增加4.63%。因此，专家PID控制算法的动态性能指标良好，能在较短的时间内使曝气池PH值中和过程控制达到稳定状态，满足溶解氧浓度控制的前提基础。因为实际污水处理工况环境具有时变性、不稳定性等特点，为了验证曝气池PH值中和过程控制在两种不同控制算法中的稳定性，以不改变PID控制器参数初始值为前提基础，取仿真模型，t=2.2s，进行实验对比，则改变工况沟的仿真实验结果对比如下图3-4所示。图3-4改变工况仿真实验结果由上图3-4能够得知，当污水处理工况发生变化，曝气池PH值中和过程控制采用专家PID控制算法时，具有超调量小、恢复稳定状态的时间较快等特点；相比较于PID控制算法，各项性能指标均没有专家PID控制算法效果好。两种控制算法的性能指标对比结果如下表3-2所示。表3-2实验结果分析表性能指标及采用方法PID控制专家PID控制上升时间7.39s5.39s调整时间29.91s16.57s超调量30.57%23.40%由表3-2可以看出，通过改变工况条件对两种控制方法的性能指标进行对比，曝气池PH值中和过程控制的稳定性优于PID控制。13.24s，超调量提高了7.17%。为此，专家PID控制可以利用专家规则在短时间内预置PID控制器参数。即使改变操作条件，曝气池的PH值和过程控制也能达到稳定状态。4污水处理曝气池优化控制设计4.1总体方案设计污水处理控制系统一般采用的是由常规PLC计算机进行集中监控管理的设计方式，其能够有效地将手动操作与自动控制进行结合，使污水处理过程更加智能化，保证污水处理控制系统能够在运行的过程中具有较高的安全性与可靠性。东海污水处理厂的总污水处理占地面积达到9.5公顷，而污水实际的处理规模已经达到接近3万每立方米每日，由于污水处理范围较广，导致污水处理设备无法进行集中管理。为此，曝气池控制系统的方案设计可以采用分散控制系统，使曝气池控制系统能够进行分散管理，提高污水处理厂的管理效率。分散控制系统是一种能够以通信网络为主要数据连接渠道的计算机控制系统，其具有简易的结构特点，能够对控制系统进行简单的控制操作与模块化设计。DCS系统结合了计算机、显示和监控等技术，使系统能够体现模块化控制等特征，其基本思想是使控制系统中的设备能够实现分散控制、集中操作以及配置灵活等特点。（1）可靠性。DCS系统采用容错式设计结构，在每台计算机操作上都能够进行系统控制功能模块的实现，因此不存在因某台计算机发生故障而导致控制系统中的某些功能消失。（2）开放性。系统内计算机之间的信息传输过程，均采用局域网通信方式。当系统内的计算机控制功能模块需要进行补充或修改时，该通信方式能够方便的将需要增加或修改的功能模块连接到通信网络中，并能够保证在连接的过程中不会对计算机中的其它功能模块产生任何影响。（3）安全性。对于功能较为简单的微型计算机系统而言，实施维护的安全性较高。当系统内某一计算机功能模块发生故障时，能够快速地找出该模块的具体位置，进行在线更换，并在更换的过程中，不会对整个系统运行的安全性产生任何影响。（4）功能性。DCS拥有各种不同的控制算法，能够实现多种不同情况下的先进控制系统，具有丰富的控制功能，并且能为较为复杂的系统添加特殊的控制算法。而曝气池控制系统中心控制室的主要作用是监管计算机通过光纤以太网，与各现场控制单元之间进行通信，并采集现场数据。各现场控制单元分别是对曝气池中的溶解氧浓度与PH值进行检测和数据处理，同时对各生产设备工作状态进行监测与控制。曝气池控制DCS结构如下图4-1所示。图4-1曝气池控制DCS结构图（1）监控站，通常使用的是传统计算机桌面的系统，主要功能是实现污水处理过程中的人机界面，供给操作人员使用。为了便于操作人员的观察与控制，一般设置较大尺寸的显示屏，并配置较大的内存空间，方便观察污水处理曝气池控制过程的变化。（2）可编程控制器。其主要功能是将系统中的某些传感器等设备连接起来，进行统一管理，以便于进行软硬件的编程与控制操作，达到处理污水处理曝气池控制指标。（3）I/O站，是现场总线控制系统中的组成部分，通过不同I/O站的I/O接口，能够将溶解氧浓度测量仪检测到的信息和曝气池PH值测量仪检测到的信息传输至可编程控制器，进行相应控制操作。（4）溶解氧浓度检测、PH值检测是曝气池控制系统中的主要检测参数。通过观察溶解氧浓度的变化范围，以及曝气池PH值中和过程的发展趋势，能够及时地对其各自的控制策略进行调整，从而保证曝气池控制系统能够具有良好的稳定性。4.2曝气池监控系统硬件设计4.2.1PLC选择PLC的选型要根据控制系统的设计特点，依据功能模块能够扩展的原则，使PLC能够与控制系统形成一个完整的整体。则PLC选型的主要依据有以下几点：（1）I/O点数的估算在实际工程中对I/O点数目进行选择时，通常会多备用13%的I/O口数量，以防在工程设计过程中留有紧急备用接口。（2）存储容量的估计容量大小的估计通常以字节形式作为PLC程序存储器单位，采用经验公式，便可以对用户程序需要的存储字节数进行计算。4.2.2测量仪表选择根据曝气池控制系统设计的要求，需要对曝气池中水质PH值、溶解氧浓度进行检测，需要对测量仪表进行选型。对于PH值测量仪，是根据工程的实际测量要求，选择RP-150PH值测量仪，该测量仪的PH值测量范围为0-14PH，适用于0-60摄氏度工作环境，采用220V交流电和24V直流电两路供电电源，4-20mA隔离保护输出，以及PH值标准溶液4组，分别是0-6.8、6.8-9.1、4-7、7-10。4.2.3执行器的选择在PH值中和控制执行器当中，选择电动蝶阀D971X电动阀，尺寸大小为DN300，电动阀门的输出力矩范围为50N-1000N，适用于-30-60摄氏度工作环境，采用的200V交流电工作电压和5ma电流输入信号，调节时间间隔为15S一次。此外，DN100PH值电动调节阀还具有以下的几点功能：（1）具有用途较为广泛、性价比较高、流量较大等特点；（2）具有酸碱抗腐蚀能力强，阀位指示标志处防水性好。4.3曝气池监控系统功能曝气池上位机监控软件的设计，是能够实时显示并记录曝气池控制系统内溶解氧浓度与PH值中和过程的多种数据，并进行数据分析与预警提示。则曝气池监控软件结构图如图4-2所示。图4-2曝气池监控软件结构曝气池监控系统通过OPC接口与实时数据处理进行通信，而实时数据处理过程能够与数据采集系统进行通信，并将采集到的数据传输到显示器，进行实时画面显示。其中，实时数据处理一方面能够进行数据信息的采集，若采集到误差较大的数据时会采取系统报警显示，从而及时修改参数，保证曝气池控制系统的正常运行；另一方面会将处理过的数据传输到历史数据库，进行数据存储。而历史数据库会将库内存储的数据保存到数据采集系统中，便于日后对数据进行分析与总结，并能够将分析总结出来的规律进行实时画面的显示。根据曝气池上位机软件设计的要求，其主要目的是能够实现溶解氧浓度与PH值中和过程的检测、控制以及监控等功能，保证曝气池现场设备能够稳定运行。组态软件开发的检测系统能够满足本系统设计的监控要求，其具备较强的监控管理功能，运行起来十分稳定，并且配置界面各式各样，使用起来也十分非常方便。结论良好的环境是城市发展进步的重要标志，污水处理是环境保护中最重要的重点工程，因此，合理快速解决污水处理已成为专家学者关注的焦点。本文以东海污水处理厂为研究背景，为了解决河水水质恶化、环境污染等严重问题，对污水处理过程进行优化控制策略研究。在实际工程设计中，曝气池控制效果的有效性直接影响着污水排放的指标。因此，本文以污水处理曝气池控制系统为主要研究对象，以曝气池中PH值为主要控制参数，研究曝气池中PH值中和过程的最优控制策略。参考文献[