曝气生物滤池自动控制系统的设计和实现

摘要：简述了曝气生物滤池(BAF)工艺，介绍了BAF自动控制系统的硬件配置和自动控制原理，根据BAF调节参数滤速和溶解氧浓度的特点，给出了两者的主要控制策略。
曝气生物滤池(BiologicalAeratedFilter，BAF)污水处理工艺属于生物膜法的范畴，它集生化反应和固液分离于一体，无需二沉池，相对于活性污泥法具有投资小、占地少、运行稳定、抗冲击负荷、无污泥膨胀及更加经济节能等优点，因此在城市污水二级处理、再生水深度处理和原有二级生化处理后提标升级中得到了广泛应用。然而，该工艺对自控系统要求较高，完善的自控系统是该工艺正常运行的关键。为此，笔者根据BAF的工艺要求，设计了一个BAF自动控制系统，以实现高效、稳定的运行效果。
1BAF工艺简介
BAF(图1)在结构上可分为缓冲配水区、承托层与陶粒滤料层区、出水区［1］，其主体由滤池池体、布水与反冲洗布水布气系统、承托层、滤料层、工艺曝气系统、反冲洗系统、出水系统、自控系统等组成。 BAF是在同一单元反应器中进行吸附过滤与生物降解两种处理过程，其填料采用一种新型的球形陶粒，在球形陶粒开口内腔空间和表面均生长有微生物膜，污水从下向上流过滤料层时，利用BAF滤料粒径较小的特点和滤料表面上所附生物膜中高浓度的活性微生物的强氧化分解作用，充分发挥填料和生物膜的截留和物理吸附以及微生物的生物絮凝、生物代谢作用。同时曝气供氧装置设在滤料层下部，水、气均由下向上流动，使废水中的有机物在进行硝化脱氮的同时也得到了好氧降解。另外，填料对污水也起到了物理过滤阻截作用。为了保证微生物膜的活性，利用处理后的出水定期对滤池进行反冲洗，使滤料表面增殖的老化微生物膜得到有效排除。
2BAF自动控制系统的硬件配置
通常曝气生物滤池由多个滤格组成，每格由进水调节阀、排水阀、水冲阀、气冲阀、曝气阀和排余气电磁阀构成滤池本体阀组;每格设置曝气风机进行变频控制，且安装有一个溶解氧仪用于测量溶解氧、一个差压计用于测量滤料层阻塞值;每格配水缓冲区进水管处还设有压力变送器用于测量配水区的压力值。曝气生物滤池的公用部分设备主要有用于气洗的冲洗鼓风机和用于水洗的冲洗水泵。
滤池每格的工艺处理功能相同，根据工艺运转和I/O点的分布情况，整个自动控制系统采用基于Profibus-DP现场总线的分布式控制系统［2］，曝气生物滤池设置一个PLC主站，滤池每格设置一个PLC子站，如图2所示。 PLC主站采用S7-300CPU315-2DP控制系统，负责滤池各格的反冲洗协调，并启动冲洗鼓风机、冲洗水泵和滤格PLC子站一起完成反冲洗，同时负责与水厂中央控制室通信。每格PLC子站采用S7-200并加装Profibus-DP从站通信模块，通过控制本格阀门组和相应曝气鼓风机的变频调速，实现本格的正常过滤和反冲洗，且本格设备出现故障不会影响其他滤格的正常运行。PLC主站和各格PLC子站通过工业控制现场总线Profibus-DP相连接，同时主站通过光纤以太环网和厂级中央控制室上位机进行通信联络，所有主从PLC站均设置可视化的触摸屏人机界面HMI，便于现场调试和编程。另外，在水厂中央控制室计算机也可以对滤池进行远程监控与操作。
3BAF自动控制原理
BAF正常工况由两个阶段组成，一个阶段是正常过滤，另一个阶段是气水反冲洗，对于滤池每格这两个阶段是循环交替进行的。正常工况下控制系统程序流程如图3所示［3］。
滤池处于正常过滤状态时，主要由现场PLC子站控制单元负责完成，进水调节阀和曝气阀打开，其余阀门全部关闭，曝气风机投入运行。进水气动调节阀的开度和曝气风机变频器的运行频率由现场PLC子站控制单元根据每格滤格的进水流量和出水溶解氧进行自动调整。
滤池处于气水反冲洗状态时，由滤池公共PLC主站与现场PLC子站控制单元联合完成此工况。滤池PLC根据每格滤格滤料上下压差、运行周期及人为因素等决定是否进行气水反冲洗。反冲洗程序依次由气冲洗、气水混合冲洗和水冲洗3个阶段组成。一旦进入反冲洗状态，当反冲洗状态的条件不能满足要求时，需要立马退出反冲洗工况。通过变频器改变冲洗水泵和冲洗风机的工作频率，可以调节滤池气水反冲洗的工作强度。
4BAF的主要控制策略
正常过滤阶段，最关键的控制参数是滤速、滤池溶解氧浓度和运行周期。控制滤速是为了保持水力负荷相对恒定，保证足够的水力停留时间;控制出水溶解氧浓度是为了满足滤池有足够的供气量，保证出水的生化处理效果;运行周期的长短主要与进水水质、滤池反冲洗的效果等因素有关。 4．1滤速调节
恒流量过滤可使滤料在最佳状态下对污水进行过滤。滤池每格进水管上设置了可调节开度的气动调节阀门和电磁流量计，将电磁流量计的实测流量信号和流量设定值进行比较后，送入PLC控制器执行PID闭环调节，改变气动调节阀门的开度，使实际流量和设定流量保持一致，如图4所示。 4．2溶解氧调节
BAF的溶解氧(DO)浓度控制是影响其出水水质的一个重要环节，DO含量超高后将导致电能消耗急剧增加、污水处理成本上升。BAF的出水DO浓度通常控制在3～4mg/L，但是DO浓度的控制具有很强的时滞性、非线性和不确定性，难以建立精确的数学模型，且传统PID的控制参数整定较难，因此很难达到满意的控制效果。
模糊自适应整定PID控制器［4，5］由模糊推理和常规PID控制两部分组成，它不但具有模糊控制适应性强且灵活的优点，而且又具备PID控制精度高的长处。如图5所示，以DO浓度误差E和DO浓度误差变化率EC作为输入，在运行中不断检测E和EC，通过模糊控制规则在E、EC和PID的3个参数Kp、Ki、Kd之间建立模糊关系，利用模糊推理实现对PID3个参数的在线整定，以满足不同E和EC时对控制参数的要求，从而使出水溶解氧浓度具有良好的动、静态性能。 5结束语
曝气生物滤池采用基于Profibus-DP现场总线的分布式控制系统，具有分散控制和集中管理的特点，通过进水闭环流量PID控制和溶解氧模糊自适应整定PID控制，既保证了滤池滤速相对恒定，使出水溶解氧浓度保持在3～4mg/L范围内，又有效解决了BAF曝气过程大延时和参数时变的问题，提高了控制系统的稳定性。该控制系统在很多污水厂得到了广泛推广使用，不但系统稳定、出水水质良好，而且极大地降低了能耗、减少了管理人员的工作量，取得了良好的运行效果。