生物营养物去除工艺的数字化控制集成研究

郝晓地，衣兰凯，秦建军

（北京建筑工程学院可持续环境生物技术研发中心，北京 100044）

以中试生物营养物去除（BNR）系统为研究对象，采用在线水质监测仪获取动态进水数据；通过控制转换信号，将在线监测数据输入计算机工艺模型；计算模拟出对应水质下的最佳运行工况，并将结果及时反馈给自控设备；自控设备在最佳参数信号下指挥设备运行。最终，以在线监测水质/水量、数学模拟最优工况、自动控制调节工艺参数为基础，建立四层分布式控制系统，以实现工艺的数字化自动控制。

1 工艺运行控制策略及参数选择

1.1 工艺运行控制策略

在污水生物处理过程中，生物化学氧化还原反应可由混合液中的ORP值来反映；ORP值降低暗示着有机物被氧化，O₂、NO_x^-和Fe³⁺等物质充当电子受体而被还原。ORP大小与反应物浓度、温度和pH值有关，可通过能斯特方程计算获得。由于ORP具有测量简单易行、成本低及数值稳定等优点而成为许多污水处理过程控制的首选控制方法。

1.2 控制参数选择

针对本研究工艺，选择Q_A、Q_B、Q_C、Q_S、SRT和DO作为可调控控制运行参数。

内循环A的主要作用是防止污泥回流直接进入厌氧池，导致过量硝酸盐和DO破坏厌氧环境。可通过检测厌氧池ORP来实现对Q_A的控制。通过对Q_A的控制，不仅可以维持厌氧池厌氧环境，而且还可通过这种调整维持厌氧池内污泥浓度处于最佳水平。

内循环B的主要作用是从R5向R3回流NO₃^-，以确保实现反硝化除磷。然而，R3中NO₃^-浓度过高会影响厌氧池的厌氧环境，削弱生物释磷效果。因此，对Q_B的控制不仅要取决于ORP值，也要结合出水与缺氧池中的NO₃^-浓度。

内循环C是建立在好氧池与缺/好氧池之间的循环，目的是强化硝化或同时硝化与反硝化的机会，以保证出水总氮达标。在进水TN负荷较低的情况下，内循环C一般不会对处理效果起太大的作用，一般并不开启，只有当进水TN负荷过高而影响到出水水质时方予以启动。对Q_C的控制视出水NH₄⁺-N、TN和进水COD/N值而定。

通过厌氧池侧流磷回收可相对弥补生物脱氮除磷过程中碳源缺乏的问题，亦可解决因SRT过长而导致的生物除磷效果下降。为此，侧流磷回收可保证出水TP达标排放。Q_S大小控制可通过对出水TP和厌氧池溶解性磷酸盐浓度确定。

生物除磷过程通过排放剩余污泥实现，因此SRT在很大程度上决定着生物除磷效果的好坏。

在满足生物需要量的前提下，DO越小则能量消耗越低。对曝气量的控制应以SVI和出水NH₄⁺-N、COD及TP为依据。

2 系统的构建

在线监测→模拟预测→自动控制系统包括在线监测系统、模拟预测系统、自动控制系统和连接模拟软件系统的接口管理软件系统。接口管理软件系统的主要作用是将在线监测系统采集到的数据输入计算机模拟软件，并将模拟后的结果输出，反馈给自动控制系统，及时调整工艺参数。

2.1 在线监测系统

在线水质监测系统主要对水质和工艺运行参数进行实时监测，实现对工艺流程的数据采集，包括：水质监测仪与传感器、电磁阀与电磁开关、水泵、搅拌器与曝气装置，主要水质在线监测仪器见表1。在线监测技术已十分成熟，完全能为数字化控制系统提供可靠的数据。

表1 主要在线分析仪器

2.2 模拟预测技术

模拟预测与试验结果表明，两者不仅在走向趋势上十分相近，而且数值范围也有着≥95%的吻合性。这充分说明，国外已经成熟的数学模型经国内实际污水厂运行验证与校正后完全可用于BNR工艺的运行优化。研究采用WEST软件平台分析实际工艺流程，并根据需要选用合适的活性污泥模型。对试验所得数据进行大误差分析，校正并验证模型，确定模型化学计量系数和动力学参数；将稳态模拟运行结果作为动态模拟的初始值，对动态进水水质进行动态模拟分析，将对应进水水质下的最佳工况模拟输出。

2.3 自动控制系统

自动控制系统利用PLC和现场总线技术，实现对控制现场进行参数采集、控制现场执行元件、现场设备和监控管理层之间的通讯，主要硬件组成见表2。

表2 控制层的主要硬件

2.4 接口管理软件

接口管理软件的主要任务是将在线监测系统所采集的数据输入到数学模拟软件之中，实时输出模拟预测出的最佳运行工况，并将这些最佳工况数据反馈给自动控制系统，以实时调整工艺运行参数。因此，接口管理软件包括数据输入软件（即工艺组态软件的接口管理软件ccHelper）和数据输出软件（即数学模拟软件的接口管理软件Helpercc）。

采用ccHelper软件进行数据管理，主要包括数据查询、数据备份和数据输出三个方面，可根据用户需要设置采集数据所存放的位置、采集时间间隔以及输入WEST数学模拟软件的时间间隔。数据查询模块可查询重要设备的运行参数、状态、操作记录及报警的历史记录；数据备份模块负责各种数据库的备份及维护，信息管理及监控软件会定期将数据库备份到另外的目录下保存，并将当前使用的数据库清空；数据输出模块负责各种数据报表的生成和打印输出，够生成日生产报表、月生产报表、年生产报表、电耗表等，同时还能以直观的图表形式打印。

采用Helpercc软件进行模拟数据的保存，同时可控制模拟软件运行的时间间隔；一旦输入达标的水质参数要求，数学模拟结果便会自动与这些数据对比，若不达标则数学模拟软件继续运行，直至数据达标，将能达标的工艺运行参数反馈给工艺，从而实现污水处理的自动控制。

3 系统集成、运行过程及效果

3.1 控制系统集成

在上述四部分内容已完成的前提下，以BNR工艺（见图1）为基础，建立一个四层分布式控制系统，以实现工艺的数字化和自动化控制。四层分布式控制系统分别为现场控制层、集中控制层、监控管理层和综合信息管理层，见图2。

图1 BNR工艺流程

图2 四层分布式控制系统结构

现场控制层由执行单元、在线水质监测仪器和工艺系统构成，该层处在控制系统最低层，主要对工艺运行参数和水质进行实时监测，实现对工艺流程的数据采集和过程控制，负责开关量与模拟量信号的输入、输出。

集中控制层利用PLC和现场总线技术，实现对控制现场进行参数采集，控制现场执行元件、现场设备和监控管理层之间的通讯。对项目的各硬件组态后进行PLC程序编写。PLC程序主要由系统初始化子程序、水泵起动停止子程序、水泵流量控制子程序、空气压缩机和曝气阀门开启关闭子程序、搅拌器控制子程序、数据采集子程序等构成。

监控管理层由一台工业控制计算机、工艺组态软件和人机界面组成，该层主要是对现场的监控和系统编程调试，对采集数据分析处理、存储和显示等，负责整个系统的数据库管理、日志、报表和运行情况等。通过监控管理层可实时了解工艺运行状况、现场与远程工艺管理。

综合信息管理层主要是对多个工艺进行维护与管理、远程数据访问与重用。本课题应用OPC接口进行远程监控，应用以太网在计算机间进行OPC通信，配置作为OPC服务器的WinCC站，使用VB编写OPC客户端访问WinCC，使用Macromedia Dreamwever 8软件制作实时监控系统的网页。综合信息管理层可以实现综合数据分析处理、远程发送工艺调整指令、系统整体运行状态远程监控等等。

3.2 运行过程

通过上述四层分布式控制系统可以实现工艺的自动控制，其运行过程见图3。首先，现场管理层的在线监测仪器可将进水水质、水量和工艺运行参数进行动态捕获，利用PLC和现场总线技术等集中管理层通过控制转换信号将数据传到监控管理层。其次，监控管理层的工艺组态软件WinCC和工业计算机共同组成的人机界面中可查看水质数据的完整性。如果不完整，可人工手动输入数据，再次检验数据的完整性。数据完整后可通过ccHelper将数据整理并存储。再次，经一定间隔，将在线监测数据输入计算机数学模拟软件，模拟得到对应水质下的最佳运行工况并反馈给自控设备。最后，将上述输出结果自动与Helpercc中预先设置好的出水水质进行对比。通过该接口软件的审核，自控设备在最佳参数信号下指挥设备运行。

图3 数字化控制运行

3.3 运行效果

根据上述“在线监测→模拟预测→自动控制”这样一种污水处理工艺运行与控制模式，工艺可实现数字化控制。经校正、调整后，BNR工艺运行稳定、效果较好。在线监测仪器采集到的一组进水数据：CODt为212.0 mg/L、CODs为103.0 mg/L、NH₄⁺-N为43.4 mg/L、NO₃^--N为1.2 mg/L、TN为45.4 mg/L、PO₄^3--P为3.07 mg/L、TP为4.33 mg/L、SALK为4.8 mmol/L。将该组数据输入数学模型，模拟得到最佳工艺参数：Q_in为450 L/d、Q_A为900 L/d、Q_B为1350 L/d、Q_RAS为426 L/d、Q_W为9.98 L/d、k为40%、SRT为31.5 d、MLSS_R1为1520 mg/L、MLSS_R5为2010 mg/L、MLSS_RAS为4870 mg/L、MLVSS_R5为1527 mg/L、SS_eff为6 mg/L、DO_R4为2.8 mg/L、f（MLVSS_R5/MLSS_R5）为0.76。自控设备将这些参数直接反馈给工艺以指挥其运行，得到相应的出水水质：CODt为28.0 mg/L、CODs为24.0 mg/L、NH₄⁺-N为1.4 mg/L、NO₃^--N为11.4 mg/L、TN为13.8 mg/L、PO₄^3--P为0.33 mg/L、TP为0.46 mg/L。可知，在特定的进水水质下，通过数学模拟后得到最佳运行工况，该工况不仅能保证出水达标，而且可优化工艺运行，实现节能降耗。

专家点评：该论文研究的“在线监测-模拟预测-自动控制”技术，有利于保障污水生物处理运行的稳定性和节能减排，这是今后污水厂运行管理的发展方向。论文基于生化处理机理，采用数学模拟技术，得到污水处理设施最佳运行工况，实现高效节能的自动控制。论文论据充分、创新性明显，具有较高的学术价值和应用价值。

本文荣获《中国给水排水》2013年度“得利满”优秀论文特等奖

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