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1 曝氣系統的工藝描述 
　　近年來，由于未達標的污水排放對生態的破壞日益嚴重，各地政府正在投入大量資金興建污水處理廠。 
城市污水的處理工藝一般都包括生物處理階段。生物處理過程是個復雜的生化反應過程，曝氣是其中的一個十分重要的環節，不同的處理工藝，曝氣的方法也有所差異。典型的曝氣過程是這樣的:污水連續進入曝氣池，沿廊道向一個方向流動，直至出口，污水從入口到出口所經歷的時間(停留時間)通常幾個小時，在這段時間內，鼓風機通過密布在池底的曝氣頭向池中的污水充氣。從水處理的生物過程來看，曝氣作用的一種直觀解釋為:污水中的菌膠團(一種經馴化的細菌)在生存期內可以吸附并吃掉污水中的細菌，將有機物分解，而曝氣就是為了向菌膠團提供充足的氧氣，滿足其生存并大量繁殖的需要。 
污水處理廠的曝氣系統必須進行控制，因為:第一，必須適時提供菌膠團生存和繁殖所需的氧氣量。氧氣量在生物處理中有一定的適用范圍，少了會降低細菌分解的效果，延長處理時間，甚至導致生物處理失效；多了會發生細菌的過氧化，同樣降低活性，不利于處理。第二，鼓風機是污水廠的主要供氣供氧設備，一年四季長期運行，耗電量所占的比重很大，在滿足充氧要求的前提下盡量降低電耗，對減少運行成本起到重要作用。 
曝氣控制的首要問題是如何確定鼓風量。對于城市生活污水，在其停留時間內，亦即曝氣時間內需要多少氧氣(或空氣)與下列污水的水質指標有關: BOD(生物需氧量)、COD(化學需氧量)、SS(懸浮物)、水量及其溫度等。根據工藝理論，鼓風量的理論值可以由經驗公式計算得到，而在運行當中，鼓風量應根據進水水質、水量的變化相應地調整。但是存在這樣的問題，污水水質指標大多依靠實驗測定，而測定時間需要數小時，甚至數天，這對實時控制的作用不大，在線的水質檢測設備價格昂貴，目前國內還沒有運行的例子，所以，污水在曝氣池進行生物反應的過程當中，各種指標的變化，包括氧的需求量的變化很難實現定量的描述，微生物耗氧的速率怎樣變化還不能在線確定。 
為了從宏觀上控制曝氣效果，減小盲目性，引入了"溶解氧"這一中間參數，溶解氧參數可以通過儀表在線監測。工程上認為，對于連續流的曝氣池，無論水質、水量、水溫等擾動如何變化，只要污水在曝氣池出口的溶解氧濃度保持在某一設定值(如2mg/l)，就能從宏觀上恰當地滿足菌膠團繁殖、有機物分解的需要，保持污泥活性，實現污水的連續處理。這樣一來，自控系統就變得容易實現了。參數間最基本的控制關系是這樣的:在鼓風量理論計算值的基礎上，污水中溶解氧含量的偏差與鼓風機風量的增量(或減量)成反比，即溶解氧值偏小，風量向大調，溶解氧值偏大，風量向小調。 
在實際控制中，鼓風機的風量設定值為工藝理論值，這一值經溶解氧反饋信號比較后，根據偏差實時調節風量的增減，最終使污水的溶解氧值穩定在設定值。還應指出，從風量的調節到溶解氧反饋信號的變化對自控系統來說是典型的純滯后過程，滯后時間τ大約數分鐘以上。 

2 曝氣控制系統實例 
　　某市污水處理廠一個系列的曝氣系統采用一臺鼓風機，經空氣管路向一個曝氣池供氣，如果采用調節閥來調節空氣流量，調節閥會消耗一部分能量，長期運行，不利于節能，另一方面，曝氣池所需風量的變化與水質、水量相關，而水質、水量通常有一定的規律，不會發生劇烈的突變，轉速比不會太大，而且該工藝的曝氣池水位基本保持不變，所以鼓風機選用了靈活、節能的帶變頻調速的羅茨風機。因為送風管壓力變化較小，風機具有恒轉矩輸出的特性，流量和轉速成正比例關系，軸功率和轉速也成正比例關系，與離心風機相比較，在控制上更容易把握。 
控制系統由下列設備構成:主送風管路裝設空氣流量計，壓力計、溫度計，并以標準信號上傳至曝氣系統的控制裝置。曝氣池上根據氧的理論分布裝設數臺溶解氧檢測儀，信號上傳至曝氣系統的控制裝置。為鼓風機配備一套無速度反饋的U/f可調的變頻器，變頻器具備PI調節功能的模塊，曝氣控制裝置的反饋和控制信號可下傳到變頻器。曝氣系統的控制裝置采用PLC(可編程邏輯控制器)和相應的HMI(人機界面)，PLC具有包括PID等豐富的操作指令，并配有全面和安全的輸入輸出接口，HMI可以通過文字和圖形動態地反映在線數據，如流量、壓力、溫度、溶解氧值、頻率及設備狀態等，操作人員可以進行即時的參數修改、分布操作或模式選擇。曝氣系統的PLC是污水處理廠自控系統的組成部分，和中央控制室的上位計算機實現通信。 
工程上為了便于運行管理，曝氣系統通常采用3種控制模式，如 
(1) 風量恒定控制 
(2) 曝氣倍率控制 
(3) DO(溶解氧)控制 
其中模式(1)是人為地設定鼓風機流量并保持恒定送風，這種方式在水量和水質穩定的情況下，能夠滿足處理要求，但是曝氣效果不穩定，不便于節能控制。 
模式(2)是人為地設定鼓風機流量與進水流量的倍率，按倍率調節鼓風機流量，是一種開環控制方法。在水質穩定的情況下能夠滿足處理要求。上述兩種模式控制簡單，運行中對設備的磨損較小， 
模式(3)是一種閉環調節的自動控制模式，根據溶解氧的偏差來調整鼓風機流量。這種模式可以在現有條件下實現關于水量、水質的最優控制，曝氣效果最佳，節能效果最顯著。下面對該模式作具體介紹。 

3 DO(溶解氧)控制策略 
　　曝氣所需的風量與溶解氧的關系是非線形的，按工藝理論，它們之間可以在經驗的基礎上建立數學模型，為便于控制，它們的關系可以定性的認為是純滯后的慣性環節，并可以分段線性化。因此控制方法采用應用廣泛的PID控制技術。具體采用的是串級加純滯后補償的PID控制。如圖所示。 
3.1 副控系統 
在曝氣過程進行當中，不可避免地會出現隨機擾動，擾動會引起風管流量的隨機偏差，副控系統的調節目標就是通過閉環轉速調節保持送風管的空氣流量恒定于給定值。副控系統把空氣流量作為反饋，通過變頻器內裝的PI調節器適量調節轉速，使空氣流量穩定于給定值。如圖示的內環。 
r2(kT):鼓風機流量的給定值 
ΔU2(kT):鼓風機轉速的增量 
Y2(kT):風管流量計檢測的空氣流量 
e2(kT):給定流量與檢測流量的差值 
G2(s):鼓風機流量與轉速的傳遞函數 
D2(z):增量式PI調節器(變頻器內裝) 
H0(s):零階保持器(變頻器) 
N2(s):空氣管路壓力等擾動 
T2:采樣周期 
閉環z傳函 

增量式PI調節器輸出 描述如下: 

其中K2P為比例因子，K2i為積分因子，采樣周期T取T2 
因為擾動(如壓力)不會很快，系統滯后時間與慣性時間比例不大，因此T2取1~5秒。K2p和K2i的選擇按照滿足控制度1.05取值。 
實際運行中K2p和K2I還需根據鼓風機和管路的流量--壓力曲線整定并調試。羅茨風機出風壓力對流量的影響較小，參數的整定相對容易。 
3.2 主控系統 
　　主控系統的作用是通過溶解氧反饋，克服水質、水量、水溫等擾動，使曝氣池污水的溶解氧含量維持在設定值。如圖示的外環。 
r1(kT):溶解氧的給定值 
ΔU1(kT):鼓風機風量的增量 
U0(kT):鼓風機風量的計算給定量 
Y1(kT): 曝氣池溶解氧的測量值 
e1(kT): 溶解氧的給定值與檢測值的差值 
G2C(s):副控系統(鼓風機)的傳遞函數 
D1(z):增量式PID調節器(PLC功能指令) 
G1(s):溶解氧與風量的傳遞函數 
N1(s):水質、水量、水溫等擾動 
T1:采樣周期 
由于曝氣所需空氣流量，即副控系統的輸入r2(kT)無法在線確定，為了在運行中簡單可行地滿足生物好氧的需要，工藝上要求曝氣池出口附近的污水始終保持一個穩定的溶解氧設定值，而不直接考慮水質、水量、水溫等的影響，因此，溶解氧信號可以作為反饋與其設定值進行比較，由PID調節器D1(z)根據其偏差輸出相應的鼓風機流量的增量。副控系統的輸入r2(kT) 就是流量的增量再加上由工藝計算得到的鼓風機風量的理論值，即 

　　另外，菌膠團與氧的作用過程具有純滯后特性，有必要引入滯后補償，如Smith預估器。 
閉環z傳函 
增量式PID調節器輸出 描述如下: 
其中K1P為比例因子，K1i為積分因子，K1d為微分因子，采樣周期T取T1 
當考慮純滯后補償時 
τ為純滯后時間 
　　關于主控系統PID參數的設定問題，對于采樣周期T1，因為污水水質、水量等變化不會很快，溶解氧的變化通常也不會太快，同時T1應該大于T2，所以，T1的選擇可以長些，如30秒。 
由于對溶解氧的調節并不要求十分迅速，其動態特性可以適度放寬，K1p、K1i、K1d的可取范圍較大，但取得最合適的組合數值并非易事。溶解氧與風量的關系存在非線性，PID參數的取值是有適用范圍的，因此可以采用變參數PID，根據不同季節、不同水質、水量尋求不同的規律，這種規律由工藝設計給定。實際在穩定運行中，PID參數常常采用試湊的方法進行調整，這時應注意，首先K1p由小到大，然后K1i由大到小，最后K1d由小到大。 
　　另外，每次啟動串級控制系統時，應該首先運行副控系統，待副控系統穩定后，手動設定風量給定值U0(kT)，實行開環調節風量，同時與溶解氧反饋值比較，待誤差較小且穩定后，再投入主控閉環系統，這樣可減小偏差對系統的沖擊，提高系統穩定性。 
　　還應注意，污水處理的環境比較惡劣，特別是水質儀表的使用和維護對自控的影響很大，據國外的運行經驗，儀表的采樣周期不宜太短，設備的調節頻率不宜太高。 

3 總結 
　　曝氣池溶解氧的PID控制還可以采用一些改進方法，如為了保護設備采用帶死區的PID、為了解決非線性采用模糊PID、為了抗拒擾動采用自適應PID以及PID參數自尋優等等。 
PID控制雖然在工程上廣泛采用，但只能解決線性系統的調節問題，曝氣系統中，雖然能夠實現對鼓風機的控制，但對水質處理效果的控制能力有限，DO控制時，參數的整定需要根據實際情況不斷調整。從控制理論的角度來看，污水的生物處理過程具有大滯后、非線性、隨機性和多變量的特點，工藝理論建立的模型也是經驗的、定性的、有條件的，因此，單純依靠理論模型建立的經典控制方法已經不能很好地滿足人們的需要。 
要把握曝氣系統的生物過程或水質處理過程必須結合工藝理論，運用現代控制理論和智能控制理論的相關內容，對系統的某些結構和參數進行辯識和估計，在大量數據和運行經驗的基礎上運用諸如模糊技術、神經網絡技術以及專家系統等智能化手段，才能由細節到宏觀實現對水質處理過程的全面控制，另外，引入先進、智能的在線水質檢測裝置也會更直接地提供控制依據。隨著環境治理力度的加大和相關指標的制定，污水處理過程的控制要求將會越來越高。