污水好氧处理过程建模与控制系统的设计及应用.pdf

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1、过程控制化工自动化及仪表，2010，37(2)：23—27ControlandInstrumentsinChemicMIndustry污水好氧处理过程建模与控制系统的设计及应用冯茜(中国石油长庆石化公司，陕西咸阳712000)摘要：针对污水好氧处理过程存在的严重非线性、大时滞等控制难点。在归纳出变参数活性污泥系统的状态空间模型的基础上，提出采用切换控制思想将前馈专家控制、PID控制、专家反馈控制算法结合起来的曝气池溶解氧(DO)专家控制方案。并基于西门子PCS7软件开发平台完成了控制系统的实现。仿真结果及在实际应用中取得的控制效果验证了该方案的正确性。关键词：污水；好

2、氧处理；建模；控制系统；应用中图分类号：TP273文献标识码：A文章编号：1000-3932(2010)02-0023-051引言在污水好氧处理过程中，溶解氧(DO)浓度是好氧处理生化反应过程中一个重要的指标，它能比较直观、迅速地反映整个系统的运行状况，对溶解氧的控制可以直接影响到污水排放进程和系统能耗，因此溶解氧的控制一直受到人们的普遍重视和广泛研究⋯。由于输入水质水量的剧烈变化，以及微生物生长的复杂性，使得污水好氧处理过程具有多变量、非线性、强耦合、大滞后和不确定性等特点，这导致了采用传统的控制技术如PID控制对DO值进行精密控制难以取得理想效果，故成为工业自动化

3、中较薄弱的环节之一。因此采用切换控制的思想将前馈专家控制、PID控制、专家反馈控制算法结合起来实现无扰动切换专家控制方案。实际应用效果证明了该方案的有效性。2好氧工艺流程及控制系统总体方案2．1好氧工艺流程目前污水采用厌氧一好氧相结合的生化处理已较普遍，而好氧微生物必须在有氧的条件下才能使有机物分解成二氧化碳、水、硝酸盐。好氧工艺流程如图1所示。r^I·仪IIr^M1xll加·弘冗Il加-n元I投加泉L1rJ投加泉控制中元II控制嗨元赢雨霖刷瞰提丁}泉II罗茨风机lI污泥脱水机图1好氧工艺流程图2．2曝气池控制溶解氧的控制是重点也是难点。而曝气池的控制是整个好氧处理过

4、程的核心。如果DO值不进行很好的控制，将会造成整个污水处理过程的失败，图2是曝气池测控系统的设计。图2曝气池测控系统2．3控制系统总体方案本系统根据污水处理工艺指标的具体要求，设计了图3所示的基于西门子PCS7软件开发平台的DCS控制系统。系统以AS414HCPU为核心，由操作员站、控制器、远程I／O站以及通讯网络构成三级DCS。AS414H作为系统的控制核心，完成所有回路的控制功能。ET200M作为远程I／O站，用于现场厌氧和好氧处理工段的信号的采集与输出。系统设置了三级网络：厂级MIS网、工业以太网和PROFIBUS现场总线。其中，PROFIBUS现场总线用于远程

5、I／O站与CPU之间的信息交换，工业以太网用于工控机与CPU之间的信息交换以及工控机与厂级网之间的信息交换。下位机PLC编程软收稿日期：2009—12—14(修改稿)·24·化-V自动化及仪表第37卷件采用西门子的STEP'／V5．2SPl版本开发平台，程序主要包括采样和滤波子程序，主要用于对流量、压力、液位以及DO值等信号进行采集。上位机编程软件采用两门子公司的WinCCV6．0SPI版本开发平台，主要完成现场数据在线显示、工艺报警、PID参数设置等功能。图3废水处理的总体设计方案3活性污泥系统中曝气过程数学模型的建立首先根据物料平衡定律并对活性污泥法污水处理系统作

6、出如下假设：①微生物为非自养微生物，其生长率大于死亡率并满足Monod方程；②二沉池无生化反应发生；③回流污泥影响污泥龄与生长系数；④进水生物量为零，完全沉淀后的生物母为零；⑤有机物的饱和常数Ks“S；⑥只研究系统的硝化反应。3．1活性污泥系统模型依据冯裕钊等人2003年在“变参数活性污泥系统的最优鲁棒控制法”一文中提出模型基础上[2】，并根据废水处理过程微生物的生长机理和曝气机理及物料平衡：【输入量】一【输出蹙】+【反应生成量】=【累积量】可得活性污泥系统的状态方程，如下式(1)所示：面dx曲。^一等h城誓=謦一争：+号s．㈩一dx3d：鲤l哮乒堕坠矿缸3+Ⅱt田l

7、，、H“1⋯3一式中：名，(￡)——微生物的浓度；％(t)——底物浓度；算，(t)——混合液中氧的浓度；Q——流入量；“。——微生物的最大比增长速率；v——反应器体积；si——流入污水中的有机物浓度；k。——内在的迟滞系数；C——二沉池浓度因子；Qw——污质的流量；印——联系有机物与需氧量的一个因子；Z．——消耗因子；YN。——观察到的生长系数；6——对溶解氧设定的冲量系数；u——打氧量。3．2模型的转换本文选取曝气罱“为控制量，溶解氧浓度托(t)作为被控量，并将流入污水中的有机物浓度作为扰动，则方程可以表示为式(2)：x(f)=一(毋)x(f)+曰