城市污水处理控制系统的优化设计

摘 要：在城市污水处理的过程中，控制系统具有非常重要的作用，为了高效、经济的处理污水，文章对传统的控制系统进行分析，发现其在整体控制系统和曝气控制系统方面存在明显的缺陷，进而对其优化设计，为实际应用提供有意义的参考价值。

关键词：污水；处理；工艺；控制系统；优化

引言

随着科技水平的进步，城市工业迅速发展，人们生活水平不断提高，使得生活用水和工业废水逐渐增加，这就需要加快城市污水处理工程的建设，减少对环境的污染。然而，整体来说，我国目前的处理技术与国际水平相比还较落后，水质也得不到有效提高，不能充分利用。所以，急需优化设计出一套先进的控制系统，提高污水处理效率，节约能源。

1 城市污水处理传统控制系统概述

污水处理过程中，控制系统起着举足轻重的作用，其具有环路多、系统庞大、链接复杂的特点。一个污水处理厂控制系统要设计数百个开关量、模拟量，而且这些被控变量常常要根据一定的时间顺序和逻辑关系运行，许多参数需要精确调节，所以选择污水处理自控系统要充分考虑到系统的复杂性、控制变量的多样性等，要尽可能实现闭环控制[1]。

1.1 城市污水处理工艺流程

城市污水首先进入格栅以除去大块污物和一些生活垃圾，然后进入泵房到沉砂池以降低含沙量，再到初沉池除去可沉物和漂浮物，接着到反应池，这也是整个工艺中关键的部分，再到二次沉淀池进行泥水分离，再到污泥浓缩池进行污泥浓缩，最后到污泥消化池，利用各种微生物分解处理污泥。污水经过一级、二级以及深度处理后即可排出。

1.2 城市污水处理传统控制系统分析

随着自动化控制系统在污水处理中的广泛应用，其缺点也日益突显。如当在正常状态下工作时，设备运行良好，一旦受到周围环境人为的或自然的干扰时就偏离正常轨道，虽然监控室里监测到异常，但由于系统反应存在时间滞后，就会不能及时调整仪表而导致结果出现偏差，这些问题，传统的控制无法解决。因此，为了能排出干净的水，有必要对现有的控制系统进行优化设计。

1.2.1 DCS控制系统分析

目前污水处理厂普遍使用集散（DCS）控制系统[2]，这种控制体系结构分为三级：分散过程控制级，集中操作监控级和综合信息管理级，各级之间由通信网络连接。通信网络是DCS的神经中枢，它将物理上分散配置的多台电脑有机连接起来，实现相互协调、资源共享的集中管理。其中分散控制级是直接面向生产过程的，控制单元与现场各种装置如测量仪与变送器、执行器、记录仪表等直接相连，完成数据的采集与控制、设备运行状况的监测与故障诊断等。集中操作监控级以监视为主要任务，兼有部分管理功能，它是面向操作员与控制系统工程师的，所以这级需要配备先进技术、功能强大的计算机系统及各类外部装置，当然还需要软件支持，确保工作人员的监视与操作。综合信息管理级是实现整个工厂的综合信息的管理，主要执行污水处理量、成本核算等信息汇总、综合、协调等管理功能，为实际处理过程提供决策指导，以保工厂的最佳经营状态。整个操作过程理论上貌似很完善，但实际中存在很多问题，如随着企业规模的扩大，现场的控制单元由原来处理几个设备，现在可能要增加到几十个，控制仪表的功能和精度可能还完不成这么多任务，而且一个设备出现故障就会导致现场多处设施不能正常运行甚至停转，这就严重影响污水处理的效率。因此，需要对现有的控制系统进行优化设计，以解决其运行过程中存在的问题。

1.2.2 曝气控制系统分析

在不同的时期内，进入污水厂的水质和水量是不一样的，则在处理过程中所消耗的氧气量当然也不一样，然而，只有保证供氧量和耗氧量相等，才能保证污水处理过程稳定运行，才能使得水质达标，这在废水的二级处理也就是生物处理阶段是十分重要的。在该阶段主要是通过对曝气机的控制来控制供氧量的[2]。

城市污水传统处理流程中对曝气系统的控制采用单回路控制， 这是最简单也是最基本的一种控制过程。该控制系统共有四个环节，依次是调节器、执行器、被控过程和测量元件与变送器，每个环节既要接受上一个环节的作用，同时还要为下个环节提供输入信号。当系统受到外界干扰时，控制系统的被控变量即溶氧量发生变化，经过溶氧仪的测量和变送器的传输，与设定值进行比较，得出偏差值，然后输入到调节器，调节器根据偏差的大小，经过内部自行运算后，输出一个控制信号，来指示执行器调节阀门大小，最后达到控制溶解量的目的。但是在这个控制系统中，没有鼓风机，简言之，如果鼓风机带入干扰影响到最终的测量值，这个系统是无法自动调节的，这当然让就会影响到正常的污水处理过程；另外该系统的调节速度和准确度也不高，还会磨损设备。

2 城市污水处理控制系统的优化设计

2.1 DCS系统的改进

用FCS（即现场总线控制系统）代替DCS控制系统，将控制站化整为零，分散分布到各台现场总线仪表中，现场总线上构成分散的控制回路，实现了彻底的分散控制。相比较DCS控制系统，FCS优点体现在以下几方面：（1）用一对通信线连接多台数字仪表；（2）用多变量、双向、数字式的传输方式；（3）现在仪表用多功能的；（4）虚拟控制站用分散式；（5）改变了传统的信号标准、通信标准和系统标准；（6）从自动化系统体系结构、设计方法和调试安装方法方面进行了改革[3]。这样就使得，生产现场，当一台设备出现故障，并无影响其他设备的正常运行，解决了同一级相互影响的缺点。

2.2 曝气控制系统的优化设计

把曝气控制系统由原来的单回路控制改为串级回路控制，也就是再增加一套副控制回路，即增加对鼓风机的自动控制，进而控制曝气量，加快控制速度，经济而高效。

串级控制回路中，把曝气池内溶氧量DO作为主调参数，把鼓风机的压力作为副调参数，以便快速稳定DO。在正常情况下，曝气池内的需氧量恒定，曝气量保持不变，DO与设定值相等。事实上，在操作过程中，不可避免地要受到各种干扰，大致可以分为三种情况：（1）干扰进入副回路；（2）干扰进入主回路；（3）干扰同时进入主、副回路；但不管干扰进入哪个回路，通过副回路的粗调和主回路的细调，都能使DO快速恢复到设定值，调节速度明显要快于单回路的控制。

3 结束语

对于废水处理各国都投资了大量的人力、财力、物力，只有不断的去寻找问题，发现问題，解决问题，这样才能使废水处理技术不断的完善成熟起来。而且随着社会的发展，高科技应用得到蓬勃发展，未来城市的废水处理技术一定会更高效更经济。

参考文献

[1]佟玉衡.废水处理[M].化学工业出版社，2004，10.

[2]梅从明.大型污水处理处理处理厂自动控制系统设计与应用[J].2009，12.

[3]王毅，张早.过程装备与控制技术及应用[M].2012，7.

作者简介：王瑞（1981-），女，陕西府谷人，硕士，延安大学讲师；研究方向：过程装备与控制工程。