郭 毅，楊天博*，李冬亮

（1.北控水務（中國）投資有限公司 數(shù)字化研究院，北京 100102）

（2.陜西北控水務有限公司 北京分公司技術部，北京 100102）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化建設的推動，城市面積擴張，城市居住人口增加，導致生活污水排放量大幅增長，很多建設年代較早的城鎮(zhèn)污水廠處理能力無法滿足現(xiàn)有處理需求，在白天用水高峰進水量超過污水廠設計處理能力，大量未處理污水直接超越排放，而夜間進水變少，污水廠處于低負荷運行狀態(tài)，處理效率降低，造成資源、能源的浪費。

為了應對這一挑戰(zhàn)，嘗試對采用SBR（序批式活性污泥法）處理工藝的污水處理廠的控制方法進行改進，以應對進水量在設計值附近臨界波動的情況，進一步提升污水廠的處理水量和運行效率。

1 介紹

凱里市位于貴州省黔東南苗侗自治州，凱里市第一污水處理廠（簡稱凱里一污）設計處理能力為5萬噸/日，但由于SBR池控制邏輯不夠完善，近年實際日均最大處理量僅有4.6萬噸/日。白天，凱里地區(qū)污水排放量超過凱里一污最大處理能力，大量未處理污水超越排放造成污染，夜晚24時至第二天6時的排水低谷期，進水量下降，約有5個小時時間進水量不足白天的60%，而SBR生化池仍按照白天的控制邏輯自動運行，造成能源的浪費。當?shù)丨h(huán)保部門因此承受很大壓力，但因資金問題一直未能進行擴容整改。

圖1 凱里一污進水量曲線

2020年北控水務集團啟動凱里地區(qū)智慧化建設，對水廠進行自動化改造，統(tǒng)一智慧化管理。以此為契機，針對進水量臨界波動較大的問題，對現(xiàn)有SBR池控制工藝進行實驗性改進。改良后的新控制程序可以有效提升水廠污水處理效率，減少未處理污水的排放，同時在低水量時間段節(jié)約能源。

2 技術方案及實驗過程

2.1 原控制工藝存在的不足

原控制程序中，單座SBR池按時序自動執(zhí)行各階段動作，即自動按時鐘順序自動控制閥門，回流泵，風機，潷水器，排泥泵的啟停及相關閥門開閉。運行周期為4小時或6小時，4池組每天運行6周期或4周期。為達到全自動運行的目的，時鐘邏輯設計為：

1）單池周期=T1（進水/攪拌/曝氣）+T2（沉淀）+T3（潷水/排泥）+T4（閑置）；

2）單池周期=2 x T1（進水/攪拌/曝氣）；

3）T1=延遲時間+攪拌時間+曝氣時間；

4）T4=單池周期-（T1+T2+T3）。

T1、T2、T3可根據(jù)生產(chǎn)需要調節(jié)設置，進入T1期間時開始進水，在T1范圍內進水時間可任意設置。

此前，凱里一污運行人員為保證出水水質同時盡可能的提升處理能力，進行了認真的摸索和計算，最終確定單池生產(chǎn)周期為240分鐘，T1為120分鐘，T1期間的進水時間為60分鐘。在此條件下，4個生化池可連續(xù)進水。大部分時間可以良好處理凱里地區(qū)污水。

但此控制邏輯仍有不足之處：

1）單池周期由T1決定（周期為2倍T1），如果延長攪拌/曝氣時間δt，整個周期會延長2δt；

2）若延長T1時間，由于T2、T3在生產(chǎn)中變化不會太大，就導致T4自動延長；

3）T4（閑置）無法提前結束，導致池組無法靈活銜接，造成生產(chǎn)能力的浪費，若T4過大還會進入?yún)捬鯛顟B(tài)。

而且原有控制邏輯無法有效應對凱里一污晝夜水量的變化，若希望在高水量期間獲得更大處理能力，同時在低水量期間減少曝氣等能耗，勢必需要操作人員頻繁操作修改參數(shù)，池組無法全自動運行。

2.2 新的探索

針對凱里一污的情況，我們期望通過對SBR池組控制工藝進行改進以提升污水廠的運行效率和處理能力，實現(xiàn)全自動運行的情況下，提升日間處理水量，降低夜間曝氣電耗。

經(jīng)過分析我們認為該系統(tǒng)需要進行改進之處在于：

1）低水量負荷時，減少運行周期數(shù)，增加單池處理水量。

低水量負荷時，一個周期內進水量較少，需要減少曝氣時間、降低風機運行頻率，否則會造成風機電能的浪費和過曝；若通過延長進水時間的方式提高單個周期進水水量，就需要在進水量由高變低、由低變高時反復修改進水時間、攪拌時間、曝氣時間幾個參數(shù)，尤其是在進水量由低變高時，需要及時減小進水時間避免溢流。

2）高水量負荷時，增加運行周期數(shù)，增加單池處理水量。

可以選擇通過加快進水速度使單個周期進水水量增加，但此前的SBR自控程序，若加快進水速度勢必要延長T1（更長的攪拌、曝氣時間），從而使整個周期變長（延長時間是T1延長的2倍），造成單位時間處理效率降低，處理水量無法進一步提升；而且由4個池子組成的池組，其進水時間必須大于1/4單池周期，否則會出現(xiàn)進水不連續(xù)的情況，這對于自流進水的污水處理廠是無法接受的。

3）自動曝氣：將原本的人工設定風機曝氣頻率，調整為DO自動控制風機頻率，以適應水量變化時風量需求的變化。

于是，我們對控制邏輯和方式進行了修改：

首先，我們對運行周期進行修改：

單池周期=T1（進水）+T2（停止進水后曝氣）+T3（沉淀）+T4（潷水），將閑置階段作為一個單獨的狀態(tài)排除到周期外。T1、T2、T3、T4都可以單獨設置。

其中T1階段全階段持續(xù)進水，同時先攪拌后曝氣，停止進水后進入T2階段繼續(xù)曝氣，因此總的曝氣時間是由進水曝氣和停止進水后的曝氣兩部分組成。

然后，將進水階段由時間控制，改為時間、液位雙參數(shù)控制。如果在設定進水時間T1結束之前生化池液位升高至設定液位（高液位），則停止進水進入曝氣階段T2（悶曝）。這樣就可以保證每個周期處理水量，解決低水量負荷期間曝氣浪費的問題，從而節(jié)約電能，也使得整個周期變得更加有彈性。為增加單周期處理水量，將SBR池工作液位區(qū)間調整加大為3.8m～6m。

同樣的將潷水階段也改為時間、液位雙參數(shù)控制以縮短單周期時間，并將潷水速度與SBR生化池后的中間提升池液位聯(lián)動以提升潷水速度。

為了使進水曝氣和停止進水后曝氣連續(xù)（避免風機頻繁啟停），從進水開始第n分鐘（目前設定為3分鐘）進行第一次計算，預估按照當前進水速度到達設定液位的時間，之后每3分鐘進行一次計算對到達設定液位的剩余時間進行修正。當計算所得剩余時間小于等于進水階段曝氣時間時，T1進度直接跳轉到進水曝氣時間點，啟動曝氣風機開始曝氣。

第三，增加進度修正功能，實現(xiàn)在全自動運行條件下生化池一個周期內進度按分鐘尺度任意調整。

最后，增加以DO為控制目標值的自動曝氣功能。

2.3 實驗過程

為驗證新控制邏輯的有效性，以及整體改良效果，設計了分階段的實驗步驟，以了解各因素的自變因變關系，驗證改良效果。

第一階段：

目標：解決低水量時曝氣浪費問題，節(jié)省風機電量

地點：凱里一污。

過程：在保持水廠日處理水量不變的情況下，投入新自控程序，實驗期間夜間水量負荷為80%左右，進水時長由60分鐘延長為75分鐘，低水量期間風機運行時間減少20%。

結論：新的控制程序可以有效減少低水量時間段風機運行時間，降低能耗。

第二階段：

目標：縮短運行周期，增加單位時間運行周期數(shù)，提高水廠處理能力。

地點：凱里一污。

過程：在高水量時間段，加大進水閥門開度，提高自流進水量?？刂瞥绦蚋鶕?jù)進水速度自動控制進水時間，同時人為設定總曝氣時間為75分鐘，沉淀時間為50分鐘，潷水時間為55分鐘，將運行周期壓縮至220分鐘。經(jīng)驗證，在高水量期間（約19小時）共運行個20.2個周期，較原程序提高個1.2個周期，按潷水區(qū)間4-6米計算，每周期每池處理水量2400噸，即每天可多處理污水2880噸。實驗時應注意避免進水閥門開度過大，使進水時間小于1/4個周期，導致不能連續(xù)進水。

運行穩(wěn)定后，將SBR池潷水液位修改為3.85米-6米，即增加0.15米潷水行程，使單周期處理水量增加0.15×1200（池面積）=180立方米（噸），即每日多處理污水180×20=3600噸。

結論：新的控制方法可以縮短SBR池處理周期，增加單位時間運行周期數(shù)，從而提高處理水量，配合潷水器行程增加，可顯著提升處理能力、效率。

第三階段：

目標：自動曝氣。

過程：投入風機自動控制程序，根據(jù)溶氧設定值自動調節(jié)風機運行頻率。開始曝氣時風機按照最大頻率運行，DO達到1.6mg/L自動降低風機運行頻率，DO低于1.4mg/L自動調高風機運行頻率。經(jīng)驗證在自動曝氣模式下，溶氧值在一定區(qū)間波動，可以滿足生化段過程處理需要。

結論：新程序可以提高自動化程度減少人工干預，而且在曝氣階段風機20%時間運行在較低頻率，也節(jié)省了能耗。

2.4 實驗結論

經(jīng)試驗驗證可以看出，改良后的控制工藝使SBR單元在工藝、能耗、處理水量等方面得到多維度改善：

1）減少工藝調整次數(shù)

因每一周期處理水量、水位達到相同參數(shù)，在無水質突變異常情況下，對工藝無需反復調整，4個池子同步鏡像管理，減少了因水量變化導致的工藝調整次數(shù)。

2）降低能耗

低水量負荷期，由于T1（進水時間）可自動延長，且池內液位達到指定值才進入曝氣階段，所以避免了“空池”、“半池”曝氣，且夜間運行周期數(shù)減少，減少了風機運行時間，降低了能耗。

3）增加處理水量

可根據(jù)進水量在合理范圍內自動縮短單池運行周期，增加單位時間運行周期數(shù)，提高單池處理水量，一定程度提升水廠處理能力。

4）自動曝氣

根據(jù)DO值PLC自動調整風機運行頻率，減少人工干預，提高生產(chǎn)效率。

5）工藝調整靈活

由于增加了進度修正功能，可實現(xiàn)在全自動運行條件下生化池一個周期內進度按分鐘尺度任意調整。提高了對突發(fā)情況的應對能力。

3 經(jīng)濟效益

凱里一污改良后的SBR池經(jīng)濟效益主要體現(xiàn)在兩方面：

1）提升日處理水量

凱里一污設計處理水量5萬噸/日，此前實際日均最大處理水量4.6萬噸左右，采用新的控制方法后日處理水量有顯著提升，近年及今年處理水量數(shù)據(jù)如表1所示。

表1

保守估計SBR池改良后凱里一污日均處理水量可增加5000噸，按照最終處理水價1.23元/噸計算，則每月收益增加18萬元，每年收益增加200余萬元，相比改進SBR池程序和試驗投入的成本，總體效益非?？捎^。

2）節(jié)省電能

隨著處理水量的提升和夜間風機運行時間的減少，處理單位水量的電耗明顯減少，噸水電耗由0.2162度下降至0.1788度，預計每年可節(jié)約40萬元。

4 價值及可推廣性分析

改進后的SBR控制工藝有以下特點：

1）對水量變化適應性強；

2）一定程度提升處理水量；

3）低水量時避免能效浪費；

4）只需要進行程序優(yōu)化，投入低。

結合凱里一污的特點，改進后的SBR控制工藝適用于三種情況：

（1）進水水量變化大；

（2）水廠未滿負荷運行；

（3）部分水量超負荷水廠。

在以上幾種情況下，改進后的SBR控制工藝可以很好的發(fā)揮作用，為水廠以及公司減少能效浪費，提升收益。

5 結語

改進后的SBR控制工藝可以有效應對污水廠進水量波動的情況，在進水量超過設計值的臨界情況下可以進一步提升處理能力，水量較低時可減少設備的運行時間，在提高生產(chǎn)效率同時實現(xiàn)節(jié)能降耗，具有一定的推廣價值。