曝气生物滤池自动控制系统的设计和实现

曝气生物滤池自动控制系统的设计和实现李明１姚美菱２李英杰３张星２（１．河北省城乡规划设计研究院；２．石家庄邮电职业技术学院电信工程系；３．大连海事大学信息科学技术学院）摘要简述了曝气生物滤池（ＢＡＦ）工艺，介绍了ＢＡＦ自动控制系统的硬件配置和自动控制原理，根据ＢＡＦ调节参数滤速和溶解氧浓度的特点，给出了两者的主要控制策略。关键词自控系统曝气生物滤池ＰＬＣ滤速溶解氧浓度模糊自适应整定ＰＩＤ控制中图分类号ＴＨ８６２文献标识码Ｂ文章编号１０００３９３２（２０１９）０７０５１９０４曝气生物滤池（ＢｉｏｌｏｇｉｃａｌＡｅｒａｔｅｄＦｉｌｔｅｒ，ＢＡＦ）污水处理工艺属于生物膜法的范畴，它集生化反应和固液分离于一体，无需二沉池，相对于活性污泥法具有投资小、占地少、运行稳定、抗冲击负荷、无污泥膨胀及更加经济节能等优点，因此在城市污水二级处理、再生水深度处理和原有二级生化处理后提标升级中得到了广泛应用。然而，该工艺对自控系统要求较高，完善的自控系统是该工艺正常运行的关键。为此，笔者根据ＢＡＦ的工艺要求，设计了一个ＢＡＦ自动控制系统，以实现高效、稳定的运行效果。１ＢＡＦ工艺简介ＢＡＦ（图１）在结构上可分为缓冲配水区、承托层与陶粒滤料层区、出水区［１］，其主体由滤池池体、布水与反冲洗布水布气系统、承托层、滤料层、工艺曝气系统、反冲洗系统、出水系统、自控系统等组成。图１ＢＡＦ结构示意图１———滤池池体；２———工艺曝气管；３———反冲洗进气管；４———进水管；５———反冲洗进水管；６———反冲洗排水槽（渠）；７———出水槽（渠）；８———放空管；９———缓冲配水区；１０———承托层和滤板；１１———长柄滤头；１２———承托层；１３———陶粒滤料层；１４———清水区；１５———超高区；１６———单孔膜空气扩散器；１７———出水堰ＢＡＦ是在同一单元反应器中进行吸附过滤与生物降解两种处理过程，其填料采用一种新型的球形陶粒，在球形陶粒开口内腔空间和表面均生长有微生物膜，污水从下向上流过滤料层时，利用ＢＡＦ滤料粒径较小的特点和滤料表面上所附生物膜中高浓度的活性微生物的强氧化分解作用，充分发挥填料和生物膜的截留和物理吸附以及微生物的生物絮凝、生物代谢作用。同时曝气供氧装置设在滤料层下部，水、气均由下向上流动，使废水中的有机物在进行硝化脱氮的同时也得到了好氧降解。另外，填料对污水也起到了物理过滤阻截作用。为了保证微生物膜的活性，利用处理后的出水定期对滤池进行反冲洗，使滤料表面增殖的老化微生物膜得到有效排除。２ＢＡＦ自动控制系统的硬件配置通常曝气生物滤池由多个滤格组成，每格由进水调节阀、排水阀、水冲阀、气冲阀、曝气阀和排余气电磁阀构成滤池本体阀组；每格设置曝气风机进行变频控制，且安装有一个溶解氧仪用于测９１５第７期李明等．曝气生物滤池自动控制系统的设计和实现作者简介：李明（１９７３），教授级高级工程师，从事市政工程电气设计工作，３２４１９２５１７８＠ｑｑ．ｃｏｍ。量溶解氧、一个差压计用于测量滤料层阻塞值；每格配水缓冲区进水管处还设有压力变送器用于测量配水区的压力值。曝气生物滤池的公用部分设备主要有用于气洗的冲洗鼓风机和用于水洗的冲洗水泵。滤池每格的工艺处理功能相同，根据工艺运转和Ｉ／Ｏ点的分布情况，整个自动控制系统采用基于ＰｒｏｆｉｂｕｓＤＰ现场总线的分布式控制系统［２］，曝气生物滤池设置一个ＰＬＣ主站，滤池每格设置一个ＰＬＣ子站，如图２所示。图２ＢＡＦ自动控制系统配置ＰＬＣ主站采用Ｓ７３００ＣＰＵ３１５２ＤＰ控制系统，负责滤池各格的反冲洗协调，并启动冲洗鼓风机、冲洗水泵和滤格ＰＬＣ子站一起完成反冲洗，同时负责与水厂中央控制室通信。每格ＰＬＣ子站采用Ｓ７２００并加装ＰｒｏｆｉｂｕｓＤＰ从站通信模块，通过控制本格阀门组和相应曝气鼓风机的变频调速，实现本格的正常过滤和反冲洗，且本格设备出现故障不会影响其他滤格的正常运行。ＰＬＣ主站和各格ＰＬＣ子站通过工业控制现场总线ＰｒｏｆｉｂｕｓＤＰ相连接，同时主站通过光纤以太环网和厂级中央控制室上位机进行通信联络，所有主从ＰＬＣ站均设置可视化的触摸屏人机界面ＨＭＩ，便于现场调试和编程。另外，在水厂中央控制室计算机也可以对滤池进行远程监控与操作。３ＢＡＦ自动控制原理ＢＡＦ正常工况由两个阶段组成，一个阶段是正常过滤，另一个阶段是气水反冲洗，对于滤池每格这两个阶段是循环交替进行的。正常工况下控制系统程序流程如图３所示［３］。滤池处于正常过滤状态时，主要由现场ＰＬＣ子站控制单元负责完成，进水调节阀和曝气阀打开，其余阀门全部关闭，曝气风机投入运行。进水气动调节阀的开度和曝气风机变频器的运行频率由现场ＰＬＣ子站控制单元根据每格滤格的进水流量和出水溶解氧进行自动调整。滤池处于气水反冲洗状态时，由滤池公共ＰＬＣ主站与现场ＰＬＣ子