SPR污水處理系統的智能控制

摘要：針對SPR污水處理系統工作中所存在的問題，控制出水化學需氧量COD保持恒定，以保證在各種條件下出水的水質，介紹了一種采用混合型模糊控制器控制的SPR污水處理系統的控制原理，并設計了模糊控制器、PI調節器和控制軟件。仿真表明控制速度快，超調量小，調節時間短。系統動態性能和靜態性能良好，具有較高的魯棒性和性價比，實用性強。
關鍵詞：混合型模糊控制器；化學需氧量；閥門開度；隸屬度；魯棒性

現代城市污水處理大多采用傳統的SBR工藝和CCAS工藝，其相應的處理系統均存在污水輸送管道長、處理工藝流程長、占地面積大、系統組成龐大、投入大、散發臭氣、處理后的水不能回用、運行費用高等問題；隨著我國社會經濟的不斷發展，新興工業城市規模的不斷擴大，人們對水資源的需求在不斷地擴大，城市可持續發展中的水污染和節水、居住環境的好壞已越來越成為人們關注的焦點，特別是那些產生高濁度高濃度污水的高污染企業，給城鎮人類生存環境帶來巨大的壓力，人們迫切需要一種專用于高濁度高濃度污水處理的新技術，SPR污水處理技術正是應這種實際需求，依靠化學反應、物理吸附、懸浮泥層精細過濾與流體力學分離原理的巧妙結合，可直接進行高濁度高濃度污水處理的新技術，由于SPR污水處理系統具有高效、節省、占地少、無臭氣散發、污水凈化后可再生利用等特點，使其成為解決城市水污染和節水問題的最好途徑之一；但由于SPR污水處理系統出水水質和化學藥劑用量大小是依靠紊流速度、混合時間和污水凈化罐特有的水力學結構設計，通過污水在瓷球污水凈化罐內與藥劑取得最佳混凝凈化效果來保證的，這樣，它們極易受到電機轉速、紊流速度、電網電壓波動、輸入污水濁度濃度變化、罐內壓力變化的影響，使出水水質變差，或因水中含有化學藥劑成分較大而造成二次污染，降低系統效率；為此，提出一種通過對藥簡閥門開度的模糊控制，控制流入泵前管中的化學藥劑量，達到控制出水化學需氧量COD保持恒定的效果，以保證在各種條件下出水的水質，達到合理投藥量的目的。

1 藥筒閥門開度的控制原理
SPR污水處理工藝流程為：已被送入污水池的高濁度高濃度污水經水泵泵前管道、藥筒流入處、水泵葉輪和蛇形管道以一定的流速被送入瓷球污水凈化罐內，化學藥劑通過泵前吸藥管道、高速旋轉的水泵葉輪的攪拌、蛇形反應管的紊流切割和瓷球反應罐內球面趨膚效應等途徑后得以充分的混合，使污水中處于溶解狀態的有機污染物、重金屬離子和有害的鹽類從水中析出，成為有固相界面的微小顆粒，并依靠污水凈化罐內部結構凝聚吸附，在罐體的中上部形成一個幾十厘米厚、致密的懸浮泥層，對出水進行過濾，輸出達標的處理水；對罐內的污泥處理，當罐內形成的懸浮泥層達到一定量后，依靠渦流形成的向心力、過濾水力學形成的牽引力和自身的重量，被快速引入污泥濃縮室沉降分離，當污泥濃縮室蓄滿時被定期排出。
從上面的工藝流程中可以看出，藥筒閥門開度的大小在整個污水處理過程中起著很關鍵的作用，開度過小，隨污水流入的藥量小，不足以達到化學反應所需的藥量，不能保證出水的COD指標；開度過大，隨污水流入的藥量大，造成投入浪費和二次污染；為了使閥門開度能根據流入污水的實際情況和處理的效果有合理的開度，選擇處理后水中的化學需氧量COD大小作為衡量出水水質好壞的標準，通過監測出水COD大小，控制藥筒閥門的開度及化學藥劑的流入量，使出水COD基本保持不變，從而組成了COD閉環控制系統模式；由于在SPR污水處理工藝流程中存在物理、化學、流體力學等過程，使整個過程非常復雜，此對象為一個非線性、大滯后、時變不確定環節，因而，采用二維模糊控制器和傳統的PI調節器相結合，構成混合型模糊控制器的控制形式，組成無差模糊控制系統，系統框圖如圖1所示。

系統的工作原理為：首先，通過COD在線檢測儀測定出水的COD參數與給定的COD參數進行比較，得到偏差信號e，送到積分調節器，同時，將偏差信號和一個采樣周期后該偏差的變化量ec作為模糊控制器的輸入變量，經各自的量化因子，送到二維模糊控制器進行計算、判斷與決策、非模糊化處理，經比例因子Kuf得到控制變量uf，與經過PI運算和強弱因子Kui處理的ui相加，得到藥筒閥門開度的控制變量u，實現對污水中COD的無靜差控制，提高處理后的水質。

2 模糊控制器和積分調節器的設計
2．1 模糊化處理
為了提高系統的性能，模糊控制器采用二維模糊控制器，其輸入信號分別為COD偏差信號e和偏差的變化量ec，閥門開度控制信號uf，其對應的模糊變量分別為E、EC、Uf。
模糊化處理就是將輸入變量、輸出變量、控制變量由基本論域轉換成相應的模糊論域。而基本論域一般由實際要求決定，模糊論域由經驗設定，其量化因子、比例因子及實際輸入值的計算公式為：

式中，x為輸入輸出變量的實際值，a、b為其基本論域的上下限，c、d為模糊集論域的上下限，k為量化因子或比例因子。
根據SPR污水處理工藝的實際情況，通常出水COD一般要求為40 mg／L以下，本系統中出水COD要求基本穩定在30 mg／L，設偏差e的基本論域為[-30，30]，其模糊量E的模糊論域為[-6，6]，則模糊量化因子Ke=0．2；誤差變化率ec的基本論域為[-6，6]，模糊量EC的模糊論域為[-6，6]，則模糊量化因子Kec=1；控制量uf的基本論域為[-78°，78°]，其模糊量Uf的模糊論域為[-6°，6°]，則比例因子Ku=13。為了提高穩態精度，E的模糊集取8個元素，有NO和PO之分；EC及Uf的模糊集取7個元素，它們是NB(負大)、NM(負中)、NS(負小)、NO(負零)、ZO(零)、PO(正零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。