一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制裝置及控制方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制裝置及控制方法，它包括生物處理單元，生物處理單元的入口管路上設(shè)置有進(jìn)水水量水質(zhì)儀表，進(jìn)水水量水質(zhì)儀表將在線檢測到的生物處理單元的進(jìn)水量Q和進(jìn)水水質(zhì)信息傳輸至綜合控制器內(nèi)；溶解氧儀和氣體流量計將采集到的溶解氧DO、曝氣干管和支管內(nèi)氣體流量信息均傳輸至綜合控制器內(nèi)；設(shè)置在生物處理單元出口管路上的出水水質(zhì)儀表將在線檢測到的出水水質(zhì)信息也傳輸至綜合控制器內(nèi)；綜合控制器根據(jù)接收到的信息進(jìn)行前饋-反饋綜合調(diào)節(jié)后輸出控制信號，控制鼓風(fēng)機(jī)、電動閥門工作。本發(fā)明可以廣泛在污水處理【技術(shù)領(lǐng)域】中應(yīng)用。
【專利說明】一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制裝置及控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種城市污水處理【技術(shù)領(lǐng)域】中的控制裝置及方法，特別是關(guān)于一種在生化處理過程中的污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制裝置及控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]曝氣系統(tǒng)是整個污水處理過程的核心，曝氣系統(tǒng)所用能耗約占整個污水處理廠總用電量的50~70%，是污水處理廠耗能最大的單元。提高污水處理廠曝氣系統(tǒng)的能效，實(shí)現(xiàn)曝氣系統(tǒng)的節(jié)能降耗對污水處理廠的優(yōu)化運(yùn)行有著重要意義。目前，國內(nèi)污水處理廠曝氣系統(tǒng)的控制水平普遍較低，存在以下問題:為了保證出水達(dá)標(biāo)，運(yùn)行人員維持較高的溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)濃度,導(dǎo)致曝氣能耗的浪費(fèi)；污水處理廠現(xiàn)有儀表和曝氣設(shè)備不支持自動控制；多數(shù)污水廠仍然采用人工操作鼓風(fēng)系統(tǒng)，人為因素對曝氣量的控制影響大；少數(shù)污水處理廠采用單參數(shù)反饋控制，溶解氧波動大，抗負(fù)荷沖擊能力較差，造成出水水質(zhì)不穩(wěn)定。如果能綜合水質(zhì)、微生物的反應(yīng)情況等對曝氣系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化控制，將能降低曝氣系統(tǒng)的能耗，并且維持合適的溶解氧濃度，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗和穩(wěn)定運(yùn)行。
[0003]現(xiàn)有污水處理廠曝氣過程控制技術(shù)的主要核心思想是通過檢測曝氣池內(nèi)的溶解氧濃度，對曝氣風(fēng)量進(jìn)行反饋控制，控制算法一般都是單輸入單輸出(SISO)的比例積分(PI)算法。此外，根據(jù)工藝優(yōu)化后的條件需求，采用多參數(shù)或者多條件的多輸入單輸出(MISO)的模型算法，可以提高控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)某種工藝功能的針對性。還有利用風(fēng)能和光能驅(qū)動曝氣的控制方法，但是與污水處理廠的曝氣過程控制差別較大。由此可知，目前污水處理廠的曝氣過程控制技術(shù)還存在如下不足:(I)采用簡單的單級反饋控制方法時，缺少中間變量，控制回路沒有區(qū)分快速的充氧過程和慢速的耗氧過程，因此難以達(dá)到穩(wěn)定控制的效果，實(shí)際應(yīng)用過程中經(jīng)常出現(xiàn)超調(diào)和震蕩的情況。(2)采用比較簡單的串級反饋控制方法時，缺少前饋補(bǔ)償，難以應(yīng)對進(jìn)水負(fù)荷快速和大幅度波動的情況，導(dǎo)致溶解氧控制效果欠佳。(3)采用了比較復(fù)雜的專家`系統(tǒng)或者智能控制策略時，對模型識別和參數(shù)率定的要求很高，控制效果不穩(wěn)定或者未被實(shí)際工程檢驗(yàn)，難以在實(shí)際工程中應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]針對上述問題，本發(fā)明的目的是提供一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制裝置及控制方法，其能實(shí)現(xiàn)鼓風(fēng)曝氣系統(tǒng)的前饋-反饋綜合調(diào)節(jié)，穩(wěn)定生物反應(yīng)池內(nèi)的溶解氧濃度。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案:一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制裝置，其特征在于:它包括生物處理單元、進(jìn)水水量水質(zhì)儀表、綜合控制器、出水水質(zhì)儀表、鼓風(fēng)機(jī)和電動閥門；在所述生物處理單元內(nèi)還設(shè)置有溶解氧儀和若干氣體流量計，各所述氣體流量計分別設(shè)置在所述生物處理單元內(nèi)的曝氣干管和支管上；所述生物處理單元的入口管路上設(shè)置有所述進(jìn)水水量水質(zhì)儀表，所述進(jìn)水水量水質(zhì)儀表將在線檢測到的所述生物處理單元的進(jìn)水量Q和進(jìn)水水質(zhì)信息傳輸至所述綜合控制器內(nèi)；所述溶解氧儀和氣體流量計將采集到的溶解氧DO值、曝氣干管和支管內(nèi)氣體流量DQ值均傳輸至所述綜合控制器內(nèi)；設(shè)置在所述生物處理單元出口管路上的所述出水水質(zhì)儀表將在線檢測到的出水水質(zhì)信息也傳輸至所述綜合控制器內(nèi)；所述綜合控制器根據(jù)接收到的信息進(jìn)行前饋-反饋綜合調(diào)節(jié)后輸出控制信號，控制所述鼓風(fēng)機(jī)、電動閥門工作。[0006]所述綜合控制器包括前饋補(bǔ)償模塊、反饋補(bǔ)償模塊、串級反饋控制模塊和PID控制模塊；所述前饋補(bǔ)償模塊將采集到的進(jìn)水水量水質(zhì)儀表的進(jìn)水量Q和進(jìn)水水質(zhì)信息、以及溶解氧DO值、曝氣干管和支管內(nèi)氣體流量DQ值，傳輸至所述串級反饋控制模塊內(nèi)；所述反饋補(bǔ)償模塊將采集到的出水水質(zhì)儀表的出水水質(zhì)信息傳輸至所述串級反饋控制模塊內(nèi)；所述串級反饋控制模塊根據(jù)接收到的所有信息對溶解氧DO值進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)補(bǔ)償后溶解氧設(shè)定值與實(shí)測值的差值計算需氣量的設(shè)定值，然后由所述串級反饋控制模塊根據(jù)接收信息對需氣量設(shè)定值進(jìn)行補(bǔ)償，并將補(bǔ)償后的需氣量設(shè)定值傳輸至所述PID控制模塊內(nèi)處理，由所述PID控制模塊向所述鼓風(fēng)機(jī)、電動閥門輸出控制信號。
[0007]所述進(jìn)水水量水質(zhì)儀表包括進(jìn)水水量儀表、進(jìn)水水質(zhì)儀表、COD在線檢測儀和氨氮在線檢測儀。
[0008]所述COD儀采用光學(xué)法COD在線檢測儀，所述進(jìn)水水量儀表采用電磁流量計，所述氨氮在線檢測儀采用離子選擇電極法在線氨氮儀。
[0009]所述出水水質(zhì)儀表為氨氮在線檢測儀，所述氨氮在線檢測儀采用離子選擇電極法在線氨氮儀。
[0010]基于上述一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制裝置的控制方法，其包括以下步驟:1)前饋補(bǔ)償模塊將采集到的進(jìn)水化學(xué)需氧量C0D、氨氮的濃度以及進(jìn)水量Q進(jìn)行進(jìn)水負(fù)荷計算，計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷分析，根據(jù)計算結(jié)果在預(yù)設(shè)的最優(yōu)溶解氧數(shù)據(jù)表格中查找需要的溶解氧設(shè)定值，以向串級反饋控制模塊輸出溶解氧前饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)量AD0IN(t)；
2)前饋補(bǔ)償模塊將采集到的進(jìn)水量Q和曝氣干管氣體流量DQ值進(jìn)行運(yùn)算，計算瞬時氣水t匕；將瞬時氣水比進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷分析，若判定結(jié)果未超過預(yù)設(shè)范圍時，維持當(dāng)前狀態(tài)不變；若判定結(jié)果為出現(xiàn)流量突變時，則啟動前饋補(bǔ)償模塊，調(diào)節(jié)串級反饋控制模塊的需氣量設(shè)定值，改變實(shí)際氣體流量，保持瞬時氣水比基本穩(wěn)定；3)串級反饋控制模塊將實(shí)測的生物處理單元內(nèi)反應(yīng)池的溶解氧濃度與預(yù)先設(shè)定值比較，采用PI算法計算需氣量的設(shè)定；同時，根據(jù)實(shí)測的生物處理單元內(nèi)反應(yīng)池的氣體流量以及需氣量設(shè)定值，采用PI算法計算鼓風(fēng)機(jī)、電動閥門所需閥門開度和鼓風(fēng)機(jī)流量調(diào)節(jié)度，輸出到PID控制模塊，對鼓風(fēng)機(jī)、電動閥門的閥門開度、鼓風(fēng)機(jī)流量控制；4)反饋補(bǔ)償模塊將采集到的出水水質(zhì)信號與預(yù)先設(shè)定的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，得到出水氨氮的安全裕量；根據(jù)出水氨氮安全裕量的大小，對串級反饋控制模塊中溶解氧設(shè)定值或需氣量設(shè)定值進(jìn)行補(bǔ)償。
[0011]所述步驟I)中，所述溶解氧前饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)量AD0IN(t)計算方法為:假設(shè)當(dāng)前給定
的溶解氧設(shè)定值為DOst (t)，根據(jù)水溫T、進(jìn)水化學(xué)需氧量COD負(fù)荷Lcmd、進(jìn)水氨氮負(fù)荷
在預(yù)設(shè)的最優(yōu)溶解氧數(shù)據(jù)表格中查得需要的最佳溶解氧DO設(shè)定值D0IN(t)，得到ADOinU)為:Δ DOin (t) = DOin (t) -DOst (t)。
[0012]所述步驟3)中，所述生物處理單元內(nèi)反應(yīng)池內(nèi)需氣量的調(diào)節(jié)值A(chǔ)DQ(t)為:ADQ(t) = ΛDQst(t) +ΛDQin(t) +ΛDQef(t)，其中，ΛDQst(t)為當(dāng)前需氣量的調(diào)節(jié)量 ^PK2是系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試確定；Λ DQin(t)為基于進(jìn)水水量的需氣量前饋補(bǔ)償值；Λ DQef(t)為基于出水水質(zhì)的需氣量反饋補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)值；所述閥門開度或鼓風(fēng)機(jī)流量的調(diào)節(jié)量ADV(t)為:ADV(t) = K3 ADQ(t)+K4ΛDQ(t-1)，式中，ADQ(t-1)是指上一個控制周期(t-1)時刻需氣量的調(diào)節(jié)量；K3和K4是系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試確定。
[0013]所述步驟4)中，假設(shè)出水水質(zhì)的氨氮濃度為T(t)，出水標(biāo)準(zhǔn)為Tst，則安全裕量ST為:ST = Tst-T (t) > 0，假設(shè)一般風(fēng)險的安全裕量設(shè)定值為b，較高風(fēng)險的安全裕量設(shè)定值為(:，有13 > C，按PI算法計算基于出水水質(zhì)反饋補(bǔ)償?shù)娜芙庋踉O(shè)定值A(chǔ)D0EF(t)和需氣量Δ DQef (t)為:
【權(quán)利要求】
1.一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制裝置，其特征在于:它包括生物處理單元、進(jìn)水水量水質(zhì)儀表、綜合控制器、出水水質(zhì)儀表、鼓風(fēng)機(jī)和電動閥門；在所述生物處理單元內(nèi)還設(shè)置有溶解氧儀和若干氣體流量計，各所述氣體流量計分別設(shè)置在所述生物處理單元內(nèi)的曝氣干管和支管上； 所述生物處理單元的入口管路上設(shè)置有所述進(jìn)水水量水質(zhì)儀表，所述進(jìn)水水量水質(zhì)儀表將在線檢測到的所述生物處理單元的進(jìn)水量Q和進(jìn)水水質(zhì)信息傳輸至所述綜合控制器內(nèi)；所述溶解氧儀和氣體流量計將采集到的溶解氧DO值、曝氣干管和支管內(nèi)氣體流量DQ值均傳輸至所述綜合控制器內(nèi)；設(shè)置在所述生物處理單元出口管路上的所述出水水質(zhì)儀表將在線檢測到的出水水質(zhì)信息也傳輸至所述綜合控制器內(nèi)；所述綜合控制器根據(jù)接收到的信息進(jìn)行前饋-反饋綜合調(diào)節(jié)后輸出控制信號，控制所述鼓風(fēng)機(jī)、電動閥門工作。
2.如權(quán)利要求1所述的一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制裝置，其特征在于:所述綜合控制器包括前饋補(bǔ)償模塊、反饋補(bǔ)償模塊、串級反饋控制模塊和PID控制模塊；所述前饋補(bǔ)償模塊將采集到的進(jìn)水水量水質(zhì)儀表的進(jìn)水量Q和進(jìn)水水質(zhì)信息、以及溶解氧DO值、曝氣干管和支管內(nèi)氣體流量DQ值，傳輸至所述串級反饋控制模塊內(nèi)；所述反饋補(bǔ)償模塊將采集到的出水水質(zhì)儀表的出水水質(zhì)信息傳輸至所述串級反饋控制模塊內(nèi)；所述串級反饋控制模塊根據(jù)接收到的所有信息對溶解氧DO值進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)補(bǔ)償后溶解氧設(shè)定值與實(shí)測值的差值計算需氣量的設(shè)定值，然后由所述串級反饋控制模塊根據(jù)接收信息對需氣量設(shè)定值進(jìn)行補(bǔ)償，并將補(bǔ)償后的需氣量設(shè)定值傳輸至所述PID控制模塊內(nèi)處理，由所述PID控制模塊向所述鼓風(fēng)機(jī)、電動閥門輸出控制信號。
3.如權(quán)利要求1或2所述的一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制裝置，其特征在于:所述進(jìn)水水量水質(zhì)儀表 包括進(jìn)水水量儀表、進(jìn)水水質(zhì)儀表、COD在線檢測儀和氨氮在線檢測儀。
4.如權(quán)利要求3所述的一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制裝置，其特征在于:所述COD儀采用光學(xué)法COD在線檢測儀，所述進(jìn)水水量儀表采用電磁流量計，所述氨氮在線檢測儀采用離子選擇電極法在線氨氮儀。
5.如權(quán)利要求1或2所述的一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制裝置，其特征在于:所述出水水質(zhì)儀表為氨氮在線檢測儀，所述氨氮在線檢測儀采用離子選擇電極法在線氨氮儀。
6.基于權(quán)利要求1~5任意一項(xiàng)所述的一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制裝置的控制方法，其包括以下步驟: 1)前饋補(bǔ)償模塊將采集到的進(jìn)水化學(xué)需氧量COD、氨氮的濃度以及進(jìn)水量Q進(jìn)行進(jìn)水負(fù)荷計算，計算結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷分析，根據(jù)計算結(jié)果在預(yù)設(shè)的最優(yōu)溶解氧數(shù)據(jù)表格中查找需要的溶解氧設(shè)定值，以向串級反饋控制模塊輸出溶解氧前饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)量Δ?ΟΙΝ(?)； 2)前饋補(bǔ)償模塊將采集到的進(jìn)水量Q和曝氣干管氣體流量DQ值進(jìn)行運(yùn)算，計算瞬時氣水比；將瞬時氣水比進(jìn)行數(shù)據(jù)質(zhì)量判斷分析，若判定結(jié)果未超過預(yù)設(shè)范圍時，維持當(dāng)前狀態(tài)不變；若判定結(jié)果為出現(xiàn)流量突變時，則啟動前饋補(bǔ)償模塊，調(diào)節(jié)串級反饋控制模塊的需氣量設(shè)定值，改變實(shí)際氣體流量，保持瞬時氣水比基本穩(wěn)定； 3)串級反饋控制模塊將實(shí)測的生物處理單元內(nèi)反應(yīng)池的溶解氧濃度與預(yù)先設(shè)定值比較，采用PI算法計算需氣量的設(shè)定；同時，根據(jù)實(shí)測的生物處理單元內(nèi)反應(yīng)池的氣體流量以及需氣量設(shè)定值，采用PI算法計算鼓風(fēng)機(jī)、電動閥門所需閥門開度和鼓風(fēng)機(jī)流量調(diào)節(jié)度，輸出到PID控制模塊，對鼓風(fēng)機(jī)、電動閥門的閥門開度、鼓風(fēng)機(jī)流量控制； 4)反饋補(bǔ)償模塊將采集到的出水水質(zhì)信號與預(yù)先設(shè)定的排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算，得到出水氨氮的安全裕量；根據(jù)出水氨氮安全裕量的大小，對串級反饋控制模塊中溶解氧設(shè)定值或需氣量設(shè)定值進(jìn)行補(bǔ)償。
7.如權(quán)利要求6所述的一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制方法，其特征在于:所述步驟I)中，所述溶解氧前饋補(bǔ)償調(diào)節(jié)量ADOinU)計算方法為:假設(shè)當(dāng)前給定的溶解氧設(shè)定值為DOst (t)，根據(jù)水溫T、進(jìn)水化學(xué)需氧量COD負(fù)荷Lail、進(jìn)水氨氮負(fù)荷 ,在預(yù)設(shè)的最優(yōu)溶解氧數(shù)據(jù)表格中查得需要的最佳溶解氧DO設(shè)定值D0IN(t)，得到ADOinU)為:
Δ DOin (t) = DOin (t) -DOst (t)。
8.如權(quán)利要求6所述的一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制方法，其特征在于:所述步驟3)中，所述生物處理單元內(nèi)反應(yīng)池內(nèi)需氣量的調(diào)節(jié)值A(chǔ)DQ(t)為:
Δ DQ (t) = Δ DQst (t) + Δ DQin (t) + Δ DQef (t), 其中，Λ DQst⑴為當(dāng)前需氣量的調(diào)節(jié)量A1和K2是系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試確定；Λ DQin⑴為基于進(jìn)水水量的需氣量前饋補(bǔ)償值；ADQefU)為基于出水水質(zhì)的需氣量反饋補(bǔ)償?shù)恼{(diào)節(jié)值； 所述閥門開度或鼓風(fēng)機(jī)流量的調(diào)節(jié)量ADVa)為:
ADV(t) = K3ADQ(t)+K4ADQ(t_l)， 式中，ADQ(t-l)是指上一個控制周期(t-Ι)時刻需氣量的調(diào)節(jié)量在3和1(4是系數(shù)，通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試確定。
9.如權(quán)利要求6所述的一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制方法，其特征在于:所述步驟4)中，假設(shè)出水水質(zhì)的氨氮濃度為T (t)，出水標(biāo)準(zhǔn)為Tst，則安全裕量ST為:
ST = Tst-T（t） > O, 假設(shè)一般風(fēng)險的安全裕量設(shè)定值為b，較高風(fēng)險的安全裕量設(shè)定值為C，有b > c，按PI算法計算基于出水水質(zhì)反饋補(bǔ)償?shù)娜芙庋踉O(shè)定值ΛDOef(t)和需氣量ΛDQef(t)為:

10.如權(quán)利要求6所述的一種污水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制方法，其特征在于:所述水處理廠鼓風(fēng)曝氣過程實(shí)時控制方法根據(jù)儀表配置情況和信號質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)對控制策略進(jìn)行自動切換:當(dāng)進(jìn)水水量水質(zhì)儀表、出水水質(zhì)儀表、溶解氧儀、氣體流量計全部正常工作時，執(zhí)行步驟I)至步驟4)完整的前饋/反饋-溶解氧串級反饋控制策略；當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)儀表故障時，取消步驟I)中溶解氧設(shè)定前饋補(bǔ)償，其余控制策略繼續(xù)進(jìn)行控制；當(dāng)進(jìn)水水量儀表故障時，取消全部前饋補(bǔ)償模塊，其余控制策略正常控制；當(dāng)出水水質(zhì)儀表故障時，取消全部反饋補(bǔ)償模塊，其余控制策略繼續(xù)進(jìn)行控制；當(dāng)溶解氧儀故障時，取消溶解氧串級反饋控制模塊，使用氣量設(shè)定控制策略；當(dāng)氣體流量計故障時，取消全部控制策略，直接采用預(yù)先設(shè)定的閥 門開度。
【文檔編號】C02F3/02GK103663674SQ201310700255
【公開日】2014年3月26日 申請日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】邱勇, 施漢昌, 龐洪濤, 田宇心 申請人:清華大學(xué)