本發(fā)明涉及一種城市垃圾填埋場厭氧折流板反應(yīng)器及其控制方法，屬于環(huán)境工程領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

厭氧折流板反應(yīng)器(ABR)是一個(gè)由多隔室組成的高效新型厭氧反應(yīng)器，隨著厭氧技術(shù)的發(fā)展，其工藝的水力設(shè)計(jì)已由簡單的推流式或完全混合式發(fā)展到了混合型復(fù)雜水力流態(tài)。最新一代厭氧反應(yīng)器所具有的特點(diǎn)包括：反應(yīng)器具有良好的水力流態(tài)，使其中的水流大多呈推流與完全混合流相結(jié)合的復(fù)合型流態(tài)，因而具有高的反應(yīng)器容積利用率，得到較強(qiáng)的處理能力；能夠使一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)微生物在不同的區(qū)域內(nèi)生長，與不同階段的進(jìn)水相接觸，在一定程度上實(shí)現(xiàn)生物相的分離，從而可穩(wěn)定和提高設(shè)施的處理效果；通過延長水流在反應(yīng)器內(nèi)的流徑，促進(jìn)廢水與污水的接觸。

研究表明，ABR能夠處理不同種類的廢水，例如對(duì)低濃度、高濃度、含硫酸鹽廢水、印染廢水、豆制品廢水等均能有效處理。

在現(xiàn)有的反應(yīng)器中，折流板多是等間距均勻設(shè)置的，由于均勻設(shè)置了上下折流板，容易產(chǎn)生斷流、死區(qū)及生物固體的流失等問題。在ABR反應(yīng)器的折流板的末端設(shè)置有一定角度的轉(zhuǎn)角，此構(gòu)造有利于污泥的截留和水流的持續(xù)，但由于水流和氣流同時(shí)作用，仍然會(huì)將部分污泥帶入下一分隔室，破壞分隔室內(nèi)的菌群和環(huán)境，降低反應(yīng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性。同時(shí)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)器的出水流量常常會(huì)和進(jìn)水流量產(chǎn)生偏差，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)斷流現(xiàn)象，反應(yīng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性差，給污水處理過程帶來不便。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明設(shè)計(jì)開發(fā)了一種厭氧折流板反應(yīng)器，能夠克服現(xiàn)有厭氧折流板反應(yīng)器污泥截留能力不強(qiáng)導(dǎo)致分隔室內(nèi)的菌群和環(huán)境被破壞的問題。

本發(fā)明的另一個(gè)發(fā)明目的：采用模糊控制器和模糊PID控制器并聯(lián)，對(duì)堿液添加裝置的堿液添加量進(jìn)行控制，保證反應(yīng)過程的環(huán)境條件，防止產(chǎn)氣過程中氣體過度溶解對(duì)反應(yīng)過程造成的破壞，提高反應(yīng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：

一種城市垃圾填埋場厭氧折流板反應(yīng)器，包括：

恒溫水箱，其內(nèi)部設(shè)置有溫控裝置，能夠顯示并控制所述恒溫水箱溫度，保持水溫恒定；

反應(yīng)器，其為長方體結(jié)構(gòu)，包括多個(gè)反應(yīng)室，每個(gè)反應(yīng)室由一個(gè)上流室和一個(gè)下流室組成；以及

阻擋顆粒，其設(shè)置在每個(gè)反應(yīng)室的下部，通過有機(jī)網(wǎng)孔玻璃支撐和保護(hù)，能夠截留污泥，提高污水凈化效率。

優(yōu)選的是，所述溫控裝置包括設(shè)置在所述恒溫水箱中的溫度計(jì)和加熱器，以及設(shè)置在所述恒溫水箱外部并連接所述溫度計(jì)和加熱器的溫控計(jì)。

優(yōu)選的是，所述上流室和所述下流室的寬度比值為3:1。

優(yōu)選的是，所述反應(yīng)器上部設(shè)置有導(dǎo)氣管。

優(yōu)選的是，所述反應(yīng)器的一側(cè)連接有儲(chǔ)水箱，另一側(cè)連接有出水箱。

優(yōu)選的是，所述儲(chǔ)水箱和反應(yīng)器之間連接有泵機(jī)，能夠調(diào)節(jié)進(jìn)水流量。

優(yōu)選的是，還包括：

氣體流量傳感器，其設(shè)置在導(dǎo)氣管的出氣口，能夠測(cè)量反應(yīng)過程中氣體產(chǎn)生量；

pH測(cè)量儀，其設(shè)置在出水口處，能夠測(cè)量反應(yīng)后污水的酸堿度；

堿液添加裝置，其設(shè)置在進(jìn)水口一側(cè)，能夠調(diào)節(jié)反應(yīng)過程中的酸堿變化；

液體流量傳感器，其設(shè)置在所述堿液添加裝置的進(jìn)口處；

控制器，其連接氣體流量傳感器、pH測(cè)量儀、堿液添加裝置、液體流量傳感器，能夠接收氣體流量傳感器、pH測(cè)量儀、液體流量傳感器傳遞的數(shù)值，控制堿液添加量、氣體產(chǎn)生量和反應(yīng)過程的酸堿度。

本發(fā)明的目的還通過一種城市垃圾填埋場厭氧折流板反應(yīng)器的控制方法來實(shí)現(xiàn)，包括：

將氣體產(chǎn)生量Q_c、污水進(jìn)水時(shí)的理想pH值K_J與污水反應(yīng)后出水時(shí)的實(shí)際pH值K_s的差值ΔK輸入模糊控制器，模糊控制器輸出堿液添加裝置的堿液添加量M_s；

所述氣體產(chǎn)生量Q_c、污水進(jìn)水時(shí)的理想pH值K_J與污水反應(yīng)后出水時(shí)的實(shí)際pH值K_s的差值ΔK以及輸出量堿液添加量M_s均分為7個(gè)等級(jí)；

所述氣體產(chǎn)生量Q_c的論域?yàn)閇-8,8]，pH值變化的差值ΔK的論域?yàn)閇-1,1]，堿液添加量M_s的論域?yàn)閇-12,12]，設(shè)定量化因子均為1，比例因子為1；

輸入和輸出的模糊集為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；

還包括模糊PID控制器，其與所述模糊控制器并聯(lián)，

采用模糊控制器，在模糊控制模型中輸入第i個(gè)污水反應(yīng)過程的理想pH值K_J與污水反應(yīng)后出水時(shí)的實(shí)際pH值K_s的偏差e、偏差變化率ec，輸出PID的比例系數(shù)K_p、比例積分系數(shù)K_i和微分系數(shù)K_d，將比例系數(shù)K_p、比例積分系數(shù)K_i和微分系數(shù)K_d輸入PID控制器中，進(jìn)行堿液添加量M_s的誤差補(bǔ)償控制。

優(yōu)選的是，所述理想pH值K_J與污水反應(yīng)后出水時(shí)的實(shí)際pH值K_s的偏差e的論域?yàn)閇-1,1]，偏差變化率ec的模糊論域?yàn)閇-3,3]，設(shè)定量化因子均為1；

所述輸出PID的比例系數(shù)K_p的模糊論域?yàn)閇0.5,4.5]，比例積分系數(shù)K_i的模糊論域?yàn)閇0.6,3]，微分系數(shù)K_d的模糊論域?yàn)閇0,0.1]，設(shè)定量化因子均為1；比例因子為1；

所述偏差e和偏差變化率ec分為7個(gè)等級(jí)；輸出PID的比例系數(shù)K_p、比例積分系數(shù)K_i和微分系數(shù)K_d分為7個(gè)等級(jí)；

所述模糊PID控制器的輸入和輸出的模糊集為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。

本發(fā)明所述的有益效果：在反應(yīng)隔室內(nèi)設(shè)置阻擋顆粒，能夠提高反應(yīng)器污泥截留能力，防止污泥被帶入下一反應(yīng)室，破壞生物群落。采用模糊控制器和模糊PID控制器并聯(lián)，對(duì)堿液添加裝置的堿液添加量進(jìn)行控制，保證反應(yīng)過程的環(huán)境條件，防止產(chǎn)氣過程中氣體過度溶解對(duì)反應(yīng)過程造成的破壞，提高反應(yīng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性。設(shè)置溫度控制系統(tǒng)，能夠隨時(shí)顯示并控制溫度，保證恒溫水箱的溫度，使微生物群落處于活躍狀態(tài)，使反應(yīng)室能夠應(yīng)用在多季節(jié)多環(huán)境中。

在折流板的末端設(shè)置設(shè)置彎折角度，保證水流的持續(xù)性。采用長方體結(jié)構(gòu)的反應(yīng)室，能夠合理的利用占地面積，空間利用率高，減少土地成本。本裝置生物固體截留能力強(qiáng)、微生物種群分布好、結(jié)構(gòu)簡單、啟動(dòng)較快、運(yùn)行穩(wěn)定，成本低廉，適宜大范圍使用和推廣。每個(gè)分隔室上方設(shè)置有相應(yīng)的排氣管，使各分隔室內(nèi)產(chǎn)生的氣體單獨(dú)排放。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的城市垃圾填埋場厭氧折流板反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的模糊控制器和模糊PID控制器的控制策略圖

圖3是本發(fā)明氣體產(chǎn)生量Q_c的隸屬函數(shù)圖。

圖4是本發(fā)明的污水進(jìn)水時(shí)的理想pH值K_J與污水反應(yīng)后出水時(shí)的實(shí)際pH值K_s的差值ΔK的隸屬函數(shù)圖。

圖5是本發(fā)明的堿液添加量M_s

圖6是本發(fā)明的模糊PID控制器的輸入偏差e的隸屬度函數(shù)圖。

圖7是本發(fā)明的模糊PID控制器的輸入偏差變化率ec的隸屬度函數(shù)圖。

圖8是本發(fā)明的模糊PID控制器的輸出比例系數(shù)K_p的隸屬度函數(shù)圖。

圖9是本發(fā)明的模糊PID控制器的輸出比例積分系數(shù)K_i的隸屬度函數(shù)圖。

圖10是本發(fā)明的模糊PID控制器的輸出微分系數(shù)K_d的隸屬度函數(shù)圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實(shí)施。

如圖1所示，本發(fā)明提供一種城市垃圾填埋場厭氧折流板反應(yīng)器，包括儲(chǔ)水箱101，內(nèi)部能夠儲(chǔ)存不同種類的廢水、污水，還能夠與廢水水源連接，保證反應(yīng)器的運(yùn)轉(zhuǎn)。泵機(jī)102，一端與儲(chǔ)水箱101通過水管連接，內(nèi)部設(shè)置有電機(jī)，電機(jī)的轉(zhuǎn)速可調(diào)；另一端連接有進(jìn)水水管107，進(jìn)水水管107設(shè)置在第一個(gè)下流室的上部，將污水引入?yún)捬跽哿靼宸磻?yīng)器110(簡稱反應(yīng)器110)。

恒溫水箱105，為長方體結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置有大量的溫水，反應(yīng)器110設(shè)置在恒溫水箱105的內(nèi)部，在恒溫水箱105的內(nèi)部一側(cè)，設(shè)置有溫度控制裝置，包括溫度計(jì)104、加熱器103，二者均設(shè)置在水面下部，以及連接溫度計(jì)104和加熱器103的溫控計(jì)106，溫控計(jì)106設(shè)置在恒溫水箱的上部，能夠隨時(shí)顯示并控制溫度，保證恒溫水箱105內(nèi)的水溫，在不同的季節(jié)不同的溫度條件下使得反應(yīng)器均具有良好的處理能力。

反應(yīng)器110為長方體結(jié)構(gòu)，作為一種優(yōu)選，本發(fā)明中反應(yīng)器110的規(guī)格為3000mm×400mm×1000mm，有效容積為1000L，并采用有機(jī)透明玻璃材質(zhì)；包括5個(gè)分隔室，每個(gè)分隔室都包括一個(gè)上流室和一個(gè)下流室，上流室和下流室之間通過折流板分隔開來，每個(gè)折流板的末端都設(shè)置有彎折角度；作為一種優(yōu)選，本發(fā)明的上流室和下流室的寬度比值為3:1。每一個(gè)分隔室的底部設(shè)置有污泥床，能夠根據(jù)污水凈化的需要，在每個(gè)分隔室的污泥床中設(shè)置不同的生物群落。

污泥床的上部設(shè)置有顆粒層109，包括多個(gè)阻擋顆粒和支撐顆粒層的上下有機(jī)網(wǎng)孔玻璃板，阻擋顆粒具有很強(qiáng)的截留能力，能夠使被水沖起的污泥截留在顆粒層109中，防止該分隔室中被沖起的污泥隨著污水的流動(dòng)被帶入到下一分隔室中，使得微生物群落被污染或破壞，降低污水的處理效果。

在每個(gè)分隔室的上方均設(shè)置有相應(yīng)的分排氣口，使得每個(gè)分隔室的產(chǎn)氣相互分開，互不影響，并最終通過總排氣口112排出。最后一個(gè)分隔室通過排水管將經(jīng)過反應(yīng)器處理的污水排放到出水箱111。

處理污水時(shí)，打開泵機(jī)102，將污水排放到反應(yīng)器110中，污水首先經(jīng)過第一分隔室下流室進(jìn)入到污泥床，進(jìn)水基質(zhì)與微生物群落發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生氣體，由于水流與產(chǎn)氣方向一致，加強(qiáng)了對(duì)污泥床的攪拌作用，使反應(yīng)徹底，污水凈化效率高，同時(shí)，在污泥床的上部設(shè)置有顆粒層109，能夠?qū)⒃诜磻?yīng)過程中由于氣體對(duì)污泥床的攪拌和污水的流動(dòng)造成污泥跑動(dòng)截留在顆粒層109中，防止對(duì)下一分隔室中生物群落的污染和破壞。

在導(dǎo)氣管的排氣口112上安裝有氣體流量傳感器，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過程中產(chǎn)生的H₂、CO₂等氣體的產(chǎn)氣量；進(jìn)水水管107的進(jìn)水口的一側(cè)設(shè)置有堿液添加裝置，能夠添加堿液，防止由于反應(yīng)過程中產(chǎn)酸、產(chǎn)氣溶解導(dǎo)致的pH下降問題。堿液添加裝置的進(jìn)液口上還設(shè)置有液體流量傳感器；在出水口處安裝有pH測(cè)量儀，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反應(yīng)過程中的pH變化。

本發(fā)明還提供一種城市垃圾填埋場厭氧折流板反應(yīng)器控制方法，采用模糊控制器和模糊PID控制器并聯(lián)，對(duì)堿液添加裝置的堿液添加量進(jìn)行控制。具體包括如下步驟：

步驟1、分別將氣體產(chǎn)生量Q_c、污水進(jìn)水時(shí)的理想pH值K_J與污水反應(yīng)后出水時(shí)的實(shí)際pH值K_s的差值ΔK以及堿液添加裝置的堿液添加量M_s進(jìn)行模糊處理，輸入模糊控制器，在無控制時(shí)，氣體產(chǎn)生量Q_c的論域?yàn)閇-8,8]，pH值變化的差值ΔK的論域?yàn)閇-1,1]，堿液添加量M_s的論域?yàn)閇-12,12]，設(shè)定量化因子均為1，比例因子為1；

步驟2、為了保證控制的精度，使其在不同的環(huán)境條件下都能進(jìn)行很好的控制，根據(jù)反復(fù)試驗(yàn)，最終將氣體產(chǎn)生量Q_c、污水進(jìn)水時(shí)的理想pH值K_J與污水反應(yīng)后出水時(shí)的實(shí)際pH值K_s的差值ΔK以及模糊控制器的輸出量堿液添加量M_s均分為7個(gè)等級(jí)；輸入和輸出的模糊集均為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，輸入和輸出的隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬函，詳見圖3、圖4和圖5；

步驟3、選取模糊控制規(guī)則為：

(1)氣體產(chǎn)生量Q_c一定，污水進(jìn)水時(shí)的理想pH值K_J與污水反應(yīng)后出水時(shí)的實(shí)際pH值K_s的差值ΔK增大，需要增大堿液的添加量M_s；

(2)污水進(jìn)水時(shí)的理想pH值K_J與污水反應(yīng)后出水時(shí)的實(shí)際pH值K_s的差值ΔK一定，氣體產(chǎn)生量Q_c增大，需要增大堿液的添加量M_s；

模糊控制的具體控制規(guī)則詳見表1。

表1模糊控制規(guī)則表

模糊控制器的輸入氣體產(chǎn)生量Q_c、污水進(jìn)水時(shí)的理想pH值K_J與污水反應(yīng)后出水時(shí)的實(shí)際pH值K_s的差值ΔK，采用模糊控制規(guī)則表1得出模糊控制器的輸出量為堿液添加裝置的堿液添加量M_s；

輸入和輸出的隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬函數(shù)，采用最大隸屬度函數(shù)法進(jìn)行解模糊。

步驟4、采用模糊控制器，在模糊控制模型中輸入第i個(gè)污水反應(yīng)過程的理想pH值K_J與污水反應(yīng)后出水時(shí)的實(shí)際pH值K_s的偏差e、偏差變化率ec，輸出PID的比例系數(shù)K_p、比例積分系數(shù)K_i和微分系數(shù)K_d；將比例系數(shù)K_p、比例積分系數(shù)K_i和微分系數(shù)K_d輸入PID控制器中，進(jìn)行堿液添加量M_s的誤差補(bǔ)償控制。在無控制時(shí)，理想pH值K_J與污水反應(yīng)后出水時(shí)的實(shí)際pH值K_s的偏差e的論域?yàn)閇-1,1]，偏差變化率ec的模糊論域?yàn)閇-3,3]，設(shè)定量化因子均為1；比例因子為1；輸出PID的比例系數(shù)K_p的模糊論域?yàn)閇0.5,4.5]，比例積分系數(shù)K_i的模糊論域?yàn)閇0.6,3]，微分系數(shù)K_d的模糊論域?yàn)閇0,0.1]，設(shè)定量化因子均為1；比例因子為1

步驟5、為了保證控制的精度，實(shí)現(xiàn)更好的控制，反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，確定了最佳的輸入和輸出等級(jí)，其中理想pH值K_J與污水反應(yīng)后出水時(shí)的實(shí)際pH值K_s的偏差e、偏差變化率ec均分為7個(gè)等級(jí)；輸出PID的比例系數(shù)K_p、比例積分系數(shù)K_i和微分系數(shù)K_d均分為7個(gè)等級(jí)；輸入和輸出的模糊集均為{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，輸入和輸出的隸屬度函數(shù)均采用三角形隸屬函，如圖6-10所示；

步驟6、選取模糊控制規(guī)則為：

(1)、當(dāng)偏差|e|較大時(shí)，增大K_p的取值，從而使偏差快速減小，但同時(shí)產(chǎn)生了較大的偏差變化率，應(yīng)取較小的K_d，通常取K_i＝0；

(2)、當(dāng)|ec|和|e|取值處于中等時(shí)，為避免超調(diào)，適當(dāng)減小K_p的取值，使K_i較小，選擇適當(dāng)大小的K_d；

(3)、當(dāng)偏差|e|較小時(shí)，增大K_p K_i的取值，為避免出現(xiàn)在系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)值附近震蕩的不穩(wěn)定現(xiàn)象，通常使當(dāng)|ec|較大時(shí)，取較小的K_d；當(dāng)|ec|較小時(shí)，取較大的K_d；具體的模糊控制規(guī)則詳見表2、表3和表4。

表2 PID的比例系數(shù)K_p的模糊控制表

表3 PID的比例積分系數(shù)K_i的模糊控制表

表4 PID的微分系數(shù)K_d的模糊控制表

用模糊控制表2-4得出模糊控制器的輸出，即PID的比例系數(shù)K_p、比例積分系數(shù)K_i和微分系數(shù)K_d，輸出量經(jīng)解模糊化得到精確值，模糊控制器的解模糊后的精確值輸入PID控制器進(jìn)行誤差補(bǔ)償控制，其控制算式為：離散化后得到：

u(k)＝ΔK_pe(k)+ΔK_i∑e(k)+ΔK_d[e(k)-e(k-1)]

在反應(yīng)隔室內(nèi)設(shè)置阻擋顆粒，能夠提高反應(yīng)器污泥截留能力，防止污泥被帶入下一反應(yīng)室，破壞生物群落。采用模糊控制器和模糊PID控制器并聯(lián)，對(duì)堿液添加裝置的堿液添加量進(jìn)行控制，保證反應(yīng)過程的環(huán)境條件，防止產(chǎn)氣過程中氣體過度溶解對(duì)反應(yīng)過程環(huán)境條件造成的破壞，提高反應(yīng)器運(yùn)行的穩(wěn)定性。設(shè)置溫度控制系統(tǒng)，能夠隨時(shí)顯示并控制溫度，保證恒溫水箱的溫度，使微生物群落處于活躍狀態(tài)，使反應(yīng)室能夠應(yīng)用在多季節(jié)多環(huán)境中。

在折流板的末端設(shè)置設(shè)置彎折角度，保證水流的持續(xù)性。采用長方體結(jié)構(gòu)的反應(yīng)室，能夠合理的利用占地面積，空間利用率高，減少土地成本。本裝置生物固體截留能力強(qiáng)、微生物種群分布好、結(jié)構(gòu)簡單、啟動(dòng)較快、運(yùn)行穩(wěn)定，成本低廉，適宜大范圍使用和推廣。每個(gè)分隔室上方設(shè)置有相應(yīng)的排氣管，使各分隔室內(nèi)產(chǎn)生的氣體單獨(dú)排放。

盡管本發(fā)明的實(shí)施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實(shí)施方式中所列運(yùn)用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對(duì)于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實(shí)現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。