專利名稱：污水生化處理過程回路控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種污水處理過程控制技術，具體的說是一種污水生化處理過程回路 控制方法。
背景技術：
出水水質(zhì)不穩(wěn)定、能耗過高是目前制約我國污水處理發(fā)展的瓶頸因素。通過控制 手段可以在保證出水穩(wěn)定達標的前提下，有效降低污水處理系統(tǒng)能耗。據(jù)統(tǒng)計優(yōu)良的過程 控制可以節(jié)省6%的污水處理運行費用。A/CKanoxic/oxic，缺氧/好氧)工藝于20世紀80年代初開發(fā)，是目前城市污水 處理廠廣泛采用的一種污水處理工藝，其工藝流程如

圖1所示。A/0工藝由缺氧池、曝氣池 和二沉池三個單元組成，其中在缺氧池和曝氣池單元主要通過生化反應，利用人工培養(yǎng)的 微生物氧化分解污水中的有機物；在二沉池單元通過物理沉淀作用進一步固液分離，去除 污水中的固體顆粒，從而使污水得到凈化。污水處理廠出水水質(zhì)指標主要包含化學需氧量COD (Chemical OxygenDemanded) 與氨氮，通常只要氨氮指標達標，則出水COD就可以達標，因此許多污水處理的過程控制都 以氨氮濃度作為出水水質(zhì)指標，但在實際應用過程中，COD在線測量儀表較氨氮在線監(jiān)測儀 應用更為廣泛?，F(xiàn)有技術中，對城市污水處理過程只是單個對象或單個環(huán)節(jié)的控制，控制水平很 低，大多采用手動控制或簡單的單回路控制，控制效果較差，能耗較高。以溶解氧控制為例， 溶解氧控制是應用最為廣泛的控制回路，但當前溶解氧設定值大都是靜態(tài)的，不能對環(huán)境 因素和系統(tǒng)變化作出實時的調(diào)整，無法實現(xiàn)“按需供氣”。當溶解氧設定值過小時，曝氣池的 溶解氧濃度過低，影響出水水質(zhì)和處理效率；當溶解氧設定值過大時，導致一部分氧氣直接 從污水逃逸到空氣中，造成了不必要的能源浪費。國內(nèi)污水處理廠的溶解氧污水處理過程的主要耗能設備包括提升泵、鼓風機和回 流污泥泵，分別對應污水提升、風機曝氣和污泥回流三個環(huán)節(jié)，這三個耗能環(huán)節(jié)占污水處理 廠全廠電耗的80%以上。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術中存在的上述不足之處，本發(fā)明要解決的技術問題是提供一種面向 污水提升、風機曝氣和污泥回流三個主要耗能環(huán)節(jié)的污水生化處理過程回路控制方法，該 方法在保證出水穩(wěn)定達標的前提下，降低污水生化處理過程能耗。為解決上述技術問題，本發(fā)明采用的技術方案是本發(fā)明一種污水生化處理過程回路控制方法包括以下步驟對入水有機負荷進行串級控制，控制污水生化處理的“勞動力”即微生物的“食物” 數(shù)量，以降低污水提升環(huán)節(jié)的能耗；對曝氣池內(nèi)的溶解氧濃度實施串級控制，實現(xiàn)曝氣池的按需供氣，以降低風機曝氣環(huán)節(jié)的能耗；對曝氣池內(nèi)的污泥濃度實施前饋-串級控制，控制污水處理系統(tǒng)內(nèi)的微生物數(shù) 量，以降低污泥回流環(huán)節(jié)的能耗。所述對入水有機負荷進行串級控制包括外回路入水流量設定值控制回路和內(nèi)回 路入水流量控制回路，其中入水流量設定值控制回路根據(jù)入水水質(zhì)與出水水質(zhì)的變化，通過出水COD的反 饋實現(xiàn)入水有機負荷設定值的控制，根據(jù)入水有機負荷設定值通過除法器得到入水流量的 設定值；入水流量控制回路以入水流量設定值作為輸入值，對污水處理系統(tǒng)中的執(zhí)行器 提升泵施加控制，調(diào)節(jié)入水流量跟隨入水流量設定值變化。所述入水有機負荷設定值控制算法為
權利要求
1.一種污水生化處理過程回路控制方法，其特征在于包括以下步驟對入水有機負荷進行串級控制，控制污水生化處理的“勞動力，，即微生物的“食物”數(shù) 量，以降低污水提升環(huán)節(jié)的能耗；對曝氣池內(nèi)的溶解氧濃度實施串級控制，實現(xiàn)曝氣池的按需供氣，以降低風機曝氣環(huán) 節(jié)的能耗；對曝氣池內(nèi)的污泥濃度實施前饋-串級控制，控制污水處理系統(tǒng)內(nèi)的微生物數(shù)量，以 降低污泥回流環(huán)節(jié)的能耗。
2.按權利要求1所述的污水生化處理過程回路控制方法，其特征在于所述對入水有 機負荷進行串級控制包括外回路入水流量設定值控制回路和內(nèi)回路入水流量控制回路，其 中入水流量設定值控制回路根據(jù)入水水質(zhì)與出水水質(zhì)的變化，通過出水COD的反饋實 現(xiàn)入水有機負荷設定值的控制，根據(jù)入水有機負荷設定值通過除法器得到入水流量的設定 值；入水流量控制回路以入水流量設定值作為輸入值，對污水處理系統(tǒng)中的執(zhí)行器提升 泵施加控制，調(diào)節(jié)入水流量跟隨入水流量設定值變化。
3.按權利要求2述的污水生化處理過程回路控制方法，其特征在于所述入水有機負 荷設定值控制算法為Food^,Foodsp (眾一 1) + AFoodsp (k) > FoocQaxFoodsp(k-\) + AFoodsp,Food;、< Foodsp(k-\) + AFoodsp(k) < Food: (1) food:0,Foodsp (yt-1) + AFoodsp (k) < Food^m其中Δ Foodsp (k) = KP Food · Δ eC0D (k) +KI Food · eC0D (k) (2)eC0D(k) = CODout, sp(k)-CODout (k)(3)Δ eC0D (k) = eC0D (k) -eC0D (k_l)(4)式中Foodsp(k)為第k次采樣入水有機負荷設定值，F(xiàn)oo^ax與F00i^in為污水處理廠入 水有機負荷設計的最大值與最小值，Δ Foodsp (k)為第k次采樣入水負荷設定值增加值，k為 采樣次數(shù)序號，C0D。ut,sp(k)為第k次采樣出水COD濃度設定值，C0D。ut(k)為第k次采樣出水 COD濃度測量值，eC0D (k)為第k次采樣出水COD濃度設定值與出水COD濃度測量值的誤差， eC0D(k-l)為第(k-Ι)次采樣出水COD濃度設定值與出水COD濃度測量值的誤差，Aera)(k) 為第k次采樣出水COD濃度的誤差變化率，Kp pood和K1 F。。d分別為PI控制器比例與積分參 數(shù)。所述除法器為Foodrn (k)…撃-^U(5)式中Q。,sp(k)為第k次采樣入水流量設定值，C0Din(k)為第k次采樣入水COD濃度測量值。
4.按權利要求2述的污水生化處理過程回路控制方法，其特征在于所述入水流量控制回路算法為
5.按權利要求1所述的污水生化處理過程回路控制方法，其特征在于所述對曝氣池 內(nèi)的溶解氧濃度實施串級控制包括外回路溶解氧設定值控制回路和內(nèi)回路溶解氧仿人智 能控制回路，其中溶解氧設定值控制回路以出水COD作為反饋信號，采用PI控制算法；溶解氧仿人智能控制回路以出水COD作為反饋信號，通過控制曝氣環(huán)節(jié)執(zhí)行器的變 頻輸出頻率來調(diào)節(jié)曝氣池內(nèi)的溶解氧濃度；算法采用仿人智能控制算法，該算法采用分層 控制機制，在上層模擬具有控制經(jīng)驗的專家的控制行為，辨識當前的工作狀態(tài)；在底層采用 常規(guī)PID控制方法，對辨識出的狀態(tài)配置相應的PID參數(shù)，實現(xiàn)多模態(tài)控制或決策。
6.按權利要求5所述的污水生化處理過程回路控制方法，其特征在于所述PI控制算 法為
7.按權利要求5所述的污水生化處理過程回路控制方法，其特征在于所述仿人智能 控制算法采用產(chǎn)生式規(guī)則對專家經(jīng)驗進行描述，該規(guī)則表示為IF (condition) THEN(action)；根據(jù)溶解氧濃度設定值與測量值的誤差e(k)的大小將系統(tǒng)的響應劃分為四個區(qū)間， 進行分段處理，不同的區(qū)間采取不同的控制策略；根據(jù)溶解氧濃度設定值與測量值的誤差e(k)及溶解氧濃度設定值與測量值的誤差變 化率AeGO的乘積e(k) · Ae(k)的正負來判別當前誤差的變化趨勢，選用P、I、D參數(shù)及 放大系或抑制系數(shù)，最后計算曝氣環(huán)節(jié)執(zhí)行器的變頻輸出頻率。
8.按權利要求7所述的污水生化處理過程回路控制方法，其特征在于仿人智能控制 算法為(1)當溶解氧濃度設定值與測量值的誤差絕對值|e(k)|大于等于誤差上限e2，即 e(k) I ^ e2時，說明系統(tǒng)誤差過大，控制器的輸出值按其最大絕對值輸出；(2)當溶解氧濃度設定值與測量值的誤差絕對值|e(k)I在誤差上限e2與誤差下限el 之間，即el< e(k) <e2時，考慮弱化或不使用積分作用，具體的控制策略還應參照誤差 的變化趨勢(21)如果e(k)· Ae(k) > 0，說明系統(tǒng)輸出正偏離設定值，誤差正朝絕對值增大的方 向變化，或誤差為某一常數(shù)值，保持不變，實施迅速扭轉(zhuǎn)誤差絕對值的變化趨勢的控制，控 制器輸出值為Δ u (k) = Ii1 {ΚΡ1 Δ e (k) +Kne (k) +Km [e (k) _2e (k_l) +e (k_2) ]} (14)式中Au(k)為第k次采樣系統(tǒng)輸出增量，Ic1為放大系數(shù)，KP1、K11和Kdi分別為PID控 制器比例、積分和微分參數(shù)；(22)如果e(k)· Ae(k) < 0，說明系統(tǒng)輸出正偏向設定值，誤差正朝絕對值減小的方 向變化，實施讓系統(tǒng)在慣性的協(xié)助下回到穩(wěn)態(tài)的控制，控制器輸出值為Δ u (k) = k2 {ΚΡ1 Δ e (k) +Kne (k) +Km [e (k) _2e (k_l) +e (k_2) ]} (15)式中，k2表示抑制系數(shù)；(3)當溶解氧濃度設定值與測量值的誤差絕對值|e(k)I在誤差死區(qū)d與誤差下限el 之間，即(1< e(k) Sel時，系統(tǒng)誤差較小，加入積分，以減小穩(wěn)態(tài)誤差，并參考誤差變化 趨勢來確定具體的控制策略(31)如果e(k)· Ae(k)彡0，控制器輸出值為Δ u (k) = Ii1 (Kp2 Δ e (k) +KI2e (k) +KD2 [e (k) _2e (k_l) +e (k_2) ]} (16)式中KP2、K12和KD2分別為PID控制器比例、積分和微分參數(shù)；(32)如果e(k)· Ae(k) <0，控制器輸出值為Δ u (k) = k2 (Kp2 Δ e (k) +KI2e (k) +KD2 [e (k) _2e (k_l) +e (k_2) ]} (17)(4)當溶解氧濃度設定值與測量值的誤差絕對值|e(k)|小于誤差死區(qū)寬度d，即 e Sd時，忽略系統(tǒng)誤差，控制器輸出值為0。
9.按權利要求1述的污水生化處理過程回路控制方法，其特征在于所述對曝氣池內(nèi)的污泥濃度實施前饋_串級控制包括污泥濃度設定值前饋_反饋控制和污泥濃度控制回 路，其中污泥濃度設定值前饋-反饋控制以入水有機負荷作為前饋信號，以出水COD作為反饋 信號，前饋控制采用比例控制，反饋控制采用PI控制；污泥濃度控制回路以曝氣池內(nèi)污泥濃度測量值作為反饋信號，通過控制污泥回流量 實現(xiàn)。
10.按權利要求9述的污水生化處理過程回路控制方法，其特征在于所述前饋控制采 用比例控制，通過以下公式得到MLSSsp, ff (k) = kffJCSS · Foodavg (k) (18)式中MLSSsp,ff (k)為第k次采樣污泥濃度設定值前饋值，Kff 表示靜態(tài)前饋比例系數(shù)， Foodavg (k)為第k次采樣入水有機負荷2小時滑動平均值； 反饋控制器采用PI控制，如式(70)所示。'MLSSlax，MLSSxp(k-\) + AMLSSsp(k) > MLSS: MLSSsp (k-\) + AMLSSsp (k),其他
11.按權利要求9述的污水生化處理過程回路控制方法，其特征在于所述污泥濃度控 制回路算法為
全文摘要
本發(fā)明涉及一種污水生化處理過程回路控制方法，包括以下步驟對入水有機負荷進行串級控制，控制污水生化處理的“勞動力”即微生物的“食物”數(shù)量，以降低污水提升環(huán)節(jié)的能耗；對曝氣池內(nèi)的溶解氧濃度實施串級控制，實現(xiàn)曝氣池的按需供氣，以降低風機曝氣環(huán)節(jié)的能耗；對曝氣池內(nèi)的污泥濃度實施前饋-串級控制，控制污水處理系統(tǒng)內(nèi)的微生物數(shù)量，以降低污泥回流環(huán)節(jié)的能耗。本發(fā)明實現(xiàn)對污水提升、風機曝氣和污泥回流三個主要耗能環(huán)節(jié)的污水生化處理過程實施有效控制，在保證出水穩(wěn)定達標的前提下明顯降低污水生化處理過程能耗，實施回路控制串級控制和仿人智能控制算法，解決了傳統(tǒng)PID單回路控制難以取得理想控制效果的問題。
文檔編號G05D7/06GK101993151SQ20091001344
公開日2011年3月30日 申請日期2009年8月27日 優(yōu)先權日2009年8月27日
發(fā)明者于廣平, 于海斌, 孫陽, 滕琳琳, 王宏, 王景揚, 苑明哲 申請人:中國科學院沈陽自動化研究所