一种城市垃圾填埋场厌氧折流板反应器及其控制方法与流程
本发明涉及一种城市垃圾填埋场厌氧折流板反应器及其控制方法，属于环境工程领域。
背景技术：
厌氧折流板反应器(ABR)是一个由多隔室组成的高效新型厌氧反应器，随着厌氧技术的发展，其工艺的水力设计已由简单的推流式或完全混合式发展到了混合型复杂水力流态。最新一代厌氧反应器所具有的特点包括：反应器具有良好的水力流态，使其中的水流大多呈推流与完全混合流相结合的复合型流态，因而具有高的反应器容积利用率，得到较强的处理能力；能够使一个反应器内微生物在不同的区域内生长，与不同阶段的进水相接触，在一定程度上实现生物相的分离，从而可稳定和提高设施的处理效果；通过延长水流在反应器内的流径，促进废水与污水的接触。
研究表明，ABR能够处理不同种类的废水，例如对低浓度、高浓度、含硫酸盐废水、印染废水、豆制品废水等均能有效处理。
在现有的反应器中，折流板多是等间距均匀设置的，由于均匀设置了上下折流板，容易产生断流、死区及生物固体的流失等问题。在ABR反应器的折流板的末端设置有一定角度的转角，此构造有利于污泥的截留和水流的持续，但由于水流和气流同时作用，仍然会将部分污泥带入下一分隔室，破坏分隔室内的菌群和环境，降低反应器运行的稳定性。同时，随着反应的进行，反应器的出水流量常常会和进水流量产生偏差，严重的会出现断流现象，反应器运行的稳定性差，给污水处理过程带来不便。
技术实现要素：
本发明设计开发了一种厌氧折流板反应器，能够克服现有厌氧折流板反应器污泥截留能力不强导致分隔室内的菌群和环境被破坏的问题。
本发明的另一个发明目的：采用模糊控制器和模糊PID控制器并联，对碱液添加装置的碱液添加量进行控制，保证反应过程的环境条件，防止产气过程中气体过度溶解对反应过程造成的破坏，提高反应器运行的稳定性。
本发明提供的技术方案为：
一种城市垃圾填埋场厌氧折流板反应器，包括：
恒温水箱，其内部设置有温控装置，能够显示并控制所述恒温水箱温度，保持水温恒定；
反应器，其为长方体结构，包括多个反应室，每个反应室由一个上流室和一个下流室组成；以及
阻挡颗粒，其设置在每个反应室的下部，通过有机网孔玻璃支撑和保护，能够截留污泥，提高污水净化效率。
优选的是，所述温控装置包括设置在所述恒温水箱中的温度计和加热器，以及设置在所述恒温水箱外部并连接所述温度计和加热器的温控计。
优选的是，所述上流室和所述下流室的宽度比值为3:1。
优选的是，所述反应器上部设置有导气管。
优选的是，所述反应器的一侧连接有储水箱，另一侧连接有出水箱。
优选的是，所述储水箱和反应器之间连接有泵机，能够调节进水流量。
优选的是，还包括：
气体流量传感器，其设置在导气管的出气口，能够测量反应过程中气体产生量；
pH测量仪，其设置在出水口处，能够测量反应后污水的酸碱度；
碱液添加装置，其设置在进水口一侧，能够调节反应过程中的酸碱变化；
液体流量传感器，其设置在所述碱液添加装置的进口处；
控制器，其连接气体流量传感器、pH测量仪、碱液添加装置、液体流量传感器，能够接收气体流量传感器、pH测量仪、液体流量传感器传递的数值，控制碱液添加量、气体产生量和反应过程的酸碱度。
本发明的目的还通过一种城市垃圾填埋场厌氧折流板反应器的控制方法来实现，包括：
将气体产生量Qc、污水进水时的理想pH值KJ与污水反应后出水时的实际pH值Ks的差值ΔK输入模糊控制器，模糊控制器输出碱液添加装置的碱液添加量Ms；
所述气体产生量Qc、污水进水时的理想pH值KJ与污水反应后出水时的实际pH值Ks的差值ΔK以及输出量碱液添加量Ms均分为7个等级；
所述气体产生量Qc的论域为[-8,8]，pH值变化的差值ΔK的论域为[-1,1]，碱液添加量Ms的论域为[-12,12]，设定量化因子均为1，比例因子为1；
输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}；
还包括模糊PID控制器，其与所述模糊控制器并联，
采用模糊控制器，在模糊控制模型中输入第i个污水反应过程的理想pH值KJ与污水反应后出水时的实际pH值Ks的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数Kp、比例积分系数Ki和微分系数Kd，将比例系数Kp、比例积分系数Ki和微分系数Kd输入PID控制器中，进行碱液添加量Ms的误差补偿控制。
优选的是，所述理想pH值KJ与污水反应后出水时的实际pH值Ks的偏差e的论域为[-1,1]，偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，设定量化因子均为1；
所述输出PID的比例系数Kp的模糊论域为[0.5,4.5]，比例积分系数Ki的模糊论域为[0.6,3]，微分系数Kd的模糊论域为[0,0.1]，设定量化因子均为1；比例因子为1；
所述偏差e和偏差变化率ec分为7个等级；输出PID的比例系数Kp、比例积分系数Ki和微分系数Kd分为7个等级；
所述模糊PID控制器的输入和输出的模糊集为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}。
本发明所述的有益效果：在反应隔室内设置阻挡颗粒，能够提高反应器污泥截留能力，防止污泥被带入下一反应室，破坏生物群落。采用模糊控制器和模糊PID控制器并联，对碱液添加装置的碱液添加量进行控制，保证反应过程的环境条件，防止产气过程中气体过度溶解对反应过程造成的破坏，提高反应器运行的稳定性。设置温度控制系统，能够随时显示并控制温度，保证恒温水箱的温度，使微生物群落处于活跃状态，使反应室能够应用在多季节多环境中。
在折流板的末端设置设置弯折角度，保证水流的持续性。采用长方体结构的反应室，能够合理的利用占地面积，空间利用率高，减少土地成本。本装置生物固体截留能力强、微生物种群分布好、结构简单、启动较快、运行稳定，成本低廉，适宜大范围使用和推广。每个分隔室上方设置有相应的排气管，使各分隔室内产生的气体单独排放。
附图说明
图1为本发明的城市垃圾填埋场厌氧折流板反应器的结构示意图。
图2是本发明的模糊控制器和模糊PID控制器的控制策略图
图3是本发明气体产生量Qc的隶属函数图。
图4是本发明的污水进水时的理想pH值KJ与污水反应后出水时的实际pH值Ks的差值ΔK的隶属函数图。
图5是本发明的碱液添加量Ms
图6是本发明的模糊PID控制器的输入偏差e的隶属度函数图。
图7是本发明的模糊PID控制器的输入偏差变化率ec的隶属度函数图。
图8是本发明的模糊PID控制器的输出比例系数Kp的隶属度函数图。
图9是本发明的模糊PID控制器的输出比例积分系数Ki的隶属度函数图。
图10是本发明的模糊PID控制器的输出微分系数Kd的隶属度函数图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1所示，本发明提供一种城市垃圾填埋场厌氧折流板反应器，包括储水箱101，内部能够储存不同种类的废水、污水，还能够与废水水源连接，保证反应器的运转。泵机102，一端与储水箱101通过水管连接，内部设置有电机，电机的转速可调；另一端连接有进水水管107，进水水管107设置在第一个下流室的上部，将污水引入厌氧折流板反应器110(简称反应器110)。
恒温水箱105，为长方体结构，内部设置有大量的温水，反应器110设置在恒温水箱105的内部，在恒温水箱105的内部一侧，设置有温度控制装置，包括温度计104、加热器103，二者均设置在水面下部，以及连接温度计104和加热器103的温控计106，温控计106设置在恒温水箱的上部，能够随时显示并控制温度，保证恒温水箱105内的水温，在不同的季节不同的温度条件下使得反应器均具有良好的处理能力。
反应器110为长方体结构，作为一种优选，本发明中反应器110的规格为3000mm×400mm×1000mm，有效容积为1000L，并采用有机透明玻璃材质；包括5个分隔室，每个分隔室都包括一个上流室和一个下流室，上流室和下流室之间通过折流板分隔开来，每个折流板的末端都设置有弯折角度；作为一种优选，本发明的上流室和下流室的宽度比值为3:1。每一个分隔室的底部设置有污泥床，能够根据污水净化的需要，在每个分隔室的污泥床中设置不同的生物群落。
污泥床的上部设置有颗粒层109，包括多个阻挡颗粒和支撑颗粒层的上下有机网孔玻璃板，阻挡颗粒具有很强的截留能力，能够使被水冲起的污泥截留在颗粒层109中，防止该分隔室中被冲起的污泥随着污水的流动被带入到下一分隔室中，使得微生物群落被污染或破坏，降低污水的处理效果。
在每个分隔室的上方均设置有相应的分排气口，使得每个分隔室的产气相互分开，互不影响，并最终通过总排气口112排出。最后一个分隔室通过排水管将经过反应器处理的污水排放到出水箱111。
处理污水时，打开泵机102，将污水排放到反应器110中，污水首先经过第一分隔室下流室进入到污泥床，进水基质与微生物群落发生反应，产生气体，由于水流与产气方向一致，加强了对污泥床的搅拌作用，使反应彻底，污水净化效率高，同时，在污泥床的上部设置有颗粒层109，能够将在反应过程中由于气体对污泥床的搅拌和污水的流动造成污泥跑动截留在颗粒层109中，防止对下一分隔室中生物群落的污染和破坏。
在导气管的排气口112上安装有气体流量传感器，能够实时监测反应过程中产生的H2、CO2等气体的产气量；进水水管107的进水口的一侧设置有碱液添加装置，能够添加碱液，防止由于反应过程中产酸、产气溶解导致的pH下降问题。碱液添加装置的进液口上还设置有液体流量传感器；在出水口处安装有pH测量仪，实时监测反应过程中的pH变化。
本发明还提供一种城市垃圾填埋场厌氧折流板反应器控制方法，采用模糊控制器和模糊PID控制器并联，对碱液添加装置的碱液添加量进行控制。具体包括如下步骤：
步骤1、分别将气体产生量Qc、污水进水时的理想pH值KJ与污水反应后出水时的实际pH值Ks的差值ΔK以及碱液添加装置的碱液添加量Ms进行模糊处理，输入模糊控制器，在无控制时，气体产生量Qc的论域为[-8,8]，pH值变化的差值ΔK的论域为[-1,1]，碱液添加量Ms的论域为[-12,12]，设定量化因子均为1，比例因子为1；
步骤2、为了保证控制的精度，使其在不同的环境条件下都能进行很好的控制，根据反复试验，最终将气体产生量Qc、污水进水时的理想pH值KJ与污水反应后出水时的实际pH值Ks的差值ΔK以及模糊控制器的输出量碱液添加量Ms均分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函，详见图3、图4和图5；
步骤3、选取模糊控制规则为：
(1)气体产生量Qc一定，污水进水时的理想pH值KJ与污水反应后出水时的实际pH值Ks的差值ΔK增大，需要增大碱液的添加量Ms；
(2)污水进水时的理想pH值KJ与污水反应后出水时的实际pH值Ks的差值ΔK一定，气体产生量Qc增大，需要增大碱液的添加量Ms；
模糊控制的具体控制规则详见表1。
表1模糊控制规则表
模糊控制器的输入气体产生量Qc、污水进水时的理想pH值KJ与污水反应后出水时的实际pH值Ks的差值ΔK，采用模糊控制规则表1得出模糊控制器的输出量为碱液添加装置的碱液添加量Ms；
输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函数，采用最大隶属度函数法进行解模糊。
步骤4、采用模糊控制器，在模糊控制模型中输入第i个污水反应过程的理想pH值KJ与污水反应后出水时的实际pH值Ks的偏差e、偏差变化率ec，输出PID的比例系数Kp、比例积分系数Ki和微分系数Kd；将比例系数Kp、比例积分系数Ki和微分系数Kd输入PID控制器中，进行碱液添加量Ms的误差补偿控制。在无控制时，理想pH值KJ与污水反应后出水时的实际pH值Ks的偏差e的论域为[-1,1]，偏差变化率ec的模糊论域为[-3,3]，设定量化因子均为1；比例因子为1；输出PID的比例系数Kp的模糊论域为[0.5,4.5]，比例积分系数Ki的模糊论域为[0.6,3]，微分系数Kd的模糊论域为[0,0.1]，设定量化因子均为1；比例因子为1
步骤5、为了保证控制的精度，实现更好的控制，反复进行实验，确定了最佳的输入和输出等级，其中理想pH值KJ与污水反应后出水时的实际pH值Ks的偏差e、偏差变化率ec均分为7个等级；输出PID的比例系数Kp、比例积分系数Ki和微分系数Kd均分为7个等级；输入和输出的模糊集均为{NB，NM，NS，0，PS，PM，PB}，输入和输出的隶属度函数均采用三角形隶属函，如图6-10所示；
步骤6、选取模糊控制规则为：
(1)、当偏差|e|较大时，增大Kp的取值，从而使偏差快速减小，但同时产生了较大的偏差变化率，应取较小的Kd，通常取Ki＝0；
(2)、当|ec|和|e|取值处于中等时，为避免超调，适当减小Kp的取值，使Ki较小，选择适当大小的Kd；
(3)、当偏差|e|较小时，增大Kp Ki的取值，为避免出现在系统稳态值附近震荡的不稳定现象，通常使当|ec|较大时，取较小的Kd；当|ec|较小时，取较大的Kd；具体的模糊控制规则详见表2、表3和表4。
表2 PID的比例系数Kp的模糊控制表
表3 PID的比例积分系数Ki的模糊控制表
表4 PID的微分系数Kd的模糊控制表
用模糊控制表2-4得出模糊控制器的输出，即PID的比例系数Kp、比例积分系数Ki和微分系数Kd，输出量经解模糊化得到精确值，模糊控制器的解模糊后的精确值输入PID控制器进行误差补偿控制，其控制算式为：离散化后得到：
u(k)＝ΔKpe(k)+ΔKi∑e(k)+ΔKd[e(k)-e(k-1)]
在反应隔室内设置阻挡颗粒，能够提高反应器污泥截留能力，防止污泥被带入下一反应室，破坏生物群落。采用模糊控制器和模糊PID控制器并联，对碱液添加装置的碱液添加量进行控制，保证反应过程的环境条件，防止产气过程中气体过度溶解对反应过程环境条件造成的破坏，提高反应器运行的稳定性。设置温度控制系统，能够随时显示并控制温度，保证恒温水箱的温度，使微生物群落处于活跃状态，使反应室能够应用在多季节多环境中。
在折流板的末端设置设置弯折角度，保证水流的持续性。采用长方体结构的反应室，能够合理的利用占地面积，空间利用率高，减少土地成本。本装置生物固体截留能力强、微生物种群分布好、结构简单、启动较快、运行稳定，成本低廉，适宜大范围使用和推广。每个分隔室上方设置有相应的排气管，使各分隔室内产生的气体单独排放。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
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