一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置及控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置及控制方法，它包括生物处理单元，生物处理单元的入口管路上设置有进水水量水质仪表，进水水量水质仪表将在线检测到的生物处理单元的进水量Q和进水水质信息传输至综合控制器内；溶解氧仪和气体流量计将采集到的溶解氧DO、曝气干管和支管内气体流量信息均传输至综合控制器内；设置在生物处理单元出口管路上的出水水质仪表将在线检测到的出水水质信息也传输至综合控制器内；综合控制器根据接收到的信息进行前馈-反馈综合调节后输出控制信号，控制鼓风机、电动阀门工作。本发明可以广泛在污水处理【技术领域】中应用。
【专利说明】一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置及控制方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种城市污水处理【技术领域】中的控制装置及方法，特别是关于一种在生化处理过程中的污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置及控制方法。
【背景技术】
[0002]曝气系统是整个污水处理过程的核心，曝气系统所用能耗约占整个污水处理厂总用电量的50~70%，是污水处理厂耗能最大的单元。提高污水处理厂曝气系统的能效，实现曝气系统的节能降耗对污水处理厂的优化运行有着重要意义。目前，国内污水处理厂曝气系统的控制水平普遍较低，存在以下问题:为了保证出水达标，运行人员维持较高的溶解氧(Dissolved Oxygen, DO)浓度,导致曝气能耗的浪费；污水处理厂现有仪表和曝气设备不支持自动控制；多数污水厂仍然采用人工操作鼓风系统，人为因素对曝气量的控制影响大；少数污水处理厂采用单参数反馈控制，溶解氧波动大，抗负荷冲击能力较差，造成出水水质不稳定。如果能综合水质、微生物的反应情况等对曝气系统进行优化控制，将能降低曝气系统的能耗，并且维持合适的溶解氧浓度，实现节能降耗和稳定运行。
[0003]现有污水处理厂曝气过程控制技术的主要核心思想是通过检测曝气池内的溶解氧浓度，对曝气风量进行反馈控制，控制算法一般都是单输入单输出(SISO)的比例积分(PI)算法。此外，根据工艺优化后的条件需求，采用多参数或者多条件的多输入单输出(MISO)的模型算法，可以提高控制系统实现某种工艺功能的针对性。还有利用风能和光能驱动曝气的控制方法，但是与污水处理厂的曝气过程控制差别较大。由此可知，目前污水处理厂的曝气过程控制技术还存在如下不足:(I)采用简单的单级反馈控制方法时，缺少中间变量，控制回路没有区分快速的充氧过程和慢速的耗氧过程，因此难以达到稳定控制的效果，实际应用过程中经常出现超调和震荡的情况。(2)采用比较简单的串级反馈控制方法时，缺少前馈补偿，难以应对进水负荷快速和大幅度波动的情况，导致溶解氧控制效果欠佳。(3)采用了比较复杂的专家`系统或者智能控制策略时，对模型识别和参数率定的要求很高，控制效果不稳定或者未被实际工程检验，难以在实际工程中应用。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明的目的是提供一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置及控制方法，其能实现鼓风曝气系统的前馈-反馈综合调节，稳定生物反应池内的溶解氧浓度。
[0005]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，其特征在于:它包括生物处理单元、进水水量水质仪表、综合控制器、出水水质仪表、鼓风机和电动阀门；在所述生物处理单元内还设置有溶解氧仪和若干气体流量计，各所述气体流量计分别设置在所述生物处理单元内的曝气干管和支管上；所述生物处理单元的入口管路上设置有所述进水水量水质仪表，所述进水水量水质仪表将在线检测到的所述生物处理单元的进水量Q和进水水质信息传输至所述综合控制器内；所述溶解氧仪和气体流量计将采集到的溶解氧DO值、曝气干管和支管内气体流量DQ值均传输至所述综合控制器内；设置在所述生物处理单元出口管路上的所述出水水质仪表将在线检测到的出水水质信息也传输至所述综合控制器内；所述综合控制器根据接收到的信息进行前馈-反馈综合调节后输出控制信号，控制所述鼓风机、电动阀门工作。[0006]所述综合控制器包括前馈补偿模块、反馈补偿模块、串级反馈控制模块和PID控制模块；所述前馈补偿模块将采集到的进水水量水质仪表的进水量Q和进水水质信息、以及溶解氧DO值、曝气干管和支管内气体流量DQ值，传输至所述串级反馈控制模块内；所述反馈补偿模块将采集到的出水水质仪表的出水水质信息传输至所述串级反馈控制模块内；所述串级反馈控制模块根据接收到的所有信息对溶解氧DO值进行补偿，根据补偿后溶解氧设定值与实测值的差值计算需气量的设定值，然后由所述串级反馈控制模块根据接收信息对需气量设定值进行补偿，并将补偿后的需气量设定值传输至所述PID控制模块内处理，由所述PID控制模块向所述鼓风机、电动阀门输出控制信号。
[0007]所述进水水量水质仪表包括进水水量仪表、进水水质仪表、COD在线检测仪和氨氮在线检测仪。
[0008]所述COD仪采用光学法COD在线检测仪，所述进水水量仪表采用电磁流量计，所述氨氮在线检测仪采用离子选择电极法在线氨氮仪。
[0009]所述出水水质仪表为氨氮在线检测仪，所述氨氮在线检测仪采用离子选择电极法在线氨氮仪。
[0010]基于上述一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置的控制方法，其包括以下步骤:1)前馈补偿模块将采集到的进水化学需氧量C0D、氨氮的浓度以及进水量Q进行进水负荷计算，计算结果进行数据质量判断分析，根据计算结果在预设的最优溶解氧数据表格中查找需要的溶解氧设定值，以向串级反馈控制模块输出溶解氧前馈补偿调节量AD0IN(t)；
2)前馈补偿模块将采集到的进水量Q和曝气干管气体流量DQ值进行运算，计算瞬时气水t匕；将瞬时气水比进行数据质量判断分析，若判定结果未超过预设范围时，维持当前状态不变；若判定结果为出现流量突变时，则启动前馈补偿模块，调节串级反馈控制模块的需气量设定值，改变实际气体流量，保持瞬时气水比基本稳定；3)串级反馈控制模块将实测的生物处理单元内反应池的溶解氧浓度与预先设定值比较，采用PI算法计算需气量的设定；同时，根据实测的生物处理单元内反应池的气体流量以及需气量设定值，采用PI算法计算鼓风机、电动阀门所需阀门开度和鼓风机流量调节度，输出到PID控制模块，对鼓风机、电动阀门的阀门开度、鼓风机流量控制；4)反馈补偿模块将采集到的出水水质信号与预先设定的排放标准进行计算，得到出水氨氮的安全裕量；根据出水氨氮安全裕量的大小，对串级反馈控制模块中溶解氧设定值或需气量设定值进行补偿。
[0011]所述步骤I)中，所述溶解氧前馈补偿调节量AD0IN(t)计算方法为:假设当前给定
的溶解氧设定值为DOst (t)，根据水温T、进水化学需氧量COD负荷Lcmd、进水氨氮负荷
在预设的最优溶解氧数据表格中查得需要的最佳溶解氧DO设定值D0IN(t)，得到ADOinU)为:Δ DOin (t) = DOin (t) -DOst (t)。
[0012]所述步骤3)中，所述生物处理单元内反应池内需气量的调节值ADQ(t)为:ADQ(t) = ΛDQst(t) +ΛDQin(t) +ΛDQef(t)，其中，ΛDQst(t)为当前需气量的调节量 ^PK2是系数，通过实验调试确定；Λ DQin(t)为基于进水水量的需气量前馈补偿值；Λ DQef(t)为基于出水水质的需气量反馈补偿的调节值；所述阀门开度或鼓风机流量的调节量ADV(t)为:ADV(t) = K3 ADQ(t)+K4ΛDQ(t-1)，式中，ADQ(t-1)是指上一个控制周期(t-1)时刻需气量的调节量；K3和K4是系数，通过实验调试确定。
[0013]所述步骤4)中，假设出水水质的氨氮浓度为T(t)，出水标准为Tst，则安全裕量ST为:ST = Tst-T (t) > 0，假设一般风险的安全裕量设定值为b，较高风险的安全裕量设定值为(:，有13 > C，按PI算法计算基于出水水质反馈补偿的溶解氧设定值AD0EF(t)和需气量Δ DQef (t)为:
【权利要求】
1.一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，其特征在于:它包括生物处理单元、进水水量水质仪表、综合控制器、出水水质仪表、鼓风机和电动阀门；在所述生物处理单元内还设置有溶解氧仪和若干气体流量计，各所述气体流量计分别设置在所述生物处理单元内的曝气干管和支管上； 所述生物处理单元的入口管路上设置有所述进水水量水质仪表，所述进水水量水质仪表将在线检测到的所述生物处理单元的进水量Q和进水水质信息传输至所述综合控制器内；所述溶解氧仪和气体流量计将采集到的溶解氧DO值、曝气干管和支管内气体流量DQ值均传输至所述综合控制器内；设置在所述生物处理单元出口管路上的所述出水水质仪表将在线检测到的出水水质信息也传输至所述综合控制器内；所述综合控制器根据接收到的信息进行前馈-反馈综合调节后输出控制信号，控制所述鼓风机、电动阀门工作。
2.如权利要求1所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，其特征在于:所述综合控制器包括前馈补偿模块、反馈补偿模块、串级反馈控制模块和PID控制模块；所述前馈补偿模块将采集到的进水水量水质仪表的进水量Q和进水水质信息、以及溶解氧DO值、曝气干管和支管内气体流量DQ值，传输至所述串级反馈控制模块内；所述反馈补偿模块将采集到的出水水质仪表的出水水质信息传输至所述串级反馈控制模块内；所述串级反馈控制模块根据接收到的所有信息对溶解氧DO值进行补偿，根据补偿后溶解氧设定值与实测值的差值计算需气量的设定值，然后由所述串级反馈控制模块根据接收信息对需气量设定值进行补偿，并将补偿后的需气量设定值传输至所述PID控制模块内处理，由所述PID控制模块向所述鼓风机、电动阀门输出控制信号。
3.如权利要求1或2所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，其特征在于:所述进水水量水质仪表 包括进水水量仪表、进水水质仪表、COD在线检测仪和氨氮在线检测仪。
4.如权利要求3所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，其特征在于:所述COD仪采用光学法COD在线检测仪，所述进水水量仪表采用电磁流量计，所述氨氮在线检测仪采用离子选择电极法在线氨氮仪。
5.如权利要求1或2所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，其特征在于:所述出水水质仪表为氨氮在线检测仪，所述氨氮在线检测仪采用离子选择电极法在线氨氮仪。
6.基于权利要求1~5任意一项所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置的控制方法，其包括以下步骤: 1)前馈补偿模块将采集到的进水化学需氧量COD、氨氮的浓度以及进水量Q进行进水负荷计算，计算结果进行数据质量判断分析，根据计算结果在预设的最优溶解氧数据表格中查找需要的溶解氧设定值，以向串级反馈控制模块输出溶解氧前馈补偿调节量Δ?ΟΙΝ(?)； 2)前馈补偿模块将采集到的进水量Q和曝气干管气体流量DQ值进行运算，计算瞬时气水比；将瞬时气水比进行数据质量判断分析，若判定结果未超过预设范围时，维持当前状态不变；若判定结果为出现流量突变时，则启动前馈补偿模块，调节串级反馈控制模块的需气量设定值，改变实际气体流量，保持瞬时气水比基本稳定； 3)串级反馈控制模块将实测的生物处理单元内反应池的溶解氧浓度与预先设定值比较，采用PI算法计算需气量的设定；同时，根据实测的生物处理单元内反应池的气体流量以及需气量设定值，采用PI算法计算鼓风机、电动阀门所需阀门开度和鼓风机流量调节度，输出到PID控制模块，对鼓风机、电动阀门的阀门开度、鼓风机流量控制； 4)反馈补偿模块将采集到的出水水质信号与预先设定的排放标准进行计算，得到出水氨氮的安全裕量；根据出水氨氮安全裕量的大小，对串级反馈控制模块中溶解氧设定值或需气量设定值进行补偿。
7.如权利要求6所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制方法，其特征在于:所述步骤I)中，所述溶解氧前馈补偿调节量ADOinU)计算方法为:假设当前给定的溶解氧设定值为DOst (t)，根据水温T、进水化学需氧量COD负荷Lail、进水氨氮负荷 ,在预设的最优溶解氧数据表格中查得需要的最佳溶解氧DO设定值D0IN(t)，得到ADOinU)为:
Δ DOin (t) = DOin (t) -DOst (t)。
8.如权利要求6所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制方法，其特征在于:所述步骤3)中，所述生物处理单元内反应池内需气量的调节值ADQ(t)为:
Δ DQ (t) = Δ DQst (t) + Δ DQin (t) + Δ DQef (t), 其中，Λ DQst⑴为当前需气量的调节量A1和K2是系数，通过实验调试确定；Λ DQin⑴为基于进水水量的需气量前馈补偿值；ADQefU)为基于出水水质的需气量反馈补偿的调节值； 所述阀门开度或鼓风机流量的调节量ADVa)为:
ADV(t) = K3ADQ(t)+K4ADQ(t_l)， 式中，ADQ(t-l)是指上一个控制周期(t-Ι)时刻需气量的调节量在3和1(4是系数，通过实验调试确定。
9.如权利要求6所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制方法，其特征在于:所述步骤4)中，假设出水水质的氨氮浓度为T (t)，出水标准为Tst，则安全裕量ST为:
ST = Tst-T（t） > O, 假设一般风险的安全裕量设定值为b，较高风险的安全裕量设定值为C，有b > c，按PI算法计算基于出水水质反馈补偿的溶解氧设定值ΛDOef(t)和需气量ΛDQef(t)为:
10.如权利要求6所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制方法，其特征在于:所述水处理厂鼓风曝气过程实时控制方法根据仪表配置情况和信号质量，实现对控制策略进行自动切换:当进水水量水质仪表、出水水质仪表、溶解氧仪、气体流量计全部正常工作时，执行步骤I)至步骤4)完整的前馈/反馈-溶解氧串级反馈控制策略；当进水水质仪表故障时，取消步骤I)中溶解氧设定前馈补偿，其余控制策略继续进行控制；当进水水量仪表故障时，取消全部前馈补偿模块，其余控制策略正常控制；当出水水质仪表故障时，取消全部反馈补偿模块，其余控制策略继续进行控制；当溶解氧仪故障时，取消溶解氧串级反馈控制模块，使用气量设定控制策略；当气体流量计故障时，取消全部控制策略，直接采用预先设定的阀 门开度。
【文档编号】C02F3/02GK103663674SQ201310700255
【公开日】2014年3月26日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】邱勇, 施汉昌, 庞洪涛, 田宇心 申请人:清华大学