曝气系统供氧效率在线监测装置及优化控制方法与流程

本发明涉及环保技术领域，具体涉及一种曝气系统供氧效率在线监测装置及优化控制方法。

背景技术：

随着城镇化水平和环境保护要求的不断提高，我国污水处理厂的建设数量和规模也日益增大。污水处理属于能耗密集型行业，在活性污泥处理系统中，污水处理厂能耗成本占污水处理厂运营维护成本的30％～80％。其中，曝气系统的能耗占活性污泥系统的污水处理厂总能耗的40％～70％，是能耗控制的关键环节。

曝气系统节能是一项综合性的系统工程，包括曝气设备、进水条件、运行工况等诸多方面，其中供氧效率是一项关键的评价参数。自动控制是保障污水处理系统出水水质稳定达标、降低污水处理系统能耗物耗、提高城市污水处理厂管理水平的重要技术手段。污水处理厂来水水质及水量随时发生波动，微生物去除污染物的需氧量也随之变化，理想的曝气控制是曝气系统及时调整与需氧量匹配的曝气量，避免曝气过剩或不足而导致系统溶解氧大范围波动的现象发生。

目前，曝气系统的控制以溶解氧为主要控制目标，当溶解氧偏离目标值时，通过增加或减少供风量使溶解氧返回目标值。但是，由于缺乏在线分析污水处理厂曝气系统供氧效率的有效工具和方法，目标溶解氧往往根据运行人员的经验设定，而且不能实现供风量的定量调节，导致溶解氧的波动较大，曝气系统控制的节能降耗效果不佳。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种曝气系统供氧效率在线监测装置及优化控制方法，其能够在线监测和评估污水处理厂曝气系统的供氧效率，提供溶解氧和供风量的控制目标值，通过供风量的定量调节，为实现曝气系统的稳定和节能控制提供支撑。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种曝气系统供氧效率在线监测装置，其特征在于，所述的曝气系统供氧效率在线监测装置包含：

数据采集终端，其设在浮于曝气生物反应池液面的浮体上，并沿导轨平行移动到不同的监测点，所述的数据采集终端包含集气罩、气体组分测定仪、溶解氧测定仪，用于测定曝气生物反应池不同监测点混合液的溶解氧浓度及液面逸出气体中氧气、二氧化碳含量；

数据通讯终端，其设在曝气生物反应池顶的人行廊道，用于和数据采集终端及曝气系统主控柜进行数据传输；

气体质量流量计，其设在供气管道上，用于测定供气量；

气体调节装置，其设在供气管道上，用于调节供气量；

曝气系统主控柜，用于数据处理，并对气体调节装置和供气设备进行逻辑控制。

上述的曝气系统供氧效率在线监测装置，其所述的数据采集终端包含：

集气罩，其设在数据采集终端内的一端下部，收集从曝气生物反应池液面逸出的气体，集气罩顶部设出气管；

气体除湿装置，其设在出气管上，与集气罩顶端连接，用于对集气罩收集的气体进行除湿；

气体组分测定仪，其设在出气管上，用于测定除湿后的液面逸出气体中氧气、二氧化碳等的含量；

溶解氧测定仪，其设在数据采集终端内的一端下部，溶解氧测定仪的探头插在液面以下，用于测定曝气生物反应池不同监测点混合液的溶解氧浓度；

移动电源，优选地采用锂离子电池，通过供电线路对气体组分测定仪和溶解氧测定仪供电；

通讯模块，其设在数据采集终端内的一端上部，用于和数据采集终端进行无线通讯。

上述的曝气系统供氧效率在线监测装置，其中：

所述的数据采集终端整体设在浮于曝气生物反应池液面的浮体上，可适应液面恒定或变化的活性污泥工艺；

所述的浮体与竖向限位杆活动连接，确保在液面变化条件下，数据采集终端始终位于所设定的监测点位；

所述的竖向限位杆与导轨活动连接，数据采集终端沿导轨平行移动到不同的监测点；

所述的导轨与设在曝气生物反应池两侧池壁的横向移位轨道活动连接，导轨沿横向移位轨道横向移动。

基于上述的曝气系统供氧效率在线监测装置的曝气系统优化控制方法，包括以下步骤：

a、利用数据采集终端监测实际工况条件下曝气生物反应池中不同监测点的溶解氧浓度和液面出气组分含量；

b、利用曝气系统主控柜对溶解氧浓度、液面出气组分含量数据进行分析，提供曝气系统的目标溶解氧和目标供气量的控制目标值；

c、利用曝气系统主控柜的控制信号，在线控制气体调节装置或供气设备的运行状态，对曝气系统供气量进行定量的前馈控制，使曝气生物反应池的溶解氧浓度维持在设定的目标溶解氧控制值附近，并对曝气系统供氧效率的变化进行补偿。

其中步骤b中的数据分析在本发明的实施例中是自动分析，根据实际运行工况下气体组分含量、溶解氧浓度、进出水水质等监测数据进行机器学习，提供不同层级的控制目标值算法，综合确定目标溶解氧和目标供气量的控制目标值。在实际应用中，也可以支持人工分析后手动输入控制目标值。

其中步骤c中根据步骤b中提供的目标供气量进行定量的前馈控制，不同于仅根据溶解氧浓度变化调节供气量的反馈控制。例如，通过步骤b中的数据分析需要将目标供气量从q1减少至q2，则通过控制气体调节装置或供气设备的运行状态将供气量从当前的q1定量减少至q2。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、本发明提供了实时在线获取曝气系统氧转移速率及曝气生物反应池中耗氧速率的工具和方法，通过科学评估曝气系统的供氧效率，为曝气系统的维护保养和优化控制提供依据，同时可快速检测到进水冲击负荷或有毒有害物质对生物反应系统的影响，为及时调整污水处理厂的运行工况、减轻出水水质波动提供科学依据。

2、本发明通过实时在线监测曝气系统供氧效率，科学确定曝气系统目标溶解氧和目标供气量等控制目标值，实现曝气系统的在线前馈控制，解决了以溶解氧为主要控制指标的反馈控制系统只能定性调节供风量而导致溶解氧波动过大的问题，同时基于曝气系统供氧效率的科学评估，通过降低目标溶解氧值，可进一步降低曝气系统能耗，解决了根据运行人员经验设定的目标溶解氧值过高导致曝气系统控制节能降耗效果不佳的问题。

3、本发明通过平移自浮式的数据采集终端，可覆盖曝气生物反应池不同点位的供氧效率检测，能适应液位变化的曝气生物反应池，为全面评估曝气生物反应池不同分区的供氧效率提供数据支撑，同时通过竖向限位杆与导轨等构件，提升数据采集终端在曝气生物反应池液面的稳定性。

附图说明

图1为本发明的曝气系统供氧效率在线监测装置的剖面示意图；

图2为本发明的曝气系统供氧效率在线监测装置的平面示意图；

图3为序批式曝气生物反应池供氧效率(a)随时间变化的曲线图；

图4为序批式曝气生物反应池溶解氧含量(b)随时间变化的曲线图。

图中包括：曝气生物反应池1、数据采集终端2、数据通讯终端3、气体组分测定仪4、溶解氧测定仪5、集气罩6、出气管8、移动电源9、供电线路10、通讯模块11、导轨12、曝气系统主控柜14、横向移位轨道13、浮体15、竖向限位杆16。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

一种曝气系统供氧效率在线监测装置，所述的曝气系统供氧效率在线监测装置包含：数据采集终端3，其设在浮于曝气生物反应池1液面的浮体17上，并沿导轨13平行移动到不同的监测点，所述的数据采集终端1包含集气罩7、气体组分测定仪5、溶解氧测定仪6，用于测定曝气生物反应池不同监测点混合液的溶解氧浓度及液面逸出气体中氧气、二氧化碳等组分的含量；数据通讯终端4，其设在曝气生物反应池1顶的人行廊道，用于和数据采集终端3及曝气系统主控柜16进行数据传输；气体质量流量计19，其设在供气管道2上，用于测定供气量；气体调节装置20，其设在供气管道2上，用于调节供气量；曝气系统主控柜16，用于数据处理，并对气体调节装置20和供气设备21进行逻辑控制。

所述的的数据采集终端3包含：集气罩7，其设在数据采集终端3内的一端下部，收集从曝气生物反应池1液面逸出的气体；气体除湿装置8，其设在数据采集终端3内的出气管9上，与集气罩7顶端连接，用于气体除湿；气体组分测定仪5，其设在数据采集终端3内的出气管9上，用于测定液面逸出气体中氧气、二氧化碳等的含量；溶解氧测定仪6，其设在数据采集终端3内的一端下部，溶解氧测定仪6的探头插在液面以下，用于测定曝气生物反应池1不同监测点混合液的溶解氧浓度；移动电源10，采用锂离子电池，通过供电线路11对气体组分测定仪5和溶解氧测定仪6供电；通讯模块12，其设在数据采集终端3内的一端上部，用于和数据采集终端4进行无线通讯。

所述的数据采集终端3整体设在浮于曝气生物反应池1液面的浮体17上，可适应液面恒定或变化的活性污泥工艺；所述的浮体17与竖向限位杆18活动连接，确保在液面变化条件下，数据采集终端3始终位于所设定的监测点位；所述的竖向限位杆18与导轨13活动连接，数据采集终端3沿导轨13平行移动到不同的监测点；所述的导轨13与设在曝气生物反应池1两侧池壁的横向移位轨道14活动连接，导轨13沿横向移位轨道14横向移动。

所述的曝气系统供氧效率在线监测装置的曝气系统优化控制方法：

利用数据采集终端3监测实际工况条件下曝气生物反应池1中不同监测点的溶解氧浓度和液面出气的氧气、二氧化碳等组分含量；

利用曝气系统主控柜16对溶解氧浓度、液面出气组分含量等数据进行分析，提供曝气系统的目标溶解氧和目标供气量等控制目标值；

利用曝气系统主控柜16的控制信号，在线控制气体调节装置20或供气设备21的运行状态，对曝气系统供气量进行定量调节，使曝气生物反应池1的溶解氧浓度维持在设定的目标溶解氧控制值附近，并对由于运行工况变化等原因导致曝气系统供氧效率的变化进行补偿。

本实施例中，如图2所示，在两个并联或不同分区的曝气生物反应池1液面上，各设置一个数据采集终端3，在两个曝气生物反应池之间的人行廊道上设置一个共用的数据通讯终端4，数据通讯终端4通过光纤与设于污水处理厂中控室的曝气系统主控柜16进行数据传输。

以下，将进一步说明本发明的使用方法：

实施例1：

例如存在一个90m×60m的曝气生物反应池，将每个曝气池分成9个30m×20m的区域，每个区域的中心为一个监测点，数据采集终端3通过导轨13和横向移位轨道14移动至各监测点采集数据，每个监测点连续监测1～2个小时；监测时应尽量维持曝气系统运行工况和进水条件稳定，便于在同等条件下评估数据采集终端3的在线监测点位和监测周期；数据通讯终端4将气体组分测定仪5、溶解氧测定仪6测得的数据传输至曝气系统主控柜16进行处理。如气体组分测定仪5仅测定氧气的摩尔分数或体积分数，主要计算公式如下：

公式1中，eosi为第i个监测区域的供氧效率，本实施例中，1≤i≤9；ys和yei分别为进气及第i个监测区域池面出气中氧气的摩尔分数或体积分数，一般进气为空气，ys＝0.2095。

如进气为空气，且气体组分测定仪5可同时测定氧气和二氧化碳的摩尔分数或体积分数，主要计算公式如下：

公式2中，ms和mei分别为进气及第i个监测区域池面出气中氧气与惰性组分的摩尔比或体积比，惰性组分包括氮气和氩气。mei计算公式如下：

公式3中，为第i个监测区域池面出气中二氧化碳的摩尔分数或体积分数。ms根据空气中氧气和二氧化碳的摩尔分数或体积分数参照公式3确定，本实施例中，ys＝0.2763。

公式4中，eos为单个曝气生物反应池的平均供氧效率，qi为每个监测区域的供风量(m³/h)，假设每个监测区域的供风量相同，则计算公式如下：

曝气系统主控柜16完成数据计算后，比较曝气生物反应池各监测区域的供氧效率与曝气生物反应池的平均供氧效率，确定可代表平均供氧效率的最佳监测点位，为曝气系统供氧效率的在线监测和控制提供依据。

实施例2：

存在两个序批式曝气生物反应池，采用膜片盘式曝气器曝气，两个曝气生物反应池的膜片曝气盘分别使用了约3.5年和4.5年，通过实施例1的方法确定曝气生物反应池的最佳监测点位后，对曝气生物反应池在一个曝气周期内的供氧效率和溶解氧进行连续监测，结果如图3所示。

从图3和图4可以看出，膜片曝气盘使用了3.5年的曝气生物反应池1在一个曝气周期内的供氧效率逐渐下降，曝气周期的起始阶段可维持在20％左右，随着反应的进行，溶解氧浓度逐渐升高，供氧效率逐步下降至15％左右。而膜片曝气盘使用了4.5年的曝气生物反应池2的供氧效率在10％以下，且波动较大，可见随着曝气盘的老化和堵塞，曝气生物反应池2曝气盘供氧效率大大下降，应合理安排曝气盘的维护和更换时间，加强曝气系统控制。

同时，尽管两个曝气生物反应池的供氧效率差异较大，但溶解氧浓度均可在80min左右达到2.0mg/l。由此可见，如仅根据溶解氧浓度对曝气系统进行控制，可能导致实际供风量提高，曝气系统能耗增加。因此，在曝气池运行过程中，根据供氧效率的变化情况，同时结合溶解氧的控制，不仅可及时掌握曝气系统的运行状态，而且可以定量调整曝气系统的运行工况。本实施例中，曝气生物反应池1如维持供风量不变，曝气周期的后期溶解氧浓度将显著升高，也将导致供氧效率的下降，因此可适当降低目标溶解氧浓度值，及时调整曝气系统的运行工况，如通过气体调节装置、缩短鼓风机运行时间或降低鼓风机工作频率等方式减小供风量，可在保证污水处理效果的基础上实现节约能耗。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。