污水处理厂曝气总量的精确控制方法
【专利摘要】本发明涉及一种污水处理厂曝气总量的精确控制方法，包括进水COD仪、进水氨氮在线监测仪、进水流量计、溶解氧在线监测仪、出水氨氮在线监测仪、中心PLC和若干台鼓风机，进水COD仪、进水氨氮在线监测仪、进水流量计、溶解氧在线监测仪和出水氨氮在线监测仪并联后与中心PLC连接，中心PLC与若干台鼓风机连接；中心PLC分别采集有主次之分，但又相互关联的出水氨氮、DO值、进水COD和氨氮、进水水量四种变量信号，所述四种变量信号构成独立的调节周期通过中心PLC控制调整鼓风机总风量的精确控制系统。有益效果：本系统节约了曝气量，大大减弱了单台仪表的故障或测量误差对系统判断结果的影响，保证整个系统的稳定运行。
【专利说明】污水处理厂曝气总量的精确控制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于污水处理系统，尤其涉及一种污水处理厂曝气总量的精确控制方法。
【背景技术】
[0002]污水处理厂的污水处理工艺一般来说，分为三步:预处理(一级处理，物理处理):主要是指去除大粒径的物质也去除部分的有机物质，比如树叶，水中的塑料袋，沙粒等，一般使用格栅间(粗，和细的)，沉砂池，沉淀池。二级处理(主体工艺):二级处理区:污水处理过程的核心区域，也是污染物去除量最大的区域，通过鼓风机向曝气池供氧，曝气池中的活性污泥通过厌氧、缺氧、好氧的过程将0?、800、33、氨氮、1队1?进行大幅度去除，在这一过程鼓风机房供气量的多少直接影响到上述各污染物指标的去除量；活性污泥和处理结束后污水的混合液在二沉池得以沉淀，上清液进入下一流程，污泥则在底部收集返回生物反应池。
[0003]三级处理(深度处理)。
[0004]二级处理时，采用好氧活性污泥法或生物膜法处理污水时，鼓风机是污水处理厂能耗最高的设备，因此风量控制是污水处理厂工艺管理中的重中之重，同时由鼓风曝气所产生的电力成本也是污水处理厂运行的主要成本，一般可以占到总成本的20% -40%，是污水处理过程中的主要成本之一。所以对现有的在线监测设备进行分析，进而合理的控制鼓风机的鼓风量对控制污水处理成本有着非常大的意义。同时，由于国家对污水处理厂出水氮磷的要求提高了，而过量曝气则非常不利于氮磷的达标，因此严格的控制曝气量对于总氮、总磷的达标以及防止下游受纳水体发生水华或赤潮等恶劣的公共污染事件也有着重大的意义。
[0005]目前我国污水处理厂的工艺控制方法部分采用人工控制，还有部分采用进口的模型计算或溶解氧反馈式的风量自动控制系统。人工控制就是工艺工程师根据各项在线数据和化验数据进行判断鼓风机风量调整的方向和幅度。人工方法人为因素过多，操作人员技术条件要求较高，同时，调整频次较低，一般能做到一天1-2次。人工控制由于掺杂了过多的认为因素，存在控制过程较随意难以时刻顾全所有影响因素，同时人工的调节也难以达到24小时不间断执行，而且工艺控制人员的水平也是良莠不齐容易出现误判影响工艺达标或造成能源浪费；
[0006]模型计算的控制方式曾经风靡一时，好多污水处理厂不惜重金从国外引进计算模型，大多是对污水处理厂进行数学建模，将建模者认为的所有影响鼓风机风量的因子输入其中，如进水的水量、C0D、氨氮、温度、pH、气压等等。这些影响因子又基本上全部采用在线仪表测量。再根据一系列的理论公式或经验公式进行程序计算，得出某一时刻鼓风机应该输出的风量值。模型计算型的自控系统采用实时分析进水水质水量各项参数，根据一系列的理论公式得出某一时刻的工艺风量，这种控制方式的问题在于过分依赖在线仪表的准确性，经常会因为I台仪表的误差或故障而带来蝴蝶效应，导致整个计算过程与实际需求值大相径庭，因此这类自控装置在国内很少有成功应用的实例，同时，由于实际上影响风量的因素极其复杂，如氧传递效率、曝气孔堵塞情况等不可测或不可控因素也会对风量产生影响，因此，这种模型很难将所有因素考虑周全，据此计算出的风量也难以与实际需求量保持吻合，所以在国内这种控制方式很少有成功应用的工程实例；模型计算的控制方式的最大缺陷是:数学模型推导运算得出理论风量过分依赖在线仪表准确性的教训，各变量之间相对独立，相互关联性较小，如果I台或几台在线仪表出现故障或数据不准确对判断结果的影响不大。
[0007]溶解氧反馈式的控制方式依靠生物池设置的I台或多台在线溶氧仪的测定值以及设定的目标溶氧值进行比较，反馈调节鼓风量。溶解氧反馈式的自控系统相当于根据效果判定需求，虽然能够在一定程度上避免影响因素考虑不周的问题，但该控制方式相当于将溶解氧作为控制的唯一判断依据，在执行过程中存在调节过于滞后及对总风量没有调节或能力不佳问题，尤其难以适应来水水质及水量变化较大的情况，同时对溶氧仪的依赖性过强，一台溶氧仪的故障就可能导致整个系统瘫痪。
[0008]污水处理厂亟待解决曝气总量的精确控制难题，期待降低污水处理成本，以满足日益猛增的污水处理量的需求。
【发明内容】
[0009]本发明是为了克服现有技术中的不足，提供一种污水处理厂曝气总量的精确控制方法，引入自适应控制的理念，在风量的确定上反其道而行之，即在采用进水水质水量参数作为基础的同时，又大幅度降低其权重作为风量调整预判的依据，而是根据风量作用后的效果来判断当前鼓风机的风量高或低，进而根据判断结果对风机进行固定的较小步幅的调整，使得风量不断趋于合理值。将出水氨氮、DO值、进水COD与氨氮、进水水量的四种变量具有主次之分，且又相互关联。四种变量各自有各自的调节周期，任何一个变量达到其调节周期都会对总风量进行一次调整，，四种调控因子的有机结合和互相弥补，使得系统的调控精度和抗冲击能力都得到了提高。既能有效解决人工工艺调整时存在的随意性和调节频次低的问题；同时又解决了现有自动调节系统过分依赖在线仪表准确性、难以照顾到所有影响因素、对来水水质水量变化适应能力差以及调节过于滞后的问题。
[0010]本发明为实现上述目的，通过以下技术方案实现，一种污水处理厂曝气总量的精确控制方法，其特征是:按照常规污水处理厂得而设计要求设置进水COD仪、氨氮在线监测仪、进水流量计、溶解氧在线监测仪、出水氨氮在线监测仪放置以及若干台鼓风机，建立中心控制室，将上述仪表连接到中心PLC上，进水COD仪、氨氮在线监测仪、进水流量计、溶解氧在线监测仪和出水氨氮在线监测仪并联后与中心PLC连接，所述中心PLC与若干台鼓风机连接；所述中心PLC分别采集分别具有独立调节周期和调节幅度的四种变量信号，即出水氨氮、DO值、进水COD和氨氮、进水水量具有主次之分，且又相互关联的四种变量信号，四种变量信号通过中心PLC统一调配进而相互弥补不足，构成中心PLC控制调整鼓风机总风量的精确控制系统；
[0011]具体控制方法步骤如下，
[0012]一、进水水量、进水C0D、进水氨氮、DO值、出水氨氮、鼓风机风量信号输入中心PLC ；
[0013]二、中心PLC进行运算。包括:判断进水水量、进水C0D、进水氨氮、DO值、出水氨氮因子的作用周期是否到时，当某一因子到达作用周期时，中心PLC根据该因子的逻辑程序得出在该因子当前值下对曝气总量的判断结果，即做出偏高或偏低的判断，若偏高则风量下调一定步幅，若偏低则风量上调一定步幅；
[0014]进水水量的判断公式为:
[0015]调整量=水量差值*气水比；
[0016]进水C0D、氨氮的判断公式为:
[0017]若t3 = T3;
[0018]若C3+A3 = 0;
[0019]则F2 = F2;
[0020]若C3+A3 幸 O ；
[0021 ]Sca = ((C1*C3+5A1*A3)/(C2+5*A2))K2 ；
[0022]若Sca < 0.5 则 F2 = F2-F3 ；
[0023]若0.5 彡 Sca 彡 1.5 则 F2 = F2 ;
[0024]若Sca > 1.5 则 F2 = F2+F3 ；
[0025]t3 = O ；
[0026]其中:
[0027]Cl-------------进水COD测定值
[0028]C2-------------进水COD平均值，根据某一时期的化验数据人工设定如某月进水COD平均值为300mg/L，则COD平均值的设定值为300mg/L，如某月进水COD平均值为1000mg/L，则COD平均值的设定值为1000mg/L ( —般污水处理厂进水COD平均值在100-1000mg/L 之间)。
[0029]C3---------------------------进水COD开关，正常取I，反之取O
[0030]Al---------------------------进水氨氮测定值
[0031]A2------------进水氨氮平均值，
[0032]A3----------------------进水氨氮仪开关，正常取I，反之取O
[0033]K2—进水C0D、氨氮权重系数，
[0034]Sca---------------------------进水C0D、氨氮加和判断值
[0035]S-----------------------------总加和判断值
[0036]T3----------------------------进水水质判断周期，推荐取值24h
[0037]t3----------------------------自然时间，进水水质计时器
[0038]DO值判断公式为:
[0039]若t2 = T2 ;
[0040]若D1+D2+…+Dl6+C3+A3 = O ；
[0041]则F2 = F2;
[0042]若D1+D2+…+D16+C3+A3 幸 O ；
[0043]若D1+D2+…+D16 = O ;
[0044]则F2 = F2 ;
[0045]若D1+D2+…+Dl6 幸 O ；
[0046]So = (((01*D1) /Ml+ (02*D2) /M2+…+ (016*D16) /M16) / (D1+D2+…+D16)) Kl
[0047]S = So
[0048]若S < 0.5 则 F2 = F2+F3 ；
[0049]若0.5 彡 S 彡 1.5 则 F2 = F2 ;
[0050]若S > 1.5 则 F2 = F2-F3 ；
[0051]t2 = O ；
[0052]其中:
[0053]0i(i = 1，2，3…η)--------------1_η 号 DO 仪值
[0054]Mi (i = I, 2，3 …η)--------------1-η 号 DO 设定值
[0055]Di (i = 1，2，3…η)--------------1_η 号 DO 仪开关，DO 仪正常 Di = 1，反之 Di
=O
[0056]Kl--------------------------DO权重系数，建议取值为4
[0057]So-----------------------DO加和判断值
[0058]Τ2----------------------DO判断周期，推荐取值2h
[0059]t2----------------------自然时间，DO判断计时器
[0060]出水氨氮判断公式为:
[0061 ]若N3 = O，不执行任何操作；
[0062]若N3 = I ;
[0063]若tl = Tl ;
[0064]若N2 < NI，不执行任何操作；
[0065]若N2 彡 NI 且 N2 < N1+1，则 F2 = F2+F3 ；
[0066]若N2 彡 N1+1 且 N2 < N1+2,则 F2 = F2+2*F3 ；
[0067]若N2 彡 N1+2 且 N2 < N1+3,则 F2 = F2+3*F3 ；
[0068]若N2 彡 N1+3,则 F2 = F2+5*F3 ；
[0069]若tl = Tl (这里Tl推荐取12h)，则重复上述判断过程；
[0070]其中:
[0071]N1--------------------------出水氨氮目标值
[0072]N2--------------------------出水氨氮测量值
[0073]N3--------------------------出水氨氮按钮，O为异常，I为正常
[0074]Fl---------------------------当前风量，反馈值(m3/h)
[0075]F2-----------------------------输出风量，控制值(m3/h)
[0076]F3-----------------------风量调整幅度，根据需要可人工设定(m3/h)
[0077]Tl-----------------------氨氮因子周期，根据需要可人工设定
[0078]tl-----------------------自然时间，出水氨氮计时器
[0079]三、将判断后得出的新的风量值传输到鼓风机的执行机构，按照新的风量值调整风量；
[0080]四、上述过程循环不间断进行，以应对实时的水质水量、工艺条件等因素的变化。
[0081]所述进水流量计测量误差小于1% ;所述进水COD仪、进水氨氮在线监测仪的测量周期小于24h，测量误差小于15% ;所述溶解氧在线监测仪的测量误差小于0.lmg/L ;所述出水氨氮在线监测仪的周期小于12h，测量误差小于0.2mg/L。
[0082]所述鼓风机与中心PLC连接后，向中心PLC提供远程启停信号地址或接受远程启停信号、风量大小调整的信号地址以及接受风量调整信号，并将风量大小信号实时传送到PLC 上。
[0083]所述流量计采用随机电磁流量计，其测量变送器与探头一体，通过通讯电缆与中心PLC相连，即可将测量信号实时传送到PLC上。
[0084]有益效果:与现有技术相比，本发明将污水处理厂运行中的影响因子确定为五个，通过将这五种影响因子的工艺原理与自适应控制原理形成曝气总量精确控制的逻辑关系。将五种影响因子分为有主次之分，但又相互关联的出水氨氮、DO值、进水COD和氨氮、进水水量四种变量信号，根据污水处理工艺原理将各类因子进行影响权重和调节周期的分配，分别参与风量的精确调控，使风量自动接近最合理值。它大大减弱了单台仪表的故障或测量误差对系统判断结果的影响，保证整个系统的稳定运行。节约了曝气量，在提高TN、TP等水质指标处理效果的同时还能降低污水处理厂运行的电耗和药耗，在改善水环境和降低污水处理的成本方面有较大的效果。
【专利附图】
【附图说明】
[0085]图1是本发明结构示意图；
[0086]图2是水质判断的软件流程框图；
[0087]图3是水量判断的软件流程框图；
[0088]图4是系统在污水处理厂流程中的位置示意图；
[0089]图5是进水量历史曲线图；
[0090]图6是系统投入使用之前的出水氨氮情况图；
[0091]图7、图8是系统投入使用之前的DO情况图；
[0092]图9-图10是系统投入使用之后的出水氨氮情况图；
[0093]图11-图14是系统投入使用之后的DO情况图。
[0094]其中图4:①进水COD信号、进水氨氮信号及进水流量信号，②曝气池溶解氧信号，③出水氨氮信号，④中心PLC,⑤鼓风机风量信号。-----信号线。
【具体实施方式】
[0095]以下结合较佳实施例，对依据本发明提供的【具体实施方式】详述如下
[0096]实施例
[0097]详见附图1、附图4，本发明提供了一种污水处理厂曝气总量的精确控制方法，包括进水COD仪、进水氨氮在线监测仪、进水流量计、溶解氧在线监测仪、出水氨氮在线监测仪、中心PLC和若干台鼓风机，所述进水COD仪、氨氮在线监测仪、进水流量计、溶解氧在线监测仪和出水氨氮在线监测仪并联后与中心PLC连接，所述中心PLC与若干台鼓风机连接；所述中心PLC分别采集分别具有独立调节周期和调节幅度的四种变量信号，即出水氨氮、DO值、进水COD和氨氮、进水水量具有主次之分，且又相互关联的四种变量信号，四种变量信号通过中心PLC统一调配进而相互弥补不足，最终实现中心PLC控制调整鼓风机总风量的精确控制。
[0098]具体控制方法步骤如下，
[0099]—、进水水量、进水COD、进水氨氮、DO值、出水氨氮、鼓风机风量信号输入中心PLC ；
[0100]二、中心PLC进行运算。包括:判断进水水量、进水C0D、进水氨氮、DO值、出水氨氮因子的作用周期是否到时，当某一因子到达作用周期时，PLC根据该因子的逻辑程序得出在该因子当前值下对曝气总量的判断结果，即做出偏高或偏低的判断，若偏高则风量下调一定步幅，若偏低则风量上调一定步幅；
[0101]进水水量的判断公式为:
[0102]调整量=水量差值*气水比；
[0103]进水C0D、氨氮的判断公式为:
[0104]若t3 = T3;
[0105]若C3+A3 = 0;
[0106]则F2 = F2;
[0107]若C3+A3 关O;
[0108]Sca = ((C1*C3+5A1*A3)/(C2+5*A2))K2 ；
[0109]若Sca < 0.5 则 F2 = F2-F3 ;
[0110]若0.5 彡 Sca 彡 1.5 则 F2 = F2 ;
[0111]若Sca > 1.5 则 F2 = F2+F3 ;
[0112]t3 = O ；
[0113]其中:
[0114]Cl-------------------------进水COD测定值
[0115]C2-------------进水COD平均值，根据某一时期的化验数据人工设定。如某月进水COD平均值为300mg/L，则COD平均值的设定值为300mg/L，如某月进水COD平均值为1000mg/L，则COD平均值的设定值为1000mg/L( —般污水处理厂进水COD平均值在100-1000mg/L 之间)。
[0116]C3-------------------进水COD开关，正常取I，反之取O
[0117]Al------------------进水氨氮测定值
[0118]A2------------进水氨氮平均值，根据某一时期的化验数据人工设定，如某月进水氨氮的平均值为30mg/L，则氨氮平均值设定值为30mg/L，如某月进水氨氮平均值为80mg/L,则氨氮平均值的设定值为80mg/L( —般污水处理厂进水氨氮平均值在10-100mg/L之间)。
[0119]A3-----------------进水氨氮仪开关，正常取I，反之取O
[0120]K2—进水C0D、氨氮权重系数,推荐取值为0.125
[0121]Sca----------------进水C0D、氨氮加和判断值
[0122]S--------------------总加和判断值
[0123]T3-------------------进水水质判断周期，推荐取值24h
[0124]t3-------------------自然时间，进水水质计时器
[0125]DO值判断公式为:
[0126]若t2 = T2;
[0127]若D1+D2+…+D16+C3+A3 = O ;
[0128]则F2 = F2;
[0129]若D1+D2+…+D16+C3+A3 关 O ;
[0130]若D1+D2+…+D16 = O ;
[0131]则F2 = F2;
[0132]若D1+D2+…+D16 关 O ;
[0133]So = (((01*D1) /Ml+ (02*D2) /M2+…+ (016*D16) /M16) / (D1+D2+…+D16)) Kl
[0134]S = So
[0135]若S < 0.5 则 F2 = F2+F3 ;
[0136]若0.5 彡 S 彡 1.5 则 F2 = F2 ;
[0137]若S > 1.5 则 F2 = F2-F3 ;
[0138]t2 = O。
[0139]其中:本实施例
[0140]Oi (i = 1,2,3...16)------------1-16 号 DO 仪值
[0141]Mi (i = 1,2,3...16)----------------------1-16 号 DO 设定值
[0142]Di (i = 1,2,3-16)--------1-16 号 DO 仪开关，DO 仪正常 Di = 1，反之 Di = O
[0143]Kl-----------------------DO权重系数，建议取值为4
[0144]So----------------------DO加和判断值
[0145]Τ2----------------------DO判断周期，推荐取值2h
[0146]t2-----------------------自然时间，DO判断计时器
[0147]出水氨氮判断公式为:
[0148]若N3 = O,不执行任何操作；
[0149]若N3 = l;
[0150]若tl=Tl;
[0151]若N2 < NI，不执行任何操作；
[0152]若N2 彡 NI 且 N2 < N1+1，则 F2 = F2+F3 ；
[0153]若N2 彡 N1+1 且 N2 < N1+2，则 F2 = F2+2*F3 ；
[0154]若N2 彡 N1+2 且 N2 < N1+3,则 F2 = F2+3*F3 ；
[0155]若N2 彡 N1+3,则 F2 = F2+5*F3 ；
[0156]若tl = Tl (这里Tl推荐取12h)，则重复上述判断过程；
[0157]其中:
[0158]N1-----------------------出水氨氮目标值
[0159]N2-----------------------出水氨氮测量值
[0160]N3-----------------------出水氨氮按钮，O为异常，I为正常
[0161]Fl-----------------------当前风量，反馈值(m3/h)
[0162]F2-----------------------输出风量，控制值(m3/h)
[0163]F3--------------------风量调整幅度,根据需要可人工设定(m3/h)
[0164]Tl----------------------氨氮因子周期，根据需要可人工设定
[0165]tl---------------------自然时间，出水氨氮计时器
[0166]三、将判断后得出的新的风量值传输到鼓风机的执行机构，按照新的风量值调整风量；
[0167]四、上述过程循环不间断进行，以应对实时的水质水量、工艺条件等因素的变化。
[0168]所述进水流量计测量误差小于1% ;所述进水COD仪、进水氨氮在线监测仪的测量周期小于24h，测量误差小于15% ;所述溶解氧在线监测仪的测量误差小于0.lmg/L ;所述出水氨氮在线监测仪的周期小于12h，测量误差小于0.2mg/L。
[0169]所述鼓风机与中心PLC连接后，向中心PLC提供远程启停信号地址或接受远程启停信号、风量大小调整的信号地址以及接受风量调整信号，并将风量大小信号实时传送到PLC 上。
[0170]所述流量计采用随机电磁流量计，其测量变送器与探头一体，通过通讯电缆与中心PLC相连，即可将测量信号实时传送到PLC上。
[0171]进水COD仪、氨氮在线监测仪、进水流量计、溶解氧在线监测仪、出水氨氮在线监测仪放置的位置按照常规污水处理厂得而设计要求设置。
[0172]详见图3，各种信号独立判断，但判断进程有可能偶然同时达到作用条件，在这种情况下需要执行优先级高的判断结果，出水氨氮优先级最高，它的测量值在设定值以下时不对风量进行调整，高于设定值时根据高的程度对风量进行较大幅度调整；在线溶解氧优先级其次，进水C0D、氨氮优先级居第三；进水水量与其他信号同时达到作用周期时执行的优先级最低，但是判断周期最短，执行的频率最高，整体权重仍然很高。
[0173]变量关系
[0174]本发明吸取了过去数学模型推导运算得出理论风量过分依赖在线仪表准确性的教训，各变量之间相对独立，相互关联性较小，如果I台或几台在线仪表出现故障或数据不准确对判断结果的影响不大。
[0175]出水氨氮、DO值、进水COD和氨氮(这两种数据对曝气总量的影响类型相同，因此合成一个变量)以及进水水量四种变量有主次之分，而又相互关联。四种变量各自有各自的调节周期，任何一个变量达到其调节周期都会对总风量进行一次调整，但如果有2个或2个以上的变量同时达到了调节周期，则根据4中变量的优先级选择其中优先级最高的变量在本轮调节中发挥作用。
[0176]下面对各变量的各自权重和综合关系进行详细的介绍。
[0177]氨氮权重
[0178]风量主要去除污水中的COD和氨氮值，而由于曝气池中的活性污泥对COD和氨氮的去除效率相差很大，去除氨氮的微生物种群密度往往很低，一般不足5%，所以活性污泥对于COD的去除速率远大于对氨氮的去除速率，因此当出水氨氮得到很好的去除时可以判断COD早已被去除。在此理论基础上得出出水氨氮值是判断曝气量是否合理的最高依据。
[0179]而在实际运行中，污水处理厂出水水质已经较为清澈，其中所含的干扰物质和悬浮性颗粒大幅度减少，因此出水氨氮数据的有效率远高于进水在线仪表的数据有效率。尽管进水的氨氮和COD值是变化的，但是进水水量相对于反应池的容积要小很多，因此进水进入反应池会被马上稀释4-8倍，这使得反应池具有了一定的抗冲击能力，从而使得反应池的需氧量在一定时段内可以保持相对平稳。
[0180]在以上水处理理论的支持下，可以得出逻辑判断的第一环是先对出水氨氮值进行分析，也即表示出水氨氮值是系统判断风量是否合理的最高权重值。换句话说，也可以认为正常情况下出水氨氮值都应该在控制范围以内，依靠其他变量的调控一般可以保证出水氨氮达到设定值，如出水氨氮超出设定值了则说明其它变量的调节能力已经超出了极限，而此时需要大幅度的调整风量，因此出水氨氮的调整是较大幅度的。
[0181]根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中对城市污水处理厂水质排放的要求，在一级A标准中要求出水氨氮< 5mg/L，在一级B标准中要求出水氨氮< 8mg/L。目前部分污水处理厂执行一级A标准，还有一部分污水处理厂执行一级B标准。因此，为确保达标出水氨氮值必须在标准以内并且有一定的余量。因此氨氮控制的目标值设置为可人工输入修改的变量，定义为NI，根据污水处理厂的运行经验在执行一级A标准的污水处理厂NI设置为lmg/L较为合理,在执行一级B标准的污水处理厂NI设置为3mg/L较为合理。
[0182]系统设置出水氨氮值是否参与运算的人工开关按钮，在出水氨氮仪异常时可以进行人工关闭，等到仪表恢复正常运行后再人工打开。以张贵庄污水处理厂为例，出水氨氮目标值设定为lmg/L，若实测值小于目标值，则本轮出水氨氮变量不作调节，调节权交由其它控制因子，若实测值大于lmg/L但小于2mg/L，则风量增大I个步幅，若实测值大于2mg/L但小于3mg/L则风量增大2个步幅,若实测值大于3mg/L则风量增大5个步幅。出水氨氮的调整周期为12小时。
[0183]DO 权重
[0184]一般污水处理厂反应池均设置溶解氧在线监测仪，只不过是设置的数量有所不同。相对于出水氨氮，反应池DO同样是曝气效果的反应，但是DO属于过程值，通过DO控制曝气量则更有时效性，因此在出水氨氮值小于设定值时，对曝气总量的控制权则变为以DO为重。
[0185]溶解氧顾名思义就是反应池混合液中溶解的氧气的浓度，此浓度是鼓风机曝气的充氧量与活性污泥消耗氧气的一个动态平衡值。DO的控制对于生物池的处理效果是重中之重，反应池不同的功能区有不同的DO值要求[54]。目前反应池普遍采用生物脱氮除磷工艺，工艺过程中分为厌氧区、缺氧区和好氧区。
[0186]厌氧区表观DO值为0，同时也不存在氧化态的硝酸根、亚硝酸根等，氧化还原电位一般为_300mV以下；缺氧区表观DO值也为0，但是存在大量的硝酸根、亚硝酸根等氧化性很强的离子，氧化还原电位一般在O-1OOmV左右；好氧区表观DO值大于0，同时存在溶解态的氧气和氧化态的离子，氧化还原电位一般大于100mV，DO值一般控制在2mg/L左右。而DO仪一般设置在好氧区的末端，这里的DO要控制在0.5-lmg/L,因为好氧区结束后紧接着就是缺氧区，如果末端DO过高则会严重影响缺氧区的反应效果。而这个DO值也是系统控制曝气总量的目标值。
[0187]DO仪数量较多，难免有状态异常的仪表，而判断某一时刻曝气总量是否足够仅仅需要看到总体上DO是偏高了还是偏低了即可，不要求所有的DO仪都正常。因此设置DO仪的开关按钮，任何一台仪表异常都可以将开关设为关闭，从而不参与计算过程。
[0188]基于以上工艺理论，DO的权重仅次于出水氨氮值居第2位，为增大其权重比例，各台DO仪的实测值除以各自设定值的比值取算术平均值后再做一个乘方运算得出的结果作为调控因子，根据使用情况做4次方运算较为合理，DO的调节周期为2小时。
[0189]进水COD、氨氮权重
[0190]进水COD、氨氮由于其在反应池中被大幅度稀释，因此他们对曝气总量的影响相对要弱。而这两个数据的计算可以采用一定时期内的进水化验平均值作为比例分母，判断某一时刻的进水水质是否超出预期。若超出预期则会与平均值得出一个比值，当这个比值大于设定范围则控制鼓风机增大一个步幅的风量，若低于预期值PLC则会发出指令控制鼓风机减小一个步幅的风量。该变量的权重比例最低，其比值的算术平均值要做一个开方运算得出的结果作为调控因子，根据使用情况做开4次方运算较为合理，进水C0D、氨氮的调节周期为24小时。
[0191]进水流量权重
[0192]进水水量独立于以上其它所有控制因子，水量的调整时间推荐取值0.5h，而在这个调整时间内水质一般不会发生大的变化，可以认为这时的调整变为简单的水量和风量的线性关系，如果进水水质或其它条件发生较大变化，则可以通过人工修改“气水比”参数从而影响水量因子的调节量[57]。气水比，顾名思义就是曝气量和水量的比值，污水处理工艺中用这个参数来表征鼓风曝气量和进水量之间的关系，也是污水处理厂运行的一个重要控制指标。这项参数在进水水质变化不大的情况下是相对稳定的，但因厂而异，需要本厂的运行人员对该厂的气与水比值进行合理调配。因此本系统采用气水比人工设定修改的方式，定期由工艺工程师来修改此项参数。自控程序则根据人工设定的参数来线性的计算水量和气量之间的变化，从而实现根据水量变化来实时调节曝气量[58、59]。虽然水量调控因子相对独立，但在运行中难免发生其调节周期与其它变量的调节周期发生冲突的现象，遇到这一情况进水水量调节因子的优先级高于其它调节因子。进水流量的调节周期为0.5小时。
[0193]各变量关系综述
[0194]实际上整个系统以出水氨氮的设定值作为控制的目标，正常情况下DO的调控即可满足氨氮的达标，而进水在线仪表一般难以保证正常运行，当有上游偷排出现大幅度水质负荷冲击时，往往会使出水氨氮值快速上升，因此在氨氮值上升时就需要快速的将鼓风量提高。所以虽然出水氨氮的调控不经常起作用，但是在应对异常情况时具有快速调整的作用，提高了整个系统运行的安全性。
[0195]反应池具有16台DO仪，反应总曝气量是否充足不要求16台DO都准确无误，在运行中发现有一半DO保持正常状态即能满足调控需要。在出水氨氮小于设定值的情况下，DO的权重是最大的，因为它是曝气量是否充足最直接的反馈，其中已经包含了进水水质水量的因素，如果进水水质水量变化幅度不大，仅依靠DO的调整即能满足需要。
[0196]因此，进水水质水量和出水氨氮的调控都可以弥补DO的调控力度相对小的缺点，使得DO的调控步幅可以尽量缩小，提高调控的精度，同时在DO的调控不能满足需要时又有其它调控因子的弥补，使得整个系统调控的安全性提高。正是这四种调控因子的有机结合和互相弥补，使得系统的调控精度和抗冲击能力都得到了提高。
[0197]详见附图2、3，在明确变量关系的基础上，系统的逻辑程序分为两个相对独立的判断流程。
[0198]如图2根据进水水质、过程D0、出水氨氮判断，若判断认为风量偏小则中心PLC会根据当前风量增加一个步幅得出调整后的风量值并将其转化为新的当前风量信号传送给执行机构；若判断认为风量处在合理范围内，则传送给执行机构的风量信号保持不变；若判断认为风量偏大则中心PLC会根据当前风量减小一个步幅得出调整后的风量值，并将其转化为新的当前风量信号传送给执行机构。
[0199]如图3，根据进水水量变化情况判断，通过一个可调周期的计时器决定调整周期，因为不同的污水处理厂具有不同水量变化系数，每个污水处理厂可以根据自身的水量变化情况来调整这一判断周期，周期初始记录一个水量数据，周期末也记录一个水量数据，根据这两个数据之差乘以一个气水比的系数得到风量的调整值，并转化成最终的风量信号传送给执行机构。
[0200]这两种判断过程虽独立存在，但在执行过程中难免遇到同时动作的情况，若发生这种情况则水量判断进程停止一次，优先执行水质判断进程。
[0201 ] 本发明使用前与使用后的数据对比
[0202]如图4，进水量历史曲线，系统投入运行之前，曝气总量通过人工手动调整，调节过程频率最多能做到I天I调节，而污水处理厂实际进水量每几个小时就会有较大幅度的变化。如图4-3所示，图中为10天的进水量曲线汇总，可以看出每天的水量变化都存在高峰和低谷，一天内高峰水量和低谷水量相差近I倍，气水比若固定，曝气量也应该相差I倍，显然一天一次的调节不能适应污水处理厂进水水量的特性。
[0203]如图5，系统投入使用之前的出水氨氮情况，在系统投入运行之前，由于调节的滞后，出水氨氮也表现出不稳定的趋势，出水氨氮时而低至0.5mg/L以下，时而高至4mg/L以上，甚至有超标的风险。这是因为水量大幅度变化，风量的调整没有跟上，在生物反应池中的硝化细菌，时而氧气过量，时而氧气不足，使得活性污泥的硝化效率大打折扣，同时为了确保在高水量时出水氨氮达标排放，一般在这种情况下，大多数工艺工程师会照顾高水量时的氨氮达标，因此总体风量调整会偏高，在水量低时没有及时调整仍采用高风量运行，这无疑带来了很大的能源浪费。
[0204]如图6和图7所示，系统投入使用之前的DO情况，在线的DO出现从0.5mg/L到
3.5mg/L大幅度波动的情况，在高DO时不仅浪费了昂贵的碳源费用，增大了碳源投加量，同时也浪费了曝气量，增大了电耗。
[0205]如图8、9，系统投入使用之后的出水氨氮情况，可以看出出水氨氮较之前平稳了很多，变化幅度大大减小，提高了出水水质的稳定性，对确保水质的稳定达标作用明显。
[0206]如图10-12，系统投入使用之后的DO情况，生物反应池在线DO数据的趋势曲线可以看出系统投入使用后显著提高生物池DO的稳定性，有效解决了水量和水质有变化时曝气量难于调准的难题。避免了曝气量的浪费，提高了能源利用的效率，减少了无用功的浪费。
[0207]曝气的作用是去除污水中的COD和氨氮，而去除氨氮相对去除COD要难，原因在于去除氨氮的微生物种群密度远远低于去除COD的种群密度和COD的去除反应在氨氮去除发生之前就已经开始进行，因此如果氨氮可以降到很低的水平，则可以认为COD已经被降到很低的水平了。将出水氨氮在线数据作为系统的判断依据之一，当氨氮高于设定值时系统给出增大风量的判断，反之则交由在线DO进行判断；进水C0D、氨氮、流量是第二种独立的判断过程，这三种参数对曝气总量的影响是线性的，也是独立的。两种判断过程同时进行，并分别分配优先级和权重，共同实现曝气总量的优化控制，将曝气总量实时调整并趋近于最合理的水平，从而达到节能和达标双赢的局面。反应池具有多台溶解氧在线监测仪(简称DO仪)，反应总曝气量是否充足不要求全部DO仪都准确无误，有一半以上DO仪保持正常状态即能满足调控需要。进水水质水量的调节可以弥补DO调节时存在的滞后性问题，结合出水氨氮的调控都可以弥补DO的调控力度相对小的缺点，使得DO的调控步幅可以尽量缩小，提高调控的精度，同时在DO的调控不能满足需要时又有其它调控因子的弥补，使得整个系统调控的安全性提高。正是这四种调控因子的有机结合和互相弥补，使得系统的调控精度和抗冲击能力都得到了提高。
[0208]前馈调节的因子有:进水水量，进水C0D，进水氨氮；
[0209]过程反馈因子有:在线溶氧仪(D0仪)，一般设多台；
[0210]终端反馈因子有:出水氨氮。
[0211]进水COD和进水氨氮可以合并为进水水质调节因子，加上进水水量调节因子，DO调节因子，出水氨氮调节因子共计四种调节因子。
[0212]进水COD仪的测量范围:10?5000mg/lC0D，测量精度为5mg/L，消解时间:可选3、5、10、20、30、40、60、80、100或120分钟可选，测量间隔时间:3,4-24小时或连续，也可由MODBUS触发仪器。信号输出采用模拟电流输出:0/4-20mA，最大负载500Ω。同时仪器自带MODBUS通讯协议，可以进行数字信号的通讯，仪器工作环境温度要求+5°C?+40°C。进水COD仪的主要工作原理为酸性总铬酸钾法，通过一系列的阀门与计量管的控制，吸取定量的水样到反应室，再吸取定量的酸性总铬酸钾溶液、硫酸汞溶液等到反应室，然后混匀，将混合液加热到150°C，反应15-60分钟，这个反应时间根据具体水样的情况可以人工调节，一般水样COD含量较低时选用的反应时间也相对较短，COD含量高时则选用较长的反应时间。反应结束后，启动比色装置对其进行比色分析，通过仪器中预存的计算公式，根据吸光度得出水样的COD浓度并进行输出。本实施例进水COD仪采用美国Hach公司的CODmax型在线仪表。
[0213]进水氨氮在线监测仪与出水氨氮在线监测仪型号相同。
[0214]进水流量计采用ABB电磁流量计，流量计共计16个，系统在运行中取16台流量计的总和值。流量计测量值误差为0.4%，标称尺寸为DN400，采用法兰连接方法与管道连接，标称压力为PN10，在实际工况下流量为满管的重力流，内衬采用DN350的PTFE，导电率>5 μ S/cm。生物反应池共有16个进水管,每个进水管上配有一台电磁流量计，16台流量计通过在本地PLC的加和，得出一个总流量，这个总流量就是系统的流量判断依据。溶解氧在线监测仪包括变送器与探头，该仪器采用光电原理进行DO值的测定，仪器运行稳定，数据测量准确，在线的测量探头可以实时的测定生物反应池中的DO情况。溶解氧在线监测仪采用美国Hach公司的sclOOO型溶解氧在线监测仪，其测量范围为0_20mg/L，测量精度为0.01mg/L，工作温度范围为0-50°C，反应时间90%在40秒内，95%在60秒内，探头淹没深度和压力限值最高107m或1050kPa，传感器通讯协议为Modbus，传感器对测量流体的最小流量无要求，可以在静止的液体中准确的完成测量。信号输出方式为4-20mA模拟信号，变送器再以4-20mA的信号将测定值传输给现场PLC，现场PLC通过光纤以数字信号的方式传输给中央控制室。
[0215]进、出水氨氮在线监测仪主要包括RF1板、MP1板、PC104板、电源板以及检测单元等，分别负责控制、存储、化验操作等功能。本实施例采用意大利systea的氨氮仪,其测量范围为0-20mg/L，测量精度为0.lmg/L，该氨氮仪模拟水质监测方法中的纳氏试剂法对氨氮进行测定，测量一次需要15min的时间，测量数据准确可靠。其数据传输方式可以采用4-20mA的方式传输，也可以采用485接口的数字传输方式输出数据，仪器传输给现场PLC采用的4-20mA信号，现场PLC将其转化为数字信号后通过光纤通讯传送到中央控制室，系统则在中央控制室的输入端上截取氨氮信号。
[0216]本发明将前馈控制、过程反馈、终端反馈相结合，引入模糊控制的理念，各种调节因子不直接给出风量应该是多少，而仅仅判断当前风量是偏高了还是偏低了，再根据这一判断对总风量进行一定步幅的减小或增大调节，通过数个周期的调节使曝气总量趋近于合理值，在来水水质水量或工艺过程发生较大变化时也能通过数个周期的适应使曝气总量重新趋于合理值。多因子多仪表相对独立起作用，每台仪表在PLC控制程序中设置开关，当数据异常和故障时可单独关闭而不影响其它因子的判断过程。
[0217]本发明的方法要点在于:将污水处理厂运行中的影响因子确定为五个，通过将这五种影响因子的工艺原理与自适应控制原理跨专业的结合，开发出了曝气总量精确控制的逻辑关系；五种影响因子又分为四类，根据污水处理工艺原理将各类因子都分配影响权重和调节周期，分别起作用参与风量的调控；每类影响因子不具体给出风量应该是多少，而是判断当前风量是偏高了还是偏低了，给出调大或调小的指令，使风量自动接近最合理值。进水水质，进水水量，在线D0，出水氨氮四种变量因子都与曝气总量有关，其中进水水质与进水水量是曝气总量的前因，在线DO和出水氨氮是曝气总量的后果。由于进水水质和水量变化的不确定性单纯的前馈控制往往会带来较大偏差，而单纯的反馈控制由于其滞后性也会造成控制的偏差。各种变量因子根据其对曝气总量的影响程度统一分配权重后分别单独控制曝气总量，可以起到优势互补的作用，控制效果则能够更为合理有效。比如根据水量变化及时调整曝气总量，可以避免纯DO控制时数据的剧烈变化，使得DO值更加趋于平稳；又如DO值的合理稳定有利于出水氨氮的稳定，因为考虑生物处理系统的水力停留时间出水氨氮控制周期为12h，出水氨氮值的稳定则为这种长周期控制的有效性提供了可能。反过来出水氨氮达到高值的大幅度调整，则是对DO控制和进水水量控制的校正，防止出现水质超标的现象。
[0218]本发明与之前理论公式推导计算的自控系统相比，运行的稳定性得到了大幅度的提高。从系统运行的效果来看，大大减弱了单台仪表的故障或测量误差对系统判断结果的影响，整个系统依赖20台在线仪表，除了出水氨氮在线监测仪，任何一台仪表故障都不会对系统稳定运行带来太大影响。
[0219]本发明使用的仪表均为一般污水处理厂常用的仪表，根据国家对污水处理厂在线仪表的要求，进水和出水设置COD在线监测仪、氨氮在线监测仪是必须的，而几乎所有的污水处理厂都会设置在线DO仪，因此，本发明可以广泛应用在其它污水处理厂，硬件条件完全具备。系统数据采集量并不大，控制信号的输出只控制一种设备，通过专业的工艺工程师对目标污水处理厂的工艺以及对应参数进行调整，系统很容易调整为针对目标污水处理厂的专属系统。系统的投入运行提高了污水处理厂运行的稳定性，提高了处理水质指标的同时降低了污水处理厂运行的电耗和药耗。通过系统在张贵庄污水处理厂的运行情况每年可实现节约电量200余万度，节省药剂投加量1000余吨，折合每年节约运行成本400余万元，实现二氧化碳减排2300余吨。同时多种精细控制措施的实施也使得污水处理厂处理效果得到进一步的提高，出水水质已接近IV类水体水质指标，较一级A标准又提高了一个等级。
[0220]上述参照实施例对该一种污水处理厂曝气总量的精确控制方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种污水处理厂曝气总量的精确控制方法，其特征是:按照常规污水处理厂得而设计要求设置进水COD仪、氨氮在线监测仪、进水流量计、溶解氧在线监测仪、出水氨氮在线监测仪放置以及若干台鼓风机，建立中心控制室，将上述仪表连接到中心PLC上，进水COD仪、氨氮在线监测仪、进水流量计、溶解氧在线监测仪和出水氨氮在线监测仪并联后与中心PLC连接，所述中心PLC与若干台鼓风机连接；所述中心PLC分别采集分别具有独立调节周期和调节幅度的四种变量信号，即出水氨氮、DO值、进水COD和氨氮、进水水量具有主次之分，且又相互关联的四种变量信号，四种变量信号通过中心PLC统一调配进而相互弥补不足，构成中心PLC控制调整鼓风机总风量的精确控制系统； 具体控制方法步骤如下， 一、进水水量、进水C0D、进水氨氮、DO值、出水氨氮、鼓风机风量信号输入中心PLC； 二、中心PLC进行运算,包括:判断进水水量、进水C0D、进水氨氮、DO值、出水氨氮因子的作用周期是否到时，当某一因子到达作用周期时，中心PLC根据该因子的逻辑程序得出在该因子当前值下对曝气总量的判断结果，即做出偏高或偏低的判断，若偏高则风量下调一定步幅，若偏低则风量上调一定步幅； 进水水量的判断公式为: 调整量=水量差值*气水比； 进水C0D、氨氮的判断公式为:
若 t3 = T3 ;
若 C3+A3 = O ；
则 F2 = F2 ;
若 C3+A3 幸 O ；
Sca = ((C1*C3+5A1*A3) / (C2+5*A2))K2 ；
若 Sca < 0.5 则 F2 = F2-F3 ；
若 0.5 彡 Sca 彡 1.5 则 F2 = F2 ;
若 Sca > 1.5 则 F2 = F2+F3 ；
t3 = O ; 其中: C1--------------进水COD测定值 C2-------------进水COD平均值 C3---------------------进水COD开关，正常取1，反之取O Al---------------------进水氨氮测定值 A2-------------进水氨氮平均值 A3---------------进水氨氮仪开关，正常取I，反之取O K2-进水C0D、氨氮权重系数 Sca-----------------------进水C0D、氨氮加和判断值S-------------------------总加和判断值 T3-----------------------进水水质判断周期，推荐取值24h t3-----------------------自然时间，进水水质计时器 DO值判断公式为:若 t2 = T2 ;若 Dj+Dg+...+D16+C3+A3 = O ；则 F2 = F2 ；若 Dj+Dg+**.+D16+C3+A3 幸 O ；若 D^D2+...+D16 = O ；则 F2 = F2 ;若 DfD2+…+D16 Φ O ；S。= (((O1^D1) /M1+ (02*D2) /M2+- + (016*D16) /M16) / (D^D2+- +D16))K1S = S0若 S < 0.5 则 F2 = F2+F3 ；若 0.5 彡 S 彡 1.5 则 F2 = F2 ;若 S > 1.5 则 F2 = F2-F3 ；t2 = O ；其中:Oi (i = 1，2，3…η)-----------------1-η 号 DO 仪值Mi (i = I, 2，3…η)------------------1-Π 号 DO 设定值Di (i = 1，2，3…η)--------1-η号DO仪开关，DO仪正常Di = 1，反之Di = OK1-------------------------------DO权重系数，建议取值为4S0--------------------------------DO加和判断值T2---------------------------------DO判断周期，推荐取值2ht2-----------------------------------自然时间，DO判断计时器出水氨氮判断公式为:若N3 = O,不执行任何操作；若 N3 = I ;若 L = T1 ;若N2 < N1，不执行任何操作；若 N2 彡 N1 且 N2 < K+1，则 F2 = F2+F3 ；若 N2 彡 N1+!且 N2 < 队+2，则 F2 = F2+2*F3 ；若 N2 彡 Ni+2 且 N2 < Ni+3,则 F2 = F2+3*F3 ；若队彡&+3，则& = &+5*&;若、=T1，则重复上述判断过程；其中:N1------------------------------------出水氨氮目标值N2------------------------------------出水氨氮测量值N3--------------------------------出水氨氮按钮，O为异常，I为正常F1--------------------------------当前风量，反馈值(m/h)F2--------------------------------输出风量，控制值(m/h)F3--------------------------风量调整幅度，根据需要可人工设定(m/h)T1-------------------------------氨氮因子周期，根据需要可人工设定 tl--------------------------------自然时间，出水氨氮计时器 三、将判断后得出的新的风量值传输到鼓风机的执行机构，按照新的风量值调整风量; 四、上述过程循环不间断进行，以应对实时的水质水量、工艺条件因素的变化。
2.根据权利要求1所述的污水处理厂曝气总量的精确控制方法，其特征是:所述进水流量计测量误差小于1%;所述进水COD仪、进水氨氮在线监测仪的测量周期小于24h，测量误差小于15% ;所述溶解氧在线监测仪的测量误差小于0.lmg/L ;所述出水氨氮在线监测仪的周期小于12h，测量误差小于0.2mg/L。
3.根据权利要求1或2所述的污水处理厂曝气总量的精确控制方法，其特征是:所述鼓风机与中心PLC连接后，向中心PLC提供远程启停信号地址或接受远程启停信号、风量大小调整的信号地址以及接受风量调整信号，并将风量大小信号实时传送到PLC上。
4.根据权利要求3所述的污水处理厂曝气总量的精确控制方法，其特征是:所述流量计采用随机电磁流量计，其测量变送器与探头一体，通过通讯电缆与中心PLC相连，即可将测量信号实时传送到PLC上。
【文档编号】G05B19/418GK104238527SQ201410493711
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月24日 优先权日:2014年9月24日
【发明者】邓彪, 魏彬, 张晓正, 魏锦彧, 杨慧敏, 韩宁, 卢凯, 马万里 申请人:天津创业环保集团股份有限公司