CN101028956A - 多段进水a/o生物脱氮溶解氧和碳源投加控制装置及方法 - Google Patents
多段进水a/o生物脱氮溶解氧和碳源投加控制装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
多段进水A/O生物脱氮溶解氧和碳源投加控制装置及方法属于活性污泥法污水处理系统自动控制领域。针对目前生物脱氮工艺效果差，运行费用高等问题，对生物脱氮硝化过程的关键因素—溶解氧和反硝化过程的关键因素—外碳源进行实时模糊控制。在系统内设置氨氮和硝酸盐氮在线传感器，实时采集出水氨氮和硝酸盐氮的数字信息，并作为模糊控制器的输入，经模糊化处理，模糊控制器实时输出系统的曝气量和外碳源投加量。采用该模糊控制方法后，可以最大程度的节省系统外碳源的投加量，并降低曝气运行费用。本发明控制系统结构简单，运行管理灵活，实现容易。
Description
技术领域
本发明涉及一种污水的生物脱氮工艺模糊控制装置与方法，属于活性污泥法污水处理系统自动控制的理论、方法与技术领域，适用于含氮工业废水处理和城镇生活污水生物处理。
背景技术
富营养化问题是当今世界各国面临的最主要的水污染问题之一，而氮、磷的超标排放则是引起富营养化的主要原因。为解决日益严重的水污染问题，我国在2002年新颁布的《城镇污水处理厂污染物排放标准》中增加了总氮、总磷最高允许排放浓度，同时也对出水氨氮提出了更严格的要求，可见污水处理的主要矛盾已逐渐由有机污染物的去除转变为氮磷污染物的去除。目前所有的新建污水处理厂均必须设置必要的处理设施以满足脱氮除磷的需求。同时，越来越高的污水排放指标是的新建的水厂必须考虑采用先进的过程控制技术，以降低运行成本，提高出水水质。
生物脱氮过程主要分为两部分，即通过硝化作用将氨氮转化为硝酸盐氮，再通过反硝化作用将硝酸盐氮转化为氮气从水中逸出，从而达到氮的去除。连续流分段进水A/O生物脱氮工艺是在传统的A/O工艺基础上经过适当改进而提出的。它具有脱氮效率高，无需设置硝化液内回流设施、节省药剂投量等优点。但该工艺较传统的A/O工艺相对复杂，因此，寻求合适的分段进水生物脱氮的过程控制方式一直是一个难题。
采用传统的过程控制须对反应过程建立精确的数学模型。而污水生物处理系统是典型的多变量、非线性、多处理目标的动态系统，加之多段进水A/O工艺的复杂性，很难建立其反应过程的数学模型，因此，若采用传统的过程控制对系统进行控制，在系统出现异常的情况下，很难保证出水效果。而模糊控制是智能控制的一个重要分支，它主要是模仿人的经验而不是依赖于控制对象的数学模型，实现人的某些智能，适用于复杂的动态系统的控制。目前，模糊控制在污水生物处理中已有一定的应用，但多数应用于序批式(SBR)活性污泥处理工艺过程中，连续流工艺过程应用较少。
发明内容
本发明的目的是提供一种保证连续流多段进水A/O生物脱氮硝化和反硝化效果的模糊控制装置和方法。采用该模糊控制装置和方法后，系统可以根据出水氨氮和硝酸盐氮浓度的实时变化，及时调整好氧区的曝气量和缺氧区反硝化的碳源投加量，从而保证硝化和反硝化完全。采用该模糊控制方法后，①避免传统恒曝气量控制，在进水氨氮负荷低时，曝气能耗大，浪费能量，而进水氨氮负荷高时，不能满足出水要求的问题。②实时控制碳源的投加量，针对出水端剩余的硝酸盐氮投加碳源，避免碳源浪费。③比传统过程控制更容易实现和操作，且控制精度更高。
本发明的技术原理：
连续流多段进水A/O溶解氧和碳源投加模糊控制原理，其特征在于：在线采集系统出水端DO和硝酸盐氮浓度的数字信号，来反映进水水质的变化，并将数字信号输入到模糊控制器，经模糊控制器处理后，输出直接作用于曝气系统和外碳源投加系统，调整硝化过程的最重要控制参数——溶解氧(DO)浓度和反硝化过程的重要控制参数——碳源量，从而保证硝化效果和反硝化效果。具体原理如下：
(1)在生物脱氮的硝化过程中，DO是最重要的控制参数，当进水氨氮负荷高时，好氧区DO浓度会相应降低，此时，需提高好氧区的曝气量，以保证硝化效果，使出水氨氮满足要求；而在生物脱氮的反硝化过程中，有机碳源的供给量则是最重要的控制参数。通常，脱氮系统都希望尽可能利用原污水中的碳有机物为反硝化提供碳源，但原水中的碳源通常不足，这就需要投加外碳源，以完成反硝化，从而将硝酸盐氮转化成氮气从系统逸出。
(2)当进水氨氮负荷变化时，由于曝气量过高或不足，好氧区出水DO浓度会降低或升高。此时，可以根据在线采集的DO浓度实测值和预先给定DO设定值之间的偏差e和偏差e的变化量Δe这两者的综合信息，来判断系统所经受的负荷扰动，给出合理的曝气量增量Δu，从而控制好氧区的DO浓度，保证硝化。当进水氨氮和COD负荷变化时，由于碳源投加不足或过量，缺氧区出水硝酸盐氮浓度会升高或降低。此时，根据在线采集的硝酸盐浓度实测值和预先给定的硝酸盐浓度设定值之间的偏差E和偏差E的变化量ΔE的综合信息，可以判定系统所经受的进水负荷扰动，给出合理的外碳源投加变化量ΔU。
本发明提供的多段进水A/O溶解氧和碳源投加模糊控制装置，污水贮水箱1由进水管和反应器2连接，反应器2经出水管和和沉淀池3连接，沉淀池污泥经污泥回流泵4回流到反应器进口端，采用空压机5为反应器的好氧区供氧。其特征在于，
反应器分为I、II、III三段，每一段包括一个缺氧区和两个好氧区，第I段包括第I段缺氧区6，第I段前好氧区7、第I段后好氧区8；第II段包括第II段缺氧区9、第II段前缺氧区10、第II段后好氧区11；第III段包括第III段缺氧区12、第III段前好氧区13、第III段后好氧区14；第III段缺氧区12内安装硝酸盐氮在线传感器15，采集的数据信号经硝酸盐氮信号输入接口16输入到碳源投加模糊控制器17，执行模糊规则和算法处理后，输出变量经外碳源投加量信号输出接口18，作用于外碳源投加计量泵19；在第III段的后好氧区安装DO在线传感器20，采集的在线DO数据信号经溶解氧信号输入接口21输入到恒DO模糊控制器22，实行模糊规则和算法处理后，输出变量经曝气量输出接口输出23，作用于变频器24，调整空压机5的输出风量，在空压机出口管路上安装空气流量测定仪25。
本发明提供的多段进水A/O生物脱氮工艺及溶解氧和外碳源投加模糊控制方法，其特征在于，
溶解氧模糊控制：采用恒DO模糊控制器控制好氧区的溶解氧浓度。在反应器第III段的后好氧区14安装DO在线传感器20，通过DO浓度的变化来反映进水氨氮浓度的变化。当DO浓度升高时，表明进水中氨氮负荷降低，此时需降低好氧区的曝气量，避免浪费曝气能耗；当DO浓度降低时，表明进水氨氮负荷升高，需加大好氧区的曝气量，以保证硝化效果。本发明采用恒DO模糊控制器控制系统的曝气量，后好氧区DO浓度设定值取1.5mg/L，第III段后好氧区14内的DO在线传感器20采集的DO浓度实测值和DO设定值的偏差e和偏差e的变化量Δe作为恒DO模糊控制器的输入变量，输入变量经模糊化处理，给出控制规则，以曝气量增量Δu作为模糊输出，输出的模糊量再经去模糊化过程，得出确定的控制量，作用于空压机变频器24，控制曝气系统的曝气量。
外碳源投加模糊控制：采用外碳源投加模糊控制器控制出水缺氧区出水的硝酸盐氮浓度。在反应器第III段的缺氧区12安装硝酸盐氮在线传感器15，通过硝酸盐氮的变化来指示进水负荷的变化和系统的反硝化效果。当硝酸盐氮升高时，说明系统反硝化效果变差，此时，需增大外碳源的投加量来强化反硝化效果；而当硝酸盐氮浓度低时，则降低外碳源的投加量，以节省碳源，降低运行成本。本发明采用外碳源投机模糊控制器来控制系统的外碳源投加量，缺氧区出水硝酸盐氮的设定值取5mg/L，第III段缺氧区12内的硝酸盐氮在线传感器采集的硝酸盐氮实测值和硝酸盐氮设定值的偏差E和偏差E的变化量ΔE作为外碳源投加模糊控制器的输入变量，输入变量经模糊化处理，给出控制规则，以外碳源投加量的增量ΔU作为模糊输出，模糊输出量再经去模糊化过程，得出确定的控制量，作用于外碳源投加计量泵19，控制外碳源的投加量，从而控制系统缺氧区出水的硝酸盐氮。
本发明的有益效果：
本发明工艺中，在最后一段好氧区设置DO在线传感器，采集DO浓度值，当进水氨氮符合增高时，硝化反应消耗的溶解氧增大，DO在线浓度降低；当系统进水氨氮浓度降低时，硝化反应消耗的溶解氧降低，DO在线浓度升高。根据这一规律，以及运行经验和试验数据，设计恒DO模糊控制器，控制系统的曝气量。该模糊控制器可以根据实时DO浓度的变化来判断进水氨氮负荷的变化，实时调整曝气量，保证硝化效果。在最后一段缺氧区设置硝酸盐在线传感器，采集硝酸盐氮浓度值，此硝酸盐氮浓度值是系统前面几段共同累积的硝酸盐氮总量，据此投加外碳源，既可以节省碳源，又可以保证出水水质。
本发明设计的多段进水A/O工艺溶解氧和外碳源投加模糊控制装置和方法与现有技术相比，具有以下优点：
(1)脱氮效果好，出水氨氮小于5mg/L，总氮小于10mg/L。2002年国家颁布的排污标准中，对城镇污水最严格的排放标准为氨氮小于5mg/L，总氮小于15mg/L，本发明设计的出水氨氮和总氮可满足和低于国家颁布的排污标准。
(2)在线测量装置较少，降低控制系统投资。本发明设计中，恒DO模糊控制器只需要一个DO浓度在线传感器，其价格远低于在线营养物传感器。而对于外碳源投加模糊控制器，只采用一个硝酸盐在线传感器。可大大降低控制系统的投资，并降低控制系统的复杂程度，易于管理。
(3)本发明装置实时采集DO浓度值作为进水氨氮负荷变化的信号，并通过恒DO模糊控制器实时调整曝气量，因此，系统抵抗进水冲击负荷的能力大大增强。
(4)本发明装置在最后一段的缺氧区设置硝酸盐传感器，采集的硝酸盐氮是整个系统累积的硝酸盐氮的总量，据此投加外碳源，可以最大程度的节省外碳源的投加量，降低运行成本，且处理效果可靠。
本发明的多段进水A/O溶解氧和外碳源投加控制方法，可广泛应用于采用连续流多段进水A/O工艺的大、中、小城市生活污水、工业废水的处理，尤其适用于低C/N生活污水的处理，处理效果好，运行费用低。
附图说明
图1是多段进水A/O溶解氧和外碳源投加模糊控制装置结构示意图
图1中，1-污水贮存池、2-多段进水A/O反应器、3-沉淀池、4-污泥回流泵、5-空压机、6-第I段缺氧区、7-第I段前好氧区、8-第I段后好氧区、9-第II段缺氧区、10-第II段前好氧区、11-第II段后好氧区、12-第III段缺氧区、13-第III段前好氧区、14-第III段后好氧区、15-硝酸盐氮在线传感器、16-硝酸盐氮信号输入接口、17-碳源投加模糊控制器、18-外碳源投加量信号输出接口、19-外碳源投加计量泵、20-DO在线传感器，21-溶解氧信号输入接口、22-恒DO模糊控制器、23-曝气量输出接口、24-变频器、25-空气流量测定仪。
图2：实施恒DO模糊控制后1天内进水氨氮和出水氨氮浓度变化图
图3：实施外碳源投加模糊控制后1天内的出水硝酸盐氮和总氮浓度变化图
具体实施方式
结合实施例，本发明工艺的运行操作过程为：
以某大学家属区排放的实际生活污水作为实验对象(COD＝160～290mg/L，TN＝35～80mg/L)。所采用的多段进水A/O生物脱氮反应器溶解300L，分为3段，每段容积100L。系统设置1台空压机，最大出风量为8m3/h，最小出风量为0。反应器首先进行污泥培养驯化，驯化结束后各段的污泥浓度为：第I段为5～5.5g/L，第II段为4～4.5mg/L，第III段位2.8～3.2mg/L。反应器日处理水量900L，第I段进水量11.2L/h，第II段进水15L/h，第III段进水为11.2L/h。反应温度为20℃。
系统运行初，将空压机的出口曝气量调整为3m3/h，进水COD浓度为180～200mg/L，氨氮浓度为50～55mg/L。第III段后好氧区采集的DO浓度信号均在2.5～3.5mg/L范围内，在此稳定浓度的进水条件下，让系统稳定运行7d，然后开始实时改变进水负荷，并开启过程控制系统，对溶解氧和外碳源投加量进行模糊控制。
模拟生活污水的水质变化规律，以1天内水质变化和相应的出水来说明恒DO模糊控制器和外碳源投加模糊控制器的工作情况：
溶解氧模糊控制：在反应器第III段的后好氧区14安装DO在线传感器20，采集DO浓度的实测值，通过实测值和DO设定值(1.5mg/L)的差值e和差值的变化Δe来反映进水氨氮浓度的变化。本例中，由于进水负荷不断变化，DO浓度实测值不断变化，DO浓度实测值和DO设定值的偏差e和偏差e的变化量不断变化，并被输入到恒DO模糊控制器，输入变量经模糊化处理，采用7个模糊语言变量并对模糊语言变量进行赋值，以曝气量增量Δu作为模糊输出，再采用加权平均将输出的模糊量清晰化，得出确定的曝气控制量u*，作用于空压机变频器，调整空压机转速，从而调整曝气系统的曝气量。图2为进行恒DO模糊控制后的进水氨氮、出水氨氮浓度图。图中可以看出，进水氨氮变化较大，而出水氨氮均小于3mg/L。
外碳源投加模糊控制：在反应器第III段的缺氧区12安装硝酸盐氮在线传感器15，通过硝酸盐氮的变化来指示进水负荷的变化和系统的反硝化效果。缺氧区出水硝酸盐氮的设定值取5mg/L，第III段缺氧区12内的硝酸盐氮在线传感器采集的硝酸盐氮实测值和硝酸盐氮设定值的偏差E和偏差E的变化量ΔE作为外碳源投加模糊控制器的输入变量，输入变量经模糊化处理，E采用8个模糊语言变量，ΔE和ΔU采用7个语言变量，并分别对语言变量赋值，以外碳源投加量的增量ΔU作为模糊输出，模糊输出量再经加权平均去模糊化，得出清晰控制量，作用于外碳源投加计量泵19，控制外碳源的投加量，从而控制系统缺氧区出水的硝酸盐氮。外碳源投加模糊控制器对系统的控制效果如图3示。从图可以看出，经外碳源模糊控制器控制之后，缺氧区出水硝酸盐氮的浓度可保持在设定值5mg/L之内。
本发明的溶解氧和外碳源投加模糊控制装置实施例参见图1。
具体的，多段进水A/O工艺恒DO模糊控制过程，
(1)采用二维控制器，以在线采集的DO浓度值和DO设定值的偏差e和偏差e的变化量Δe这两者的综合信息作为恒DO模糊控制器的输入变量，以曝气量增量Δu作为输出变量。
(2)将输入清晰变量经模糊化处理变为模糊变量。输入变量e、Δe、输出变量Δu的语言值变量均定义为7个：NB-负大，NM-负中，NS-负小，O-零，PS-正小，PM-正中，PB-正大。根据运行经验和试验数据，偏差e的语言变量的离散论域取[-1.5，1.5]，Δe的语言变量的离散论域取[-0.3，0.3]，输出曝气增量Δu的离散论域取[-6，6]。则模糊控制器输入变量e，Δe和模糊输出变量Δu的语言变量的赋值如表1，表2和表3示。
表1偏差e的语言变量赋值表
| -1.5 | -1 | -0.5 | 0 | 0.5 | 1 | 1.5 | |
| NBNMNSOPSPMPB | 1000000 | 0100000 | 0010000 | 0001000 | 0000100 | 0000010 | 0000001 |
表2偏差Δe的语言变量赋值表
| -0.3 | -0.2 | -0.1 | 0 | 0.1 | 0.2 | 0.3 | |
| NBNMNSOPSPMPB | 1000000 | 0100000 | 0010000 | 0001000 | 0000100 | 0000010 | 0000001 |
表3输出变量Δu的语言变量赋值表
| -6 | -5 | -4 | -3 | -2 | -1 | 0 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 |
| NBNMNSOPSPMPB | 1000000 | 0.50.500000 | 0100000 | 00.50.50000 | 0010000 | 000.50.5000 | 0001000 | 0000.50.500 | 0000100 | 00000.50.50 | 0000010 | 000000.50.5 | 0000001 |
(3)采用加权平均法将模糊输出变量Δu清晰化，输出清晰值u*。
经论域反变换，得到曝气量的精确控制量。
具体的，多段进水A/O工艺外碳源投加模糊控制过程，
(1)采用二维控制器，以在线采集的硝酸盐氮浓度值和硝酸盐浓度设定值的偏差E和偏差E的变化量ΔE这两者的综合信息作为外碳源投加模糊控制器的输入变量，以外碳源投加量的增量ΔU作为模糊输出变量。
(2)将输入清晰变量经模糊化处理变为模糊变量。输入变量E采用8个模糊语言变量：NB-负大，NM-负中，NS-负小，NO-负零，PO-正零，PS-正小，PM-正中，PB-正大；ΔE、输出变量ΔU的语言值变量均定义为7个：NB-负大，NM-负中，NS-负小，O-零，PS-正小，PM-正中，PB-正大。根据运行经验和试验数据，偏差E的语言变量的离散论域取[-5，5]，ΔE的语言变量的离散论域取[-1，1]，输出外碳源投加量的增量ΔU的离散论域取[-12，12]。则模糊控制器输入变量E，ΔE和模糊输出变量ΔU的语言变量的赋值如表4，表5和表6示。
表4偏差E的语言变量赋值表
| -5 | -4 | -3 | -2 | -1 | 0- | 0+ | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | |
| NBNMNSNOPOPSPM | 1000000 | 1000000 | 1000000 | 0100000 | 0010000 | 0001000 | 0000100 | 0000010 | 0000001 | 0000000 | 0000000 | 0000000 |
| PB | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 0 | 1 | 1 | 1 |
表5偏差ΔE的语言变量赋值表
| -1 | -0.75 | -0.5 | -0.25 | 0 | 0.25 | 0.5 | 0.75 | 1 | |
| NBNMNSOPSPMPB | 1000000 | 1000000 | 0100000 | 0010000 | 0001000 | 0000100 | 0000010 | 0000001 | 0000001 |
表6输出变量ΔU的语言变量赋值表
| -12 | -10 | -8 | -6 | -4 | -2 | 0 | 2 | 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | |
| NBNMNSOPSPMPB | 1000000 | 0.50.500000 | 0100000 | 00.50.50000 | 0010000 | 000.50.5000 | 0001000 | 0000.50.500 | 0000100 | 00000.50.50 | 0000010 | 000000.50.5 | 0000001 |
(3)采用加权平均法将模糊输出变量ΔU清晰化，输出清晰值U*。
经论域反变换，得到精确的外碳源投加量。
利用恒D0模糊控制器和外碳源投加模糊控制器，最终出水氨氮小于3mg/L，总氮小于8mg/L，远低于国家一级排放标准所要求的氨氮浓度(≤5mg/L)和总氮浓度(≤15mg/L)。
Claims (2)
1、多段进水A/O生物脱氮溶解氧和碳源投加控制装置，污水贮水箱(1)由进水管和反应器(2)连接，反应器(2)经出水管和和沉淀池(3)连接，沉淀池污泥经污泥回流泵(4)回流到反应器进口端，采用空压机(5)为反应器的好氧区供氧；其特征在于，
反应器分为I、II、III三段，每一段包括一个缺氧区和两个好氧区，第I段包括第I段缺氧区(6)，第I段前好氧区(7)、第I段后好氧区(8)；第II段包括第II段缺氧区(9)、第II段前缺氧区(10)、第II段后好氧区(11)；第III段包括第III段缺氧区(12)、第III段前好氧区(13)、第III段后好氧区(14)；第III段缺氧区(12)内安装硝酸盐氮在线传感器(15)，采集的数据信号经硝酸盐氮信号输入接口(16)输入到碳源投加模糊控制器(17)，执行模糊规则和算法处理后，输出变量经外碳源投加量信号输出接口(18)，作用于外碳源投加计量泵(19)；在第III段的后好氧区安装DO在线传感器(20)，采集的在线DO数据信号经溶解氧信号输入接口(21)输入到恒DO模糊控制器(22)，实行模糊规则和算法处理后，输出变量经曝气量输出接口输出(23)，作用于变频器(24)，调整空压机的输出风量，在空压机出口管路上安装空气流量测定仪(25)。
2、一种多段进水A/O生物脱氮溶解氧和碳源投加控制方法，其特征在于：
溶解氧模糊控制：采用恒DO模糊控制器控制好氧区的溶解氧浓度；在反应器第III段的后好氧区(14)安装DO在线传感器(20)，通过DO浓度的变化来反映进水氨氮浓度的变化；恒DO模糊控制器控制系统后好氧区DO浓度设定值取1.5mg/L，第III段后好氧区(14)内的DO在线传感器(20)采集的DO浓度实测值和DO设定值的偏差e和偏差e的变化量Δe作为恒DO模糊控制器的输入变量，输入变量经模糊化处理，给出控制规则，以曝气量增量Δu作为模糊输出，输出的模糊量再经去模糊化过程，得出确定的控制量，作用于空压机变频器(24)，控制曝气系统的曝气量；
外碳源投加模糊控制：在反应器第III段的缺氧区(12)安装硝酸盐氮在线传感器(15)，通过硝酸盐氮的变化来指示进水负荷的变化和系统的反硝化效果；缺氧区出水硝酸盐氮的设定值取5mg/L，第III段缺氧区(12)内的硝酸盐氮在线传感器采集的硝酸盐氮实测值和硝酸盐氮设定值的偏差E和偏差E的变化量ΔE作为外碳源投加模糊控制器的输入变量，输入变量经模糊化处理，以外碳源投加量的增量ΔU作为模糊输出，模糊输出量再经去模糊化过程，得出确定的控制量，作用于外碳源投加计量泵(19)，控制外碳源的投加量，从而控制系统缺氧区出水的硝酸盐氮。
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