CN101234818A - 一种城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制方法及其装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于环保技术领域的一种城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制方法及其装置。在曝气池的供气环路上连接鼓风机、供气干管。曝气区域分为四个子区，每个子区采用独立的供气干管供气，每个供气干管上安装有电动阀门，每个子区安装了溶解氧测定仪，该系统在可编程序控制器上实现了溶解氧和电动阀门的智能反馈控制。本发明适应城市污水厂进水的水质和水量的变化，保持曝气池中溶解氧浓度的稳定。根据分布在各个供气支管上气体流量计测定值的变化规律，反映污水厂进水水质和水量变化的综合结果，从而降低曝气单元的能耗，节省曝气单元运行费用。

Description

一种城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制方法及其装置
技术领域
本发明属于环保技术领域，具体涉及一种城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制方法及其装置。
背景技术
在当前污水处理领域中，活性污泥法是应用最为广泛的处理工艺之一，该工艺以曝气池为核心处理设备，在曝气作用下，曝气池混合液得到足够的氧气并使存活在活性污泥上的微生物分解可溶性有机物，使污水得到净化。其中，曝气池中溶解氧浓度的高低直接影响有机物的去除效率，并在活性污泥法污水处理过程中影响活性污泥的生长，同时也是影响运行费用和出水水质的重要因素，所以在活性污泥法处理系统的运行中溶解氧浓度是过程控制的重要控制参数。在污水处理过程的不同工况下(如：进水水量水质发生变化、供气系统管压发生变化、环境温度发生变化等)，对曝气池各段分支供气管道上的阀门的开度进行快速有效调节，保持溶解氧的稳定，对工艺的过程控制和降低曝气单元的能耗具有重大的现实意义。
在先技术中，大多数以活性污泥法为处理工艺的城市污水厂的曝气系统采用了简单的控制回路来自动控制或人工就地控制。简单控制回路采用了PID(比例-积分-微分)进行调节控制，根据曝气池中溶解氧检测仪的溶解氧测定值与溶解氧设定值进行比较，将两者偏差通过PID运算后输出电动阀门的开度信号，然后通过阀门的行程控制器进行相应调节，进而控制池内的溶解氧浓度；人工就地控制通过操作人员对当前工艺运行情况和溶解氧测定值与设定值的偏差分析，根据经验人为对阀门开度进行调节，从而控制池内的溶解氧浓度。上述在先技术控制方法的缺点在于：一是由于时间延迟，即从阀门开度的调节到池内溶解氧的测定值变化需要一段时间，造成溶解氧的调节滞后，从而引起波动；二是污水厂中的现有调节阀门一般都是非线性的，曝气量随阀门开度呈非线性变化，使用简单的PID控制容易造成溶解氧浓度的振荡；三是人工控制的效果与操作人员的经验有密切的关系，而且控制的可靠性比较低，容易产生调节过度的情况，造成溶解氧浓度的波动；四是上述的方法的曝气能耗高，这是由于上述方法调节下溶解氧浓度波动范围较大，为了保证工艺的安全运行，系统的溶解氧设定值只能保持在较高的数值上，保持了过大的冗余度而造成曝气量的增加，从而增加曝气单元的能耗：五是溶解氧浓度的波动范围大会影响曝气池内微生物的生长繁殖，对污水处理工艺的运行造成干扰，从而影响出水水质。
发明内容
本发明的目的是提供一种城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制方法及其装置。其特征在于：鼓风机1通过供气干管2接在曝气池22的供气环路上，在曝气池22内中部的供气环路两边各接第一供气支管6、第二供气支管7和第三供气支管8、第四供气支管9；在各供气支管上连接对应编号的第一电动阀门14、第二电动阀门15、第三电动阀门16、第四电动阀门17；第一溶解氧测定仪10、第二溶解氧测定仪11、第三溶解氧测定仪12、第四溶解氧测定仪13和第一气体流量计18、第二气体流量计19、第三气体流量计20、第四气体流量计21；在曝气池22左端设置有进水口3和出水口4，在曝气池22右端安装可编程序控制器5。
城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制方法为：
(1)当曝气池的进水水质和水量相对较稳定时，曝气池中各个分段需要的空气量基本保持稳定，通过对各个分段阀门的微调，抵御曝气系统中因管压或流量波动引起的曝气量的变化，内置在可编程序控制器上的控制程序通过对各个分段溶解氧测定仪测定的当前测定值和10分钟平均值变化趋势进行分析，从而保持曝气量的稳定；同时，根据溶解氧在较长历史时间的变化规律，对阀门的调节进行进一步修正，使得曝气量的变化趋势恰好能够抵御溶解氧浓度的变化趋势，即溶解氧浓度测定值低于设定值时，略微增大阀门开度，使得曝气量略微增大，从而使得溶解氧浓度升高；溶解氧浓度测定值高于设定值时，略微减小阀门开度，使得曝气量略微减少，从而使得溶解氧浓度降低；特别的是当溶解氧浓度测定值与设定值的差值的绝对值小于0.1mg/L时，阀门开度不变化，这是由于过于频繁的阀门调节会导致溶解氧浓度发生振荡。
(2)当曝气池的进水水质和水量发生相对较大变化时，曝气池中各个分段需要的空气量基本将按照水流经过的顺序依次发生变化，最靠近进水口的分段上的监测设备将很快监测到本段溶解氧浓度、阀门开度和曝气量的变化趋势。根据这些变化趋势，对阀门开度的调节量进行设定。当调节前10分钟的曝气量平均值增大而溶解氧浓度的平均值减少时，说明该段的处理负荷增加，实际需要的空气量不足，阀门的开度快速增大，从而使曝气量增加，减缓溶解氧浓度的下降趋势；当调节前10分钟的曝气量平均值减少而溶解氧浓度的平均值增加时，说明该段的处理负荷减少，实际需要的空气量过剩，阀门的开度快速减少，从而使曝气量减少，减缓溶解氧浓度的上升趋势。特别的是，为了防止这种调整方法造成溶解氧的波动，阀门每次的步进调节值最大为5％，这样就可以避免由于阀门调节幅度过大造成的曝气量的周期性振荡，有利于保持曝气池溶解氧浓度的稳定。
所述溶解氧浓度在稳定时间段内，曝气池中各个分段应在设定值的±0.2～0.5mg/L内。
所述城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制方法，具体控制过程为：
(1)当曝气池22的进水3的水质和水量相对较稳定时，曝气池22中各个分段生化反应需要的空气量基本保持稳定，内置在可编程序控制器5上的控制程序通过对各个分段的第一至第四溶解氧测定仪的当前测定值和10分钟平均值变化趋势进行分析，分别对第一至第四电动阀门进行微调，从而保持第一至第四供气支管的曝气量较为稳定。
(2)当曝气池22的进水口3的水质和水量发生相对较大变化时，曝气池22中各个分段生化反应需要的空气量将按照水流经过的顺序依次发生变化，最靠近进水口3的分段上的第一监测设备溶解氧测定仪10将很快监测到溶解氧浓度的变化，为了使得溶解氧保持稳定，可编程序控制器5将对第一电动阀门14的阀门开度进行步进式调节，从而增大或者减少第一供气支管6的曝气量，并利用第一气体流量计18进行调节的反馈，以减缓曝气池22靠近进水口3的溶解氧浓度的减小或者增大的趋势。在控制过程中，第一电动阀门14将每30秒调节一次，调节步长根据曝气池22的实际运行的相关参数通过经验设定，可以在10分钟后将第一供气支管6的第一气体流量计18的测定值调整到比较稳定的水平，以满足曝气池22的进水口3的水质和水量发生变化后，第一供气支管6所负责的供气区域微生物的生长在氧量上的实际需求；曝气池22中第二电动阀门15、第三电动阀门16和第四电动阀门17的调节方式基本与第一电动阀门14的调节方式一致，主要区别在于后续电动阀门的调节将参考距离进水口3的距离比较近的供气支管上在前10分钟的气体流量计和溶解氧测定仪的测定值的平均值的变化趋势，从而反映曝气池22的进水口3的水质和水量的变化，按照曝气池22当前的处理负荷的增加和减少情况，调节电动阀门开度，并利用各个空气支管上的气体流量计进行反馈，从而实现各个供气支管的按需曝气，达到控制曝气池22中第一溶解氧测定仪10、第二溶解氧测定仪11、第三溶解氧测定仪12和第四溶解氧测定仪13的测定值稳定的效果。
本发明的有益效果：
曝气池中溶解氧浓度的稳定控制是提高城市污水厂生化单元运行效率、保持污水厂出水水质达标、降低曝气系统能耗的必要条件。在先技术中的控制方法不能实现在污水厂进水水量和水质时刻发生变化的过程中，保持曝气池溶解氧浓度的稳定，从而影响污水厂的处理效率、增大曝气系统的能耗。本发明可以适应污水厂进水水量和水质的变化，保持曝气池中溶解氧浓度的稳定，对污水厂稳定安全的运行和降低系统能耗均有显著效果。
附图说明
图1是城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制装置示意图。
图1中，1-鼓风机、2-供气干管、3-进水口、4-出水口、5-可编程序控制器、6-第一供气支管、7-第二供气支管、8-第三供气支管、9-第四供气支管、10-第一溶解氧测定仪、11-第二溶解氧测定仪、12-第三溶解氧测定仪、13-第四溶解氧测定仪、14-第一电动阀门、15-第二电动阀门、16-第三电动阀门、17-第四电动阀门、18-第一气体流量计、19-第二气体流量计、20-第三气体流量计、21-第四气体流量计、22-曝气池。
图2是具体实施例中溶解氧浓度逐分钟变化趋势对比图。
图2中，1-溶解氧浓度设定值曲线、2-控制前溶解氧浓度变化曲线、3-控制后溶解氧浓度变化曲线。
具体实施方式
本发明提供一种城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制方法及其装置。在图1所示的城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制装置中，鼓风机1通过供气干管2接在曝气池22的供气环路上，在曝气池22内中部的供气环路两边各接第一供气支管6、第二供气支管7和第三供气支管8、第四供气支管9；在各供气支管上连接对应编号的第一电动阀门14、第二电动阀门15、第三电动阀门16、第四电动阀门17；第一溶解氧测定仪10、第二溶解氧测定仪11、第三溶解氧测定仪12、第四溶解氧测定仪13和第一气体流量计18、第二气体流量计19、第三气体流量计20、第四气体流量计21；在曝气池22左端设置有进水口3和出水口4，在曝气池22右端安装可编程序控制器5。
城市污水厂根据曝气池各段的曝气量变化规律，动态调节阀门开度，并根据曝气池内溶解氧浓度的变化趋势修正阀门的调节趋势，从而使得溶解氧浓度保持稳定，具体如下：(1)在进水水量和水质保持相对稳定的时间段，系统通过曝气池中溶解氧浓度和各个供气支管上气体流量计的测定值，对电动阀门进行微调，以抵消由于曝气池中生化反应条件的微小变化、供气管中管压的微小扰动和曝气池中污水流速的干扰等因素造成的曝气池中溶解氧浓度的变化和振荡，通过对该具体实施例的现场观测，
(2)在进水水量和水质发生较大变化的时间段，特别是在污水厂的进水泵房的运行状态进行调整后，曝气池的进水水量会在几个小时以后发生显著的变化。曝气池各个子区所需要的空气量将按照水流经过的顺序依次发生变化，系统将根据各段气体流量计测定值的变化规律进行相应的调节，以尽量保持溶解氧浓度的稳定。通过对该具体实施例的现场观测，各个子区的溶解氧浓度在该段时间稳定在各自设定值的±0.4mg/L内，溶解氧浓度的波动范围比第一种情况略大，这主要是由曝气池处理水质水量的显著变化引起的。
下面结合图1所示的控制装置，说明具体的控制过程，当曝气池22的进水3的水质和水量相对较稳定时，曝气池22中各个分段生化反应需要的空气量基本保持稳定，内置在可编程序控制器5上的控制程序通过对各个分段溶解氧测定仪的测定值的当前值和10分钟平均值变化趋势进行分析，分别对各电动阀门进行微调，从而保持各供气支管稳定的曝气量。
当曝气池22的进水口3的水质和水量发生相对较大变化时，曝气池22中各个分段生化反应需要的空气量将按照水流经过的顺序依次发生变化，最靠近进水口3的分段上的监测设备第一溶解氧测定仪10将很快监测到溶解氧浓度的变化，为了使得溶解氧保持稳定，可编程序控制器5将对第一电动阀门14的阀门开度进行步进式调节，从而增大或者减少第一供气支管6的曝气量，并利用第一气体流量计18进行调节的反馈，以减缓曝气池22靠近进水口3的溶解氧浓度的减小或者增大的趋势。在本发明中，第一电动阀门14将每30秒调节一次，调节步长根据曝气池22的实际运行的相关参数通过经验设定，可以在约10分钟后将第一供气支管6的第一气体流量计18的测定值调整到比较稳定的水平，以满足曝气池22的进水口3的水质和水量发生变化后，第一供气支管6所负责的供气区域微生物的生长在氧量上的实际需求。曝气池22中其他的电动阀门(第二电动阀门15、第三电动阀门16、第四电动阀门17)的调节方式基本与第一电动阀门14的调节方式一致，主要区别在于后续电动阀门的调节将参考距离进水口3的距离比较近的第一供气支管上在前10分钟的第一气体流量计和第一溶解氧测定仪的测定值的平均值的变化趋势，从而反映曝气池22的进水口3的水质和水量的变化，按照曝气池22当前的处理负荷的增加和减少情况，调节电动阀门开度，并利用各个供气支管上的气体流量计进行反馈，从而实现各个供气支管的按需曝气，达到控制曝气池22中各个溶解氧测定仪(第一溶解氧测定仪10、第二溶解氧测定仪11、第三溶解氧测定仪12、第四溶解氧测定仪13)的测定值稳定的效果。
实施例：
以某城市污水厂的一个实际运行的曝气池作为实施对象，该曝气池处理能力约为40,000m3/d，池长95m，池中设计水深6.5m，其中曝气区域分为四个子区，每个子区采用DN300的独立空气管供气，每个空气管上安装有电动阀门，每个子区安装了溶解氧测定仪，原系统在可编程序控制器上实现了溶解氧和电动阀门的PID反馈控制。采用本发明的方法和装置，在现有系统基础之上进行改造，首先在每个电动阀门之后的空气管上安装气体流量计，其次利用本发明的控制方法修改现有可编程序控制器上的控制程序。以气量动态变化反馈控制方法实现实际曝气后，具体情况如图2所示，图2是本实施例中溶解氧浓度逐分钟变化趋势对比图。从图中可以看出，在未实施本发明中的控制方法之前，溶解氧浓度曲线2距离设定值曲线1的偏差较大，特别是在8:00到15:00的时间段内，曝气池中溶解氧的实际浓度远远高于设定值；而在实施本发明中的控制方法之后，溶解氧浓度曲线3距离设定值曲线1较近，曝气池中溶解氧的实际浓度和设定值的偏差在±0.5mg/L内。这是由于本方法不仅考虑了曝气池处理负荷变化时供气量的变化，而且在负荷较为稳定的情况下考虑了曝气池中生化反应条件、供气管中管压和曝气池中污水流速等微小的干扰因素，保证了曝气池中溶解氧浓度的稳定。
在采用该过程控制方法与装置后，可以在现有利用鼓风曝气方式的曝气系统上，合理部署一系列的仪表和设备，并可根据进水负荷的动态变化，及时自动调整各个曝气支管阀门的开度，使得曝气量总是能满足微生物的需要，达到“按需曝气、稳定工艺、节能降耗”的效果。该系统通过对曝气池中的溶解氧、气体流量、阀门开度等指标进行监测，对阀门的开度进行自动调节，保证曝气池的溶解氧能稳定在实际设定值的±0.3mg/L范围内。采用该控制方法后，可以解决在先技术中曝气池溶解氧浓度波动范围大、工艺运行条件变化大、曝气单元能耗高等问题。
从上述实施例可以得出本发明具有以下优点：
(1)保持曝气池各段的曝气量能满足生化反应的需要，保持工艺的稳定运行。本发明中各个电动阀门的开度将依靠气体流量计的测定值的当前值和变化趋势进行调节，从而使得各个供气支管的曝气量恰好能满足当前曝气池中各段生化反应所需要的空气量，有利于微生物种群的生长繁殖，从而保证生化单元工艺的稳定运行。
(2)适应城市污水厂进水的水质和水量的变化，保持曝气池中溶解氧浓度的稳定。本发明中根据分布在各个供气支管上气体流量计测定值的变化规律，反映污水厂进水水质和水量变化的综合结果，并通过溶解氧测定仪的测定值进行阀门开度的修正调节，使得即使在污水厂进水水质和水量发生剧烈变化的情况下，曝气池中的溶解氧浓度仍然能保持稳定，测定偏差稳定在设定值±0.3mg/L。
(3)降低曝气单元的能耗，节省曝气单元运行费用，在先技术由于不能稳定的控制曝气池中的溶解氧浓度，为了保证工艺稳定运行和处理效果，一般采用提高溶解氧浓度设定值的方法；而采用本发明中的方法可以降低溶解氧浓度的设定值，减少鼓风机实际输送的气体质量，从而降低曝气单元的能耗。

Claims (4)

1.一种城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制装置，其特征在于：鼓风机(1)通过供气干管(2)接在曝气池(22)的供气环路上，在曝气池(22)内中部的供气环路两边各接第一供气支管(6)、第二供气支管(7)和第三供气支管(8)、第四供气支管(9)；在各供气支管上连接对应编号的第一电动阀门(14)、第二电动阀门(15)、第三电动阀门(16)、第四电动阀门(17)；第一溶解氧测定仪(10)、第二溶解氧测定仪(11)、第三溶解氧测定仪(12)、第四溶解氧测定仪(13)和第一气体流量计(18)、第二气体流量计(19)、第三气体流量计(20)、第四气体流量计(21)；在曝气池(22)左端设置有进水口(3)和出水口(4)，在曝气池(22)右端安装可编程序控制器(5)。
2.一种城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制方法，其特征在于，城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制方法为：
(1)当曝气池的进水水质和水量相对较稳定时，曝气池中各个分段需要的空气量基本保持稳定，通过对各个分段阀门的微调，抵御曝气系统中因管压或流量波动引起的曝气量的变化，内置在可编程序控制器上的控制程序通过对各个分段溶解氧测定仪测定的当前测定值和10分钟平均值变化趋势进行分析，从而保持曝气量的稳定；同时，根据溶解氧在较长历史时间的变化规律，对阀门的调节进行进一步修正，使得曝气量的变化趋势恰好能够抵御溶解氧浓度的变化趋势，即溶解氧浓度测定值低于设定值时，略微增大阀门开度，使得曝气量略微增大，从而使得溶解氧浓度升高；溶解氧浓度测定值高于设定值时，略微减小阀门开度，使得曝气量略微减少，从而使得溶解氧浓度降低；特别的是当溶解氧浓度测定值与设定值的差值的绝对值小于0.1mg/L时，阀门开度不变化，这是由于过于频繁的阀门调节会导致溶解氧浓度发生振荡；
(2)当曝气池的进水水质和水量发生相对较大变化时，曝气池中各个分段需要的空气量基本将按照水流经过的顺序依次发生变化，最靠近进水口的分段上的监测设备将很快监测到本段溶解氧浓度、阀门开度和曝气量的变化趋势，根据这些变化趋势，对阀门开度的调节量进行设定，当调节前10分钟的曝气量平均值增大而溶解氧浓度的平均值减少时，说明该段的处理负荷增加，实际需要的空气量不足，阀门的开度快速增大，从而使曝气量增加，减缓溶解氧浓度的下降趋势；当调节前10分钟的曝气量平均值减少而溶解氧浓度的平均值增加时，说明该段的处理负荷减少，实际需要的空气量过剩，阀门的开度快速减少，从而使曝气量减少，减缓溶解氧浓度的上升趋势，特别的是，为了防止这种调整方法造成溶解氧的波动，阀门每次的步进调节值最大为5％，这样就可以避免由于阀门调节幅度过大造成的曝气量的周期性振荡，有利于保持曝气池溶解氧浓度的稳定。
3.根据权利要求2所述城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制方法，其特征在于，所述溶解氧浓度在稳定时间段内，曝气池中各个分段的溶解氧浓度测定值与设定值的差值应在设定值的±0.1～0.5mg/L内。
4.根据权利要求2所述城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制方法，其特征在于，所述城市污水厂曝气池溶解氧稳定智能控制方法，具体控制过程为：
(1)当曝气池(22)的进水口(3)的水质和水量相对较稳定时，曝气池(22)中各个分段生化反应需要的空气量基本保持稳定，内置在可编程序控制器(5)上的控制程序通过对各个分段的第一至第四溶解氧测定仪的当前测定值和10分钟平均值变化趋势进行分析，分别对第一至第四电动阀门进行微调，从而保持第一至第四供气支管的曝气量较为稳定；
(2)当曝气池(22)的进水口(3)的水质和水量发生相对较大变化时，曝气池(22)中各个分段生化反应需要的空气量将按照水流经过的顺序依次发生变化，最靠近进水口(3)的分段上的第一监测设备溶解氧测定仪10将很快监测到溶解氧浓度的变化，为了使得溶解氧保持稳定，可编程序控制器(5)将对第一电动阀门(14)的阀门开度进行步进式调节，从而增大或者减少第一供气支管(6)的曝气量，并利用第一气体流量计(18)进行调节的反馈，以减缓曝气池(22)靠近进水口(3)的溶解氧浓度的减小或者增大的趋势。在控制过程中，第一电动阀门(14)将每30秒调节一次，调节步长根据曝气池(22)的实际运行的相关参数通过经验设定，可以在10分钟后将第一供气支管(6)的第一气体流量计(18)的测定值调整到比较稳定的水平，以满足曝气池(22)的进水口(3)的水质和水量发生变化后，第一供气支管(6)所负责的供气区域微生物的生长在氧量上的实际需求；曝气池(22)中第二电动阀门(15)、第三电动阀门(16)和第四电动阀门(17)的调节方式基本与第一电动阀门(14)的调节方式一致，主要区别在于后续电动阀门的调节将参考距离进水口(3)的距离比较近的供气支管上在前10分钟的气体流量计和溶解氧测定仪的测定值的平均值的变化趋势，从而反映曝气池22的进水口(3)的水质和水量的变化，按照曝气池(22)当前的处理负荷的增加和减少情况，调节电动阀门开度，并利用各个空气支管上的气体流量计进行反馈，从而实现各个供气支管的按需曝气，达到控制曝气池(22)中第一溶解氧测定仪(10)、第二溶解氧测定仪(11)、第三溶解氧测定仪(12)和第四溶解氧测定仪(13)的测定值稳定的效果。
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