CN103570190A - 一种基于模糊控制的再生水厂化学除磷药剂投加量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种新型的实用的城市再生水厂除磷加药前馈反馈控制方法，所提出的控制方法以除磷加药模型为基础构造前馈控制环节，并将出口磷含量、进水流量和进口磷含量作为模糊系统的输入，输出控制量补偿值。补偿值的引入使得系统具有一定的自适应能力，有利于排除后续除磷工艺例如生物除磷等因素的干扰。由于该方法的模糊系统中考虑了其他影响因素，使得系统能够实现比一般前馈反馈控制方法更为精确的投药过程，降低了系统运行成本；进一步促进了微生物对有机物、磷以及氮的吸收，降低了所需化学除磷试剂药耗，同时，在一定程度上优化了生物池内的生物菌落结构；该方法不仅能够减轻污水处理厂的经济负担，而且给活性污泥工艺带来积极的影响。

Description

一种基于模糊控制的再生水厂化学除磷药剂投加量方法

技术领域

本发明涉及一种模糊控制的药剂投加量方法，涉及再生水厂化学除磷领域，尤其涉及一种基于模糊控制的再生水厂化学除磷药剂投加量方法。

背景技术

生活污水中所含的磷主要有如下几个来源：来自下水管道的排泄物、丢弃的食物以及其它各种洗涤剂。如果没有对污水中含量高的磷进行处理，则很容易导致水体的富营养化，带来严重的污染。因此，在污水处理引入相关除磷工艺就显得非常重要。目前，城市生活污水除磷的主要方法包括化学除磷法、生物除磷法和人工湿地技术。

化学除磷是利用化学试剂中的正离子与废水中的磷反应生成沉淀，从而实现去除污水中的磷的方法。该方法得到了特别广泛的应用，国外众多著名的大型污水处理厂使用的都使用化学沉淀法来除磷。由于该方法在国外的污水除磷过程中的广泛应用，国内的大批水厂也都引进该工艺并取得了很好的除磷效果。化学沉淀法的除磷效率高，出水磷含量可达到一级B标准的要求。目前，国内污水厂使用最多的是铝盐、铁盐、钙盐等化学除磷药剂。

与化学法相比，生物除磷过程比较复杂。生物除磷过程主要由一种叫聚磷菌的细菌来完成。生活污水中的磷通常以溶解性正磷的形式存在，经聚磷菌的吸收，变为不溶性聚磷聚集在聚磷菌体内。从而达到除去污水中的磷的效果。有关生物除磷的机理还有待进一步深入研究。

化学辅助生物法指的是通过把化学试剂投加到配水井中，化学试剂经过溶解，进入到曝气池生物同时发生除磷的过程。在微生物的作用下，可以同时去除有机物、磷和氮。

化学除磷试剂投加控制方法主要经过了手动控制阶段、自动控制阶段和智能控制阶段。

1、手动控制阶段

手动控制方法先后进行了多次改进，这些投药控制方法各有优缺点，主要归纳为经验判断法和烧杯试验法。经验判断法依赖于操作人员的经验；而烧杯试验法根据前一天的试验结果来调节当前的投药量。

2、自动控制阶段

自动控制阶段主要包括：单回路控制方法、软测量技术、前馈控制系统以及前馈-反馈控制系统。其中，单回路控制方案采用简单的PID反馈控制方式，但该方法只适用于小型污水处理厂；目前用于除磷过程的软测量技术包括流动电流法和透光率检测法，这些方法在很大程度上减少了检测信号的滞后时间，但对设备要求高；前馈控制方法一般以原水的流量、浊度、pH、COD含量等一些参数，拟合出以投药量为输出变量的数学模型，以克服反馈控制方法控制滞后的缺点；前馈-反馈控制系统以过滤前或过滤后污水的磷含量或以软测量测得的参数构成反馈控制，并以原水磷含量浓度为测量值构成前馈控制。该方法结合了前馈控制和反馈控制的优点，能够取得较好的控制效果。

3.智能控制阶段

智能控制阶段有机地综合了包括人工智能、控制论、系统论和信息论等多门学科技术。智能控制的过程主要具有如下特点：首先，它从知识信息为基点，从中以启发式的方法来学习、推理、求解。第二，该过程含有不确定性、复杂性和模糊性，其主要内容包含了专家系统、模糊系统，还有群体智能等诸多方面内容。

国内的再生水厂广泛使用烧杯试验法，由于该方法控制作用滞后，难以取得较好的控制效果。同时，再生水厂为了保证在大多数情况下出口磷含量达标，加药量设定在较高的值。因此，过量加药的问题也因此普遍存在。发明人在研究过程中发现，化学试剂过量投加会导致生物池内的磷含量过低，导致聚磷菌生长所需的磷含量不足，极大的抑制聚磷菌菌落的生长，进而影响到它对有机物、磷以及氮的吸收，降低了生物除磷的效果。这样一来，过量投药不仅会加重污水处理厂的经济负担，还会给活性污泥工艺带来负面的影响。此外，在活性污泥法（SBR）工艺的高达3～4小时的大迟滞前提下，一般的除磷加药反馈控制难以发挥其应有的作用。

经过潜心研究发现，可以通过模糊系统对其它影响除磷过程的因素做出有效估计，进而对控制作用进行有效的补偿。为此本发明提出一种基于模糊控制的再生水厂化学除磷药剂投加量方法，该方法依靠模糊系统，可以对污水处理过程中所有能够影响除磷因素进行有效估计，不仅能保证出水水质达标而且可以实现除磷加药过程的自适应控制。

发明内容

针对以上问题，本发明提供一种新型的实用的城市再生水厂除磷加药前馈反馈控制方案。其中，所述城市再生水厂采用序批式活性污泥法，主要除磷过程包括生物池、脱水机房、氮池，并具有变频器和隔膜加药泵组成的加药系统。该控制方案如下：进、出口总磷在线分析仪及进水流量计通过通讯系统将相关参数发送给上位机，上位机根据前馈单元及模糊反馈单元的计算出实时所需加药量，将该所需加药量转化为对应的加药泵频率值，通过通讯模块将该设定频率值传输至变频加药系统，通过反馈调节来实现所需药量的精确投加，并且将PLC作为安全连锁设备，从而实现加药量跟踪除磷负荷的在线调节。

该方法所投加的化学试剂流量由下式所示的前馈数学模型决定：

M=b₁×Q+b₂×(P₁-P_S)+b₃×Q×(P₁-P_S)+b₄×(P₁-P_S)²+b₅×Q×(P₁-P_S)²

+b₆×(P₁-P_S)³+Δk   (1)

式中：b₁～b₆为常数；

M为所需加药流量，m³/h；

Q为进口水流量，m³/h；

P₁为进口磷含量的浓度，mg/L；

P_S为出口磷含量设定值，mg/L；

Δk为模糊系统的补偿输出流量值，m³/h。

其中，表达式(1)中b_n(n=1,2,3,4,5,6)的取值可以根据实际情况而重新拟合确定。

在上述城市再生水厂化学除磷试剂投加控制模型中，需首先设定出口磷含量设定值P_S。进口磷含量P₁和进口水流量来自现场数据采集。Δk为模糊系统根据当前水流量、进出口磷含量对其他影响因素的控制作用补偿值。

模糊系统构成的反馈单元的补偿输出流量值Δk=k₂×U_BP+b，式中，k₂为比例系数；b为常数；U_BP为模糊系统输出。

该模糊系统构成如下：由出口磷含量U_TP、进口水流量U_FL和进口磷含量U_CP作为模糊系统的输入，模糊系统输出为控制量补偿值U_BP。各输入输出变量根据实际分别取值论域：U_TP={A₁，B₁，C₁，…}，U_FL={A₂，B₂，C₂，…}，U_CP={A₃，B₃，C₃，…}，U_BP={A₄，B₄，C₄，…}。其中，模糊系统的输入输出变量个数及各变量的取值论域可以根据不同情况进行调整。各变量依据实际选取隶属度函数形状，并依据实际情形建立系统的模糊规则库。

根据本发明的基于模糊系统的城市再生水厂化学除磷药剂投加量控制方法及其装置，可以解决如下问题并产生良好的控制效果。由于序批式活性污泥法中化学除磷过程的纯滞后时间高达3～4小时，一般的反馈信号难以发挥作用，无法实现高质量的反馈控制。因此反馈信号仅能作为产生控制作用的稳态参考。通过模糊系统对其他影响除磷过程的因素做出有效估计，能够对控制作用进行有效的补偿。在所提出的控制方法中，以除磷加药模型为基础构造前馈控制环节，并将出口磷含量、进口水流量和进口磷含量作为模糊系统的输入，输出控制量补偿值。补偿值的引入使得系统具有一定的自适应能力，有利于排除后续除磷工艺例如生物除磷等因素的干扰。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1、由于该方法的模糊系统中考虑了其他影响因素，使得系统能够实现比一般前馈反馈控制方法更为精确的投药过程，在满足出水达标的情况下，大幅度降低了药耗，降低了系统运行成本。

2、由于该方法使得化学试剂适量投加，有利于生物池内微生物（例如聚磷菌等）的生长，进一步促进了微生物对磷的吸收，又一次降低了所需化学除磷试剂药耗，同时，在一定程度上优化了生物池内的生物菌落结构，给活性污泥工艺带来积极的影响。

3、由于该方法的模糊规则库可以依据实际情况进行更新，可以实现除磷加药过程的自适应控制。

附图说明

图1是本发明的城市再生水厂除磷加药系统的简化流程图。

图2是本发明的化学除磷智能加药控制系统的简化流程图。

图3是本发明的装置结构图。

图4是本发明实施例的进口水流量曲线图。

图5是本发明实施例的进口磷含量曲线图。

图6是本发明实施例的出口磷含量曲线图。

图7是本发明实施例的化学除磷试剂加药量曲线图。

具体实施方式

以下将结合附图和实施实例对本发明作进一步说明。

如图1所示为本发明的城市再生水厂除磷加药系统的简化流程图，再生水厂的污水处理过程如下：原污水经过过滤及除臭处理，加入混凝剂后，进入生物池；在生物池中混凝剂与废水中的磷进行沉析反应和化学絮凝反应，同时生物池中的某些细菌群落也会消耗废水中的磷，形成絮凝体；在后经其他工艺经出水泵房送出污水厂；其中，本发明的进口总磷在线分析和化学除磷加药点安装在沉砂池后配水井前，且进口总磷在线分析仪的检测口在化学除磷加药点之前；出口总磷在线分析仪安装在出水泵房；再生水厂使用的化学除磷试剂为液态PAFC，浓度在7%～8%左右。

如图2所示为本发明的化学除磷智能加药控制系统的简化流程图，本发明的化学除磷智能加药控制系统主要包括由前馈模型、设定单元和前馈控制器构成的前馈单元；数据采集和模糊系统构成的反馈单元；以及变频加药系统；前馈单元的前馈模型和反馈单元的模糊系统是影响系统加药的最主要因素，下面将对前馈单元中所使用的数学模型及反馈单元中的模糊系统进行展开介绍。

前馈模型所涉及的参数包括进口磷含量和进口水流量。根据北京市某污水处理厂的主体工艺SBR，投药点设置在旋流沉砂池之后，采用化学除磷总量可表述为P=原水中的总磷–二沉池出水的总磷–生物除磷量，即：

P=Q₁(P₁–P₃–P₂×k)    (2)

式中，Q₁为污水日处理量，m³/d；

P₁为进水中磷含量的浓度，mg/L；

P₂为混凝后出水磷含量的浓度，mg/L；

P₃为(二沉池)出水中磷含量的浓度，mg/L；

k为生物除磷率，根据污水厂历史数据得出，在本实施例中取值为51.6%。

一般化学除磷采用铁盐或铝盐为除磷剂通过投加药剂除磷的烧杯试验可以建立药剂投量系数β与沉淀后水中总磷浓度的关系：

P₂=（1–0.2β）P₁    (3)

实际运行中除磷药剂投加的质量流量公式为：

M₁=βP=βQ₁(P₁–P₃–P₂×k)    (4)

将式(3)代入式(4)经过整理，得到

M₁=βQ₁[(0.484+0.1032β)P₁–P₃]    (5)

式中，M₁为除磷剂的实际投加的质量流量，mg/L；

β为投药量系数，适用于本实施例的β取值范围为1～2.6。

考虑到化学除磷试剂的不完全反应等因素，将式(5)改写为下式：

M₁=βQ₁×(P₁–P₃)

(6)

根据化学除磷加药试剂的质量流量与体积流量的转换关系，以及日处理水量和实时进口水流量Q的转换关系，并且令P₃=P_S，确定该污水厂化学除磷过程的前馈投药量数学模型为：

M=a×Q×(P₁–P_S)

(7)

式中，a=β×k₁，k₁=0.938×10^-5。在不同入口磷含量分段区间取样，分别做烧杯试验，确定投药量系数β的取值如下式：

故投药系数的取值为：

由于烧杯试验进行的次数有限，所得到的分段数学模型在三维空间中的输出曲面不连续（以流量、磷含量为自变量，投药量为因变量）。在分段点的加药量取值出现较大差异，例如：在Q为4000m³/h，设定值P_S为0.5时，将P₁=6mg/L代入区间3和区间4，两种情况的加药量M分别为0.33m³/h和0.2882m³/h，两者的差值高达0.05m³/h，而M的取值范围为0～0.5m³/h，由此得出两种情况求得的加药量差异较大，这显然不利于实现药剂的精确投加。

对分段模型的输出曲面进行插值和拟合，得出符合实际情况的连续加药模型：

M=b₁×Q+b₂×(P₁-P_S)+b₃×Q×(P₁-P_S)+b₄×(P₁-P_S)²+b₅×Q×(P₁-P_S)²

+b₆×(P₁-P_S)³   (8)

式中，b₁=5.223×10^-3；b₂=-1.593×10^-3；b₃=1.092×10^-4；b₄=1.827×10^-6；b₅=1.144×10^-5；b₆=-6.273×10^-7；

Q为进口水流量，m³/h；

P₁为进口磷含量的浓度，mg/L；

P_S为出口磷含量设定值，mg/L；

其中，表达式(8)中b_n(n=1、2、3、4、5、6)的取值可以根据不同实际情况进行重新拟合得到。

反馈模块由模糊系统构成。其中，出口磷含量、进口水流量和进口磷含量作为模糊系统的输入，输出控制量补偿值。下面对每个输入变量的取值进行分析，并模糊量化。

进口磷含量：根据历史统计信息，进水的磷含量可以高达10mg/L之高，可以低至2mg/L。具有白天进口磷含量较高，晚上进口磷含量较低的普遍规律。因此，进口磷含量的取值论域为U_TP={低，中，高}。其中，进口磷含量低于3mg/L属于低，在3～7mg/L之间属于中，大于7mg/L属于超高。

进口水流量：根据污水厂水处理量的设计，最大瞬时进口水流量和正常瞬时进口水流量规定2000m³/h以内属于水流量低；在2000～4000m³/h之间属于进口水流量中，超过4000m³/h属于进口水流量量高。因此，进口水流量的取值论域U_FL={低，中，高}。

出口磷含量：根据排放标准（≤1mg/L），出口磷含量小于等于0.3mg/L为低，0.3～0.7mg/L之间属于中，大于0.7mg/L为高。该输入变量的取值论域U_CP={低，中，高}。

控制量补偿值：根据变频器的设定以及加药泵的特性，在调节加药泵的冲程为90的情况下，规定-3～-1.75Hz之间属于补偿值负大，在-1.75～-0.5Hz之间属于补偿值负，在-0.5～0.5Hz之间属于补偿值零，在0.5～1.75Hz之间属于补偿值正，在1.75～3Hz之间属于补偿值正大。因此，控制量补偿值取值论域U_BP={负大，负，零，正，正大}。

此外，上述控制量补偿值U_BP与模糊系统的补偿输出流量值Δk的对应关系如下式：

Δk=k₁×U_BP+b   （9）

式中，k₁为比例系数，在本实施例中取值为0.0119；

b为常数，在本实施例中取值为-0.1163。

因此，由前馈单元的加药模型和模糊反馈单元的补偿模型构成的混合加药模型为：

M=b₁×Q+b₂×(P₁-P_S)+b₃×Q×(P₁-P_S)+b₄×(P₁-P_S)²+b₅×Q×(P₁-P_S)²

+b₆×(P₁-P_S)³+Δk   (10)

各变量根据实际要求选择隶属度函数的类型和参数，建立与实际情况相符合的化学除磷加药的隶属度函数。隶属度函数的确定主要采用专家确定法。在本实施例中，使用三角形隶属度函数。

依靠水处理专家的经验知识建立起完整全面的模糊规则是污水除磷模糊系统做出正确决策的前提。污水除磷模糊系统有三个输入变量，其中进口磷含量有3个取值，进口水流量有3个取值，出口磷含量有3个取值。根据组合原理，总共有3×3×3=27条规则。下面根据实际情况将这些规则进行合并与精简，得出如表一所示的污水除磷加药模糊规则表。

表一 污水除磷加药模糊规则表

其中，模糊规则表可以根据实际系统输入输出变量个数及其取值论域进行灵活调整。

模糊推理的过程如下：首先根据出口磷含量、进口磷含量和进口水流量三个输入变量值，计算得出模糊规则前件的五种情况的论域值；采用由Mamdani提出的最小运算法则的模糊蕴含运算由前提条件推断出结论；再利用模糊并（Max）合成规则来合成出最终的结论；反模糊化过程中使用的是中心法，实现系统输出的模糊量到数值输出的转化。上位机根据模型(10)计算得出所需加药量，并由加药流量与频率值的转化关系式计算出变频加药泵的工作频率，其中加药流量频率值的转化关系式由下式决定：

H=k₂×M+d   （11）

式中：H为加药泵工作频率，Hz，限定取值范围为20Hz～50Hz；

M为所需加药流量，m³/h；

k₂为比例系数，在本实施例中取值为83.8；

d为常数，在本实施例中取值为9.88。

如图3所示，本发明所使用的监控系统由以下部分构成：1、检测系统由安装在沉砂池后配水井前的进口总磷在线分析仪、配水井处的进口水流量计、出水泵房的出水总磷分析仪、隔膜加药泵出口处的加药流量计及上位机（磷分析计算机）的监测界面构成；2、控制系统由上位机的控制界面、PLC、变频器及隔膜加药泵构成。其中，任意两个点之间的通讯可以由无线或者电缆通讯来实现，并且上位机系统可以扩展为DCS系统。在本实施例中，进、出口总磷在线分析仪通过无线通讯RTU方式发送给上位机，且上位机通过无线通讯模块将控制信号传输至变频加药系统，通过反馈调节来实现所需药量的精确投加，并且将PLC作为安全连锁设备。

由图4和图5所示，该两图分别为再生水厂两周内的入口水流量数据曲线图和进口磷含量曲线图，其中168小时前为固定加药方法的一周进口水质数据，168小时后为本发明方法实施时的一周进口水质数据。

由图6所示，前一周采用再生水厂原来的固定加药方法，出口磷含量为0.1～1.7mg/L；在本发明的控制方法实施一周期间，出口磷含量为0.1～0.6mg/L。

由图7所示，前一周采用再生水厂原来的固定加药方法，每天的加药量为10.92～12.6吨，平均值为11.4吨；在本发明的控制方法实施一周期间，每天的加药量为5.88～10.08吨，与固定加药方法的平均值相比，节药百分比的平均值为33.8%。

上述结果表明，本发明所述的基于模糊系统的城市再生水厂化学除磷药剂投加量控制方法及其装置在保证了出水水质达标的前提下，使得出水的磷含量具有较强的稳定性，同时大幅度减少了药耗，大大减低了成本。

最后还需要强调的是，本发明针对的是污水除磷过程，提出了前馈数学模型和模糊系统相结合的混合投药模型，实现了污水化学除磷药剂投加的智能控制。凡是在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、扩展等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于模糊控制的再生水厂化学除磷药剂投加量方法，其特征在于：本发明的化学除磷智能加药控制系统包括数据采集系统、控制系统和变频加药系统；控制系统包括前馈单元和模糊反馈单元，前馈单元包括前馈模型、设定单元和前馈控制器，模糊反馈单元包括模糊系统；变频加药系统包括PLC、变频器和隔膜加药泵；数据采集系统和控制系统构成上位机（磷分析计算机）监控系统。 

2.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的再生水厂化学除磷药剂投加量方法，其技术特征在于：该方法前馈单元中的前馈模型，由下式确定 

M=b₁×Q+b₂×(P₁-P_S)+b₃×Q×(P₁-P_S)+b₄×(P₁-P_S)²+b₅×Q×(P₁-P_S)²

+b₆×(P₁-P_S)³+Δk 

式中：b₁～b₆为常数； 

Q为进口水流量，m³/h； 

P₁为进口磷含量的浓度，mg/L； 

P_S为出口磷含量设定值，mg/L； 

Δk为模糊系统的补偿输出流量值，m³/h。 

式中b_n(n=1、2、3、4、5、6)的取值可以根据实际情况而定。 

模糊反馈单元的输出Δk由下式确定 

Δk=k₂×U_BP+b 

式中，k₂为比例系数；b为常数；U_BP为模糊系统输出。 

3.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的再生水厂化学除磷药剂投加量方法，其技术特征在于：模糊反馈单元中的模糊系统， 该模糊系统构成如下，由出口磷含量U_TP、进水流量U_FL和进口磷含量U_CP作为模糊系统的输入，模糊系统输出为控制量补偿值U_BP。各输入输出变量根据实际分别取值论域如下U_TP={A₁，B₁，C₁，…}，U_FL={A₂，B₂，C₂，…}，U_CP={A₃，B₃，C₃，…}，U_BP={A₄，B₄，C₄，…}；其中，模糊系统的输入输出变量个数及各变量的取值论域可以根据不同情况进行调整；各变量依据实际选取隶属度函数形状；依据实际工况建立系统的模糊规则库。 

4.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的再生水厂化学除磷药剂投加量方法，其技术特征在于：模糊系统的推理过程推如下，首先根据出口磷含量、进口磷含量和进口水流量三个输入变量值，计算得出模糊规则前件的各种情况的论域值；采用由Mamdani提出的最小运算法则的模糊蕴含运算由前提条件推断出结论；再利用模糊并（Max）合成规则来合成出最终的结论；反模糊化过程中使用的是中心法，实现系统输出的模糊量到数值输出的转化。 

5.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的再生水厂化学除磷药剂投加量方法，其技术特征在于：数据采集系统系统由安装在沉砂池后配水井前的进口总磷在线分析仪、配水井处的进水流量计、出水泵房的出水总磷分析仪、隔膜加药泵出口处的加药流量计及上位机的监测界面构成。 

6.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的再生水厂化学除磷药剂投加量方法，其技术特征在于：该变频加药系统的加药点安装在沉砂池后配水井前，且化学除磷加药点安装在进口总磷在线分析仪 的检测口之后。 

7.根据权利要求1所述的一种基于模糊控制的再生水厂化学除磷药剂投加量方法，其技术特征在于：上位机与各检测设备、PLC之间的通讯可以由无线或者电缆通讯来实现，并且上位机系统可以扩展为DCS系统。 

Images