CN103663674A - 一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置及控制方法，它包括生物处理单元，生物处理单元的入口管路上设置有进水水量水质仪表，进水水量水质仪表将在线检测到的生物处理单元的进水量Q和进水水质信息传输至综合控制器内；溶解氧仪和气体流量计将采集到的溶解氧DO、曝气干管和支管内气体流量信息均传输至综合控制器内；设置在生物处理单元出口管路上的出水水质仪表将在线检测到的出水水质信息也传输至综合控制器内；综合控制器根据接收到的信息进行前馈-反馈综合调节后输出控制信号，控制鼓风机、电动阀门工作。本发明可以广泛在污水处理技术领域中应用。

Description

一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种城市污水处理技术领域中的控制装置及方法，特别是关于一种在生化处理过程中的污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置及控制方法。

背景技术

曝气系统是整个污水处理过程的核心，曝气系统所用能耗约占整个污水处理厂总用电量的50～70%，是污水处理厂耗能最大的单元。提高污水处理厂曝气系统的能效，实现曝气系统的节能降耗对污水处理厂的优化运行有着重要意义。目前，国内污水处理厂曝气系统的控制水平普遍较低，存在以下问题：为了保证出水达标，运行人员维持较高的溶解氧（Dissolved Oxygen，DO）浓度，导致曝气能耗的浪费；污水处理厂现有仪表和曝气设备不支持自动控制；多数污水厂仍然采用人工操作鼓风系统，人为因素对曝气量的控制影响大；少数污水处理厂采用单参数反馈控制，溶解氧波动大，抗负荷冲击能力较差，造成出水水质不稳定。如果能综合水质、微生物的反应情况等对曝气系统进行优化控制，将能降低曝气系统的能耗，并且维持合适的溶解氧浓度，实现节能降耗和稳定运行。

现有污水处理厂曝气过程控制技术的主要核心思想是通过检测曝气池内的溶解氧浓度，对曝气风量进行反馈控制，控制算法一般都是单输入单输出（SISO）的比例积分（PI）算法。此外，根据工艺优化后的条件需求，采用多参数或者多条件的多输入单输出（MISO）的模型算法，可以提高控制系统实现某种工艺功能的针对性。还有利用风能和光能驱动曝气的控制方法，但是与污水处理厂的曝气过程控制差别较大。由此可知，目前污水处理厂的曝气过程控制技术还存在如下不足：（1）采用简单的单级反馈控制方法时，缺少中间变量，控制回路没有区分快速的充氧过程和慢速的耗氧过程，因此难以达到稳定控制的效果，实际应用过程中经常出现超调和震荡的情况。（2）采用比较简单的串级反馈控制方法时，缺少前馈补偿，难以应对进水负荷快速和大幅度波动的情况，导致溶解氧控制效果欠佳。（3）采用了比较复杂的专家系统或者智能控制策略时，对模型识别和参数率定的要求很高，控制效果不稳定或者未被实际工程检验，难以在实际工程中应用。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置及控制方法，其能实现鼓风曝气系统的前馈-反馈综合调节，稳定生物反应池内的溶解氧浓度。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，其特征在于：它包括生物处理单元、进水水量水质仪表、综合控制器、出水水质仪表、鼓风机和电动阀门；在所述生物处理单元内还设置有溶解氧仪和若干气体流量计，各所述气体流量计分别设置在所述生物处理单元内的曝气干管和支管上；所述生物处理单元的入口管路上设置有所述进水水量水质仪表，所述进水水量水质仪表将在线检测到的所述生物处理单元的进水量Q和进水水质信息传输至所述综合控制器内；所述溶解氧仪和气体流量计将采集到的溶解氧DO值、曝气干管和支管内气体流量DQ值均传输至所述综合控制器内；设置在所述生物处理单元出口管路上的所述出水水质仪表将在线检测到的出水水质信息也传输至所述综合控制器内；所述综合控制器根据接收到的信息进行前馈-反馈综合调节后输出控制信号，控制所述鼓风机、电动阀门工作。

所述综合控制器包括前馈补偿模块、反馈补偿模块、串级反馈控制模块和PID控制模块；所述前馈补偿模块将采集到的进水水量水质仪表的进水量Q和进水水质信息、以及溶解氧DO值、曝气干管和支管内气体流量DQ值，传输至所述串级反馈控制模块内；所述反馈补偿模块将采集到的出水水质仪表的出水水质信息传输至所述串级反馈控制模块内；所述串级反馈控制模块根据接收到的所有信息对溶解氧DO值进行补偿，根据补偿后溶解氧设定值与实测值的差值计算需气量的设定值，然后由所述串级反馈控制模块根据接收信息对需气量设定值进行补偿，并将补偿后的需气量设定值传输至所述PID控制模块内处理，由所述PID控制模块向所述鼓风机、电动阀门输出控制信号。

所述进水水量水质仪表包括进水水量仪表、进水水质仪表、COD在线检测仪和氨氮在线检测仪。

所述COD仪采用光学法COD在线检测仪，所述进水水量仪表采用电磁流量计，所述氨氮在线检测仪采用离子选择电极法在线氨氮仪。

所述出水水质仪表为氨氮在线检测仪，所述氨氮在线检测仪采用离子选择电极法在线氨氮仪。

基于上述一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置的控制方法，其包括以下步骤：1）前馈补偿模块将采集到的进水化学需氧量COD、氨氮的浓度以及进水量Q进行进水负荷计算，计算结果进行数据质量判断分析，根据计算结果在预设的最优溶解氧数据表格中查找需要的溶解氧设定值，以向串级反馈控制模块输出溶解氧前馈补偿调节量ΔDO_IN(t)；2）前馈补偿模块将采集到的进水量Q和曝气干管气体流量DQ值进行运算，计算瞬时气水比；将瞬时气水比进行数据质量判断分析，若判定结果未超过预设范围时，维持当前状态不变；若判定结果为出现流量突变时，则启动前馈补偿模块，调节串级反馈控制模块的需气量设定值，改变实际气体流量，保持瞬时气水比基本稳定；3）串级反馈控制模块将实测的生物处理单元内反应池的溶解氧浓度与预先设定值比较，采用PI算法计算需气量的设定；同时，根据实测的生物处理单元内反应池的气体流量以及需气量设定值，采用PI算法计算鼓风机、电动阀门所需阀门开度和鼓风机流量调节度，输出到PID控制模块，对鼓风机、电动阀门的阀门开度、鼓风机流量控制；4）反馈补偿模块将采集到的出水水质信号与预先设定的排放标准进行计算，得到出水氨氮的安全裕量；根据出水氨氮安全裕量的大小，对串级反馈控制模块中溶解氧设定值或需气量设定值进行补偿。

所述步骤1）中，所述溶解氧前馈补偿调节量ΔDO_IN(t)计算方法为：假设当前给定的溶解氧设定值为DO_st(t)，根据水温T、进水化学需氧量COD负荷L_COD、进水氨氮负荷

，在预设的最优溶解氧数据表格中查得需要的最佳溶解氧DO设定值DO_IN(t)，得到ΔDO_IN(t)为：ΔDO_IN(t)＝DO_IN(t)-DO_st(t)。

所述步骤3）中，所述生物处理单元内反应池内需气量的调节值ΔDQ(t)为：ΔDQ(t)＝ΔDQ_ST(t)+ΔDQ_IN(t)+ΔDQ_EF(t)，其中，ΔDQ_ST(t)为当前需气量的调节量；K₁和K₂是系数，通过实验调试确定；ΔDQ_IN(t)为基于进水水量的需气量前馈补偿值；ΔDQ_EF(t)为基于出水水质的需气量反馈补偿的调节值；所述阀门开度或鼓风机流量的调节量ΔDV(t)为：ΔDV(t)＝K₃ΔDQ(t)+K₄ΔDQ(t-1)，式中，ΔDQ(t-1)是指上一个控制周期(t-1)时刻需气量的调节量；K₃和K₄是系数，通过实验调试确定。

所述步骤4）中，假设出水水质的氨氮浓度为T(t)，出水标准为T_ST，则安全裕量ST为：ST＝T_ST-T(t)＞0，假设一般风险的安全裕量设定值为b，较高风险的安全裕量设定值为c，有b＞c，按PI算法计算基于出水水质反馈补偿的溶解氧设定值ΔDO_EF(t)和需气量ΔDQ_EF(t)为：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{DO}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)={\mathrm{\&Delta;DQ}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=0& \mathrm{ST}>b\\ {\mathrm{\&Delta;DO}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=K_5\left(\frac{b}{b+\mathrm{ST}}\right){\mathrm{DO}}_{\mathrm{ST}}(t-1),{\mathrm{\&Delta;DQ}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=0& b>\mathrm{ST}>c\\ {\mathrm{\&Delta;DO}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=0,{\mathrm{\&Delta;DQ}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=K_6\left(\frac{c}{c+\mathrm{ST}}\right)\mathrm{DQ}(t-1)& \mathrm{ST}<c\end{array}\right.,$

式中，DO_ST(t-1)和DQ(t-1)是指上一个控制周期(t-1)时刻生物处理单元的溶解氧设定值和需气量设定值；K₅和K₆为系数，通过调试确定。

所述水处理厂鼓风曝气过程实时控制方法根据仪表配置情况和信号质量，实现对控制策略进行自动切换：当进水水量水质仪表、出水水质仪表、溶解氧仪、气体流量计全部正常工作时，执行步骤1）至步骤4）完整的前馈/反馈-溶解氧串级反馈控制策略；当进水水质仪表故障时，取消步骤1）中溶解氧设定前馈补偿，其余控制策略继续进行控制；当进水水量仪表故障时，取消全部前馈补偿模块，其余控制策略正常控制；当出水水质仪表故障时，取消全部反馈补偿模块，其余控制策略继续进行控制；当溶解氧仪故障时，取消溶解氧串级反馈控制模块，使用气量设定控制策略；当气体流量计故障时，取消全部控制策略，直接采用预先设定的阀门开度。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过溶解氧串级反馈控制来抑制曝气过程的小幅度扰动，通过前馈补偿来削弱进水负荷大幅度波动的影响，通过反馈补偿来提高出水水质的可靠性。2、本发明根据仪表配置情况和信号质量，可以自动对控制策略进行切换。全部仪表正常工作时，执行完整的控制策略。某部分仪表故障时，可以使用部分的控制策略，仍能达到良好控制效果。3、本发明为了克服溶解氧超调和震荡的问题，对反馈环节采用串级控制，分离快速和慢速回路，可在一定波动范围内实现稳定控制。4、本发明为了克服串级控制难以抑制大幅度波动的问题，采用进水负荷和水量的多级前馈补偿，克服进水负荷或者气体流量大幅度波动对生化池溶解氧的影响。5、本发明简化了控制策略与装置要求，满足大部分污水处理厂的软硬件基础条件，能够快速和标准化实施；同时预留了高级控制的接口，可扩展高级功能。本发明可以广泛应用于污水处理技术领域。

附图说明

图1是本发明的装置整体结构示意图，图中“→”表示污水处理工艺过程，“-··→”表示控制信号；“--→”表示仪器仪表采样过程；

图2是本发明的方法整体流程示意图；

图3是本发明前馈-反馈综合控制器策略选择示意图。

具体实施方式

本发明涉及的污水处理工艺曝气方式主要为鼓风曝气系统。曝气过程是指为满足生化反应对于溶解氧的需求，通过鼓风机向生物处理单元输送空气的过程。曝气过程是污水处理厂最重要的环节之一，直接影响污水处理效果的好坏。若生物池的曝气量不够，则硝化反应不能完全进行；若曝气量过度，水中的溶解氧就会通过回流液抑制反硝化的进行，导致脱氮效果不理想。下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，其包括生物处理单元1、进水水量水质仪表2、综合控制器3、出水水质仪表4、鼓风机5和电动阀门6。其中，在生物处理单元1内还设置有溶解氧仪7和若干气体流量计8，各气体流量计8分别设置在生物处理单元1内的曝气干管和支管上。

生物处理单元1的入口管路上设置有进水水量水质仪表2，进水水量水质仪表2将在线检测到的生物处理单元1的进水量Q和进水水质信息传输至综合控制器3内。生物处理单元1内设置的溶解氧仪7和气体流量计8将采集到的溶解氧DO值、曝气干管和支管内气体流量DQ值均传输至综合控制器3内。同时，设置在生物处理单元1出口管路上的出水水质仪表4将在线检测到的出水水质信息也传输至综合控制器3内。综合控制器3根据接收到的信息进行前馈-反馈综合调节后输出控制信号，控制鼓风机5、电动阀门6工作，完成对污水处理厂鼓风曝气量的实时控制。其中，进水水质信息包括COD（需氧量）和氨氮的浓度，出水水质信息包括氨氮的浓度。

上述实施例中，综合控制器3包括前馈补偿模块9、串级反馈控制模块10、反馈补偿模块11和PID控制模块12。前馈补偿模块9用于采集进水水量水质仪表2的进水量Q和进水水质信息、以及溶解氧DO值、曝气干管和支管内气体流量DQ值，并传输至串级反馈控制模块10内；前馈补偿模块9将进水量Q、进水水质、溶解氧DO值和气体流量DQ值计算后与预先设定的阈值进行比较，并向串级反馈控制模块10内输入溶解氧设定值或需气量设定值的前馈补偿调节量。反馈补偿模块11用于采集出水水质仪表4的出水水质信息，并传输至串级反馈控制模块10内；反馈补偿模块11将出水水质信息与预先设定的排放标准进行比较，计算出水氨氮的安全裕量，并向串级反馈控制模块10内输入溶解氧设定值或需气量设定值的反馈补偿调节量。串级反馈控制模块10根据接收到的所有信息对溶解氧DO值进行补偿，根据补偿后溶解氧设定值与实测值的差值计算需气量的设定值，然后由串级反馈控制模块10根据接收信息对需气量设定值进行补偿，并将补偿后的需气量设定值传输至PID控制模块12内处理，由PID控制模块12向鼓风机5、电动阀门6输出控制信号。

上述各实施例中，进水水量水质仪表2包括进水水量仪表、进水水质仪表、COD在线检测仪和氨氮在线检测仪，其中COD仪可以采用光学法COD在线检测仪，进水水量仪表可以采用电磁流量计。

上述各实施例中，出水水质仪表4为氨氮在线检测仪。进水水量水质仪表2中的氨氮在线检测仪和出水水质仪表4中的氨氮在线检测仪都可以采用离子选择电极法在线氨氮仪。

如图2所示，基于污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，本发明的污水处理厂鼓风曝气过程实时控制方法包括以下步骤：

1）前馈补偿模块9将采集到的进水化学需氧量COD、氨氮的浓度以及进水量Q进行进水负荷计算，计算结果进行数据质量判断分析，根据计算结果在预设的最优溶解氧数据表格中查找需要的溶解氧设定值，以向串级反馈控制模块10输出溶解氧前馈补偿调节量ΔDO_IN(t)；当溶解氧设定值前馈补偿环节被取消时，则输出ΔDO_IN(t)＝0。

其中，进水水量水质仪表2采集进水水质信号，与进水量Q和生物处理单元1内的反应池体积一起，计算进水化学需氧量COD负荷L_COD和进水氨氮负荷

$L_{\mathrm{COD}}=\frac{\mathrm{COD}\&times;Q_{\mathrm{INF}}}{V},L_{{\mathrm{NH}}_{3}N}=\frac{{\mathrm{NH}}_{3}N\&times;Q_{\mathrm{INF}}}{V}---\left(1\right)$

式中，COD为进水化学需氧量，单位为kg/m³；NH₃N为氨氮的浓度，单位为kg/m³，Q_INF为进水流量，单位为m³/d；V为生化池的容积，单位为m³。

假设当前给定的溶解氧设定值为DO_st(t)，根据水温T、进水化学需氧量COD负荷L_COD、进水氨氮负荷

在预设的最优溶解氧数据表格中查得需要的最佳溶解氧DO设定值DO_IN(t)，计算溶解氧前馈补偿调节量ΔDO_IN(t)：

ΔDO_IN(t)＝DO_IN(t)-DO_st(t)       (2)

2）前馈补偿模块9将采集到的进水量Q和曝气干管气体流量DQ值进行运算，计算瞬时气水比；将瞬时气水比进行数据质量判断分析，若判定结果未超过预设范围时，维持当前状态不变；若判定结果为出现流量突变时，则启动前馈补偿模块9，调节串级反馈控制模块10的需气量设定值，改变实际气体流量，保持瞬时气水比基本稳定。

其具体过程如下：

假设t时刻控制周期内进水量Q算术平均值为Q_IN(t)，曝气干管气体流量DQ算术平均值为DQ(t)，则瞬时气水比x的变化幅度y按下式计算：

x(t)＝DQ(t)/Q_IN(t)，

y(t)＝[x(t)-x(t-1)]/x(t-1)×100%。   (3)

当气水比变化幅度y超过设定的安全范围a%（例如20%，但是不限于此，可以根据实际需要确定）时，进行需气量设定值的前馈补偿。此时根据气水比变化幅度y计算需气量设定值ΔDQ_IN，并发送到PID控制模块12。需气量设定补偿值ΔDQ_IN的计算公式如下：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{\&Delta;DQ}}_{\mathrm{IN}}\left(t\right)=0& \left|y\right|<a\\ {\mathrm{\&Delta;DQ}}_{\mathrm{IN}}\left(t\right)=\left(\frac{\left|y\right|}{100}\right)\mathrm{DQ}(t-1)& \left|y\right|>a\end{array}\right.---\left(4\right)$

式中，|y|为变化幅度y的绝对值，DQ(t-1)是指上一个控制周期(t-1)时刻曝气干管的气体流量，a%为设定的安全变化范围。

3）串级反馈控制模块10将实测的生物处理单元1内反应池的溶解氧浓度与预先设定值比较，采用比例-积分（Proportional and Integration,PI）算法计算需气量的设定；同时，根据实测的生物处理单元1内反应池的气体流量以及需气量设定值，采用PI算法计算鼓风机5、电动阀门6所需阀门开度和鼓风机5流量调节度，输出到PID控制模块12，实现对鼓风机5、电动阀门6的阀门开度、鼓风机5流量控制。

其具体过程如下：

控制过程采用串级反馈算法，比较溶解氧浓度的当前值DO(t)与设定值DO_st(t)之间的差值ΔDO_ST(t)，计算公式为：

ΔDO_ST(t)＝DO_st(t)-DO(t)    (5)

然后计算溶解氧的调节值ΔDO(t)：

ΔDO(t)＝ΔDO_ST(t)+ΔDO_IN(t)+ΔDO_EF(t)   (6)

其中ΔDO_IN(t)为基于进水负荷的溶解氧设定前馈补偿值，ΔDO_EF(t)为基于出水水质的溶解氧反馈补偿调节值，初始化时由人工指定DO_st(t)或取默认值。

根据上式计算的溶解氧调节值ΔDO(t)，使用PI算法计算当前需气量的调节量ΔDQ_ST(t)：

ΔDQ_ST(t)＝K₁ΔDO(t)+K₂ΔDO(t-1)   （7）

然后计算需气量的调节值ΔDQ(t)：

ΔDQ(t)＝ΔDQ_ST(t)+ΔDQ_IN(t)+ΔDQ_EF(t)   （8）

式中，ΔDO(t-1)是指上一个控制周期(t-1)时刻溶解氧浓度值与预先设定值的差值；K₁和K₂是系数，可以通过实验调试确定；ΔDQ_IN(t)为基于进水水量的需气量设定值的前馈补偿量；ΔDQ_EF(t)为基于出水水质的需气量设定值反馈补偿的调节量。

根据上式计算得到的需气量调节值ΔDQ(t)，使用PI算法计算阀门开度或鼓风机5流量的调节量ΔDV(t)，并输出到PID控制模块12。其中调节量ΔDV(t)为：

ΔDV(t)＝K₃ΔDQ(t)+K₄ΔDQ(t-1)   （9）

式中，ΔDQ(t-1)是指上一个控制周期(t-1)时刻需气量的调节量；K₃和K₄是系数，可以通过实验调试确定；初始化ΔDV(t)时由人工给定或者取默认值。

4）反馈补偿模块11将采集到的出水水质信号与预先设定的排放标准进行计算，得到出水氨氮的安全裕量。根据出水氨氮安全裕量的大小，对串级反馈控制模块10中溶解氧设定值或需气量设定值进行补偿。

其具体过程如下：

假设出水水质的氨氮浓度为T(t)，出水标准为T_ST，则安全裕量ST为：

ST＝T_ST-T(t)＞0     （10）

根据反馈补偿模块11中的数据质量判断分析，对出水氨氮安全裕量进行判定，判定结果为较低风险时，维持当前状态不变；判定结果为一般风险时，启动反馈补偿模块11，改变串级反馈模块13中的溶解氧设定值，缓慢增加安全裕量；判定结果为较高风险时，启动反馈补偿模块11，改变串级反馈模块13中的气体流量设定值，迅速增加安全裕量。

假设一般风险的安全裕量设定值为b，较高风险的安全裕量设定值为c，有b＞c。按PI算法计算基于出水水质反馈补偿的溶解氧设定值ΔDO_EF(t)和需气量ΔDQ_EF(t)：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{DO}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)={\mathrm{\&Delta;DQ}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=0& \mathrm{ST}>b\\ {\mathrm{\&Delta;DO}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=K_5\left(\frac{b}{b+\mathrm{ST}}\right){\mathrm{DO}}_{\mathrm{ST}}(t-1),{\mathrm{\&Delta;DQ}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=0& b>\mathrm{ST}>c\\ {\mathrm{\&Delta;DO}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=0,{\mathrm{\&Delta;DQ}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=K_6\left(\frac{c}{c+\mathrm{ST}}\right)\mathrm{DQ}(t-1)& \mathrm{ST}<c\end{array}\right.---\left(11\right)$

式中，DO_ST(t-1)和DQ(t-1)是指上一个控制周期(t-1)时刻生物处理单元1的溶解氧设定值和需气量设定值；K₅和K₆为系数，可以通过调试确定。

如图3所示，本发明的污水处理厂鼓风曝气过程实时控制方法根据仪表配置情况和信号质量，可以自动对控制策略进行切换。当进水水量水质仪表2、出水水质仪表4、溶解氧仪7、气体流量计8全部正常工作时，执行步骤1）至步骤4）完整的前馈/反馈-溶解氧串级反馈控制策略；当进水水质仪表故障时，取消步骤1）中溶解氧设定前馈补偿，其余控制策略继续进行控制；当进水水量仪表故障时，取消全部前馈补偿模块9，其余控制策略正常控制；当出水水质仪表4故障时，取消全部反馈补偿模块11，其余控制策略继续进行控制；当溶解氧仪7故障时，取消溶解氧串级反馈控制模块10，使用气量设定控制策略；当气体流量计8故障时，取消全部控制策略，采用预先设定的阀门开度。

下面以某污水处理厂的鼓风曝气系统为例对本发明的控制方法做进一步的详细说明。

实施实例：某污水处理厂的鼓风曝气控制系统

工艺运行情况：AAO工艺，规模10万吨/天，分两个系列，每个系列有5个曝气控制分区。进水口布置了光学法COD在线检测仪、离子选择电极法在线氨氮仪、电磁流量计等。每个系列布置了3个溶解氧仪，1个污泥浓度计、5个电动阀门和5个热式气体流量计。出水口布置了化学法在线COD仪和比色法在线氨氮仪。鼓风设备为单级高速离心风机，带主控柜实现风量的远程控制。综合控制器3实现前馈-反馈补偿、串级反馈控制的全部算法。

控制策略实施情况：综合控制器3采集进水水量、水质数据。初始化生化池溶解氧设定值为2.0mg/L。根据公式（1）和公式（2）查表计算得出溶解氧设定前馈补偿值ΔDO_IN(t)，如温度15-20摄氏度、COD和氨氮负荷为0.4kg/m3.d和0.08kg/m3.d时，最优溶解氧设定值为1.5mg/L，ΔDO_IN(t)=-0.5mg/L。

当水量突然增加或者减少时，前馈补偿模块9启动，综合控制器3根据公式（3）和公式（4）计算需气量设定前馈补偿值ΔDQI_N(t)。如a%取30%，当前曝气量8000m3/hr，此时增开一台进水泵后，流量增加50%后，计算ΔDQ_IN(t)=4000m3/hr。当进水流量变化幅度小于30%时，输出ΔDQ_IN(t)=0。

当出水氨氮浓度升高时，综合控制器根据公式（10）和（11）判定安全裕量，K5和K6初始取值为1，调试值为1.5和0.5。氨氮排放标准为5mg/L，一般风险安全裕量为4mg/L，较高风险安全裕量为2mg/L。如出水氨氮达到1.5mg/L，溶解氧设定值为1.5mg/L；此时出水氨氮安全裕量为3.5mg/L<4mg/L，启动溶解氧设定值反馈补偿，按公式（11）计算溶解氧设定值补偿量ΔDO_EF(t)=1.2mg/L，需气量设定值补偿量ΔDQ_EF(t)=0。如果出水氨氮达到3.5mg/L，曝气量为8000m3/h，此时出水氨氮安全裕量为1.5mg/L，启动需气量设定值反馈补偿，按公式（11）计算ΔDO_EF(t)=0，ΔDQ_EF(t)=2900m³/h。

溶解氧串级反馈控制为连续运行状态，通过公式（5）到公式（9）计算阀门和鼓风机5调节值ΔDV。人工给定溶解氧设定值DO_ST=2mg/L，人工给定需气量设定值DO_ST=8000m₃/h，作为控制环节的初值。参数K₁和K₃位初始值为1，调试值为1.2；参数K₂和K₄初始值为-1，调试值为-0.5。

当仪表出现故障时，自动切换控制策略。如进水COD和氨氮仪表维护，此时取消溶解氧设定前馈补偿，ΔDO_IN(t)=0，其他环节不变。当出水氨氮仪表维护时，取消反馈补偿，ΔDO_EF(t)＝ΔDQ_EF(t)＝0，其他环节不变。当溶解氧仪发生故障或维修时，此时取消溶解氧串级反馈控制，ΔDQ_ST(t)=0，其他环节不变。

上述控制系统可以在多种工况下稳定运行，将溶解氧控制在设定值0.5mg/L上下。比如，设定值为2.5mg/L时，波动幅度±20%，波动范围2～3mg/L；设定值1.5mg/L时，波动幅度35%，波动范围0.9～2.0mg/L。

通过连续1年的运行，得到的结果为出水COD和氨氮稳定达标，而且降耗效果明显，鼓风机5曝气能耗降低10%。

综上所述，本发明在使用时，生物处理单元1、进水水量水质仪表2、出水水质仪表4、溶解氧仪7、气体流量计8、串级反馈控制模块10处于实时连续运行状态，连续采集信号并调整气体流量，实现溶解氧串级反馈控制；前馈补偿模块9和反馈补偿模块11处于事件触发状态，出现预设情况时启动补偿模块，对串级反馈控制模块10的控制设定值进行补偿，实现基于前馈-反馈的多级补偿控制。本发明通过多级前馈-反馈补偿，可以有效区分水量快速变化和负荷缓慢变化带来的干扰，并提高系统运行的可靠性。本技术原理简单、结构清晰、技术推广性强，可与污水处理厂现有控制系统进行结合，达到以下效果：1、采用多点补偿的溶解氧串级控制，可在曝气过程小幅度扰动的情况下实现稳定控制，克服溶解氧超调和震荡的问题。2、采用进水负荷和进水水量的前馈补偿，可以有效克服进水负荷或者气体流量大幅度波动对溶解氧的影响，能较快平抑大幅度扰动带来的溶解氧波动。3、采用出水水质的反馈补偿，可以进一步改进串级反馈控制的效果，从而提高工艺运行的安全性。

上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构和连接方式都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件的连接和结构进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (10)

1.一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，其特征在于：它包括生物处理单元、进水水量水质仪表、综合控制器、出水水质仪表、鼓风机和电动阀门；在所述生物处理单元内还设置有溶解氧仪和若干气体流量计，各所述气体流量计分别设置在所述生物处理单元内的曝气干管和支管上；

所述生物处理单元的入口管路上设置有所述进水水量水质仪表，所述进水水量水质仪表将在线检测到的所述生物处理单元的进水量Q和进水水质信息传输至所述综合控制器内；所述溶解氧仪和气体流量计将采集到的溶解氧DO值、曝气干管和支管内气体流量DQ值均传输至所述综合控制器内；设置在所述生物处理单元出口管路上的所述出水水质仪表将在线检测到的出水水质信息也传输至所述综合控制器内；所述综合控制器根据接收到的信息进行前馈-反馈综合调节后输出控制信号，控制所述鼓风机、电动阀门工作。

2.如权利要求1所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，其特征在于：所述综合控制器包括前馈补偿模块、反馈补偿模块、串级反馈控制模块和PID控制模块；所述前馈补偿模块将采集到的进水水量水质仪表的进水量Q和进水水质信息、以及溶解氧DO值、曝气干管和支管内气体流量DQ值，传输至所述串级反馈控制模块内；所述反馈补偿模块将采集到的出水水质仪表的出水水质信息传输至所述串级反馈控制模块内；所述串级反馈控制模块根据接收到的所有信息对溶解氧DO值进行补偿，根据补偿后溶解氧设定值与实测值的差值计算需气量的设定值，然后由所述串级反馈控制模块根据接收信息对需气量设定值进行补偿，并将补偿后的需气量设定值传输至所述PID控制模块内处理，由所述PID控制模块向所述鼓风机、电动阀门输出控制信号。

3.如权利要求1或2所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，其特征在于：所述进水水量水质仪表包括进水水量仪表、进水水质仪表、COD在线检测仪和氨氮在线检测仪。

4.如权利要求3所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，其特征在于：所述COD仪采用光学法COD在线检测仪，所述进水水量仪表采用电磁流量计，所述氨氮在线检测仪采用离子选择电极法在线氨氮仪。

5.如权利要求1或2所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置，其特征在于：所述出水水质仪表为氨氮在线检测仪，所述氨氮在线检测仪采用离子选择电极法在线氨氮仪。

6.基于权利要求1～5任意一项所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制装置的控制方法，其包括以下步骤：

1）前馈补偿模块将采集到的进水化学需氧量COD、氨氮的浓度以及进水量Q进行进水负荷计算，计算结果进行数据质量判断分析，根据计算结果在预设的最优溶解氧数据表格中查找需要的溶解氧设定值，以向串级反馈控制模块输出溶解氧前馈补偿调节量ΔDO_IN(t)；

2）前馈补偿模块将采集到的进水量Q和曝气干管气体流量DQ值进行运算，计算瞬时气水比；将瞬时气水比进行数据质量判断分析，若判定结果未超过预设范围时，维持当前状态不变；若判定结果为出现流量突变时，则启动前馈补偿模块，调节串级反馈控制模块的需气量设定值，改变实际气体流量，保持瞬时气水比基本稳定；

3）串级反馈控制模块将实测的生物处理单元内反应池的溶解氧浓度与预先设定值比较，采用PI算法计算需气量的设定；同时，根据实测的生物处理单元内反应池的气体流量以及需气量设定值，采用PI算法计算鼓风机、电动阀门所需阀门开度和鼓风机流量调节度，输出到PID控制模块，对鼓风机、电动阀门的阀门开度、鼓风机流量控制；

4）反馈补偿模块将采集到的出水水质信号与预先设定的排放标准进行计算，得到出水氨氮的安全裕量；根据出水氨氮安全裕量的大小，对串级反馈控制模块中溶解氧设定值或需气量设定值进行补偿。

7.如权利要求6所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制方法，其特征在于：所述步骤1）中，所述溶解氧前馈补偿调节量ΔDO_IN(t)计算方法为：假设当前给定的溶解氧设定值为DO_st(t)，根据水温T、进水化学需氧量COD负荷L_COD、进水氨氮负荷

，在预设的最优溶解氧数据表格中查得需要的最佳溶解氧DO设定值DO_IN(t)，得到ΔDO_IN(t)为：

ΔDO_IN(t)＝DO_IN(t)-DO_st(t)。

8.如权利要求6所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制方法，其特征在于：所述步骤3）中，所述生物处理单元内反应池内需气量的调节值ΔDQ(t)为：

ΔDQ(t)＝ΔDQ_ST(t)+ΔDQ_IN(t)+ΔDQ_EF(t)，

其中，ΔDQ_ST(t)为当前需气量的调节量；K₁和K₂是系数，通过实验调试确定；ΔDQ_IN(t)为基于进水水量的需气量前馈补偿值；ΔDQ_EF(t)为基于出水水质的需气量反馈补偿的调节值；

所述阀门开度或鼓风机流量的调节量ΔDV(t)为：

ΔDV(t)＝K₃ΔDQ(t)+K₄ΔDQ(t-1)，

式中，ΔDQ(t-1)是指上一个控制周期(t-1)时刻需气量的调节量；K₃和K₄是系数，通过实验调试确定。

9.如权利要求6所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制方法，其特征在于：所述步骤4）中，假设出水水质的氨氮浓度为T(t)，出水标准为T_ST，则安全裕量ST为：

ST＝T_ST-T(t)＞0，

假设一般风险的安全裕量设定值为b，较高风险的安全裕量设定值为c，有b＞c，按PI算法计算基于出水水质反馈补偿的溶解氧设定值ΔDO_EF(t)和需气量ΔDQ_EF(t)为：

$\left\{\begin{array}{cc}{\mathrm{DO}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)={\mathrm{\&Delta;DQ}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=0& \mathrm{ST}>b\\ {\mathrm{\&Delta;DO}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=K_5\left(\frac{b}{b+\mathrm{ST}}\right){\mathrm{DO}}_{\mathrm{ST}}(t-1),{\mathrm{\&Delta;DQ}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=0& b>\mathrm{ST}>c\\ {\mathrm{\&Delta;DO}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=0,{\mathrm{\&Delta;DQ}}_{\mathrm{EF}}\left(t\right)=K_6\left(\frac{c}{c+\mathrm{ST}}\right)\mathrm{DQ}(t-1)& \mathrm{ST}<c\end{array}\right.,$

式中，DO_ST(t-1)和DQ(t-1)是指上一个控制周期(t-1)时刻生物处理单元的溶解氧设定值和需气量设定值；K₅和K₆为系数，通过调试确定。

10.如权利要求6所述的一种污水处理厂鼓风曝气过程实时控制方法，其特征在于：所述水处理厂鼓风曝气过程实时控制方法根据仪表配置情况和信号质量，实现对控制策略进行自动切换：当进水水量水质仪表、出水水质仪表、溶解氧仪、气体流量计全部正常工作时，执行步骤1）至步骤4）完整的前馈/反馈-溶解氧串级反馈控制策略；当进水水质仪表故障时，取消步骤1）中溶解氧设定前馈补偿，其余控制策略继续进行控制；当进水水量仪表故障时，取消全部前馈补偿模块，其余控制策略正常控制；当出水水质仪表故障时，取消全部反馈补偿模块，其余控制策略继续进行控制；当溶解氧仪故障时，取消溶解氧串级反馈控制模块，使用气量设定控制策略；当气体流量计故障时，取消全部控制策略，直接采用预先设定的阀门开度。

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