CN104298259B - 一种碳源投加前馈‑反馈控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种碳源投加前馈‑反馈控制装置及控制方法，其包括控制装置，依次连接的缺氧区、好氧区、二沉池和深度处理单元；贮药池通过加药泵连接碳源投加点；好氧区设置有连接缺氧区的内回流管道，二沉池设置有连接缺氧区的外回流管道；其特征在于：碳源投加点包括分别设置在缺氧区和深度处理单元入口的投加点，控制装置包括检测仪表、变频器和工控机；检测仪表包括设置在缺氧区入口的进水水量仪表，设置在内回流管道上的内回流流量仪表，设置在外回流管道上的外回流流量仪表，分别设置在缺氧区和二沉池出口处的硝氮仪表和设置在深度处理单元出口处的总出水总氮仪表；工控机内设置有加药泵投加量控制模块、硝氮控制模块、前馈补偿模块和反馈补偿模块。本发明可以广泛应用于污水处理过程中。

Description

一种碳源投加前馈-反馈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控制装置及控制方法，特别是关于一种碳源投加前馈-反馈控制装置及控制方法。

背景技术

我国水环境污染和水体富营养化的问题日益严重，氮是引起水体富营养化的主要因素之一，为了遏制地表水体的富营养化，国家出台了更加严格的环保法律法规，对出水指标控制更加苛刻。目前我国大部分城市污水处理厂采用A/O生物脱氮工艺，该工艺最大的优点是利用进水中的可生物降解COD(化学需氧量)作为反硝化反应碳源，以去除污水中的含氮化合物，该工艺包含两个步骤：1)硝化反应，在好氧条件下将氨氮转化为亚硝态氮或硝态氮；2)反硝化反应，在缺氧环境下以有机碳源为电子供体将硝化反应过程中产生的亚硝态氮或硝态氮转化为氮气。

碳源不足是我国污水处理厂生物脱氮过程中普遍存在的问题。在一些南方城市，生活污水平均COD浓度低于200mg/L，COD/TN通常在5以下，导致反硝化反应不完全。此外，进水碳源成分复杂，需水解后才能被反硝化菌利用，在此过程中部分进水碳源用于合成微生物有机体或被微生物所消耗，因此进一步减少了用于反硝化反应的碳源。最后，在冬季低温下，反硝化细菌活性降低，直接导致反硝化反应效率降低。由于上述原因，污水处理厂出水总氮达标比较困难。为保证反硝化反应的正常进行，满足日益严格的出水指标，大部分污水处理厂采用投加碳源的方式来提高反硝化效果，而碳源投加的方式通常为人工恒量投加。然而，由于污水厂进水水量水质波动较大，恒量投加时经常超过实际需求，导致一方面造成了药剂浪费，增加了运行成本，另一方面过量碳源有使出水COD超标的风险，需要通过好氧反应消耗掉，增加了系统的曝气能耗。因此，优化碳源投加量，提高投加系统的效率，实现碳源投加系统的自动控制对污水处理稳定达标运行、节约成本具有重要意义。

目前已有的碳源投加控制技术主要有两种：一种是针对反硝化滤池的碳源投加控制系统，另一种是反馈模糊控制系统，该系统可同时控制碳源投加与内回流。这两种技术的核心都是反馈控制。由于进水负荷的波动性明显、反硝化过程存在滞后性等，单纯的反馈控制技术有一定的局限性，仅在工艺运行比较稳定时有良好效果，再考虑到出水总氮标准日趋严格，因此已有技术还无法满足实际运行工况下的稳定控制与出水达标要求。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种可以优化碳源投加量，节约运行成本，满足实际运行工况下稳定控制出水总氮浓度的碳源投加前馈-反馈控制装置及控制方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种碳源投加前馈-反馈控制装置，其包括控制装置，依次连接的缺氧区、好氧区、二沉池和深度处理单元；贮药池通过加药泵连接碳源投加点；所述好氧区设置有连接所述缺氧区的内回流管道，所述二沉池设置有连接所述缺氧区的外回流管道；其特征在于：所述碳源投加点包括分别设置在所述缺氧区和深度处理单元入口的一投加点，所述控制装置包括检测仪表、变频器和工控机；所述检测仪表包括设置在所述缺氧区入口的一进水水量仪表，设置在所述内回流管道上的一内回流流量仪表，设置在所述外回流管道上的一外回流流量仪表，分别设置在所述缺氧区和二沉池出口处的一硝氮仪表和设置在所述深度处理单元出口处的一总出水总氮仪表；所述工控机内设置有一加药泵投加量控制模块、一硝氮控制模块、一前馈补偿模块和一反馈补偿模块；所述进水水量仪表、内回流流量仪表和外回流流量仪表分别将采集的数据输入所述前馈补偿模块；两块所述硝氮仪表分别将采集的数据输入所述硝氮控制模块；所述总出水总氮仪表将采集的数据输入所述反馈补偿模块；所述加药泵投加量控制模块根据所述前馈补偿模块、硝氮控制模块和反馈补偿模块输入的数据，计算当前控制周期需要的投加量，并通过所述变频器输送给所述加药泵的电动机，控制所述加药泵的投加量。

所述进水水量仪表、内回流流量仪表和外回流流量仪表采用电磁流量计；两块所述硝氮仪表采用在线硝氮分析仪；所述总出水总氮仪表采用带消解预处理功能的在线总氮分析仪。

一种碳源投加前馈-反馈控制方法，其包括以下步骤：1)根据实际工艺条件，选择采用的脱氮方式：如果采用生化系统脱氮方式，进入步骤2)；如果采用深度处理脱氮方式，进入步骤6)；

2)选择缺氧区入口的投加点加药，前馈补偿模块根据进水水量、内回流流量和外回流流量，计算当前控制周期缺氧区的加药增量ΔQ₁(t)，并输出到加药泵投加量控制模块；其中加药增量ΔQ₁(t)为：

ΔQ₁(t)＝A×Q1_t-1；

式中，A为进水水量在控制周期内的变化幅度，Q1_t-1为上一个控制周期缺氧区的加药量；

3)启动硝氮控制模块中的生化系统脱氮控制程序，计算当前控制周期缺氧区的加药增量ΔQ₂(t)，并输出到加药泵投加量控制模块；其中加药增量ΔQ₂(t)为：

ΔQ₂(t)＝K₁ΔN(t)+K₂ΔN(t-1)；

式中：ΔN(t)为当前控制周期缺氧区出水硝氮浓度N1(t)与缺氧区出水硝氮设定值N1_st之间的差值，ΔN(t-1)为上一个控制周期缺氧区出水硝氮浓度N1(t-1)与缺氧区出水硝氮控制设定值N1_st之间的差值，K₁和K₂是系数，初值采用经验值，其最终数值通过实验调试确定；

4)加药泵投加量控制模块根据前馈补偿模块输入的加药增量ΔQ₁(t)和硝氮控制模块输入的加药增量ΔQ₂(t)，计算当前控制周期缺氧区的总加药增量ΔQ1_t：

ΔQ1_t＝ΔQ₁(t)+ΔQ₂(t)；

5)判断是否同时采用深度处理脱氮方式，如果同时采用深度处理脱氮方式，进入步骤6)，否则进入步骤9)；

6)选择深度处理单元入口的投加点加药，启动硝氮控制模块中的深度处理脱氮控制程序，计算当前控制周期深度处理单元的加药增量ΔQ₃(t)：

ΔQ₃(t)＝K₃[N2(t)-N2_st]+K₄；

式中，N2(t)为二沉池出水硝氮浓度；N2_st为深度处理单元出水硝氮设定值，其为预先设定的常数；K₃和K₄是系数，其初值采用经验值，最终数值通过实验调试确定；

7)反馈补偿模块根据总出水总氮浓度TN(t)和预先设定的总出水总氮标准TN_st，计算安全裕量SN，根据安全裕量SN计算当前控制周期深度处理单元的加药增量ΔQ₄(t)，并输入加药泵投加量控制模块；其中安全裕量SN为：

SN＝TN_st-TN(t)＞0；

加药增量ΔQ₄(t)为：

$\mathrm{\Δ}{Q}_4\left(t\right)=K_5\left(\frac{b-\mathrm{SN}}{b+\mathrm{SN}}\right){Q2}_{t-1};$

式中：Q2_t-1为上一个控制周期的加药量；K₅为系数，其初值采用经验值，具体数值通过调试确定；b为根据实际需要确定的设定条件；

8)加药泵投加量控制模块根据输入的加药增量ΔQ₃(t)和加药增量ΔQ₄(t)，计算当前控制周期深度处理单元的总加药增量ΔQ2_t：

ΔQ2_t＝ΔQ₃(t)+ΔQ₄(t)；

9)加药泵投加量控制模块计算当前控制周期的总加药量Q_t，其包括以下三种情况：

a、若仅采用生化系统脱氮方式，则当前控制周期的总加药量Q_t等于当前控制周期缺氧区的加药量Q1_t：

Q1_t＝Q1_t-1+ΔQ1_t；

b、若仅采用深度处理脱氮方式，则当前控制周期的总加药量Q_t等于当前控制周期深度处理单元的加药量Q2_t：

Q2_t＝Q2_t-1+ΔQ2_t；

式中，Q2_t-1为上一控制周期深度处理单元的加药量；

c、若同时采用生化系统脱氮方式和深度处理脱氮方式，则当前控制周期的总加药量Q_t等于当前控制周期缺氧区和深度处理单元的加药量之和，即

Q_t＝Q1_t+Q2_t；

10)加药泵投加量控制模块将步骤9)中得到的总加药量Q_t转变为控制信号输出到变频器，由所述变频器将其变换为电流频率信号输出到加药泵的电动机，控制加药泵的流出量。

所述步骤2)中当前控制周期缺氧区的加药增量ΔQ₁(t)的计算包括以下步骤：

a、将进水水量仪表测定的进水水量、内回流流量仪表测定的内回流流量和外回流流量仪表测定的外回流流量数据输入到前馈补偿模块；

b、前馈补偿模块将输入的各数据进行求和，由于内回流流量和外回流流量在控制周期内基本是稳定的，故计算缺氧区的进水水量在控制周期内的变化幅度A：

$A=\frac{q_t-q_{t-1}}{q_{t-1}}\×100\%;$

其中，q_t为当前控制周期进水水量的算术平均值，q_t-1为上一个控制周期内进水水量的算术平均值；

c、对缺氧区的进水水量在控制周期内的变化幅度A进行判断分析：

当变化幅度A小于设定范围a时，不进行进水水量前馈补偿，即当前控制周期缺氧区的加药增量：ΔQ₁(t)＝0；其中设定范围a根据实际需要确定；

当变化幅度A超过设定范围a时，进行进水水量前馈补偿，并计算当前控制周期对缺氧区的加药增量ΔQ₁(t)：

ΔQ₁(t)＝A×Q1_t-1。

所述步骤3)中当前控制周期缺氧区的加药增量ΔQ₂(t)的计算包括以下步骤：

a、缺氧区出水硝氮仪表测定当前控制周期缺氧区出水硝氮浓度N1(t)，并输入硝氮控制模块，硝氮控制模块计算其与缺氧区出水硝氮设定值N1_st之间的差值ΔN(t)：

ΔN(t)＝N1(t)-N1_st，

b、根据ΔN(t)计算得到当前控制周期缺氧区的加药增量ΔQ₂(t)：

ΔQ₂(t)＝K₁ΔN(t)+K₂ΔN(t-1)。

所述步骤6)中，当前控制周期对深度处理单元的加药增量ΔQ₃(t)的计算包括以下步骤：a、将二沉池出水硝氮仪表测定的当前控制周期二沉池的出水硝氮浓度N2(t)输入硝氮控制模块；b、硝氮控制模块使用线性外推算法计算当前控制周期对深度处理单元的加药增量ΔQ₃(t)：

ΔQ₃(t)＝K₃[N2(t)-N2_st]+K₄。

所述步骤7)中，计算当前控制周期深度处理单元的加药增量ΔQ₄(t)包括以下步骤：a、将总出水总氮仪表测定的当前控制周期的总出水总氮浓度输入反馈补偿模块，反馈补偿模块首先计算安全裕量SN：

SN＝TN_st-TN(t)＞0；

b、反馈补偿模块根据计算的安全裕量SN进行判断分析：

如果安全裕量SN大于或等于设定条件b时，不进行安全裕量反馈补偿，即当前控制周期深度处理单元的加药增量：ΔQ₄(t)＝0；

如果安全裕量SN小于设定条件b时，进行安全裕量反馈补偿，反馈补偿模块计算出水总氮反馈补偿的加药增量ΔQ₄(t)：

$\mathrm{\Δ}{Q}_4\left(t\right)=K_5\left(\frac{b-\mathrm{SN}}{b+\mathrm{SN}}\right){Q2}_{t-1}.$

根据仪表配置情况和信号质量采取以下自动切换措施：1)当进水水量仪表出现故障时，取消前馈补偿控制模块，此时ΔQ₁(t)＝0，硝氮控制模块、反馈补偿模块和加药泵投加量控制模块继续正常控制；2)当内回流流量仪表和外回流流量仪表故障时，将进水水量仪表测定的进水水量数据作为进水水量进行控制，使用反馈补偿控制模块，硝氮控制模块以及加药泵投加量控制模块继续进行正常控制；3)当二沉池出水硝氮仪表故障时，取消硝氮控制模块，只选择缺氧区投加点进行加药控制，使用前馈补偿控制模块、反馈补偿控制模块，以及加药泵投加量控制模块继续进行正常控制；4)当缺氧区出水硝氮仪表故障时，取消硝氮控制模块，使用前馈补偿控制模块、反馈补偿控制模块，以及加药泵投加量控制模块继续进行正常控制；5)当总出水总氮仪表故障时，取消反馈补偿模块，使用前馈补偿控制模块、反馈补偿控制模块、硝氮控制模块以及加药泵投加量控制模块继续进行正常控制。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于通过采集污水处理工艺的过程参数，根据现有的反硝化过程模型计算控制条件，动态调整碳源投加量，有效地改善了脱氮工艺的处理效果。2、本发明由于设置有前馈补偿模块，与现有技术相比增加了前馈补偿的控制模式，有助于改善硝氮浓度反馈控制的效果，优化了碳源投加量，减弱了进水量突然变化引起的超标风险。3、本发明由于设置有出水总氮安全裕量反馈补偿模块，因此与现有技术相比增加了出水总氮反馈补偿的控制模式，结合其它控制模块，可以有效克服系统脱氮扰动、药剂批次变化等因素的干扰，稳定了出水总氮浓度。4、本发明由于在工控机内设置有碳源投加量控制单元，该单元可根据过程检测仪表的数据，计算当前需要的投加量，不需要测试进水水质数据，与现有技术相比，降低了仪器配置的复杂程度，能够进一步改善脱氮工艺的处理效果。5、本发明由于变频器可以将接收的工控机的控制信号变换为电流频率信号输出到加药泵的电动机，通过改变加药泵的电机频率控制加药泵的流量，原理简单，运行可靠，成本较低。6、本发明由于可以根据配置仪表的情况，灵活选择不同的脱氮方式，既可以单独采用生化系统脱氮方式，也可以单独采用深度处理脱氮方式，还可以同时采用生化系统脱氮方式和深度处理脱氮方式，当脱氮方式改变时，仅仅需要选择不同的控制程序即可，适用性强。因而本发明可以广泛应用于污水处理工艺中碳源投加辅助脱氮过程。

附图说明

图1是本发明控制系统结构示意图(图中表示碳源，表示污水，表示信号，表示回流)；

图2是本发明控制方法流程示意图；

图3是本发明控制系统的策略选择示意图。

具体实施方式

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，现有AAO污水处理过程中，污水需要经过缺氧区1、好氧区2、二沉池3、深度处理单元4后送入后续程序。污水在好氧区2内发生硝化反应，好氧区2内的硝化菌在好氧条件下将污水中的氨氮转化为亚硝态氮或硝态氮，亚硝态氮或硝态氮内回流管道21回到缺氧区1。缺氧区1内发生反硝化反应，反硝化菌以有机碳源为电子供体将内回流带来的亚硝态氮或硝态氮转化为氮气，完成脱氮过程。处理后的污水进入二沉池3进行固液分离，将活性污泥(细胞物质)与上清液分离，活性污泥随外回流管道31回到缺氧区1，残留的硝态氮随着上清液输出到深度处理单元4。深度处理单元4内进行反硝化反应和物理过滤，通过投加碳源和过滤等方式去除上清液中残留的硝态氮和固体，进一步降低出水中的污染物浓度。加药泵6提供的输送动力从贮药池5抽取贮存的碳源药剂，并控制着碳源药剂的投加量，碳源药剂经由加药管路61投加到污水处理程序指定的投加点，投加点的加药口悬空设置或浸没于浅水面之下，碳源药液连续流动投加。

本发明控制装置包括各种检测仪表，变频器8和工控机9。各种检测仪表包括进水水量仪表71、内回流流量仪表72、外回流流量仪表73、硝氮仪表74、总出水总氮仪表75。工控机9内设置有加药泵投加量控制模块91、硝氮控制模块92、前馈补偿模块93和反馈补偿模块94。另外，本发明碳源的投加点根据实际工艺条件进行选择，比如在缺氧区1的入口处设置投加点I，用于为生化系统脱氮；同时在深度处理单元4的入口处设置投加点II，用于为深度处理脱氮。通常情况下，一个投加点对应一条加药管线和1～2台加药泵6，如果采用多台加药泵6时可以采用并联方式连接。

上述检测仪表中的进水水量仪表71设置在缺氧区1的前端，用于在线监测进入缺氧区1的进水水量；内回流流量仪表72设置在内回流管道21上，用于在线监测内回流流量；外回流流量仪表73设置在外回流管道31上，用于在线监测外回流流量。进水水量仪表71、内回流流量仪表72和外回流流量仪表73分别将采集的数据输入给前馈补偿模块93。硝氮仪表74分为两块表，一块为缺氧区出水硝氮仪表741，设置在缺氧区1出口处，用于监测缺氧区1出口处的硝氮浓度；另一块为二沉池出水硝氮仪表742设置在二沉池3的出口处，用于监测二沉池3出口处的硝氮浓度；硝氮仪表74分别将采集的数据输入给硝氮控制模块92。总出水总氮仪表75设置在深度处理单元4的出口处，用于监测深度处理单元4出口处的总氮浓度，总出水总氮仪表75将采集的数据输入给反馈补偿模块94。

上述加药泵投加量控制模块91根据硝氮控制模块92、前馈补偿模块93和反馈补偿模块94输入的数据，计算当前需要的投加量，加药泵投加量控制模块91将投加量控制信号(4～20毫安)发送到变频器8，由变频器8将其变换为电流频率信号(0～50赫兹)输出到加药泵6的电动机，通过改变加药泵6电动机的频率来控制加药泵6的流出量。硝氮控制模块92中包含两个控制程序：生化系统脱氮控制程序和深度处理脱氮控制程序，这两个程序分别控制生化系统脱氮过程和深度处理脱氮过程的碳源投加量，两个程序可以独立运行，也可以同时运行，根据投加点不同可以由人工选择切换控制方式。前馈补偿模块93根据进水水量仪表71的进水水量、内回流流量仪表72的内回流流量和外回流流量仪表72的外回流流量控制加药量，反馈补偿模块94只作用于深度处理脱氮控制程序，根据出水总氮浓度控制深度处理单元4的加药量。

上述实施例中，进水水量仪表71、内回流流量仪表72和外回流流量仪表73均可以采用电磁流量计，硝氮仪表74的两块表均可以采用在线硝氮分析仪，总出水总氮仪表75可以采用带消解预处理功能的在线总氮分析仪。以上仪表均为已有技术，在此不再赘述。

如图1、图2所示，本发明控制装置的控制方法包括以下步骤：

1)根据实际工艺条件，选择采用的脱氮方式：

如果采用生化系统脱氮方式，进入步骤2)；

如果采用深度处理脱氮方式，进入步骤6)；

2)选择缺氧区入口的投加点I加药，缺氧区1硝氮控制采用前馈补偿-反馈控制方法，前馈补偿模块93根据进水水量、内回流流量和外回流流量变化，计算当前控制周期缺氧区1的加药增量ΔQ₁(t)，并输出到加药泵投加量控制模块91，其步骤包括：

a、进水水量仪表71测定的进水水量、内回流流量仪表72测定的内回流流量和外回流流量仪表73测定的外回流流量数据输入到前馈补偿模块93。

b、前馈补偿模块93将输入的各数据进行求和，由于内回流流量和外回流流量在控制周期内基本是稳定的，本发明仅计算缺氧区1的进水水量在控制周期内的变化幅度A：

$A=\frac{q_t-q_{t-1}}{q_{t-1}}\×100\%---\left(1\right)$

其中，q_t为当前控制周期进水水量的算术平均值，q_t-1为上一个控制周期进水水量的算术平均值。

c、对缺氧区1的进水水量在控制周期内的变化幅度A进行判断分析：

当变化幅度A小于设定范围a时，不进行进水水量前馈补偿，即当前控制周期缺氧区1的加药增量：ΔQ₁(t)＝0；其中设定范围a可以根据实际需要确定，例如a＝20％，但不限于此；

当变化幅度A超过设定范围a时，进行进水水量前馈补偿，采用前馈比例补偿方法计算当前控制周期对缺氧区1的加药增量ΔQ₁(t)：

ΔQ₁(t)＝A×Q1_t-1 (2)

其中，Q1_t-1为上一个控制周期缺氧区1的加药量。

3)启动硝氮控制模块92中的生化系统脱氮控制程序，计算当前控制周期缺氧区1的加药增量ΔQ₂(t)，并输出到加药泵投加量控制模块91；其步骤包括：

a、缺氧区出水硝氮仪表741测定当前控制周期缺氧区1出水硝氮浓度N1(t)，并输入硝氮控制模块92，硝氮控制模块92计算其与缺氧区1出水硝氮控制设定值N1_st(为预先设定的常数)之间的差值ΔN(t)，计算公式为：

ΔN(t)＝N1(t)-N1_st (3)

b、根据ΔN(t)，使用比例-积分(Proportional and Integration，PI)算法计算当前控制周期缺氧区1的加药增量ΔQ₂(t)：

ΔQ₂(t)＝K₁ΔN(t)+K₂ΔN(t-1) (4)

式中，ΔN(t-1)是上一个控制周期缺氧区1出水硝氮浓度与缺氧区1出水硝氮设定值的差值，K₁和K₂是系数，初值采用经验值，其最终数值通过实验调试确定。

4)加药泵投加量控制模块91根据前馈控制模块93输入的缺氧区1的加药增量ΔQ₁(t)和硝氮控制模块92输入的缺氧区1的加药增量ΔQ₂(t)，计算当前控制周期缺氧区1的总加药增量ΔQ1_t：

ΔQ1_t＝ΔQ₁(t)+ΔQ₂(t) (5)

5)判断是否同时采用深度处理脱氮方式，如果同时采用深度处理脱氮方式，进入步骤6)，否则进入步骤9)；

6)选择深度处理单元4入口的投加点II加药，深度处理单元4硝氮控制采用前馈-反馈补偿控制方法，启动硝氮控制模块92中的深度处理脱氮控制程序，计算当前控制周期深度处理单元4的加药增量ΔQ₃(t)：其步骤包括：

a、二沉池出水硝氮仪表742测定当前控制周期二沉池3的出水硝氮浓度N2(t)，并输入硝氮控制模块92；

b、硝氮控制模块92使用反馈比例算法计算当前控制周期对深度处理单元4的加药增量ΔQ₃(t)：

ΔQ₃(t)＝K₃[N2(t)-N2_st]+K₄ (6)

式中，N2_st为深度处理单元4出水硝氮设定值，为预先设定的常数；K₃和K₄是系数，其初值采用经验值，最终数值通过实验调试确定。

7)反馈补偿模块94根据总出水总氮指标，计算当前控制周期深度处理单元4的加药增量ΔQ₄(t)，并输入到加药泵投加量控制模块91；其步骤包括：

a、总出水总氮仪表75测定当前控制周期的总出水总氮浓度TN(t)，并输入反馈补偿模块94，由反馈补偿模块94计算安全裕量SN，计：

SN＝TN_st-TN(t)＞0 (7)

式中，TN_st为总出水总氮标准，为预先设定的常数，TN(t)为当前控制周期总出水总氮浓度。

b、反馈补偿模块94根据计算的安全裕量SN进行判断分析：

当安全裕量SN小于设定条件b(可以根据实际需要确定时，进行安全裕量反馈补偿，反馈补偿模块94采用反馈比例算法计算出反馈补偿的加药增量ΔQ₄(t)，则为；

$\mathrm{\Δ}{Q}_4\left(t\right)=K_5\left(\frac{b-\mathrm{SN}}{b+\mathrm{SN}}\right){Q2}_{t-1}---\left(8\right)$

式中，Q2_t-1指上一个控制周期的加药量，K₅为系数，其初值采用经验值，具体数值通过调试确定，设定条件b可以根据实际需要确定，例如3mg/L，但不限于此。

当安全裕量SN大于设定条件b时，不进行安全裕量反馈补偿，即加药增量ΔQ₄(t)＝0。

8)加药泵投加量控制模块91根据硝氮控制模块92输入的加药增量ΔQ₃(t)和反馈补偿模块94输入的加药增量ΔQ₄(t)，计算当前控制周期深度处理单元4的总加药增量ΔQ2_t：

ΔQ2_t＝ΔQ₃(t)+ΔQ₄(t) (9)

9)加药泵投加量控制模块91计算当前控制周期的总加药量Q_t。；其包括以下三种情况：

a、若仅采用生化系统脱氮工艺，则当前控制周期的总加药量Q_t等于当前控制周期缺氧区1的加药量Q1_t：

Q1_t＝Q1_t-1+ΔQ1_t (10)

式中，Q1_t-1为上一个控制周期缺氧区1的加药量；

b、若仅采用深度处理脱氮工艺，则当前控制周期的总加药量Q_t等于当前控制周期深度处理单元4的加药量Q2_t：

Q2_t＝Q2_t-1+ΔQ2_t (11)

式中，Q2_t-1为上一控制周期深度处理单元4的加药量；

c、若同时采用生化系统脱氮方式和深度处理脱氮方式，则当前控制周期的总加药量Q_t等于当前控制周期缺氧区和深度处理单元的加药量之和，即

Q_t＝Q1_t+Q2_t (12)

也可以表示为：

Q_t＝Q_t-1+ΔQ_t (13)

式中，Q_t-1为上一个控制周期的加药量，ΔQ_t为当前控制周期缺氧区1和深度处理单元4的总加药增量之和，即ΔQ_t＝ΔQ1_t+ΔQ2_t；

通过改变缺氧区1出水硝氮设定值N1_st和深度处理单元4出水硝氮设定值N2_st，可以调整加药量Q1_t和Q2_t占总加药量Q_t的比例关系，例如若减小设定值N1_st，将提高加药量Q1_t在总加药量Q_t中的比例。

10)加药泵投加量控制模块91将步骤9)中得到的总加药量Q_t转变为控制信号输出到变频器8，由所述变频器8将其变换为电流频率信号输出到加药泵6的电动机，通过改变加药泵6的电动机频率，控制加药泵6的流出量。

本发明如果采用隔膜加药泵时，变频器的输出频率f满足下式：

$f=50*\left(\frac{Q_t}{Q_m}\right)\left(\frac{100\%}{e}\right)---\left(14\right)$

其中，Q_m为100％隔膜开度下加药泵的额定流量，变频器的频率输出范围为0～50赫兹，e％为加药泵在工作状态下的隔膜开度。

如图3所示，本发明控制方法在实施过程中，为了保证系统的正常运行，可以根据仪表配置情况和信号质量采取以下自动切换措施：

1)当进水水量仪表71出现故障时，取消前馈补偿控制模块93，此时ΔQ₁(t)＝0，硝氮控制模块92、反馈补偿模块94和加药泵投加量控制模块91继续正常控制；

2)当内回流流量仪表72和外回流流量仪表73故障时，将进水水量仪表71测定的进水水量数据作为进水水量进行控制，使用反馈补偿控制模块94，硝氮控制模块92以及加药泵投加量控制模块91继续进行正常控制；

3)当二沉池出水硝氮仪表742故障时，取消硝氮控制模块92，只选择缺氧区1投加点I进行加药控制，使用前馈补偿控制模块93、反馈补偿控制模块94，以及加药泵投加量控制模块91继续进行正常控制；

4)当缺氧区出水硝氮仪表741故障时，取消硝氮控制模块92，使用前馈补偿控制模块93、反馈补偿控制模块94，以及加药泵投加量控制模块91继续进行正常控制；

5)当总出水总氮仪表75故障时，取消反馈补偿模块94，使用前馈补偿控制模块93、反馈补偿控制模块94、硝氮控制模块92以及加药泵投加量控制模块91继续进行正常控制。

下面结合某污水处理厂的脱氮工艺控制实施例对本发明装置和方法进行详细说明。

实施例1：

工艺运行情况：某城市污水处理厂采用AAO工艺，规模10万吨/天，分两个系列，采用生化脱氮工艺，设置了三台碳源加药泵6，投加点I设置在缺氧区1的入口处(图1所示)，出水总氮标准为15mg/L。在缺氧区1的入水口前设置电磁流量计作为进水水量仪表71，缺氧区1出水口处设置在线硝氮仪表作为缺氧区硝氮仪表741，二沉池3出水口处设置在线硝氮仪表作为二沉池硝氮仪表742，深度处理单元4的出水口处设置总出水总氮仪表75。在加药泵6附近增加碳源投加控制柜，并在碳源投加控制柜内配置工控机9、PLC和变频器8。PLC采集缺氧区硝氮仪表741、二沉池硝氮仪表742、总出水总氮仪表75、进水水量仪表71等仪表信号，并输入到工控机9，按控制周期计算仪表信号的算术平均值，输入到反硝化过程模型进行计算。操作人员从手动控制改为自动控制时，碳源投加控制系统开始运行，直至切换回手动控制。

该厂总出水总氮排放标准TN_st＝15mg/L，硝氮控制设定值N1_st＝8mg/L。加药泵隔膜开度e％＝80％，额定流量Q_m＝1m3/hr；控制模型的变化幅度A的设定范围a＝15％、安全裕量SN的设定值b＝3mg/L；系统控制周期为15分钟。在每个控制周期内，工控机9通过PLC向变频器8输出一次控制信号，并在该控制周期内保持不变。同时采用生化系统脱氮方式和深化处理脱氮方式的控制方法为：

1)缺氧区1硝氮控制采用前馈补偿-反馈控制方法计算加药增量ΔQ₁(t)，并输入到加药泵投加量控制模块91；

2)硝氮控制模块92根据公式(3)和(4)计算当前控制周期的加药增量ΔQ₂(t)，公式(4)中参数K₁和K₂初值为1.2和-1，通过现场调试实验进一步确定为1.0和-0.5；

3)加药泵投加量控制模块91根据前馈补偿模块93输入的加药增量ΔQ₁(t)和硝氮控制模块92输入的加药增量ΔQ₂(t)，计算当前控制周期缺氧区1的总加药增量ΔQ1_t；

4)由硝氮控制模块92中的深度处理脱氮控制程序，根据公式(6)计算得到当前控制周期深度处理单元4的加药增量ΔQ₃(t)，公式(6)中参数K₃和K₄初值为2和0.5，通过现场调试实验进一步确定为5和0.6。

5)反馈补偿模块94根据总出水总氮指标，根据公式(7)和(8)计算得到当前控制周期深度处理单元4的加药增量ΔQ₄(t)，并输出到加药泵投加量控制模块91，公式(8)中参数K₅的初值为0.5，通过现场调试实验进一步确定为0.35。

6)加药泵投加量控制模块91根据硝氮控制模块92输入的加药增量ΔQ₃(t)和反馈补偿模块94输入的加药增量ΔQ₄(t)，计算当前控制周期深度处理单元4的总加药增量ΔQ2_t。

7)加药泵投加量控制模块91按照式(12)或(13)计算当前控制周期的总加药量Q_t。

8)将计算得到的加药量Q_t代入公式(14)，并将计算得到的频率f输出到变频器8，通过变频器8控制加药泵6的流量。

当配置的仪表出现故障时，可以自动切换控制方法。例如进水水量仪表71故障，此时取消前馈补偿控制模块93，此时ΔQ₁(t)＝0，其他控制环节不变；当缺氧区出水硝氮仪表741故障时，取消硝氮控制模块92，此时ΔQ₃(t)＝0，其他控制环节不变。

通过连续1年的运行，得到的结果为出水总氮稳定达标，而且降耗效果明显，与恒定投加量相比，碳源投加量减少10％以上。

实施例2：

工艺运行情况：某城市污水处理厂Orbal氧化沟工艺，规模5万吨/天，采用生化脱氮工艺，设置了两台碳源加药泵6，投加点I设置在Orbal氧化沟外沟，总出水总氮排放标准为15mg/L。在氧化沟入水口前设置电磁流量计作为进水水量仪表71，外沟出水口处设置在线硝氮仪表作为缺氧区硝氮仪表741，二沉池3出水口处设置在线硝氮仪表作为二沉池硝氮仪表742，深度处理单元4的出水口处设置总出水总氮仪表75。PLC采集缺氧区硝氮仪表741、二沉池硝氮仪表742、总出水总氮仪表75、进水水量仪表71等仪表信号，并输入到工控机9，按控制周期计算仪表信号的算术平均值，作为模型输入参与计算。

该厂出水总氮排放标准TN_st＝15mg/L，硝氮控制设定值N1_st＝10mg/L。加药泵隔膜开度e％＝80％，额定流量Q_m＝2m3/hr；控制模型的设定范围a％＝15％、b＝3mg/L；系统控制周期为15分钟。在每个控制周期内，工控机9向变频器8输出一次控制信号，并在该控制周期内保持不变。同时采用生化系统脱氮方式和深化处理脱氮方式的控制方法为：

1)缺氧区1硝氮控制采用前馈补偿-反馈控制方法计算加药增量ΔQ₁(t)，并输入到加药泵投加量控制模块91；

2)硝氮控制模块92根据公式(3)和(4)计算当前控制周期的加药增量ΔQ₂(t)，公式(4)中参数K₁和K₂初值为2和-0.8，通过现场调试实验进一步确定为1.7和-0.5；

3)加药泵投加量控制模块91根据前馈补偿模块93输入的加药增量ΔQ₁(t)和硝氮控制模块92输入的加药增量ΔQ₂(t)，计算当前控制周期缺氧区1的总加药增量ΔQ1_t；

4)由硝氮控制模块92中的深度处理脱氮控制程序，根据公式(6)计算得到当前控制周期深度处理单元4的加药增量ΔQ₃(t)，公式(6)中参数K₃和K₄初值为2.6和0.3，通过现场调试实验进一步确定为3.1和0.4。

5)反馈补偿模块94根据总出水总氮指标，根据公式(7)和(8)计算得到当前控制周期深度处理单元4的加药增量ΔQ₄(t)，并输出到加药泵投加量控制模块91，公式(8)中参数K₅的初值为2，通过现场调试实验进一步确定为0.7。

6)加药泵投加量控制模块91根据硝氮控制模块92输入的加药增量ΔQ₃(t)和反馈补偿模块94输入的加药增量ΔQ₄(t)，计算当前控制周期深度处理单元4的总加药增量ΔQ2_t。

7)加药泵投加量控制模块91按照式(12)或(13)计算当前控制周期的总加药量Q_t。

8)将计算得到的加药量Q_t代入公式(14)，并将计算得到的频率f输出到变频器8，通过变频器8控制加药泵6的流量。

通过试运行，出水总氮稳定达标，与恒定投加量相比，碳源投加量减少7％以上。

上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式，以及在计算过程中使用的线性外推方法、比例-积分方法和反馈比例算法等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。

Claims (8)

1.采用碳源投加前馈-反馈控制装置的一种碳源投加前馈-反馈控制方法，其特征在于：所述碳源投加前馈-反馈控制装置包括控制装置，依次连接的缺氧区、好氧区、二沉池和深度处理单元；贮药池通过加药泵连接碳源投加点；所述好氧区设置有连接所述缺氧区的内回流管道，所述二沉池设置有连接所述缺氧区的外回流管道；

所述碳源投加点包括分别设置在所述缺氧区和深度处理单元入口的一投加点，所述控制装置包括检测仪表、变频器和工控机；所述检测仪表包括设置在所述缺氧区入口的一进水水量仪表，设置在所述内回流管道上的一内回流流量仪表，设置在所述外回流管道上的一外回流流量仪表，分别设置在所述缺氧区和二沉池出口处的一硝氮仪表和设置在所述深度处理单元出口处的一总出水总氮仪表；所述工控机内设置有一加药泵投加量控制模块、一硝氮控制模块、一前馈补偿模块和一反馈补偿模块；

所述进水水量仪表、内回流流量仪表和外回流流量仪表分别将采集的数据输入所述前馈补偿模块；两块所述硝氮仪表分别将采集的数据输入所述硝氮控制模块；所述总出水总氮仪表将采集的数据输入所述反馈补偿模块；所述加药泵投加量控制模块根据所述前馈补偿模块、硝氮控制模块和反馈补偿模块输入的数据，计算当前控制周期需要的投加量，并通过所述变频器输送给所述加药泵的电动机，控制所述加药泵的投加量；

所述进水水量仪表、内回流流量仪表和外回流流量仪表采用电磁流量计；两块所述硝氮仪表采用在线硝氮分析仪；所述总出水总氮仪表采用带消解预处理功能的在线总氮分析仪；

所述方法包括以下步骤：

1)根据实际工艺条件，选择采用的脱氮方式：

如果采用生化系统脱氮方式，进入步骤2)；

如果采用深度处理脱氮方式，进入步骤6)；

2)选择缺氧区入口的投加点加药，前馈补偿模块根据进水水量、内回流流量和外回流流量，计算当前控制周期缺氧区的加药增量ΔQ₁(t)，并输出到加药泵投加量控制模块；其中加药增量ΔQ₁(t)为：

ΔQ₁(t)＝A×Q1_t-1；

式中：A为进水水量在控制周期内的变化幅度，Q1_t-1为上一个控制周期缺氧区的加药量；

3)启动硝氮控制模块中的生化系统脱氮控制程序，计算当前控制周期缺氧区的加药增量ΔQ₂(t)，并输出到加药泵投加量控制模块；其中加药增量ΔQ₂(t)为：

ΔQ₂(t)＝K₁ΔN(t)+K₂ΔN(t-1)；

式中：ΔN(t)为当前控制周期缺氧区出水硝氮浓度N1(t)与缺氧区出水硝氮设定值N1_st之间的差值，ΔN(t-1)为上一个控制周期缺氧区出水硝氮浓度N1(t-1)与缺氧区出水硝氮控制设定值N1_st之间的差值，K₁和K₂是系数，初值采用经验值，其最终数值通过实验调试确定；

4)加药泵投加量控制模块根据前馈补偿模块输入的加药增量ΔQ₁(t)和硝氮控制模块输入的加药增量ΔQ₂(t)，计算当前控制周期缺氧区的总加药增量ΔQ1_t：

ΔQ1_t＝ΔQ₁(t)+ΔQ₂(t)；

5)判断是否同时采用深度处理脱氮方式，如果同时采用深度处理脱氮方式，进入步骤6)，否则进入步骤9)；

6)选择深度处理单元入口的投加点加药，启动硝氮控制模块中的深度处理脱氮控制程序，计算当前控制周期深度处理单元的加药增量ΔQ₃(t)：

ΔQ₃(t)＝K₃[N2(t)-N2_st]+K₄；

式中，N2(t)为二沉池出水硝氮浓度；N2_st为深度处理单元出水硝氮设定值，其为预先设定的常数；K₃和K₄是系数，其初值采用经验值，最终数值通过实验调试确定；

7)反馈补偿模块根据总出水总氮浓度TN(t)和预先设定的总出水总氮标准TN_st，计算安全裕量SN，根据安全裕量SN计算当前控制周期深度处理单元的加药增量ΔQ₄(t)，并输入加药泵投加量控制模块；其中安全裕量SN为：

SN＝TN_st-TN(t)＞0；

加药增量ΔQ₄(t)为：

${\mathrm{\ΔQ}}_4\left(t\right)=K_5\left(\frac{b-SN}{b+SN}\right)Q{2}_{t-1};$

式中：Q2_t-1为上一个控制周期的加药量；K₅为系数，其初值采用经验值，具体数值通过调试确定；b为根据实际需要确定的设定条件；

8)加药泵投加量控制模块根据输入的加药增量ΔQ₃(t)和加药增量ΔQ₄(t)，计算当前控制周期深度处理单元的总加药增量ΔQ2_t：

ΔQ2_t＝ΔQ₃(t)+ΔQ₄(t)；

9)加药泵投加量控制模块计算当前控制周期的总加药量Q_t，其包括以下三种情况：

a、若仅采用生化系统脱氮方式，则当前控制周期的总加药量Q_t等于当前控制周期缺氧区的加药量Q1_t：

Q1_t＝Q1_t-1+ΔQ1_t；

b、若仅采用深度处理脱氮方式，则当前控制周期的总加药量Q_t等于当前控制周期深度处理单元的加药量Q2_t：

Q2_t＝Q2_t-1+ΔQ2_t；

式中，Q2_t-1为上一控制周期深度处理单元的加药量；

c、若同时采用生化系统脱氮方式和深度处理脱氮方式，则当前控制周期的总加药量Q_t等于当前控制周期缺氧区和深度处理单元的加药量之和，即

Q_t＝Q1_t+Q2_t；

10)加药泵投加量控制模块将步骤9)中得到的总加药量Q_t转变为控制信号输出到变频器，由所述变频器将其变换为电流频率信号输出到加药泵的电动机，控制加药泵的流出量。

2.如权利要求1所述的一种碳源投加前馈-反馈控制方法，其特征在于：所述步骤2)中当前控制周期缺氧区的加药增量ΔQ₁(t)的计算包括以下步骤：

a、将进水水量仪表测定的进水水量、内回流流量仪表测定的内回流流量和外回流流量仪表测定的外回流流量数据输入到前馈补偿模块；

b、前馈补偿模块将输入的各数据进行求和，由于内回流流量和外回流流量在控制周期内基本是稳定的，故计算缺氧区的进水水量在控制周期内的变化幅度A：

$A=\frac{q_t-q_{t-1}}{q_{t-1}}\×100\%;$

其中，q_t为当前控制周期进水水量的算术平均值，q_t-1为上一个控制周期内进水水量的算术平均值；

c、对缺氧区的进水水量在控制周期内的变化幅度A进行判断分析：

当变化幅度A小于设定范围a时，不进行进水水量前馈补偿，即当前控制周期缺氧区的加药增量：ΔQ₁(t)＝0；其中设定范围a根据实际需要确定；

当变化幅度A超过设定范围a时，进行进水水量前馈补偿，并计算当前控制周期对缺氧区的加药增量ΔQ₁(t)：

ΔQ₁(t)＝A×Q1_t-1。

3.如权利要求1所述的一种碳源投加前馈-反馈控制方法，其特征在于：所述步骤3)中当前控制周期缺氧区的加药增量ΔQ₂(t)的计算包括以下步骤：

a、缺氧区出水硝氮仪表测定当前控制周期缺氧区出水硝氮浓度N1(t)，并输入硝氮控制模块，硝氮控制模块计算其与缺氧区出水硝氮设定值N1_st之间的差值ΔN(t)：

ΔN(t)＝N1(t)-N1_st，

b、根据ΔN(t)计算得到当前控制周期缺氧区的加药增量ΔQ₂(t)：

ΔQ₂(t)＝K₁ΔN(t)+K₂ΔN(t-1)。

4.如权利要求2所述的一种碳源投加前馈-反馈控制方法，其特征在于：所述步骤3)中计算当前控制周期缺氧区的加药增量ΔQ₂(t)包括以下步骤：

a、将缺氧区出水硝氮仪表测定的当前控制周期缺氧区出水硝氮浓度N1(t)输入硝氮控制模块，硝氮控制模块计算其与缺氧区出水硝氮设定值N1_st之间的差值ΔN(t)：

ΔN（t）＝N1(t)-N1_st，

b、根据ΔN(t)计算得到当前控制周期缺氧区的加药增量ΔQ₂(t)：

ΔQ₂(t)＝K₁ΔN(t)+K₂ΔN（t-1)。

5.如权利要求1或2或3或4所述的一种碳源投加前馈-反馈控制方法，其特征在于：所述步骤6)中，当前控制周期对深度处理单元的加药增量ΔQ₃(t)的计算包括以下步骤：

a、将二沉池出水硝氮仪表测定的当前控制周期二沉池的出水硝氮浓度N2(t)输入硝氮控制模块；

b、硝氮控制模块使用线性外推算法计算当前控制周期对深度处理单元的加药增量ΔQ₃（t)：

ΔQ₃(t)＝K₃[N2(t)-N2_st]+K₄。

6.如权利要求1或2或3或4所述的一种碳源投加前馈-反馈控制方法，其特征在于：所述步骤7)中，计算当前控制周期深度处理单元的加药增量ΔQ₄(t)包括以下步骤：

a、将总出水总氮仪表测定的当前控制周期的总出水总氮浓度输入反馈补偿模块，反馈补偿模块首先计算安全裕量SN：

SN＝TN_st-TN(t)＞0；

b、反馈补偿模块根据计算的安全裕量SN进行判断分析：

如果安全裕量SN大于或等于设定条件b时，不进行安全裕量反馈补偿，即当前控制周期深度处理单元的加药增量：ΔQ₄(t)＝0；

如果安全裕量SN小于设定条件b时，进行安全裕量反馈补偿，反馈补偿模块计算出水总氮反馈补偿的加药增量ΔQ₄(t)：

${\mathrm{\ΔQ}}_4\left(t\right)=K_5\left(\frac{b-SN}{b+SN}\right)Q{2}_{t-1}.$

7.如权利要求5所述的一种碳源投加前馈-反馈控制方法，其特征在于：所述步骤7)中，计算当前控制周期深度处理单元的加药增量ΔQ₄(t)包括以下步骤：

a、将总出水总氮仪表测定的当前控制周期的总出水总氮浓度输入反馈补偿模块，反馈补偿模块首先计算安全裕量SN：

SN＝TN_st-TN(t)＞0；

b、反馈补偿模块根据计算的安全裕量SN进行判断分析：

如果安全裕量SN大于或等于设定条件b时，不进行安全裕量反馈补偿，即当前控制周期深度处理单元的加药增量：ΔQ₄(t)＝0；

如果安全裕量SN小于设定条件b时，进行安全裕量反馈补偿，反馈补偿模块计算出水总氮反馈补偿的加药增量ΔQ₄(t)：

${\mathrm{\ΔQ}}_4\left(t\right)=K_5\left(\frac{b-SN}{b+SN}\right)Q{2}_{t-1}.$

8.如权利要求1～4任一项所述的一种碳源投加前馈-反馈控制方法，其特征在于：根据仪表配置情况和信号质量采取以下自动切换措施：

1)当进水水量仪表出现故障时，取消前馈补偿控制模块，此时ΔQ₁(t)＝0，硝氮控制模块、反馈补偿模块和加药泵投加量控制模块继续正常控制；

2)当内回流流量仪表和外回流流量仪表故障时，将进水水量仪表测定的进水水量数据作为进水水量进行控制，使用反馈补偿控制模块，硝氮控制模块以及加药泵投加量控制模块继续进行正常控制；

3)当二沉池出水硝氮仪表故障时，取消硝氮控制模块，只选择缺氧区投加点进行加药控制，使用前馈补偿控制模块、反馈补偿控制模块，以及加药泵投加量控制模块继续进行正常控制；

4)当缺氧区出水硝氮仪表故障时，取消硝氮控制模块，使用前馈补偿控制模块、反馈补偿控制模块，以及加药泵投加量控制模块继续进行正常控制；

5)当总出水总氮仪表故障时，取消反馈补偿模块，使用前馈补偿控制模块、反馈补偿控制模块、硝氮控制模块以及加药泵投加量控制模块继续进行正常控制。