CN104614990B - 一种利用数学模型动态精确控制生化池鼓风供气量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用数学模型动态精确控制生化池鼓风供气量的方法，属于水处理控制领域。该方法包括：获取计算生化池鼓风供气量的相关参数，所述相关参数为计算用数学模型公式G_s＝0.119×1.08^20‑T{0.01×1.47Q(S_o‑S_e)‑1.42yY_tQ(S_o‑S_e)/1000+4.57[0.01Q(N_k‑N_ke)‑0.12yY_tQ(S_o‑S_e)/1000]‑0.62×4.57D_o[0.001Q(N_t‑N_ke‑N_oe)‑0.12yY_tQ(S_o‑S_e)/1000]}/E_A中的参数；获取相关参数后利用所述公式计算得到好氧池鼓风供气量G_s，根据计算得到的所述鼓风供气量G_s对鼓风机变频器的运行频率值进行控制，使鼓风机的供风量等于或无限接近所述计算的鼓风供气量G_s。该方法能保证实现适时、动态、精确的控制，提升节能效果。

Description

一种利用数学模型动态精确控制生化池鼓风供气量的方法

技术领域

本发明涉及水处理的曝气控制领域，特别是涉及一种利用数学模型动态精确控制生化池鼓风供气量的方法。

背景技术

利用鼓风机给生物反应池好氧区供氧以去除五日生化需氧量、脱氮的废水处理系统的现有技术中，对供氧量的控制，绝大多数是根据好氧池中废水的溶解氧浓度来控制的。即，当其溶解氧浓度低于设定值时，适当加大供氧量；当其溶解氧浓度高于设定值时，适当减小供氧量。

供氧量与曝气量是正比关系，在同一环境条件下，曝气量与鼓风机的供气量是正比关系，所以控制供氧量最终是通过控制鼓风机供气量来实现的。

现有技术的加大和减小供氧量方法，绝大多数是人工增、减鼓风机运行的台数或调节带变频控制的鼓风机运行频率。

废水处理的目标是将废水中污染物的超标含量降至达标值以下，其中最重要和核心的环节或方法之一就是利用鼓风机给生物反应池好氧区供氧以去除五日生化需氧量、脱氮，溶解氧浓度只是生物反应池中好氧区进行生化反应的一个必要但不充分的条件，其浓度达到或高于标准值(或称之为现有技术的设定值)并不意味着被处理的废水的污染物指标已降至达标线以下，所以现有技术根据溶解氧浓度去控制曝气量至少存在两点隐患：

(1)水质已经达标但溶解氧浓度在设定值以下时，系统被加大曝气量，从而造成资源的浪费和运营费用无意义的增高。

(2)水质尚未达标但溶解氧的浓度在设定值以上时，系统被减少曝气量，从而可能造成出水水质不达标排放，可能对环境造成二次污染。

一般采用这种工艺方法的中等规模污(废)水处理厂，曝气用鼓风机的电耗占全厂总电耗的30％或以上，而全厂的电耗占全部运营费用的30％以上。因此，发明人发现，找到一种能节省曝气用鼓风机电耗从而降低污水处理运营费用的方法具有非常重要的经济意义。

发明内容

基于上述现有技术所存在的问题，本发明提供一种利用数学模型动态精确控制生化池鼓风供气量的方法，能适时、动态、精确地计算出好氧池中需要曝气量，进而对生化池鼓风曝气量进行准确控制，节能、降耗且提高运行可靠性。

为解决上述技术问题，本发明提供一种利用数学模型动态精确控制生化池鼓风供气量的方法，包括：

获取计算生化池鼓风曝气量的相关参数，所述相关参数为计算用数学模型公式G_s＝0.119×1.08^20-T{0.01×1.47Q(S_o-S_e)-1.42yY_tQ(S_o-S_e)/1000+4.57[0.01Q(N_k-N_ke)-0.12yY_tQ(S_o-S_e)/1000]-0.62×4.57D_o[0.001Q(N_t-N_ke-N_oe)-0.12yY_tQ(S_o-S_e)/1000]}/E_A(标记为公式(1),下同)中的参数；

所述公式(1)中的各参数表示：

G_s——好氧池需要鼓风供气量；

T——当前好氧池水温[℃]；

Q——好氧池进水流量[m³/d]；

S_o——好氧池进水五日生化需氧量[mg/L]；

S_e——好氧池出水五日生化需氧量[mg/L]；

N_k——好氧池进水总凯氏氮浓度[mg/L]；

N_ke——好氧池出水总凯氏氮浓度[mg/L]；

y——MLSS中MLVSS所占比例，设定为0.65～0.8；

Y_t——污泥总产率系数，设定为0.4～0.8[kgVSS/kgBOD₅]；

D_o——好氧池中溶解氧浓度[mg/L]；

N_t——好氧池进水总氮浓度[mg/L]；

N_oe——好氧池出水硝态氮浓度[mg/L]；

E_A——曝气器氧的利用率，设定为10～30[％]；

获取相关参数后利用所述公式计算得到好氧池鼓风供气量G_s，根据计算得到的所述鼓风供气量G_s对鼓风机变频器的运行频率值进行控制，使鼓风机的供风量等于或无限接近所述计算的鼓风供气量G_s。

本发明的有益效果为：由于控制所用的数学模型，不仅使用了静态的可设定参数如MLSS中MLVSS所占比例y，污泥总产率系数Y_t，曝气器氧的利用率E_A，以及动态参数当前好氧池中废水的溶解氧浓度D_o，而且还使用了以下动态参数：当前水温T、好氧池进水流量Q以及能表示当前好氧池中水质的污染物指标参数：好氧池进水五日生化需氧量S_o、好氧池出水五日生化需氧量S_e、好氧池进水总凯氏氮浓度N_k、好氧池出水总凯氏氮浓度N_ke、好氧池进水总氮浓度N_t、好氧池出水硝态氮浓度N_oe等。使得通过本公式(1)计算得到的作为控制依据的鼓风供气量，不仅与当前好氧池中废水的溶解氧浓度有关，而且与当前水温、进水流量以及水质也有适时、动态和精确的对应关系，这样当废水中污染物指标参数较低时，鼓风供气量也会降低，从而起到节能降耗的作用；当废水中污染物指标参数较高时，鼓风供气量会升高，从而保证被处理的废水最终能达标。因此利用本发明的数学模型动态精确计算鼓风供气量，不仅以溶解氧浓度为依据而且增加了以水质指标为依据，更贴近客观现实、更节能、排放达标的可靠性更高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的方法实际应用中的控制流程图。

具体实施方式

下面对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供一种利用数学模型动态精确控制生化池鼓风供气量的方法，包括：

获取计算生化池鼓风曝气量的相关参数，所述相关参数为计算用数学模型公式G_s＝0.119×1.08^20-T{0.01×1.47Q(S_o-S_e)-1.42yY_tQ(S_o-S_e)/1000+4.57[0.01Q(N_k-N_ke)-0.12yY_tQ(S_o-S_e)/1000]-0.62×4.57D_o[0.001Q(N_t-N_ke-N_oe)-0.12yY_tQ(S_o-S_e)/1000]}/E_A中的参数；

所述公式(1)中的各参数表示(各相关参数为在废水处理系统的好氧池通过以下给出的方式获得)：

G_s——好氧池需要的鼓风供气量[m³/h]，由公式(1)算出；

T——当前水温[℃]，由温度变送器测得；

Q——好氧池进水流量[m³/d]，由进水流量计测得；

S_o——好氧池进水五日生化需氧量[mg/L]，由在线BOD₅仪测得；

S_e——好氧池出水五日生化需氧量[mg/L]，由在线BOD₅仪测得；

N_k——好氧池进水总凯氏氮浓度[mg/L]，由在线TKN仪测得；

N_ke——好氧池出水总凯氏氮浓度[mg/L]，由在线TKN仪测得；

y——MLSS中MLVSS所占比例，设定系数，0.65～0.8；

Y_t——污泥总产率系数，设定系数，0.4～0.8[kgVSS/kgBOD₅]；

D_o——好氧池中溶解氧浓度[mg/L]，由在线溶氧仪测得；

N_t——好氧池进水总氮浓度[mg/L]，由在线总氮分析仪测得；

N_oe——好氧池出水硝态氮浓度[mg/L]，由在线硝氮分析仪测得；

E_A——曝气器氧的利用率，设定系数，10～30[％]；

获取相关参数后利用所述公式计算得到好氧池鼓风供气量G_s，根据计算得到的所述鼓风供气量G_s对鼓风机变频器的运行频率值进行控制，使鼓风机的供风量等于或无限接近所述计算的鼓风供气量G_s。

优选的，上述方法中，可按设定周期计算得到的所述鼓风供气量G_s，并根据计算得到的所述鼓风供气量G_s对鼓风机变频器的运行频率值进行控制，设定的周期为0.01秒至1.0秒之间的值，这样计算与控制均可以适时、动态进行，可以保证实现适时、动态、精确的控制，提升节能效果。

上述方法中，控制鼓风曝气量的方法，是通过控制鼓风机变频器的运行频率值，使供风量无限接近计算出来的鼓风曝气量，控制过程可采用常用的教科书式的比例、积分、微分调节器，如下式如示：

e(t)＝G-G_s 公式(2)

公式(3)

式中：

G——鼓风机瞬时流量[m³/h]，由流量变送器测得；

e(t)——鼓风机实际流量与计算的鼓风供气量之间的实时编差值，由公式(2)算出；

u(t)——变频器的频率设定，由公式(3)算出；

K_p——比例系数，设定参数，正整数；

K_I——积分系数，设定参数，正整数；

K_D——微分系数，设定参数，正整数；

实际应用中，变频器的频率设定值，可由现场控制站或更高级的中央监控系统给定到变频器，实现对鼓风机输出风量的控制。

实际应用本发明方法的控制流程如图1所示，具体为：

1、在鼓风机频率给定前，增加了进水流量及表达进水水质的参数——进水BOD₅、进水凯氏氮和进水总氮浓度；

2、从好氧区反馈至变频器频率给定处的参数在现有技术的溶解氧浓度的基础上，增加了水温和表达当前水质的参数——BOD₅、凯氏氮和总氮和硝态氮浓度。

3、鼓风机的输出风量要反馈到变频器频率给定处，以对输出风量进行精确控制。

4、由于对需要的鼓风供气量可0.01秒至1.0秒计算一次，鼓风机的频率也是0.01秒至1.0秒调节一次，因此能实现适时、动态、精确的控制。

本发明的方法利用鼓风机给生物反应池好氧区供氧以去除五日生化需氧量、氨氮的硝化和除氮时，通过一些可以设定的参数、以及利用在线仪表测得的参数，以本数学模型适时、动态、精确地计算出好氧池中需要曝气量(亦可称之为鼓风供气量，下同)，利用该动态数据模型对鼓风供气量进行计算时，不仅需要静态的可设定参数如MLSS中MLVSS所占比例y，污泥总产率系数Y_t，曝气器氧的利用率E_A，而且需要动态参数当前好氧池中废水的溶解氧浓度D_o，以及还需要相应的下列动态参数：当前水温T、好氧池进水流量Q以及能表示当前好氧池中水质的污染物指标参数：好氧池进水五日生化需氧量S_o、好氧池出水五日生化需氧量S_e、好氧池进水总凯氏氮浓度N_k、好氧池出水总凯氏氮浓度N_ke、好氧池进水总氮浓度N_t、好氧池出水硝态氮浓度N_oe等。因此，利用该数学模型公式(1)计算得到的鼓风供气量，不仅与当前好氧池中废水的溶解氧浓度有关，而且与当前水温、进水流量以及水质也有适时、动态和精确的对应关系。这样当废水中污染物指标参数较低时，鼓风供气量也会降低，从而起到节能降耗的作用。当废水中污染物指标参数较高时，鼓风供气量会升高，从而保证被处理的废水最终能达标。因此，本发明利用数学模型计算鼓风供气量来进行控制的方法，在以溶解氧浓度为依据的前提下，增加了以水质指标为依据，更贴近客观现实、更节能、排放达标的可靠性更高。

实际中，为利用上述公式(1)计算得到的适时鼓风供气量在生产控制过程中实施，对仪表、自控系统有如下要求：1、上述计算中需要测量的参数T、Q、S_o、S_e、N_k、N_ke、D_o、N_t、N_oe能被测得或能被获取；2、上述计算中需要设定的参数y、Y_t、E_A，能由人机交换系统进行设定；3、本废水处理厂至少具有PLC或DCS等现场可编程控制站或更高级的中央监控系统，且公式(1)中涉及的所有参数可在现场可编程控制站或更高级的中央监控系统上设定、测量或采集、利用通讯从其他渠道获取；4、曝气鼓风机是带变频控制的，总出风管上装有流量变送器，可将瞬时流量值上传至现场控制站。只有带变频控制才能适时调整、微调曝气量，起到节能的作用。上述条件在现有的一般废水处理厂中绝大多数均具备或比较方便实现的，是比较基础的自控条件，因此本发明的方法可以方便的在现有废水处理厂中实施，实现节能、降耗，能在保证污水处理厂排放水质达标上具有更高的可靠性。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种利用数学模型动态精确控制生化池鼓风供气量的方法，其特征在于，包括：

获取计算生化池鼓风供气量的相关参数，所述相关参数为计算用数学模型公式1：G_s＝0.119×1.08^20-T{0.01×1.47Q(S_o-S_e)-1.42yY_tQ(S_o-S_e)/1000+4.57[0.01Q(N_k-N_ke)-0.12yY_tQ(S_o-S_e)/1000]-0.62×4.57D_o[0.001Q(N_t-N_ke-N_oe)-0.12yY_tQ(S_o-S_e)/1000]}/E_A中的参数；

所述公式1中的各参数表示：

G_s——好氧池需要的鼓风供气量；

T——当前好氧池水温[℃]；

Q——好氧池进水流量[m³/d]；

S_o——好氧池进水五日生化需氧量[mg/L]；

S_e——好氧池出水五日生化需氧量[mg/L]；

N_k——好氧池进水总凯氏氮浓度[mg/L]；

N_ke——好氧池出水总凯氏氮浓度[mg/L]；

y——MLSS中MLVSS所占比例，设定为0.65～0.8；

Y_t——污泥总产率系数，设定为0.4～0.8[kgVSS/kgBOD₅]；

D_o——好氧池中溶解氧浓度[mg/L]；

N_t——好氧池进水总氮浓度[mg/L]；

N_oe——好氧池出水硝态氮浓度[mg/L]；

E_A——曝气器氧的利用率，设定为10～30[％]；

获取相关参数后利用所述公式计算得到好氧池需要的鼓风供气量G_s，根据计算得到的所述鼓风供气量G_s对鼓风机变频器的运行频率值进行控制，具体为：按设定周期计算得到的所述鼓风供气量G_s，并根据计算得到的所述鼓风供气量G_s对鼓风机变频器的运行频率值进行控制，使鼓风机的供风量等于或无限接近计算的所述鼓风供气量G_s。

2.根据权利要求1所述的一种利用数学模型动态精确控制生化池鼓风供气量的方法，其特征在于，所述相关参数通过以下方式获得：

T——当前好氧池水温[℃]，由温度变送器测得；

Q——好氧池进水流量[m³/d]，由进水流量计测得；

S_o——好氧池进水五日生化需氧量[mg/L]，由在线BOD₅仪测得；

S_e——好氧池出水五日生化需氧量[mg/L]，由在线BOD₅仪测得；

N_k——好氧池进水总凯氏氮浓度[mg/L]，由在线TKN仪测得；

N_ke——好氧池出水总凯氏氮浓度[mg/L]，由在线TKN仪测得；

D_o——好氧池中溶解氧浓度[mg/L]，由在线溶氧仪测得；

N_t——好氧池进水总氮浓度[mg/L]，由在线总氮分析仪测得；

N_oe——好氧池出水硝态氮浓度[mg/L]，由在线硝氮分析仪测得。

3.根据权利要求1所述的一种利用数学模型动态精确控制生化池鼓风供气量的方法，其特征在于，所述设定的周期为0.01秒至1.0秒之间的值。