CN104914897B - 一种连续性活性污泥法的曝气控制方法及系统 - Google Patents
一种连续性活性污泥法的曝气控制方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种连续式活性污泥法的曝气控制方法，包括：获取反应池中当前污水的进水化学需氧量和进水流量，分别作为当前进水化学需氧量和当前进水流量；根据反映反应池中污水的进水化学需氧量和进水流量与达标风量之间关系的数据，获得对应当前进水化学需氧量和当前进水流量的达标风量作为当前达标风量；将反应池中鼓风机的运行频率调整为对应当前达标风量的当前达标频率进行曝气。本发明的方法及系统通过控制反应池中鼓风机以当前达标频率运行的方式，可将曝气风量控制为基本与在水力停留时间固定时，可将反应池中当前污水的化学需氧量刚好降至设定值所需的风量相当，这就有效地实现了以尽可能低的能耗达到污水处理指标的目的。
Description
技术领域
本发明涉及连续式活性污泥法技术领域，尤其涉及连续式活性污泥法的曝气控制方法及系统。
背景技术
城市污水处理厂是能源密集的行业之一，在保证出水水质达标的条件下，优化污水厂运行状态，提高污水厂能源利用率，对于节能降耗具有重要意义。在当前污水处理技术领域中，活性污泥法是应用最为广泛的技术之一，已有近90年的历史，随着活性污泥法在实际生产上的广泛应用和技术上的不断革新改进，其已逐渐成为生活污水、城市污水以及有机性工业废水的主体处理技术。
活性污泥法是以活性污泥反应池，也称之为曝气池，作为核心处理设备，原污水或者经过简单处理的污水进入反应池与活性污泥接触，反应池中鼓风机向污水充氧，并使曝气池内污水、活性污泥处于剧烈搅拌的状态，以使活性污泥与污水相互混合、充分接触，进而保证活性污泥反应得以正常进行。连续式活性污泥法的绝大部分能耗集中于鼓风机进行曝气时产生的动力消耗，因此，连续式活性污泥法进行节能降耗的主要环节在于鼓风机的调节与优化控制。
连续式活性污泥法是空间上的推流，污水不断流入、混合，已处理的污水同时流出，进而无法直观确定污水在曝气池中的停留时间，因此，在污水处理技术领域，通常以水力停留时间(Hydraulic Retention Time，HRT衡量污水在反应池中的停留时间，HRT具体指待处理污水在反应池中的平均停留时间，也就是污水与反应池中微生物作用的平均反应时间。对于连续式活性污泥法，污水厂是以固定HRT运行，因此，在注入反应池中污水的进水化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD)(由于COD是浓度单位，因此，COD也被称为COD浓度)一定时，鼓风机的运行频率越高，风量越大，供氧效果越好，反应池中COD浓度降低的就越快；在进水COD总量较高(进水COD总量与进水流量和进水COD成正比)时，为使反应池中污水的出水COD浓度在固定时间内降低至设定值，需要的风量就较大，此时需要加大鼓风机的运行频率，以完成达标排放；而在进水COD总量相对较低时，为使反应池中污水的出水COD浓度降低至设定值需要的风量就较小。因此，为了保证能将反应池内污水的COD浓度降低至该设定值，目前通常是按照高的进水COD总量确定固定的鼓风机运行频率，该种控制方法对于节能降耗显然是不利的。由此可见，如果能够合理地控制反应池中鼓风机的运行频率，将可在保证反应池内COD浓度降低至设定值的前提下，实现节能降耗的目的。
发明内容
本发明的实施例的目的在于提供一种能够合理地控制反应池中鼓风机机的运行频率，以通过尽可能低的能量消耗使反应池中污水的COD浓度降低至设定值的曝气控制方法及系统。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种连续性活性污泥法的曝气控制方法，包括：
获取反应池中当前污水的进水化学需氧量，作为当前进水化学需氧量；
获取反应池中当前污水的进水流量，作为当前进水流量；
根据反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的数据，获得对应所述当前进水化学需氧量和所述当前进水流量的达标风量作为当前达标风量，其中所述达标风量为在水力停留时间为固定时间时，使反应池中污水的化学需氧量降低至设定值需要的风量；
根据所述当前达标风量计算反应池中鼓风机需要的运行频率，作为当前达标频率；
将反应池中鼓风机的运行频率调整为所述当前达标频率进行曝气。
优选的是，所述根据反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的数据，获得对应所述当前进水化学需氧量和所述当前进水流量的达标风量作为当前达标风量包括：
对反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的数据进行数据拟合，得到反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的函数；
根据所述函数，获得对应所述当前进水化学需氧量和所述当前进水流量的达标风量作为当前达标风量。
优选的是，所述数据拟合为最小二乘法拟合。
优选的是，所述曝气控制方法还包括：
在将反应池中鼓风机的运行频率调整为所述当前达标频率进行曝气的时间达到所述固定时间时，获取反应池中当前污水的出水化学需氧量，作为当前出水化学需氧量；
计算所述当前出水化学需氧量与所述设定值之间的相对误差；
利用所述相对误差对所述函数进行修正，得到修正后的函数；
将所述函数更新为所述修正后的函数。
优选的是，所述利用所述相对误差对所述函数进行修正，得到修正后的函数包括：
将所述相对误差加1，得到修正系数；
将所述函数乘以所述修正系数，得到修正后的函数。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种连续式活性污泥法的曝气控制系统，包括：
参数获取模块，用于获取反应池中当前污水的进水化学需氧量，作为当前进水化学需氧量；及用于获取反应池中当前污水的进水流量，作为当前进水流量；
达标风量计算模块，用于根据反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的数据，获得对应所述当前进水化学需氧量和所述当前进水流量的达标风量作为当前达标风量，其中所述达标风量为在水力停留时间为固定时间时，使反应池中污水的化学需氧量降低至设定值需要的风量；
达标频率计算模块，用于根据所述当前达标风量计算反应池中鼓风机需要的运行频率，作为当前达标频率；以及，
曝气执行模块，用于将反应池中鼓风机的运行频率调整为所述当前达标频率进行曝气。
优选的是，所述达标风量计算模块还包括：
函数获得单元，用于对反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的数据进行数据拟合，得到反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的函数；以及，
达标风量计算单元，用于根据所述函数，获得对应所述当前进水化学需氧量和所述当前进水流量的达标风量作为当前达标风量。
优选的是，所述数据拟合为最小二乘法拟合。
优选的是，所述曝气控制系统还包括：
函数修正模块，用于在将反应池中鼓风机的运行频率调整为所述当前达标频率进行曝气的时间达到所述固定时间时，获取反应池中当前污水的出水化学需氧量作为当前出水化学需氧量；用于计算所述当前出水化学需氧量与所述设定值之间的相对误差；及用于利用所述相对误差对所述函数进行修正，得到修正后的函数；
函数更新模块，用于将所述函数更新为所述修正后的函数。
优选的是，所述函数修正模块具体用于将所述相对误差加1，得到修正系数；及具体用于将所述函数乘以所述修正系数，得到修正后的函数。
本发明的有益效果在于，本发明的连续式活性污泥法的曝气控制方法及系统通过利用反映污水的进水化学需氧量和进水流量与达标风量之间对应关系的数据获得对应当前进水化学需氧量和当前进水流量的当前达标风量，并控制反应池中鼓风机以计算得到的当前达标频率运行固定时间以得到该当前达标风量的方式，可将曝气风量控制为基本与在反应池中鼓风机以固定时间运行，能够将反应池中当前污水的化学需氧量从当前进水化学需氧量刚好降至设定值的达标风量相当，这就有效地实现了以尽可能低的能耗达到污水处理指标的目的。
附图说明
图1示出了根据本发明的连续式活性污泥法的曝气控制方法的一种实施方式的流程图；
图2示出了反映反应池中污水的化学需氧量和进水流量与鼓风机风量之间关系随时间变化的曲线；
图3示出了根据本发明的连续式活性污泥法的曝气控制系统的一种实施结构的方框原理图；
图4示出了根据本发明的连续式活性污泥法的曝气控制系统的另一种实施结构的方框原理图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。
本发明为了解决连续式活性污泥法中以高的进水COD总量确定固定的鼓风机运行频率存在的能量损耗高的问题，提供了一种通过合理地控制曝气时的鼓风机运行频率，以通过尽可能低的能量消耗使反应池内污水的COD浓度降低至设定值的曝气控制方法，为此，如图1所示，本发明的方法包括如下步骤：
步骤S1：获取反应池中当前污水的进水化学需氧量，即进水COD，或者称之为进水COD浓度，作为当前进水化学需氧量，该进水COD浓度即为待注入反应池中污水的初始COD浓度，在此可采用专用的COD浓度测定仪获取反应池中当前污水的进水化学需氧量；及获取反应池中当前污水的进水流量，作为当前进水流量，在此可通过流量计获取反应池中当前污水的进水流量。
步骤S2：根据反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的数据，获得对应上述当前进水化学需氧量和上述当前进水流量的达标风量作为当前达标风量，其中，达标风量为在水力停留时间(HRT)为固定时间t0时，使反应池中污水的化学需氧量从进水化学需氧量降低至设定值需要的风量，该设定值可根据《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)设定。
上述数据可通过在线仪表记录进水流量和进水COD浓度与鼓风机风量之间关系随曝气时间变化的关系而获得，兼顾考虑曝气控制的精确度及数据处理的速度，可将数据的小数位精确到十分位，并且监测的数据量应该超过一定数值，例如超过1000组。大量收集稳定HRT条件下，连续式污水处理工艺运行参数及运行效果数据，分析连续式污水处理反应池中鼓风机风量与进水流量和进水COD浓度随时间变化的数据，该数据的具体形式为在HRT为固定时间t0的情况下：进水流量为Q1、进水COD浓度为C1时，使出水COD浓度降至设定值C0需要的鼓风机风量为F1；进水流量为Q2、进水COD浓度为C2时，使出水COD浓度降至设定值C0需要的鼓风机风量为F2。
根据上述数据获得对应当前进水化学需氧量和当前进水流量的达标风量的方法例如可为：根据上述数据，通过数据插值获得对应当前进水化学需氧量和当前进水流量的达标风量，但由于反应池中污水的进水COD浓度和进水流量与达标风量之间为非线性关系，因此，采用数据插值的方法获得对应当前进水化学需氧量和当前进水流量的达标风量的精确度相对较低，为此，可以采用对反映污水的进水化学需氧量和进水流量与达标风量之间对应关系的数据进行数据拟合，进而得到反映污水的进水化学需氧量和进水流量与达标风量之间对应关系的函数的方式，获得对应当前进水化学需氧量和当前进水流量的达标风量，具体为，如果对上述数据进行数据拟合得到的函数为F＝f(C,Q)，即该函数表示在反应池中污水的进水COD浓度为C、进水流量为Q时，要使反应池中污水的COD浓度降低至设定值C0需要的达标风量F，该数据拟合可以为最小二乘法拟合，广义回归线性网络(Generalregression neural network，GRNN)拟合，误差逆传播(Back Propagation，BP)神经网络拟合，支持向量机(Support Vector Machine，SVM)的拟合等，其中的最小二乘法拟合相对其他拟合方法具有易于实现、计算速度快等优点，而且在实际应用中，通过最小二乘法进行数据拟合即可获得符合设计要求的控制精度。
步骤S3：根据当前达标风量计算反应池中鼓风机需要的运行频率，作为当前达标频率。
步骤S4：将反应池中鼓风机的运行频率调整为所述当前达标频率进行曝气。
本发明的连续式活性污泥法的曝气控制方法基于通过监测连续式活性污泥工艺的有限数据组获得的反映污水的进水化学需氧量和进水流量与达标风量之间对应关系的数据，利用数据分析手段获得对应当前进水化学需氧量和当前进水流量的当前达标风量，这样，通过控制反应池中鼓风机以对应该当前达标风量的当前达标频率运行，即可将曝气风量控制为基本与在HRT为固定时间t0时，能够将反应池中当前污水的化学需氧量从当前进水化学需氧量刚好降至设定值的达标风量相当，这就有效地实现了以尽可能低的能耗达到污水处理指标的目的。
由于利用通过对监测得到的数据进行数据拟合获得的函数计算得到的对应当前进水化学需氧量和当前进水流量的当前达标风量可能与当前进水化学需氧量和当前进水流量所需的实际达标风量存在一定的误差，因此，为了进一步提高控制精度，本发明的曝气控制方法还可以包括如下步骤：
步骤S4：在将反应池中鼓风机的运行频率调整为所述当前达标频率进行曝气达到固定时间t0时，获取反应池中当前污水的出水化学需氧量，作为当前出水需氧量数值，在此可采用专用的COD浓度测定仪获取反应池中当前污水的出水化学需氧量。
步骤S5：计算当前出水化学需氧量与上述设定值C0之间的相对误差e，相对误差e即为当前出水化学需氧量与设定值C0之间的差值与设定值C0之间的比值。
步骤S6：利用该相对误差e对上述函数F＝f(C,Q)进行修正，得到修正后的函数。
步骤S7：将上述函数更新为修正后的函数，以在后续注入反应池中的污水进行曝气控制时，利用已更新的函数计算对应当前进水化学需氧量和当前进水流量的当前达标风量，使控制精度随着曝气控制的不断进行而不断提高。
上述步骤S6中利用相对误差对函数F＝f(C,Q)进行修正，得到修正后的函数可包括：
步骤S61a：将相对误差e加1，得到修正系数λ，即λ＝1+e。
步骤S62a：将函数乘以所述修正系数，得到修正后的函数，即修正后的函数F′＝λf(C,Q)。
上述步骤S6中利用相对误差对函数t＝f(C)进行修正，得到修正后的函数也可包括：
步骤S61b：计算进行各次曝气运行频率调整获取的相对误差的平均值，得到平均相对误差，并将平均相对误差加1，得到修正系数，例如，到获得上述相对误差e为止，已进行过五次频率调整，则上述相对误差e为e5，则修正系数λ＝1+(e1+e2+e3+e4+e5)/5。
步骤S62：将函数乘以所述修正系数，得到修正后的函数，即修正后的函数F′＝λf(C,Q)。
与上述连续式活性污泥法的曝气控制方法相对应，如图3所示，本发明的连续式活性污泥法的曝气控制系统包括参数获取模块1、达标风量计算模块21、达标频率计算模块22和曝气执行模块3，该参数获取模块1用于获取反应池中当前污水的进水化学需氧量，作为当前进水化学需氧量；及用于获取反应池中当前污水的进水流量，作为当前进水流量；该达标风量计算模块21用于根据反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的数据，获得对应所述当前进水化学需氧量和所述当前进水流量的达标风量作为当前达标风量，其中所述达标风量为在水力停留时间为固定时间时，使反应池中污水的化学需氧量降低至设定值需要的风量；该达标频率计算模块22用于根据所述当前达标风量计算反应池中鼓风机需要的运行频率，作为当前达标频率；该曝气执行模块3用于将反应池中鼓风机的运行频率调整为所述当前达标频率进行曝气。
上述达标风量计算模块21还可以包括函数获得单元和达标风量计算单元(图中未示出)，该函数获得单元用于对反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的数据进行数据拟合，得到反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的函数；该达标风量计算单元用于根据所述函数，获得对应所述当前进水化学需氧量和所述当前进水流量的达标风量作为当前达标风量。上述数据拟合例如为最小二乘法拟合。
如图4所示，本发明的曝气控制系统可进一步包括函数修正模块4和函数更新模块5，该函数修正模块4用于在将反应池中鼓风机的运行频率调整为所述当前达标频率进行曝气达到固定时间t0时，获取反应池中当前污水的出水化学需氧量作为当前出水化学需氧量；用于计算所述当前出水化学需氧量与所述设定值之间的相对误差；及用于利用所述相对误差对所述函数进行修正，得到修正后的函数；函数更新模块5用于将所述函数更新为所述修正后的函数。
上述函数修正模块可具体用于将所述相对误差加1，得到修正系数；及具体用于将所述函数乘以所述修正系数，得到修正后的函数。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处。尤其，对于系统实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述得比较简单，相关之处参见方法实施例的部分说明即可。以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的模块或单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为模块或单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性劳动的情况下，即可以理解并实施。
以上依据图式所示的实施例详细说明了本发明的构造、特征及作用效果，以上所述仅为本发明的较佳实施例，但本发明不以图面所示限定实施范围，凡是依照本发明的构想所作的改变，或修改为等同变化的等效实施例，仍未超出说明书与图示所涵盖的精神时，均应在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种连续性活性污泥法的曝气控制方法，其特征在于，包括：
获取反应池中当前污水的进水化学需氧量，作为当前进水化学需氧量；
获取反应池中当前污水的进水流量，作为当前进水流量；
对反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的数据进行数据拟合，得到反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的函数；
根据所述函数，获得对应所述当前进水化学需氧量和所述当前进水流量的达标风量作为当前达标风量，其中所述达标风量为在水力停留时间为固定时间时，使反应池中污水的化学需氧量降低至设定值需要的风量；
根据所述当前达标风量计算反应池中鼓风机需要的运行频率，作为当前达标频率；
将反应池中鼓风机的运行频率调整为所述当前达标频率进行曝气；
在将反应池中鼓风机的运行频率调整为所述当前达标频率进行曝气的时间达到所述固定时间时，获取反应池中当前污水的出水化学需氧量，作为当前出水化学需氧量；
计算所述当前出水化学需氧量与所述设定值之间的相对误差；
利用所述相对误差对所述函数进行修正，得到修正后的函数；
将所述函数更新为所述修正后的函数。
2.根据权利要求1所述的曝气控制方法，其特征在于，所述数据拟合为最小二乘法拟合。
3.根据权利要求1或2所述的曝气控制方法，其特征在于，所述利用所述相对误差对所述函数进行修正，得到修正后的函数包括：
将所述相对误差加1，得到修正系数；
将所述函数乘以所述修正系数，得到修正后的函数。
4.一种连续式活性污泥法的曝气控制系统，其特征在于，包括：
参数获取模块，用于获取反应池中当前污水的进水化学需氧量，作为当前进水化学需氧量；及用于获取反应池中当前污水的进水流量，作为当前进水流量；
达标风量计算模块，用于根据反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的数据，获得对应所述当前进水化学需氧量和所述当前进水流量的达标风量作为当前达标风量，其中所述达标风量为在水力停留时间为固定时间时，使反应池中污水的化学需氧量降低至设定值需要的风量；
达标频率计算模块，用于根据所述当前达标风量计算反应池中鼓风机需要的运行频率，作为当前达标频率；以及，
曝气执行模块，用于将反应池中鼓风机的运行频率调整为所述当前达标频率进行曝气；
所述达标风量计算模块还包括：
函数获得单元，用于对反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的数据进行数据拟合，得到反映反应池中污水的进水化学需氧量和反应池中污水的进水流量与达标风量之间对应关系的函数；以及，
达标风量计算单元，用于根据所述函数，获得对应所述当前进水化学需氧量和所述当前进水流量的达标风量作为当前达标风量；
所述曝气控制系统还包括：
函数修正模块，用于在将反应池中鼓风机的运行频率调整为所述当前达标频率进行曝气的时间达到所述固定时间时，获取反应池中当前污水的出水化学需氧量，作为当前出水化学需氧量；用于计算所述当前出水化学需氧量与所述设定值之间的相对误差；及用于利用所述相对误差对所述函数进行修正，得到修正后的函数；
函数更新模块，用于将所述函数更新为所述修正后的函数。
5.根据权利要求4所述的曝气控制系统，其特征在于，所述数据拟合为最小二乘法拟合。
6.根据权利要求4或5所述的曝气控制系统，其特征在于，所述函数修正模块具体用于将所述相对误差加1，得到修正系数；及具体用于将所述函数乘以所述修正系数，得到修正后的函数。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 100048 room C03, room 7, building 91, No. three West Third Ring Road, Beijing, Haidian District Applicant after: BEIJING JINKONG DATA TECHNOLOGY CO., LTD. Address before: 100048 room C03, room 7, building 91, No. three West Third Ring Road, Beijing, Haidian District Applicant before: Beijing Jinkong Automatic Technology Co., Ltd. |
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| COR | Change of bibliographic data | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant |