CN105540829B - 用于污水处理设施的调节设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于污水处理设施的调节设备和方法。在污水处理设施中，在活化池(1)中将废水经由可控制的通风装置(5)通过间歇性的通风来硝化和脱硝，其中测量废水的铵含量，并且当所测量的铵含量低于阈值(9)时，通过切断通风来结束硝化阶段。为了改进硝化的调节，在硝化阶段的开始和结束之间的持续时间期间根据废水的当前测量的铵含量和阈值(9)调节通风装置(5)的功率。优选地，以基于模型预测的方式且沿着对于铵含量的预设的理论值变化曲线进行调节(10)，其中在对硝化阶段结束的预设时间，理论值变化曲线低于预设的阈值(9)。此外，优选废水到活化池(1)中的注入量(19)对于调节而言作为干扰参量接入。

Description

用于污水处理设施的调节设备和方法

技术领域

本发明涉及一种调节设备。

本发明还涉及一种调节方法。

背景技术

在根据活性污泥法或活化法的生物废水清洁中，废水通过物质代谢活性从需氧的微生物、所谓的活性污泥中去除有机污染物。在此，通过硝化和脱硝分解氮。在硝化期间需氧条件必须占优，以便能够通过自养的微生物进行硝酸盐(NO3)中的铵(NH4)。在随后的脱硝期间将硝酸盐转换成氮(N2)。对此，必须存在缺氧的条件，以便异养的微生物使用硝酸盐氧用于呼吸并且能够执行转换成氮。

为了能够在仅一个活化池中执行硝化和脱硝，池子被时间交替地(间歇性地)通风和不通风。在压缩空气通风的情况下，通过压缩机或鼓风机的接通和断开和转速调节进行对通风功率的调节，其中当由一个压缩机供应多个池子时，压缩的空气经由可控制的气门导入到池子中。

在现代自动化设计中，根据铵和硝酸盐含量在硝化和脱硝之间切换，所述铵和硝酸盐含量借助于NH4/NO3组合探针测量(US 2012/006414 A1,US 2014/263041 A1,US 7416 669 B1)。一旦铵充分地分解，即铵氮(NH4-N)的浓度下降到例如0.5mg/l的阈值之下，就结束硝化阶段进而结束通风。一旦硝酸盐充分地分解，即硝酸盐氮(NO3)的浓度下降到例如8mg/l的阈值之下，就结束脱硝阶段。

也已知的是：通过测量活化池中溶解的氧的浓度并且经由PID调节器确保例如1至2mg/l的尽可能恒定的氧浓度的方式，在硝化阶段期间调节通风的功率。如果由一个鼓风机供应多个池子(US 2014/0263041 Al)，那么或者经由鼓风机转速或者气门的位置来进行调节干预。

在污染物的量和/或浓度方面的注入波动表现了对于污水处理设施的运营商的高要求，因为必须在全部情况下遵守对于污水清洁设施流出到流动水中的法律极限值，其中所述污染物例如通过所连接的用户(家用或工业企业)的行为模式或恶劣的天气来产生。如今的自动化设计最早当活化池中的浓度改变时才能够对变化的注入条件作出反应。然而在大多数情况下没有自动化反应进行。

另一问题时：在间歇性运行中，对氧调节的困难的设定，因为实际上通常硝化阶段的时间上的持续时间不足，以便实现清洁地处理(sauberes Einschwingen)氧调节。

发明内容

本发明所基于的目的是：改进污水处理设施中的硝化的调节。

根据本发明，该目的通过一种调节设备或调节方法来实现。

本发明基于如下知识：在硝化阶段中，氧浓度仅表示用于为微生物的需氧的物质代谢提供的适当环境条件的辅助调节参量。在较长时间恒定的氧浓度并不能够容易地实现，并且出于方法技术和生物方面的观点是不需要的。

根据本发明，在硝化阶段中的通风的功率调节、即气门的位置或鼓风机转速的调节直接地针对主要感兴趣的过程参量，即针对铵浓度。因为为了在间歇性运行中检测切换条件总归提出使用适当的探针、例如NH4/NO3组合探针，所以已经提供了铵测量值。

因此在常规的通风调节中吹入与需要用于达到氧理论值那么多的空气，更确切地说与为了分解污染物是否需要那么多的氧完全无关地，在此期间，通过将调节设计转化到铵作为主调节参量的方式，仅还需要吹入一些空气，这些空气如实际需要那么多，以便用于为微生物充分地提供用于期望地分解铵的氧。因为鼓风机的能量消耗随着转速的三次方提高，所以根据本发明能够显著地节约能量。

调节优选实现为模型预测的调节，这为本发明提供如下优点或改进可行性：

-通过自动地验证学习数据中的过程模型和在当前的运行中使用预测的过程性，能简单地匹配于具有大的延迟时间或甚至死时间的困难的路径动态(Streckendynamik)，

-借助于集成的参考参量过滤器低耗费地实现作为匹配情况的时间变化曲线的理论值轨道，和

-低耗费地、完全工具辅助地实现基于模型的动态的干扰参量接入。

因此，优选沿着对于废水的按含量预设的理论值变化进行调节，其中理论值变化在对于硝化阶段结束的预设时间低于预设的阈值。因此，铵浓度应当在从测量到的启动值到硝化阶段开始的预设时间下降到预设的目标值上。只要上述内容达成，吹入的空气量就是足够的。

铵浓度的下降的期望的时间变化曲线能够经由有利地集成在基于模型的预测的调节器中的参考参量过滤器来预设。在内部，调节器以未来的理论值变化曲线工作，所述理论值变化曲线与调节参量的预测的运动相比较。在没有参考参量过滤器的情况下认为：当前的理论值也在未来不变地在预测范围内是有效的。在理论值突变的情况下这表示：也在较近的未来中已经全数地需要新的理论值，尽管过程完全不能够实现。借助参考参量过滤器或理论值过滤器，计算从当前实际值到所需要的理论值的渐进的理论值轨迹，使得在给定时间达到所需要的理论值。在此，目标理论值勉强低于用于切换以结束硝化阶段的阈值之下，使得可靠地低于阈值并且进行到脱硝的切换。特别地，在硝化开始时通过平缓地根据轨迹启动鼓风机能够显著地节约能量。

此外，优选地实现到活化池(Belebungsbecken)中的注入量的干扰参量接入以便能够预先地对波动做出反应。干扰参量接入能够在没有附加组件的情况下，通过为考虑由于注入波动产生的影响用于校正预测的时间变化曲线的方式来直接地借助基于模型的预测的调节器实现。

附图说明

为了进一步阐述本发明，下面参考所附的附图；详细地

图1示出具有用于通风调节的调节设备的污水处理设施的一个实例，

图2示出根据本发明的调节设备的一个实例，

图3示出根据本发明的调节方法的仿真结果，和

图4为了比较示出已知的调节中的结果。

具体实施方式

在图1中示出具有活化池1的污水处理设施的极其简化示意的视图，所述活化池经由入口2获得来自沉砂池的且要清洁的废水。在活化池1中将废水通过间歇性的硝化和脱硝进行生物清洁。污泥水混合物经由出口3到达到污水再处理池4中，在那里活性污泥从被清洁的废水中分离出，并且作为返回污泥输送回到活化池1中。

在硝化阶段期间，在活化池1中包含的、由废水和活性污泥构成的混合物经由通风装置5以压力的方式通风。通风装置5能够根据要求具有一个或多个鼓风机6或压缩机，所述鼓风机或压缩机能够被接通或断开，并且至少在鼓风机的情况下能够关于其转速进行调节。如果经由气门将空气输送到活性池1中，那么也能够调节该空气输送。

在活性池1中，借助于适当的探针7、例如NH4/NO3组合探针测量污泥水混合物的铵和硝酸盐含量。借助于另外的探针8能够测量其他的参数、如溶解的氧含量、氧化还原电势或pH值。一旦铵氮浓度下降到例如0.5mg/l的阈值9之下，就将硝化阶段进而通气结束。在硝化期间，如下面还详细阐述的那样，借助于调节器10根据测量的铵氮浓度调节鼓风机转速或气门位置。一旦硝酸盐-氮浓度下降到例如8mg/l的阈值之下，就结束紧随硝化阶段的脱硝阶段。

图2同样以极其简化示意的视图示出基于模型的预测的调节器形式(预测调节器)的调节器10的实例。调节路线(Regelstrecke)11、即污水处理设施或在其中运行的过程的调节路线接入到路线模型(Streckenmodell)12中。鼓风机6的作为调节参量u输送给调节路线11和路线模型12的转速(和可能的其他调节参量)、作为主调节参量y的借助探针7检测的铵浓度(和可能的其他测量值、如氧含量、氧化还原电势、pH值、温度)以及测量的调节参量y和由模型12估算的调节参量y^之间的差d^被输送给第一预测器13，所述第一预测器计算铵浓度的未来的变化曲线的预测y0(k)。参考参量过滤器或理论值过滤器14获得阈值9，在低于所述阈值的情况下应当结束硝化阶段或通风阶段，并且计算在硝化阶段期间的、呈从铵含量的当前实际值y到所需要的理论值的渐进的理论值轨迹(一阶)形式的、铵浓度下降的期望的时间变化曲线w(k)。在此，具有例如0.4mg/l的目标理论值勉强低于阈值9，以便确保在硝化阶段结束时不仅达到而且超过0.5mg/l的阈值9并且切换到脱硝阶段上。例如，0.5mg/l的阈值9应在100分钟内达到。现在，第二预测器15从铵浓度的理论值变化曲线w(k)和所述预测y0(k)之间的偏差e0(k)中，在没有调节干预的情况下以及在没有计划的未来的调节参量改变Δu(k)的情况下，计算未来的调节偏差e(k)的变化曲线。优化器16由于未来的调节偏差e(k)和根据优化条件和副条件17确定调节参量改变Δu(k)的未来需要的变化，从中分别将当前的调节参量改变Δu输送给积分器18以产生绝对调节参量u。

为了能够预测地对废水的注入量的波动做出反应，设有在入口2中测量的注入量19的干扰参量接入装置。对此，在计算单元20中借助于用于过程识别的方法根据历史测量数据估计注入量19的波动对铵浓度的影响。因此，干扰参量接入装置能够在没有附加构件的情况下直接地在预测调节器10中通过将来自注入波动的影响考虑用于校正预测的时间变化曲线的方式来实现。功能块21说明注入量19对活化池1中的铵浓度的干扰作用。

图3示出在根据铵含量对通风装置的功率进行根据本发明的调节时从上向下对下述内容的仿真结果：注入19、鼓风机转速22、电能量消耗23、活化池1中的硝酸盐含量24、污水再处理池4的出口中的硝酸盐含量25、活化池1中的铵含量26、污水再处理池4的出口中的铵含量27，和活化池1中的氧浓度28。

为了比较，图4示出在根据氧含量对通风装置的功率进行已知的调节时的相同的注入19、鼓风机转速22’、电能量消耗23’、活化池1中的硝酸盐含量24’、污水再处理池4的出口中的硝酸盐含量25’、活化池1中的铵含量26’、污水再处理池4的出口中的铵含量27’，和活化池1中的氧浓度28’。

通过根据本发明的调节，与已知的调节相比(在仿真中)能够达到显著的能量节约(10至40％)，尤其是在具有小的或强的波动的注入量的时间时达到。在此，污水处理设施的清洁功率不改变，因为在这两个变型形式中在污水再处理池之后的铵和硝酸盐弄浓度是相同的。显然可见的是：根据本发明调节直接地对注入波动做出反应。

在到活化池1的入口2中(图1)能够装入用于浓度测量的另外的传感器。所获得的浓度测量值能够用作为用于干扰参量接入装置的另外的变量29。这尤其在废水通道网络中是重要的，在所述废水通道网络中，在集水区中的污染物导入的局部波动达到污水处理设施之前，使其不通过在通道网络中混合尽可能等同。

Claims (8)

1.一种用于对污水处理设施通风调节的调节设备，在所述污水处理设施中，在活化池(1)中将废水经由能控制的通风装置(5)通过间歇性的通风来硝化和脱硝，所述调节装置具有用于测量所述废水的铵含量的探针(7)，其中所述调节设备构成用于：当所测量的铵含量低于阈值(9)时，通过切断通风来结束硝化阶段，其特征在于，所述调节设备具有调节器(10)，所述调节器构成用于如下地产生调节参量(u)：

沿着对于废水的氨含量预设的理论值变化曲线(w(k))，在此，在为所述硝化阶段结束的预设时间，所述理论值变化曲线(w(k))低于预设的阈值(9)；并且

根据所述废水的当前测量的铵含量(y)，

借助所述调节参量调节所述通风装置(5)的功率。

2.根据权利要求1所述的调节设备，其特征在于，所述调节器(10)构成为具有所述污水处理设施的路线模型(12)和预测器(13)的模型预测的调节器，其中所述预测器(13)构成为：根据当前产生的所述调节参量(u)、所述废水的当前测量的铵含量(y)、以及在测量的铵含量(y)与一个由所述路线模型(12)估算的铵含量(y^)之间的差(d^)，在没有调节干预的情况下计算所述铵含量的未来的变化曲线的预测(y0(k))，并且其中，所述调节器(10)构成为根据所述预测(y0(k))和所述理论值变化曲线(w(k))之间的偏差(e0(k))执行调节参量改变(Δu)形式的调节干预。

3.根据权利要求2所述的调节设备，其特征在于，所述调节器(10)包含另一预测器(15)和优化器(16)，其中所述另一预测器(15)构成为在没有调节干预的情况下从所述铵含量的理论值变化曲线(w(k))和所述铵含量的所述预测(y0(k))之间的偏差(e0(k))中测定未来的调节偏差e(k)，并且其中所述优化器(16)构成为从测定的所述未来的调节偏差(e(k))测定未来的调节参量改变(Δu(k))，将所述未来的调节参量改变(Δu(k))的各当前的调节参量改变(Δu)用于当前的调节干预。

4.根据前述权利要求中任一项所述的调节设备，其特征在于，所述废水到所述活化池(1)中的注入量(19)作为调节参量接入所述调节器(10)。

5.一种用于对污水处理设施通风调节的调节方法，在所述污水处理设施中，在活化池(1)中将废水经由能控制的通风装置(5)通过间歇性的通风来硝化和脱硝，其中测量所述废水的铵含量，并且当所测量的铵含量低于阈值(9)时，通过切断通风来结束硝化阶段，其特征在于，在所述硝化阶段的开始和结束之间的持续时间期间，如下调节所述通风装置(5)的功率：

沿着所述废水的铵含量的理论值变化曲线(w(k))，在此，在为所述硝化阶段结束的预设时间，所述理论值变化曲线(w(k))低于预设的阈值(9)；并且

根据所述废水的当前测量的铵含量(y)。

6.根据权利要求5所述的调节方法，其特征在于，所述通风装置(5)的功率的调节设计为利用所述污水处理设施的路线模型(12)和预测器(13)的模型预测的调节，其中所述预测器(13)根据当前产生的所述调节参量(u)、所述废水的当前测量的铵含量(y)、以及在测量的铵含量(y)与一个由所述路线模型(12)估算的铵含量(y^)之间的差(d^)，在没有调节干预的情况下计算所述铵含量的未来的变化曲线的预测(y0(k))，并且其中调节器(10)根据所述预测(y0(k))和所述理论值变化曲线(w(k))之间的偏差(e0(k))执行调节参量改变(Δu)形式的调节干预。

7.根据权利要求6所述的调节方法，其特征在于，使用另一预测器(15)和优化器(16)，其中所述另一预测器(15)在没有调节干预的情况下从所述铵含量的理论值变化曲线(w(k))和所述铵含量的所述预测(y0(k))之间的偏差(e0(k))中测定未来的调节偏差e(k)，并且其中所述优化器(16)从测定的所述未来的调节偏差(e(k))测定未来的调节参量改变(Δu(k))，将所述未来的调节参量改变(Δu(k))的各当前的调节参量改变(Δu)用于当前的调节干预。

8.根据权利要求5、6或7所述的调节方法，其特征在于，将所述废水到所述活化池(1)中的注入量(19)作为调节参量接入所述调节。