CN106082430A - 一种曝气控制系统与曝气控制方法 - Google Patents

一种曝气控制系统与曝气控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种曝气控制系统，该系统包括：数据采集单元、PLC控制单元、曝气单元，所述数据采集单元包括OUR测定仪、OTE测定仪与DO测定仪，所述曝气单元包括鼓风机、微孔曝气头与流量计。本申请还提供了利用所述曝气控制系统进行曝气控制的方法，所述系统自动控制软件将根据在线自动采集的OUR值、OTE值及DO值，计算需供给的曝气量，再将信号输出改变鼓风流量，保证DO稳定在设定值，偏差不超过0.5mg/L，实现了氧气的供需动态平衡，既能弥补供氧不足造成的水质较差问题，也能减少过多曝气的能量浪费，同时具有评估曝气系统性能的高低的功能。

Description

一种曝气控制系统与曝气控制方法
技术领域
本发明涉及污水处理领域，尤其涉及一种曝气控制系统与曝气控制方法。
背景技术
与发达国家相比，我国城镇污水处理能效偏低，高能耗问题突出；2012年我国污水处理行业总电耗高达125亿kWh，单位电耗为0.29kWh/m3，美国污水处理行业平均电耗为0.32kWh/m3，但我国污水处理厂平均进水污染物浓度约为美国的2/3，出水水质标准总体远低于美国，并且有80％以上的污泥除脱水外未进行其它处理处置。而随着各地提标改造的实施，我国污水处理能耗将进一步增大。因此，节能降耗是目前我国污水处理厂运营管理的重要任务。
在污水生物处理方法中，曝气是能耗最大的环节，通常情况下约占污水厂运营总电耗的50％～70％，因此降低曝气阶段的能耗，是污水处理厂节能降耗的重中之重。曝气控制策略即是通过采用自动化控制仪表、仪器对污水处理过程曝气量实现自动、精确的调控，以达到出水水质稳定达标、节能降耗及减少人员干预的目的。
国内最普遍的曝气控制方法还是较粗放的人工调试方式，通常是根据操作员的经验来确定曝气量，如果出水水质没有发生长期、明显的波动，就不会对曝气量进行实时调节；一旦运行条件发生改变，对于曝气量的调节仍然只是根据经验调大调小，从而造成曝气不足或曝气过度的问题，甚至有的处理厂的曝气系统长期处于超过正常负荷状态下运行，不仅对于出水水质没有保证，更会造成大量的能耗浪费。
DO(溶解氧)控制法是在外界条件变化比较规律的情况下，通过PID反馈监测的DO浓度值来调节鼓风量达到预设的值；其步骤为：将污水处理厂某处的溶解氧量设定在某个值，一般为2～3mg/L，当反馈的DO值大于这个值，关小阀门开度，减少鼓风量，来减小DO值，如果反馈的DO值小于该值，就会增加风量来增加DO值。对于采用ORP(氧化还原电位)和pH来进行曝气控制的系统，由于ORP和pH与曝气量并没有直接的线性关系，且ORP值短期内延时严重，在实际应用中并不广泛。以水质指标作为前馈的曝气控制，基本原理是通过污染物浓度来计算需要提供的氧气量，但是污水水质指标大多依靠实验测定，测定时间需要数小时甚至数天，这对实时控制的作用不大。在线水质检测仪表也有数小时的延迟，且价格昂贵，尚未完全普及。因此，目前亟需提供一种曝气控制的方法。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种曝气控制的系统与方法，能够实现精确曝气，并达到节能降耗的目的。
有鉴于此，本申请提供了一种曝气控制系统，包括：数据采集单元、PLC控制单元与曝气单元，所述数据采集单元包括耗氧速率测定仪、氧转移效率测定仪与溶解氧测定仪，所述曝气单元包括鼓风机、微孔曝气头与流量计；
所述耗氧速率测定仪的检测部伸入曝气池中，所述耗氧速率测定仪与PLC控制单元信号连接；
所述氧转移效率测定仪的检测部伸入曝气池中，所述氧转移效率测定仪与PLC控制单元信号连接；
所述溶解氧测定仪的检测部伸入曝气池中，所述溶解氧测定仪与PLC控制单元信号连接；
所述微孔曝气头置于曝气池内，所述微孔曝气头的进口与所述鼓风机连通，所述流量计设置于所述微孔爆气头和鼓风机之间的管路上，所述流量计和所述鼓风机均与PLC控制单元连接；
或，所述微孔曝气头置于曝气池内，所述微孔曝气头的进口与所述鼓风机连通，所述流量计设置于所述PLC控制单元和鼓风机之间的管路上，所述流量计和所述鼓风机均与PLC控制单元连接。
优选的，所述曝气控制系统还包括搅拌装置，所述搅拌装置的一端设置于曝气池中。
优选的，所述PLC控制单元包括数据采集端、数据显示窗口与系统自动控制软件。
本申请还提供了一种利用上述方案所述的曝气控制系统进行曝气控制的方法，包括以下步骤：
在所述PLC控制单元中输入溶解氧设定值；
根据检测的污泥耗氧速率与实际溶解氧浓度，由PLC控制单元计算，得到供氧量，根据实际曝气参数与氧转移速率，由PLC控制单元计算，得到曝气系统性能评估参数；
根据所述供氧量、溶解氧设定值与曝气系统性能评估参数，由PLC控制单元计算，得到溶解氧设定值所需要的曝气量；
根据所述曝气量调节鼓风机，控制曝气池中的曝气量。
优选的，所述实际曝气参数包括曝气器清水充氧能力、饱和溶解氧的修正参数、标准状态下饱和溶解氧浓度与不同温度条件下的饱和溶解氧浓度。
优选的，所述污泥耗氧速率由耗氧速率测定仪在线测定得到，所述在线测定的时间间隔15min。
优选的，所述实际溶解氧浓度由溶解氧监测仪实时监测得到，所述氧转移速率由氧转移速率测定仪实时监测得到。
优选的，得到溶解氧设定值所需要的曝气量的计算式为：
其中，OUR为活性污泥耗氧速率，V曝气池为曝气池体积，C为溶解氧浓度，t控制周期为从目前的溶解氧实际值调控到设定值所需要的时间；C设定值为调控之后要达到的目标溶解氧浓度，C实际值为溶解氧探头的实际测定溶解氧浓度；
Q为实际曝气量，SOTR为Q气量下曝气器清水充氧能力，为标准状态下饱和溶解氧，k为饱和溶解氧的修正参数，SOTE为曝气器在标准状态下的氧利用率，Q1为上次实际曝气量。
优选的，所述控制曝气池中的曝气量具体为：
当实际溶解氧值小于设定值时，在污泥耗氧速率和氧转移速率不变的情况下增加曝气量；
当实际溶解氧值大于设定值时，在污泥耗氧速率和氧转移速率不变的情况下减少曝气量；
当污泥耗氧速率和氧转移速率出现较大波动的情况下，根据公式计算具体的曝气量；
当所述实际溶解氧值变化趋势与设定值吻合时，则可判定实现了曝气的稳定控制。
本发明提供了一种曝气控制系统，其包括：数据采集单元、PLC控制单元与曝气单元，所述数据采集单元包括耗氧速率(OUR)测定仪、氧转移效率(OTE)测定仪与溶解氧(DO)测定仪，所述曝气单元包括鼓风机、微孔曝气头与流量计。本申请提供的曝气控制系统是基于耗氧速率OUR和氧转移效率OTE为控制参数的曝气系统，该控制系统通过测定曝气池活性污泥的实时耗氧量，为曝气系统应当供给的氧气量提供准确的依据，通过测定曝气控制系统的氧转移速率，准确计算实际应当调节的曝气量；即本申请通过周期性在线自动采集OUR和OTE值及实时监测的DO值，反馈给PLC控制器计算需供给的曝气量，输出信号通过变频风机改变曝气量，实现精确曝气保证，并达到节能降耗的目的。
附图说明
图1为本发明曝气控制系统的结构示意图；
图2为本发明曝气控制方法的具体实施流程图。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明实施例公开了一种曝气控制系统，包括：数据采集单元、PLC控制单元与曝气单元，所述数据采集单元包括耗氧速率测定仪、氧转移效率测定仪与溶解氧测定仪，所述曝气单元包括鼓风机、微孔曝气头与流量计；
所述耗氧速率测定仪的检测部伸入曝气池中，所述耗氧速率测定仪与PLC控制单元信号连接；
所述氧转移效率测定仪的检测部伸入曝气池中，所述氧转移效率测定仪与PLC控制单元信号连接；
所述溶解氧测定仪的检测部伸入曝气池中，所述溶解氧测定仪与PLC控制单元信号连接；
所述微孔曝气头置于曝气池内，所述微孔曝气头的进口与所述鼓风机连通，所述流量计设置于所述微孔爆气头和鼓风机之间的管路上，所述流量计和所述鼓风机均与PLC控制单元连接；
或，所述微孔曝气头置于曝气池内，所述微孔曝气头的进口与所述鼓风机连通，所述流量计设置于所述PLC控制单元和鼓风机之间的管路上，所述流量计和所述鼓风机均与PLC控制单元连接。
如图1所示，图1为本发明曝气控制系统的结构示意图，图中1为曝气池，2为污泥耗氧速率(OUR)测定仪，3为氧转移速率(OTE)测定仪，4为搅拌装置，5为溶解氧实时监控仪，6为流量计，7为曝气管路，8为鼓风机，9为数据信号传输线，10为可编程逻辑控制单元(PLC)，11为微孔曝气头。
为了使曝气池中的氧分布均匀，本申请所述曝气控制系统中还包括搅拌装置4，所述搅拌装置4的一端设置于所述曝气池中。微孔曝气头11来增加空气气泡的比表面积，从而增大氧气的转移效率。
本申请中所述曝气池、污泥耗氧速率测定仪、氧转移速率测定仪、搅拌装置、溶解氧实时监测仪、流量计、曝气管路、鼓风机、数据信号传输线与微孔曝气头均为本领域技术人员熟知的设备，对其来源本申请没有特别的限制。本申请中所述OUR测定仪用于检测曝气池中的活性污泥耗氧速率，所述OTE测定仪用于实时检测曝气池的氧转移速率，所述DO测定仪用于实时监测曝气池的溶解氧量。
所述PLC控制系统为本领域技术人员熟知的控制系统，其包括数据采集端、数据显示窗口与系统自动控制软件。
本申请所述OUR测定仪、OTE测定仪与DO测定仪分别测定曝气池中的OUR值、OTE值与DO值；其中耗氧速率(OUR)是指污泥中微生物利用有机物进行呼吸作用时所消耗氧气的速度，是表征污泥中微生物活性的重要指标，代表了实际需氧量；氧转移效率(OTE)是指通过曝气系统转移到混合液中的氧量占总供氧量的比，代表了曝气系统的充氧性能。
本申请所述曝气控制系统通过PLC控制单元根据在线自动采集的OUR值、OTE值与DO值，计算需供给的曝气量，再将信号输出改变鼓风流量，而保证了曝气控制的准确性。
本申请还提供了一种利用上述曝气控制系统进行曝气控制的方法，包括以下步骤：
在所述PLC控制单元中输入溶解氧设定值；
根据检测的污泥好氧速率与实际溶解氧浓度，由PLC控制单元计算，得到供氧量，根据实际曝气参数与氧转移速率，由PLC控制单元计算，得到曝气系统性能评估参数；
根据所述供氧量、溶解氧设定值与曝气系统性能评估参数，由PLC控制单元计算，得到溶解氧设定值所需要的曝气量；
根据所述曝气量调节鼓风机，控制曝气池中的曝气量。
本申请利用所述曝气控制系统进行曝气控制的过程为：在所述的PLC控制单元内的软件中输入期望的DO值，根据活性污泥耗氧速率及实际溶解氧浓度计算出供氧量；根据实际曝气参数计算出曝气系统氧传质效率指标；根据所述的供氧量与所述的DO设定值、所述的曝气系统性能综合指标可以计算出达到DO设定值所需要的曝气量；根据所述的曝气量对风机进行调节。
在上述过程中，所述污泥耗氧速率是由活性污泥耗氧速率在线测定装置测得，所述测定装置时间间隔为15min；所述曝气系统性能评估参数是工艺状态曝气综合充氧性能的重要指标，通过在线测定装置与实际曝气参数得到，所述实际曝气参数包括曝气器清水充氧能力、基于水质的修正参数、温度修正参数、压力修正参数、标准状态下饱和溶解氧浓度、不同温度条件下的饱和溶解氧浓度；所述实际溶解氧浓度由溶解氧测定仪测得；所述的实际曝气量由流量计测得。
上述计算过程均通过PLC控制得到。
所述PLC控制单元植入的控制规则具体为：
首先是供氧量的计算过程，供氧量的计算式如下式所示：
其中，OUR为活性污泥耗氧速率，V曝气池为曝气池体积，C为溶解氧浓度，t控制周期为OUR仪器测定周期，C设定值为调控之后要达到的目标值，C实际值为溶解氧探头的实际测定值；以上参数中，V曝气池、C设定值、t控制周期为事先设定好的参数，OUR与C实际值为仪器测定值；根据上述计算式与仪器测定值，即可计算得到供氧量。
然后再进行曝气系统性能评估参数的计算，计算式如下所示：
其中，Q为实际曝气量，SOTR为Q气量下曝气器清水充氧能力，为标准状态下饱和溶解氧，k为饱和溶解氧的修正参数；θ为氧转移效率的温度修正参数；以上参数中，OTE、C实际值为仪器测定值，SOTR、k、θ为设定值，其中：θ＝0.888。
SOTR会随着曝气量的变化而变化，k会随着水质的变化而变化，会随着温度的变化而变化，会随着测试现场位置的变化而变化，因此参数k为变量。相比较而言，SOTR可通过污水处理厂所用曝气器产品的性能指标说明中获得，k可先进行污水中饱和溶解氧的测定及现场大气压力测定后，之后默认为定值。在计算曝气系统性能评估参数的过程中，Q为实际曝气量，具体为：若曝气系统首次启动，则Q为设定的曝气量，若曝气系统运行一段时间后，则Q为上次计算得到的曝气量，此过程中为了将上次曝气量与实际曝气量进行区别，将上次曝气量设定为Q1，通过上述Q、OTE、C实际值的测定值，即可计算得到曝气系统性能评估参数。
最后进行曝气量的计算，曝气量的按照如下规则进行：
其中，SOTE为曝气器在标准状态下的氧利用率。
带入公式得出实际所需曝气量Q的计算公式如下：
本申请曝气控制方法利用所述曝气控制系统进行了曝气量的实时监测与计算，在实际曝气控制过程中，曝气量是随着监测仪器以及上述参数的变化实时变动的，由PLC控制单元直接输出来控制曝气单元的。
本发明提供了一种基于耗氧速率OUR和氧转移效率OTE为控制参数的曝气控制系统，先设定期望溶解氧(DO)浓度，通过溶解氧测定仪测出实际溶解氧的值，并通过耗氧速率(OUR)仪和氧转移效率(OTE)仪周期性测定OUR和OTE值，PLC利用OUR、OTE及实际溶解氧浓度与期望浓度的差值来实现对鼓风机的风量控制。本发明所述曝气控制系统通过准确监测污泥活性以及空气中氧气向溶解氧的转移效率可以实现曝气量的精确控制，达到长期稳定的出水水质及节能降耗的目的。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的曝气控制系统与曝气控制方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
设定期望溶解氧浓度，设定的溶解氧值是通过改变曝气量使得实际曝气量与期望值尽量接近或一致；
根据期望溶解氧浓度、实际溶解氧浓度和耗氧速率(OUR)值计算出需要的供氧量；
根据实际曝气量、OTE及其他修正参数对曝气系统性能进行评估；
先将控制程序写入PLC控制单元10，当曝气控制系统开始运转后，溶解氧(DO)测定仪5实时测定污水中DO浓度，通过数据信号传输线9发送到PLC控制单元10，PLC控制单元10同时将OUR测定仪2和OTE测定仪3反馈的数据进行整合，计算出所需要的曝气量，通过数据信号传输线9控制鼓风机8调节开度实现实时曝气量的调整。
具体的，所述OUR测定仪2的具体工作步骤为吸取所测混合液1L，曝气使其DO浓度达到6～8mg/L，将其泵入呼吸室，软件程序自动作出DO随时间变化曲线并求得该曲线斜率k，即为活性污泥中活性微生物的OUR值；所述OUR测定仪2的测样时间间隔为15min，OUR测定仪2每测定一个OUR值，直至下一个测定值反馈前，PLC控制单元10会根据该OUR值及实时的DO测定仪5和OTE测定仪3测得数据进行计算得出所需曝气量；
所述OTE测定仪3通过利用高精度气体分析模块分析曝气时出气和进气成分，对比两者相对变化，经过数字信号输出得出OTE值；
所述PLC控制单元10包括数据收集模块、命令发送模块、数据显示屏和历史数据模块，通过观察实际溶解氧值的变化趋势与溶解氧设定值的偏离度来判断曝气控制系统的品质。
实施例2
曝气池的体积为0.25m3，由于OUR测定仪的测定周期为15分钟故设定控制周期为15min，SOTE＝20％，SOTR＝0.03kg/h，k＝0.75，θ＝0.888，C* ∞20为20℃下的饱和溶解氧值；
溶解氧的初始设定值为2，将OUR测定仪、OTE测定仪、DO测定仪与曝气系统全部接入PLC后即可开始实施曝气控制，OUR测定仪每15min测定一个值，而OTE和DO测定仪则是实时测定，OUR、OTE、DO三个值每次的变化都会通过信号传输线传给PLC控制柜，并计算出实际所需要的风量，命令传输给流量控制阀通过改变其开度达到命令值，并通过信号线将实际风量的数值显示在信号屏幕上。
由于在稳定状况下OUR和OTE值变化并不大，溶解氧的控制品质稳定在±5％的范围；
如果OUR的值有较大幅度增加或者减少，PLC会将计算值传输到流量控制器命令其进行曝气量调整，使得实际的溶解氧迅速回归到2的水平。当OUR＝28mg/L·h，OTE＝20％，DO＝0.5mg/L，Q1＝3.4L/min时，Q＝8.73L/min，此时曝气量增加来提高水中溶解氧水平。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种曝气控制系统，包括：数据采集单元、PLC控制单元与曝气单元，所述数据采集单元包括耗氧速率测定仪、氧转移效率测定仪与溶解氧测定仪，所述曝气单元包括鼓风机、微孔曝气头与流量计；
所述耗氧速率测定仪的检测部伸入曝气池中，所述耗氧速率测定仪与PLC控制单元信号连接；
所述氧转移效率测定仪的检测部伸入曝气池中，所述氧转移效率测定仪与PLC控制单元信号连接；
所述溶解氧测定仪的检测部伸入曝气池中，所述溶解氧测定仪与PLC控制单元信号连接；
所述微孔曝气头置于曝气池内，所述微孔曝气头的进口与所述鼓风机连通，所述流量计设置于所述微孔曝气头和鼓风机之间的管路上，所述流量计和所述鼓风机均与PLC控制单元连接；
或，所述微孔曝气头置于曝气池内，所述微孔曝气头的进口与所述鼓风机连通，所述流量计设置于所述PLC控制单元和鼓风机之间的管路上，所述流量计和所述鼓风机均与PLC控制单元连接。
2.根据权利要求1所述的曝气控制系统，其特征在于，所述曝气控制系统还包括搅拌装置，所述搅拌装置的一端设置于曝气池中。
3.根据权利要求1所述的曝气控制系统，其特征在于，所述PLC控制单元包括数据采集端、数据显示窗口与系统自动控制软件。
4.利用权利要求1所述的曝气控制系统进行曝气控制的方法，包括以下步骤：
在所述PLC控制单元中输入溶解氧设定值；
根据检测的污泥耗氧速率与实际溶解氧浓度，由PLC控制单元计算，得到供氧量，根据实际曝气参数与氧转移速率，由PLC控制单元计算，得到曝气系统性能评估参数；
根据所述供氧量、溶解氧设定值与曝气系统性能评估参数，由PLC控制单元计算，得到溶解氧设定值所需要的曝气量；
根据所述曝气量调节鼓风机，控制曝气池中的曝气量。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述实际曝气参数包括曝气器清水充氧能力、饱和溶解氧的修正参数、标准状态下饱和溶解氧浓度与不同温度条件下的饱和溶解氧浓度。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述污泥耗氧速率由耗氧速率测定仪在线测定得到，所述在线测定的时间间隔15min。
7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述实际溶解氧浓度由溶解氧监测仪实时监测得到，所述氧转移速率由氧转移速率测定仪实时监测得到。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，得到溶解氧设定值所需要的曝气量的计算式为：
其中，OUR为活性污泥耗氧速率，V曝气池为曝气池体积，C为溶解氧浓度，t控制周期为从目前的溶解氧实际值调控到设定值所需要的时间；C设定值为调控之后要达到的目标溶解氧浓度，C实际值为溶解氧探头的实际测定溶解氧浓度；
Q为实际曝气量，SOTR为Q气量下曝气器清水充氧能力，为标准状态下饱和溶解氧，k为饱和溶解氧的修正参数，SOTE为曝气器在标准状态下的氧利用率，Q1为上次实际曝气量。
9.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述控制曝气池中的曝气量具体为：
当实际溶解氧值小于设定值时，在污泥耗氧速率和氧转移速率不变的情况下增加曝气量；
当实际溶解氧值大于设定值时，在污泥耗氧速率和氧转移速率不变的情况下减少曝气量；
当污泥耗氧速率和氧转移速率出现较大波动的情况下，根据公式计算具体的曝气量；
当所述实际溶解氧值变化趋势与设定值吻合时，则可判定实现了曝气的稳定控制。
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