CN111484198A - 一种水质净化智慧除磷装置、控制系统及控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种水质净化智慧除磷装置、控制系统及控制方法，通过本装置及方法可以解决现有基于MBR技术的化学除磷工艺因除磷药剂投加点选择不当造成MBR膜堵塞或单套设备的处理能力低、占地面积大的技术问题，及现有基于MBR技术的化学除磷控制系统及方法存在的生物除磷与化学除磷不能协调控制，缺乏加药与排泥的联动，进而导致除磷药剂过度投加的技术问题。

Description

一种水质净化智慧除磷装置、控制系统及控制方法
技术领域
本发明涉及技术领域，具体涉及一种水质净化智慧除磷装置、控制系统及控制方法。
背景技术
随着水处理市场的迅猛发展，城市生活污水应急处理、泵站前池水质提升、黑臭水体治理、农村污水处理等细分市场水质净化需求旺盛。同时，随着我国大面积水体环境的富营养化，水质净化脱氮除磷的要求愈发严格，上述细分市场排放标准普遍由“一级A”提升至“地表Ⅴ”，甚至是“地表Ⅳ”。在市场与标准的双重推动下，膜生物反应器(MBR)由于具有出水水质好、占地面积小等优点，近年来在水质净化领域逐渐得到广泛应用。
MBR除磷工艺主要分为两大类：化学除磷及生物除磷。化学除磷中使用最多的是化学沉淀法，其主要机理为混凝剂吸附电中和，即投加到水中的混凝剂解离成阳离子，和污水中的PO4 3-反应生成大颗粒的絮体，絮体沉淀形成污泥，再通过排泥的方式从系统中脱除，达到除磷的效果。生物除磷利用聚磷菌厌氧释磷-好氧吸磷特性，即在厌氧条件下，聚磷菌将体内聚磷酸盐水解，水解的能量可供其在厌氧的压抑环境中维持生长。在好氧条件下，聚磷菌超量吸收水中的正磷酸盐并以聚磷酸盐的形式存储在体内，同样再通过排泥的方式从系统中分离，达到除磷的效果。生物除磷较为经济，但运行实践表明，单纯的生物除磷很难使出水稳定达标排放。因而，近年来化学除磷或化学除磷-生物除磷联合的MBR除磷工艺备受青睐。
根据化学除磷试剂投加点与生物除磷反应的先后顺序，可将化学除磷工艺分为前置化学除磷工艺、协同化学除磷工艺、后置化学除磷工艺和旁路化学除磷工艺。前置化学除磷工艺是指投药点设在生物反应前，将除磷药剂投放在沉砂池中，产生的沉淀物在沉砂池中即被分离去除。协同化学除磷工艺是指投药点设在生物反应池中，将除磷药剂投放在曝气池中，产生的沉淀物通过二沉池去除。后置化学除磷工艺是指投药点设在生物反应之后，如二沉池中，通过在生物反应后投加除磷试剂，这样可以避免除磷药剂对活性污泥的影响。旁路化学辅助除磷工艺主要是针对A2/O工艺而言，将该工艺中厌氧池的富磷上清液引入专一化学除磷池，在此设置投药点进行化学除磷，再将除磷沉淀后的上清液排入缺氧池进行后续反应，旁路化学除磷工艺应用相对较少。
前置化学除磷及后置化学除磷均需设置占地面积较大的沉淀池，这弱化了MBR“占地面积小”的工艺优点。如中国专利(CN110407417A)公开了一种泵站前池高效处理一体设备，其核心工艺为“前置化学除磷+MBR”，包括沉淀池、混凝池、MBR池以及污泥处理装置。该专利前置化学除磷工艺所配置的混凝池以及沉淀池的占地面积已远超MBR池占地面积，压缩了单套设备的处理能力。
协同化学除磷工艺对MBR存在负面影响，如“膜生物反应器中化学除磷的研究”(邹联沛，薛罡，王宝贞等)论文中指出，进水TP浓度较高时不应采用协同化学除磷，否则会出现系统总污泥浓度升高，膜通量下降，化学污泥比重增大，污泥活性下降，以及化学污泥较生物污泥更易形成对膜的堵塞等问题。
综上所述，化学除磷试剂投加点的选择仍然是目前基于MBR技术的化学除磷工艺的痛点与难点。
基于MBR技术的化学除磷的控制系统及方法也是目前讨论的热点和重点。如中国专利(CN103570190A)公开了一种基于模糊控制的再生水厂化学除磷药剂投加量方法，该方法以除磷加药模型为基础构造前馈控制环节，并将出口磷含量、进水流量和进口磷含量作为模糊系统的输入，输出控制量补偿值。该专利在一定程度上解决了固定加药量模式的问题，但其模型中采用静态的生物除磷率计算生物除磷量，缺乏对生物除磷贡献的动态评估，由此缺乏对生物除磷与化学除磷的协调控制；同时该专利缺乏加药与排泥的联动，进而导致出水中仍含有较高浓度的磷，而MBR工艺曝气一直在剧烈进行，导致化学除磷的沉淀物不能进行完全的絮凝，从而形成微絮凝物，这种微絮凝物在MBR膜池中并不能顺利沉淀或被膜截留，过大的加药量并不能引导更多的排泥量，导致更多的微絮凝物混入出水，进而导致更大的加药量，恶性循环，其实质仍是以过度投加代替精确定量。
发明内容
为解决现有基于MBR技术的化学除磷工艺因除磷药剂投加点选择不当造成MBR膜堵塞或单套设备的处理能力低、占地面积大的技术问题，本发明提供一种水质净化智慧除磷装置。基于该装置，提供一种控制系统及方法，用于解决现有基于MBR技术的化学除磷控制系统及方法存在的生物除磷与化学除磷不能协调控制，缺乏加药与排泥的联动，进而导致以除磷药剂过度投加的技术问题。
本发明采用的技术方案是：
一种水质净化智慧除磷装置，包括一体式生物反应池、化学除磷加药单元、曝气单元及排泥单元；所述一体式生物反应池由第一隔板、第二隔板、第三隔板、第四隔板分隔成依次连通的缺氧Ⅰ区、缺氧Ⅱ区、好氧池、MBR膜池及回流，MBR膜池中部设有MBR膜组件，MBR膜组件一侧与膜池混合液相通，另一侧与产水泵相通；缺氧Ⅰ区与缺氧Ⅱ区通过设置在第一隔板下部的过水孔连通；缺氧Ⅱ区与好氧池通过设置在第二隔板上部的过水孔连通；好氧池与MBR膜池通过设置在第三隔板下部的过水孔连通；MBR膜池与回流池通过第四隔板顶部的过水流道连通；化学除磷加药单元通过设于缺氧Ⅰ区进水管路上的管道混合器与缺氧池连接，通过药剂泵向缺氧Ⅰ区提供除磷药剂；曝气单元包括风机及设于好氧池底部的与风机连通的曝气器；排泥单元包括排泥泵，排泥泵用于排出缺氧Ⅰ区及回流池中多余的活性污泥。
进一步地，缺氧Ⅰ区的进水管一端与原水泵连接用于原水进水，一端通入缺氧Ⅰ区其上端设有淹没式出水口，缺氧Ⅰ区、缺氧Ⅱ区及好氧池的中部均设有生物绳填料。
更进一步地，缺氧Ⅰ区底部设有V型集泥斗坡，集泥斗坡中部设有第一排泥口，回流池底部设有第二排泥口，第一、第二排泥口汇集后与排泥泵进口连接。
更进一步地，缺氧Ⅱ区底部设有硝化液回流口，回流池底部设有污泥回流口，污泥回流口通过回流泵与硝化液回流口连接。
进一步地，缺氧Ⅰ区进水管上设有进水管上设有进水流量计及进水检测取样管，缺氧Ⅱ区的进水侧设有中段检测取样管，好氧池出水侧设有在线污泥浓度计及在线溶氧仪，产水泵出水管上设有出水流量计及出水检测取样管，排泥泵出口设有排泥流量计，药剂泵出口设有加药流量计。
一种用于上述水质净化智慧除磷装置的控制系统，包括进水COD分析仪、进水总磷分析仪、进水悬浮物浓度分析仪、中段总磷分析仪、出水总磷分析仪、出水COD分析仪、数据采集传输仪、分析计算机及PLC控制器；进水COD分析仪及进水总磷分析仪与进水检测取样管连接，中段总磷分析仪与中段水检测取样管连接，出水总磷分析仪及出水COD分析仪与出水检测取样管连接；
进水流量计、进水COD分析仪、进水总磷分析仪、进水悬浮物浓度分析仪、中段总磷分析仪、在线污泥浓度计、在线溶氧仪、出水COD分析仪、出水总磷分析仪及出水流量计分别与数据采集传输仪连接，数据采集传输仪连接分析计算机，分析计算机连接PLC控制器，PLC控制器分别与加药泵、加药流量计、风机、排泥泵以及排泥流量计连接。
进一步地，还包括依次连接的交互机、第一光纤接收器及第二光纤接收器，分析计算机通过交互机、第一光纤接收器及第二光纤接收器与PLC控制器连接。
一种用于根据上述的控制系统的控制方法，所述分析计算机载有基于前馈投药模型的投药控制单元；
前馈投药模型主模块的数学表达式为：
Figure BDA0002461876750000031
其中：
M(t)为t测量时刻化学除磷药剂投加量，g/h；
t为测量时刻；
t-1为t测量时间点前一次测量时刻；
t测量时刻与t-1测量时刻之间的时间间隔可为1h或2h；
β为t测量时刻药剂投加系数，可通过投加实验确定；
Q(t)为测量时刻进水流量，m3/h；
P1(t-1)为t-1测量时刻进水总磷浓度，mg/L；
P1(t)为t测量时刻进水总磷浓度，mg/L；
P2(t-1)为t-1测量时刻中段总磷浓度，mg/L；
P3(t-1)为t-1测量时刻出水总磷浓度，mg/L；
P3(t)为t测量时刻出水总磷浓度，mg/L；
Δx为时间段，取值为1，2，3......30，d。
其中：
Figure BDA0002461876750000041
为t-1测量时刻(含)前Δx时间段内系统平均生物除磷率，可简记为α(t)；
投药控制单元以手动输入的投加系数β，进水流量计传输的实时进水流量，进水总磷分析仪、中段总磷分析仪、出水总磷分析仪传输的进水、中段、出水总磷浓度，以及统计分析的平均生物除磷率α(t)为输入变量，通过前馈投药模型主模块的数学表达式计算得到实时化学除磷药剂投加量，PLC控制器根据计算得到的实时化学除磷药剂投加量与加药流量计检测得到的加药量的偏差调节加药泵的频率，从而实时调节除磷药剂的加入量。
进一步地，前馈投药模型还包括子模块，所述子模块的数学表达式为：
Figure BDA0002461876750000042
其中：
R(t)为t测量时刻系统平均生物除磷率相对偏差；
α(t)为t-1测量时刻(含)前Δx时间段内系统平均生物除磷率；
α(t-Δx)为t-1-Δx测量时刻(含)前Δx时间段内系统平均生物除磷率；
Δx为时间段，取值为1，2，3......7，d；
投药控制单元以统计分析的α(t)以及α(t-Δx)为输入变量，通过前馈投药模型子模块的数学表达式计算相对偏差R(t)，当相对偏差较大时，PLC控制器控制风机的频率降低，同时可联动调节排泥泵频率升高。
进一步地，所述分析计算机还载有基于前馈排泥模型的排泥控制单元；
前馈排泥模型的数学表达式为：
Figure BDA0002461876750000043
其中：
S(t)为t测量时刻排泥量，g/h；
Figure BDA0002461876750000044
为化学除磷抑制修正开关系数，当R(t)≥0.8时，Φ取值为1，当R(t)≤0.8时，取值为1.02～1.05；
Y为产泥系数，gMLVSS/kg COD；
Q(t)为测量时刻进水流量，m3/h；
So(t-1)为t-1测量时刻进水COD，mg/L；
Se(t-1)为t-1测量时刻产水为COD，mg/L；
Kd为衰减系数，d-1；
V为曝气池容积，m3；
f为挥发分比；
X(t)为t测量时刻曝气池挥发性污泥浓度，gMLSS/L；
f为SS污泥转化率，gMVLSS/gSS；
SSo(t-1)为t-1测量时刻进水SS，mg/L；
SSe为出水悬浮物浓度，mg/L；MBR出水，可取值为0；
λ为化学除磷产泥系数；
M(t)为t测量时刻化学除磷药剂投加量，g/t；
排泥控制单元以进水流量计实时传输的进水流量，进水COD分析仪、进水悬浮物分析仪、出水COD分析仪分别传输的进水COD浓度、进水SS、出水COD浓度，在线污泥浓度计实时传输的污泥浓度X(t)、前馈投药模型主模块计算实时输出的化学除磷药剂投加量M(t)为输入变量，通过前馈排泥模型的数学表达式的数学表达式计算得到实时排泥量，PLC控制器根据计算得到的实时排泥量与排泥流量计测量的排泥量的偏差调节排泥泵的频率，从而实时调节活性污泥的排泥量大小。
本发明的有益效果：
(1)水质净化智慧除磷装置通过管式静态混合器以及缺氧Ⅰ区的设置，分别提供了化学除磷反应阶段所需的“快速”与“慢速”条件，实现了化学除磷药剂的投加，避免了前置化学除磷工艺以及后置化学除磷工艺均需设置占地面积较大的沉淀池的弊端，节省了装置占地面积，同时避免了协同化学除磷工艺加剧膜污染的弊端，保障膜系统长期稳定运行；
(2)水质净化智慧除磷控制系统通过前馈投药模型主模块引入动态生物除磷率，响应了工艺参数的变化，实现了化学除磷药剂投加量的精确计算，避免了传统除磷装置及控制系统以恒定投加量的加药方式存在的加药量过量导致生物除磷抑制及药剂浪费或加药量过少导致出水水质难以达标的弊端；
(3)水质净化智慧除磷控制系统通过前馈投药模型子模块引入平均生物除磷率相对偏差。当相对偏差较大时，联动了变频风机降低风量，强化好氧池生物绳填料内部的厌氧环境，增大聚磷菌生物量，同时联通了变频排泥泵增大排泥量，促进生物除磷活性，共同强化生物除磷效果，实现了生物除磷与化学除磷的控制协调。
附图说明
图1是示出本发明除磷装置及其控制系统的结构示意图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施方式1
本实施例提供一种水质净化智慧除磷装置，包括一体式生物反应池、化学除磷加药单元、曝气单元及排泥单元。所述一体式生物反应池由隔板分隔成依次连通的缺氧池、好氧池及MBR膜池，如在本实施例中，一体式生物反应池10由第一隔板11、第二隔板12、第三隔板13、第四隔板14分隔成依次连通的缺氧Ⅰ区101、缺氧Ⅱ区102好氧池103、MBR膜池104及回流池105。缺氧Ⅰ区101与缺氧Ⅱ区102通过设置在第一隔板11下部的过水孔连通；缺氧Ⅱ区102与好氧池103通过设置在第二隔板12上部的过水孔连通；好氧池103与MBR膜池104通过设置在第三隔板13下部的过水孔连通；MBR膜池104与回流池105通过第四隔板14顶部的过水流道连通。一体式生物反应池结构紧凑，占地面积小，极大地发挥了MBR“占地面积小”的工艺特点。
缺氧Ⅰ区101主要作为化学除磷的反应区以及生物除磷区。由于缺氧Ⅰ区不存在硝化液回流，即不发生反硝化细菌与聚磷菌对于进水碳源的争夺，生物厌氧释磷效率较高。缺氧Ⅰ区101设有进水管，进水管一端与原水泵连接用于原水进水，一端通入缺氧Ⅰ区101其上端设有淹没式出水口112，淹没式出水口112的作用在于进水消能，提供化学除磷反应阶段所需的“慢速”条件。缺氧Ⅰ区101中部设有生物绳填料111，其作用在进一步进水消能，同时通过生物绳填料表面形成的生物膜进行生物厌氧释磷。缺氧Ⅰ区101底部设有V型集泥斗坡，集泥斗坡中部设有第一排泥口113，V型集泥斗坡的作用在于聚集及排出化学除磷沉淀物。
缺氧Ⅰ区101进水管上设有进水管上设有进水流量计W1及进水检测取样管1，进水流量计W1用于计量原水进水量。进水检测取样管1用于原水检测采样。
缺氧Ⅱ区102主要作为反硝化脱氮区以及生物除磷区。缺氧Ⅱ区102中部设有生物绳填料121，其作用在于通过生物绳表面形成的生物膜进行厌氧除磷以及缺氧反硝化脱氮。缺氧Ⅱ区102底部设有硝化液回流口122，其作用在于硝化液回流。缺氧条件下反硝化菌利用硝化液回流输送的NO3 -进行生物反硝化脱氮。缺氧Ⅱ区102的进水侧设有中段检测取样管3，中段检测取样管3用于中段水检测采样。
在其他实施例中，缺氧Ⅰ区101至缺氧Ⅱ区102的过水断面底部可设有潜水搅拌器，以强化推流。
好氧池103出水侧设有在线污泥浓度计N及在线溶氧仪DO。好氧池103中部设有生物绳填料131，其作用在于通过生物绳填料表面形成的生物膜进行硝化反应以及同步硝化反硝化反应。好氧池103底部设有曝气器51，其作用在于给微生物生长提供氧气。
MBR膜池104中部设有MBR膜组件311。MBR膜组件311一侧与膜池混合液相通，另一侧与产水泵4相通。混合液中的清液通过产水泵4的抽吸作用透过MBR膜，混合液中的活性污泥则被MBR膜截留在膜池中，从而实现泥水分离。产水泵4出口设置三通，一路连接出水管，一路连接回用或外排管路6。出水管上设有出水流量计W2及出水检测取样管5，出水检测取样管5用于出水检测采样。回流池105底部设有回流口321及第二排泥口322，回流口321通过回流泵323与缺氧Ⅱ区102底部的硝化液回流口122连通，通过回流泵323将硝化液泵至缺氧Ⅱ区102。第二排泥口322与缺氧Ⅰ区101的第一排泥口113汇合后接至排泥泵61入口，经排泥泵61排出除磷装置。
化学除磷加药单元包括依次连接的加药罐41、变频加药泵42以及加药流量计43。缺氧Ⅰ区101的进水管上设有管式静态混合器6，管式静态混合器6的第一进口与原水连接，第二进口与加药管连接，变频加药泵42将加药罐41中的药液经加药流量计43计量后泵至管式静态混合器2与原水混合，进水与药液在管式静态混合器2作用下而达到充分的混合后经淹没式出水口112进入缺氧Ⅰ区101。管式静态混合器提供了化学除磷混合阶段所需的“高速”混合条件，缺氧Ⅰ区101提供了化学除磷反应阶段所需的“慢速”反应条件。化学除磷投加避免了前置或后置化学除磷存在的需设置较大沉淀池以及同步化学除磷存在的加剧膜污染，抑制生物除磷的缺陷。
所述曝气单元主要包括依次相连的变频风机51、气体流量计52及曝气扩散装置。气体流量计52设于变频风机51的出口管路上用于计量曝气风量，曝气扩散装置设于好氧池103底部用于空气扩散，使空气以气泡的形式进入水体。变频风机51可设于风机房中，便于维修及操作。变频风机51通过管道与曝气扩散装置连接。
所述排泥单元主要包括依次相连的变频排泥泵61、排泥流量计62以及污泥脱水装置。排泥流量计62设于变频排泥泵61的出口管路上用于计量排泥量，污泥脱水装置设于一体式生物反应池10的外部，例如可与变频排泥泵61一同设于脱泥机房中，用于污泥脱水。
实施方式2
本实施例提供一种用于实施方式1的水质净化智慧除磷装置的控制系统及其控制方法。
所述控制系统包括上述除磷装置、进水COD分析仪COD1、进水总磷分析仪P1、进水悬浮物浓度分析仪SS、中段总磷分析仪P2、出水总磷分析仪P3、出水COD分析仪COD2、数据采集传输仪、交互机、第一光纤接收器、第二光纤接收器、分析计算机及PLC控制器。
进水COD分析仪及进水总磷分析仪与进水检测取样管1连接，中段总磷分析仪与中段水检测取样管3连接，出水总磷分析仪及出水COD分析仪与出水检测取样管5连接。
进水流量计W1、进水COD分析仪COD1、进水总磷分析仪P1、中段总磷分析仪P2、在线污泥浓度计N、在线溶氧仪DO、出水COD分析仪COD2、出水总磷分析仪P3、出水流量计W2分别与数据采集传输仪连接，数据采集传输仪与分析计算机连接，分析计算机通过交互机、第一光纤接收器、第二光纤接收器与PLC控制器相连，PLC控制器分别与变频加药泵41、加药流量计43、变频风机51、排泥泵61及排泥流量计62连接。
在本实施例中，进水COD分析仪COD1、进水悬浮物浓度分析仪SS、进水总磷分析仪P1、中段总磷分析仪P2、出水总磷分析仪P3、出水COD分析仪COD2及数据采集传输仪均设于在线监测间。分析计算机、PLC控制器、变频加药泵41、变频风机51、变频排泥泵61分别设于中央控制室、配电间、加药间、风机房以及脱泥间。
所述数据采集传输仪与进水流量计W1、进水COD分析仪COD1、进水总磷分析仪P1、中段总磷分析仪P2、在线污泥浓度计N、在线溶氧仪DO、出水COD分析仪COD2、出水总磷分析仪P3及出水流量计W2的通讯方式采用modbus协议，使用RS-232C串行接口。所述数据采集传输仪与分析计算机通讯方式采用modbus RTU协议，使用RS-485串行接口。
在本实施例中，所述分析计算机通过两端安装RJ45插头的双绞线与交换机相连，所述交换机通过两端安装RJ45插头的双绞线与光纤收发器1相连，交换机将M-R-S电信号传输至光纤收发器1，光纤收发器1将M-R-S电信号转化为光信号。所述光纤收发器1通过光纤与光纤收发器2连接，光纤收发器2将M-R-S光信号再转化为电信号。所述光纤收发器2通过两端安装RJ45插头的双绞线与PLC控制器相连，光纤收发器2将M-R-S电信号传输至PLC控制器。所述PLC控制器通过数字量DI/DO、模拟量AI/AO模块与变频加药泵41、变频风机51及污泥回流泵323的变频器连接。
所述分析计算机载有基于前馈投药模型的投药控制单元及基于前馈排泥模型的排泥控制单元。
在本实施例中，前馈投药模型包括主模块与子模块。
所述前馈投药模型主模块的数学表达式基于质量守恒原理，即化学除磷量＝进水总磷量-MBR出水总磷量-生物除磷量，具体为：
Figure BDA0002461876750000081
其中：
M(t)为t测量时刻化学除磷药剂投加量，g/h；
t测量时刻指每两小时测量一次的测量频次；
β为t测量时刻药剂投加系数，可通过投加实验确定；
Q(t)为测量时刻进水流量，m3/h；
P1(t-1)为t-1测量时刻进水总磷浓度，mg/L；
P1(t)为t测量时刻进水总磷浓度，mg/L；
P2(t-1)为t-1测量时刻中段总磷浓度，mg/L；
P3(t-1)为t-1测量时刻出水总磷浓度，mg/L；
P3(t)为t测量时刻出水总磷浓度，mg/L；
Δx为时间段，取值为1，2，3......30，d。
其中：
Figure BDA0002461876750000091
为t-1测量时刻(含)前Δx时间段内系统平均生物除磷率，可简记为α(t)。
α(t)的引入可以更精确地定量生物除磷量，即采用动态的生物除磷率取代静态的生物除磷率。其主要原因是生物除磷率受化学除磷药剂投加量、进水流量、进水COD、溶解氧以及污泥龄等工艺参数的影响一直处于动态变化，传统模型中生物除磷率常直接设定为固定值或者以历史统计数据间接设定为固定值，其弊端在于否定了生物除磷率的变化或者否定了生物除磷率变化的实际工艺参数背景。本发明采用较短时间段内(通常为7d)的平均生物除磷率是基于上述工艺参数短期内难以剧烈波动的认识。
总磷检测仪器一般存在约10min的滞后现象，以t-1时刻为基础计算t测量时刻化学除磷药剂投加量M(t)更准确。
所述投药控制单元以手动输入的投加系数β，进水流量计W1传输的实时进水流量，进水总磷分析仪P1、中段总磷分析仪P2、出水总磷分析仪P3传输的进水、中段、出水总磷浓度，以及统计分析的平均生物除磷率α(t)为输入变量，通过前馈投药模型主模块的式1计算出输出实时化学除磷药剂投加量M(t)，PLC控制器将M(t)与加药流量计43测量的投药量M0比较，当M(t)小于M0时，PLC控制器调节加药泵频率降低，加药泵输出药剂量减小；当M(t)大于M0时，PLC控制器调节加药泵频率升高，加药泵输出药剂量增大，从而达到实时调节加药泵输出流量的目的。
子模块的数学表达式为：
Figure BDA0002461876750000092
其中：
R(t)为t测量时刻系统平均生物除磷率相对偏差，
α(t)为t-1测量时刻(含)前Δx时间段内系统平均生物除磷率，
α(t-Δx)为t-1-Δx测量时刻(含)前Δx时间段内系统平均生物除磷率，
Δx为时间段，取值为1，2，3......7，d。
所述投药控制单元以统计分析的α(t)以及α(t-Δx)为输入变量，通过前馈投药模型子模块的式2计算相对偏差R(t)，当相对偏差较大，如R(t)≤80％时，表示近期平均生物除磷率α(t)明显小于中期平均生物除磷率α(t-Δx)，表明化学除磷对于生物除磷的抑制作用正在形成，需调整其他工艺参数以抵消抑制作用。PLC控制器控制变频风机51的频率降低，变频风机输出风量减小，好氧池中溶解氧降低，例如在线溶氧仪检测的溶解氧由2～4mg/L降低至0.8～1.5mg/L，随着好氧池溶解氧的降低，氧气对于生物膜的穿透作用下降，好氧池生物绳填料由外至内可形成好氧层、缺氧层以及厌氧层，即于好氧池生物绳填料最内层进行厌氧释磷，增加生物除磷聚磷菌总量，增大生物除磷率。同时，联动调节变频排泥泵61增大排泥量，促进生物除磷活性，共同强化生物除磷效果。
在本实施中，前馈排泥模型的数学表达式为：
Figure BDA0002461876750000101
其中：
S(t)为t测量时刻排泥量，g/h；
Φ为化学除磷抑制修正开关系数，当R(t)≥0.8时，Φ取值为1，当R(t)≤0.8时，取值为1.02～1.05；
Y为产泥系数，gMLVSS/kg COD；
Q(t)为测量时刻进水流量，m3/h；
So(t-1)为t-1测量时刻进水COD，mg/L；
Se(t-1)为t-1测量时刻产水为COD，mg/L；
Kd为衰减系数，d-1；
V为曝气池容积，m3；
f为挥发分比；
X(t)为t测量时刻曝气池挥发性污泥浓度，gMLSS/L；
f为SS污泥转化率gMVLSS/gSS；
SSo(t-1)为t-1测量时刻进水SS，mg/L；
SSe为出水悬浮物浓度，mg/L；MBR出水，可取值为0；
λ为化学除磷产泥系数；
M(t)为t测量时刻化学除磷药剂投加量，g/t。
引入化学除磷抑制修正开关系数Φ，其作用在于调整增大排泥量以部分抵消化学除磷对生物除磷的抑制作用。具体原理为：增大排泥量可降低污泥龄，避免污泥趋于老化，使生物除磷中好氧吸磷重新释放至清液中，同时可以避免糖原累积非聚磷微生物大量增大导致的生物除磷效率降低的问题。
所述排泥控制单元以进水流量计W1实时传输的进水流量Q，进水COD分析仪COD1、进水悬浮物分析仪SS、出水COD分析仪COD2分别传输的进水COD浓度、进水SS、出水COD浓度，在线污泥浓度计N实时传输的污泥浓度X、前馈投药模型主模块计算实时输出的化学除磷药剂投加量M(t)为输入变量，通过式3计算输出实时排泥量S(t)，PLC控制器将S(t)与排泥流量计62测量的排泥量S0比较，当S(t)小于S0时，调节排泥泵61频率降低，输出泥量减小；当M(t)大于M0时，PLC控制器调节排泥泵61频率升高，输出泥量增大，从而达到实时调节排泥泵61排泥量的目的。
通过上述控制系统及控制方法，可产生如下技术效果：
(1)通过进水流量计以及进水总磷分析仪可在线监测系统进水量以及进水总磷浓度，并通过精确投药系统计算实时化学除磷药剂投加量，使投药量对进水水质水量变化实时响应。
(2)通过中段总磷分析仪以及出水总磷分析仪可在线监测系统中段、出水总磷浓度，通过精确投药系统计算实时平均除磷率相对偏差，建立平均除磷率相对偏差与变频风机及变频排泥泵的联锁控制。当相对偏差过大时，可主动降低曝气量以营造微厌氧环境强化生物除磷，及增大排泥量，解决了传统除磷装置无法评估以及响应过度化学除磷对生物除磷产生负面影响的弊端。
(3)通过进水及出水COD分析仪、污泥浓度计在线监测系统进水及出水COD、污泥浓度，并通过精确排泥系统计算实时排泥量，解决了传统除磷装置以恒定排泥量的排泥方式存在的排泥量不足或过量的弊端。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种水质净化智慧除磷装置，其特征在于，包括一体式生物反应池、化学除磷加药单元、曝气单元及排泥单元；所述一体式生物反应池由第一隔板、第二隔板、第三隔板、第四隔板分隔成依次连通的缺氧Ⅰ区、缺氧Ⅱ区、好氧池、MBR膜池及回流，MBR膜池中部设有MBR膜组件，MBR膜组件一侧与膜池混合液相通，另一侧与产水泵相通；缺氧Ⅰ区与缺氧Ⅱ区通过设置在第一隔板下部的过水孔连通；缺氧Ⅱ区与好氧池通过设置在第二隔板上部的过水孔连通；好氧池与MBR膜池通过设置在第三隔板下部的过水孔连通；MBR膜池与回流池通过第四隔板顶部的过水流道连通；化学除磷加药单元通过设于缺氧Ⅰ区进水管路上的管道混合器与缺氧池连接，通过药剂泵向缺氧Ⅰ区提供除磷药剂；曝气单元包括风机及设于好氧池底部的与风机连通的曝气器；排泥单元包括排泥泵，排泥泵用于排出缺氧Ⅰ区及回流池中多余的活性污泥。
2.根据权利要求1所述的水质净化智慧除磷装置，其特征在于，缺氧Ⅰ区的进水管一端与原水泵连接用于原水进水，一端通入缺氧Ⅰ区其上端设有淹没式出水口，缺氧Ⅰ区、缺氧Ⅱ区及好氧池的中部均设有生物绳填料。
3.根据权利要求2所述的水质净化智慧除磷装置，其特征在于，缺氧Ⅰ区底部设有V型集泥斗坡，集泥斗坡中部设有第一排泥口，回流池底部设有第二排泥口，第一、第二排泥口汇集后与排泥泵进口连接。
4.根据权利要求3所述的水质净化智慧除磷装置，其特征在于，缺氧Ⅱ区底部设有硝化液回流口，回流池底部设有污泥回流口，污泥回流口通过回流泵与硝化液回流口连接。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的水质净化智慧除磷装置，其特征在于，缺氧Ⅰ区进水管上设有进水管上设有进水流量计及进水检测取样管，缺氧Ⅱ区的进水侧设有中段检测取样管，好氧池出水侧设有在线污泥浓度计及在线溶氧仪，产水泵出水管上设有出水流量计及出水检测取样管，排泥泵出口设有排泥流量计，药剂泵出口设有加药流量计。
6.用于权利要求5所述水质净化智慧除磷装置的控制系统，其特征在于，包括进水COD分析仪、进水总磷分析仪、进水悬浮物浓度分析仪、中段总磷分析仪、出水总磷分析仪、出水COD分析仪、数据采集传输仪、分析计算机及PLC控制器；进水COD分析仪及进水总磷分析仪与进水检测取样管连接，中段总磷分析仪与中段水检测取样管连接，出水总磷分析仪及出水COD分析仪与出水检测取样管连接；
进水流量计、进水COD分析仪、进水总磷分析仪、中段总磷分析仪、在线污泥浓度计、在线溶氧仪、出水COD分析仪、出水总磷分析仪及出水流量计分别与数据采集传输仪连接，数据采集传输仪连接分析计算机，分析计算机连接PLC控制器，PLC控制器分别与加药泵、加药流量计、风机、排泥流量计及排泥泵连接。
7.根据权利要求6所述的控制系统，其特征在于，还包括依次连接的交互机、第一光纤接收器及第二光纤接收器，分析计算机通过交互机、第一光纤接收器及第二光纤接收器与PLC控制器连接。
8.用于根据权利要求6或7所述的控制系统的控制方法，其特征在于，所述分析计算机载有基于前馈投药模型的投药控制单元；
前馈投药模型主模块的数学表达式为：
Figure FDA0002461876740000021
其中：
M(t)为t测量时刻化学除磷药剂投加量，g/h；
t为测量时刻；
t-1为t测量时间点前一次测量时刻；
t测量时刻与t-1测量时刻之间的时间间隔可为1h或2h；
β为t测量时刻药剂投加系数，可通过投加实验确定；
Q(t)为测量时刻进水流量，m3/h；
P1(t-1)为t-1测量时刻进水总磷浓度，mg/L；
P1(t)为t测量时刻进水总磷浓度，mg/L；
P2(t-1)为t-1测量时刻中段总磷浓度，mg/L；
P3(t-1)为t-1测量时刻出水总磷浓度，mg/L；
P3(t)为t测量时刻出水总磷浓度，mg/L；
Δx为时间段，取值为1，2，3......30，d。
其中：
Figure FDA0002461876740000022
为t-1测量时刻(含)前Δx时间段内系统平均生物除磷率，可简记为α(t)；
投药控制单元以手动输入的投加系数β，进水流量计传输的实时进水流量，进水总磷分析仪、中段总磷分析仪、出水总磷分析仪传输的进水、中段、出水总磷浓度，以及统计分析的平均生物除磷率α(t)为输入变量，通过前馈投药模型主模块的数学表达式计算得到实时化学除磷药剂投加量，PLC控制器根据计算得到的实时化学除磷药剂投加量与加药流量计检测得到的加药量的偏差调节加药泵的频率，从而实时调节除磷药剂的加入量。
9.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，前馈投药模型还包括子模块，所述子模块的数学表达式为：
Figure FDA0002461876740000023
其中：
R(t)为t测量时刻系统平均生物除磷率相对偏差，
α(t)为t-1测量时刻(含)前Δx时间段内系统平均生物除磷率，
α(t-Δx)为t-1-Δx测量时刻(含)前Δx时间段内系统平均生物除磷率，
Δx为时间段，取值为1，2，3......7，d；
投药控制单元以统计分析的α(t)以及α(t-Δx)为输入变量，通过前馈投药模型子模块的数学表达式计算相对偏差R(t)，当相对偏差较大时，PLC控制器控制风机的频率降低，同时可联动调节排泥泵频率升高。
10.根据权利要求8所述的控制系统，其特征在于，所述分析计算机还载有基于前馈排泥模型的排泥控制单元；
前馈排泥模型的数学表达式为：
Figure FDA0002461876740000031
其中：
S(t)为t测量时刻排泥量，g/h；
Figure FDA0002461876740000032
为化学除磷抑制修正开关系数，当R(t)≥0.8时，Φ取值为1，当R(t)≤0.8时，取值为1.02～1.05；
Y为产泥系数，gMLVSS/kg COD；
Q(t)为测量时刻进水流量，m3/h；
So(t-1)为t-1测量时刻进水COD，mg/L；
Se(t-1)为t-1测量时刻产水为COD，mg/L；
Kd为衰减系数，d-1；
V为曝气池容积，m3；
f为挥发分比；
X(t)为t测量时刻曝气池挥发性污泥浓度，gMLSS/L；
f为SS污泥转化率gMVLSS/gSS；
SSo(t-1)为t-1测量时刻进水SS，mg/L；
SSe为出水悬浮物浓度，mg/L；MBR出水，可取值为0；
λ为化学除磷产泥系数；
M(t)为t测量时刻化学除磷药剂投加量，g/t；
排泥控制单元以进水流量计实时传输的进水流量，进水COD分析仪、进水悬浮物分析仪、出水COD分析仪分别传输的进水COD浓度、进水SS、出水COD浓度，在线污泥浓度计实时传输的污泥浓度X(t)、前馈投药模型主模块计算实时输出的化学除磷药剂投加量M(t)为输入变量，通过前馈排泥模型的数学表达式计算得到实时排泥量，PLC控制器根据计算得到的实时排泥量与排泥流量计测量的排泥量的偏差调节排泥泵的频率，从而实时调节活性污泥的排泥量大小。
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