CN112897695A - 自动碳源投加的控制方法和设备 - Google Patents

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CN112897695A CN202011048437.4A CN202011048437A CN112897695A CN 112897695 A CN112897695 A CN 112897695A CN 202011048437 A CN202011048437 A CN 202011048437A CN 112897695 A CN112897695 A CN 112897695A
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Abstract

公开一种自动碳源投加的控制方法和设备。所述控制方法包括：基于进水化学需氧量，计算第一氮含量；基于进水无机氮浓度，计算第二氮含量；基于第一氮含量和第二氮含量，计算外加碳源的第一投加量；根据第一投加量控制碳源投加量。本发明以缺氧区进水前馈加药控制为主，好氧区出水硝态氮浓度反馈加药控制为辅，实现进水前馈和出水反馈相结合的控制策略，从而实现自动化学碳源投加的控制，能够节省外加碳源的用量、提高外加碳源利用率并改善碳源投加的滞后性。

Description

自动碳源投加的控制方法和设备
技术领域
本发明涉及一种自动碳源投加的控制方法和设备，更具体地讲，涉及一种能够改善脱氮工艺的自动碳源投加的控制方法和设备。
背景技术
碳源不足是一些国家的污水处理厂生物脱氮过程中普遍面临的问题。为了保证反硝化脱氮能力，满足国家严格的出水指标，大部分污水处理厂采用投加碳源的方式来提高反硝化效果，而现有碳源投加的方式通常为人工经验恒量投加。由于受到进水水质和水量波动大的影响，恒量投加时经常超量，一方面造成药剂浪费，增加运营成本；另一方面面临出水超标的风险。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够改善脱氮工艺的自动碳源投加的控制方法和设备。
根据本发明构思的一个实施例，一种自动碳源投加的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：基于进水化学需氧量，计算第一氮含量；基于进水无机氮浓度，计算第二氮含量；基于第一氮含量和第二氮含量，计算外加碳源的第一投加量；根据第一投加量控制碳源投加量。
可选地，基于进水化学需氧量，计算第一氮含量的步骤包括：基于进水化学需氧量和出水化学需氧量设定值，计算第一氮含量，其中，进水化学需氧量是位于缺氧区之前的厌氧区出水处的化学需氧量测量值，出水化学需氧量设定值是位于缺氧区之后的好氧区出水处的化学需氧量设定值。
可选地，基于进水化学需氧量和出水化学需氧量设定值，计算第一氮含量的步骤包括：根据进水化学需氧量与出水化学需氧量设定值之差与碳氮比之比，计算第一氮含量，其中，碳氮比是水样中碳含量与氮含量之比。
可选地，基于进水无机氮浓度，计算第二氮含量的步骤包括：基于进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度，计算第二氮含量，其中，进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度是缺氧区进水处的氮浓度的测量值。
可选地，基于进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度，计算第二氮含量的步骤包括：根据进水氨态氮浓度与进水硝态氮浓度之和与修正系数的乘积，计算第二氮含量。
可选地，基于第一氮含量和第二氮含量，计算外加碳源的第一投加量的步骤包括：基于第二氮含量与第一氮含量之差，计算外加碳源的第一投加量。
可选地，基于第二氮含量与第一氮含量之差，计算外加碳源的第一投加量的步骤包括：基于第二氮含量与第一氮含量之差、碳氮比、进水流量、外加碳源的化学需氧量当量值，计算外加碳源的第一投加量。
可选地，基于第二氮含量与第一氮含量之差、碳氮比、进水流量、外加碳源的化学需氧量当量值，计算外加碳源的第一投加量的步骤包括：计算第二氮含量与第一氮含量之差、碳氮比、进水流量和第一系数四者的乘积；根据所述乘积与外加碳源的化学需氧量当量值之比，计算外加碳源的第一投加量。
可选地，根据第一投加量控制碳源投加量的步骤包括：根据第一投加量，计算第一总投加量；基于出水硝态氮浓度，计算第二总投加量；使用第一总投加量和第二总投加量，控制碳源投加量，其中，出水硝态氮浓度是位于缺氧区之后的好氧区出水处的硝态氮浓度的测量值。
可选地，根据第一投加量，计算第一总投加量的步骤包括：计算第一投加量与进水波动系数的第一乘积；根据第一投加量与第一乘积之和，计算第一总投加量。
可选地，根据第一投加量，计算第一总投加量的步骤包括：计算第一投加量、缺氧区溶解氧值和第二系数三者的第二乘积；根据第一投加量与第二乘积之和，计算第一总投加量，其中，当缺氧区溶解氧值小于或等于第一预定阈值时，第二系数等于零。
可选地，根据第一投加量，计算第一总投加量的步骤包括：计算第一投加量与进水波动系数的第一乘积；计算第一投加量、缺氧区溶解氧值和第二系数三者的第二乘积，根据第一投加量、第一乘积、第二乘积三者之和，计算第一总投加量，其中，当缺氧区溶解氧值小于或等于第一预定阈值时，第二系数等于零。
可选地，基于出水硝态氮浓度，计算第二总投加量的步骤包括：计算出水硝态氮浓度设定值与出水硝态氮浓度之间的差；基于所述差、进水流量、碳氮比、第三系数、外加碳源的化学需氧量当量值，计算第二总投加量。
可选地，基于所述差、进水流量、碳氮比、第三系数、外加碳源的化学需氧量当量值，计算第二总投加量的步骤包括：计算所述差、进水流量、碳氮比、第三系数四者的乘积；根据所述乘积与外加碳源的化学需氧量当量值之比，计算第二总投加量。
可选地，当所述差大于第二预定阈值时，第三系数等于零，当所述差小于零时，第三系数等于当所述差大于零且小于第二预定阈值时的第三系数的负整数倍。
根据本发明构思的一个实施例，一种自动碳源投加的控制设备，其特征在于，所述控制设备包括：第一氮含量计算模块，被配置为：基于进水化学需氧量，计算第一氮含量；第二氮含量计算模块，被配置为：基于进水无机氮浓度，计算第二氮含量；投加量计算模块，被配置为：基于第一氮含量和第二氮含量，计算外加碳源的第一投加量；控制模块，被配置为根据第一投加量控制碳源投加量。
可选地，第一氮含量计算模块被配置为：基于进水化学需氧量和出水化学需氧量设定值，计算第一氮含量，其中，进水化学需氧量是位于缺氧区之前的厌氧区出水处的化学需氧量测量值，出水化学需氧量设定值是位于缺氧区之后的好氧区出水处的化学需氧量设定值。
可选地，第一氮含量计算模块被配置为：根据基于进水化学需氧量与出水化学需氧量设定值之差与碳氮比之比，计算第一氮含量，其中，碳氮比是水样中碳含量与氮含量之比。
可选地，第二氮含量计算模块被配置为：基于进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度，计算第二氮含量，其中，进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度是缺氧区进水处的氮浓度的测量值。
可选地，第二氮含量计算模块被配置为：根据进水氨态氮浓度与进水硝态氮浓度之和与修正系数的乘积，计算第二氮含量。
可选地，投加量计算模块被配置为：基于第二氮含量与第一氮含量之差，计算外加碳源的第一投加量。
可选地，投加量计算模块被配置为：基于第二氮含量与第一氮含量之差、碳氮比、进水流量、外加碳源的化学需氧量当量值，计算外加碳源的第一投加量。
可选地，投加量计算模块被配置为：计算第二氮含量与第一氮含量之差、碳氮比、进水流量和第一系数四者的乘积；根据所述乘积与外加碳源的化学需氧量当量值之比，计算外加碳源的第一投加量。
可选地，控制模块被配置为：根据第一投加量，计算第一总投加量；基于出水硝态氮浓度，计算第二总投加量；使用第一总投加量和第二总投加量，控制碳源投加量，其中，出水硝态氮浓度是位于缺氧区之后的好氧区出水处的硝态氮浓度的测量值。
可选地，控制模块被配置为：计算第一投加量与进水波动系数的第一乘积；根据第一投加量与第一乘积之和，计算第一总投加量。
可选地，控制模块被配置为：计算第一投加量、缺氧区溶解氧值和第二系数三者的第二乘积；根据第一投加量与第二乘积之和，计算第一总投加量，其中，当缺氧区溶解氧值小于或等于第一预定阈值时，第二系数等于零。
可选地，控制模块被配置为：计算第一投加量与进水波动系数的第一乘积；计算第一投加量、缺氧区溶解氧值和第二系数三者的第二乘积，根据第一投加量、第一乘积、第二乘积三者之和，计算第一总投加量，其中，当缺氧区溶解氧值小于或等于第一预定阈值时，第二系数等于零。
可选地，控制模块被配置为：计算出水硝态氮浓度设定值与出水硝态氮浓度之间的差；基于所述差、进水流量、碳氮比、第三系数、外加碳源的化学需氧量当量值，计算第二总投加量。
可选地，控制模块被配置为：计算所述差、进水流量、碳氮比、第三系数四者的乘积；根据所述乘积与外加碳源的化学需氧量当量值之比，计算第二总投加量。
可选地，当所述差大于第二预定阈值时，第三系数等于零，当所述差小于零时，第三系数等于当所述差大于零且小于第二预定阈值时的第三系数的负整数倍。
根据本发明构思的一个实施例，一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的自动碳源投加的控制方法。
根据本发明构思的一个实施例，一种控制装置，包括：处理器；存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如上所述的自动碳源投加的控制方法。
本发明以缺氧区进水前馈加药控制为主，好氧区出水硝态氮浓度反馈加药控制为辅，实现进水前馈和出水反馈相结合的控制策略，从而实现自动化学碳源投加的控制，能够节省外加碳源的用量、提高外加碳源利用率并改善碳源投加的滞后性。
附图说明
通过下面结合附图进行的详细描述，本公开的以上和/或其他方面将变得清楚和更容易理解。
图1是示出根据本公开的实施例的自动碳源投加的控制方法的流程图。
图2是示出根据本公开的实施例的计算外加碳源的第一投加量的步骤的流程图。
图3是示出根据本公开的实施例的根据第一投加量控制碳源投加量的步骤的流程图。
图4是示出根据本公开的第一实施例的计算第一总投加量的步骤的流程图。
图5是示出根据本公开的第二实施例的计算第一总投加量的步骤的流程图。
图6是示出根据本公开的第三实施例的计算第一总投加量的步骤的流程图。
图7是示出根据本公开的实施例的计算第二总投加量的步骤的流程图。
图8是示出根据本公开的实施例的计算第二总投加量的详细步骤的流程图。
图9是示出根据本公开的实施例的自动碳源投加的控制设备的框图。
图10是示出根据本公开的实施例的自动碳源投加的控制装置的框图。
具体实施方式
下面将参照附图详细描述本公开的实施例。
厌氧-缺氧-好氧(在下文中，简称为A2O)工艺是一种常用的污水处理工艺。A2O工艺全称为厌氧-缺氧-好氧活性污泥法(anaerobic-anoxic-oxic activated sludgeprocess)，该方法使污水依次通过厌氧池(区)、缺氧池(区)和好氧池(区)以及使污泥回流来去除水中有机污染物和氮、磷等的活性污泥法污水处理方法。然而，碳源不足是多数中国污水处理厂生物脱氮过程中普遍面临的问题。为了保证反硝化脱氮能力，可在A2O工艺中应用根据本公开的实施例的自动碳源投加的控制方法来提高反硝化效果。因此，在下文中，将在A2O工艺的基础上描述根据本公开的实施例的自动碳源投加的控制方法和设备。
图1是示出根据本公开的实施例的自动碳源投加的控制方法的流程图。
参照图1，根据本公开的实施例的自动碳源投加的控制方法包括步骤S1、步骤S2、步骤S3和步骤S4。
在步骤S1中，基于进水化学需氧量，计算第一氮含量，如下面的公式1所示。
TN1＝f1(COD进水) 公式1
在公式1中，COD进水表示进水化学需氧量，TN1表示第一氮含量，f1(COD进水)表示第一氮含量是进水化学需氧量的函数。
进水化学需氧量是厌氧区的出口处或缺氧区的入口处的化学需氧量测量值。化学需氧量(COD)是以化学方法测量水样中能被强氧化剂(例如，高锰酸钾或重铬酸钾)氧化的还原性物质(例如，一般为有机物)的量(例如，氧当量)。COD是一个重要的而且能较快测定的有机物污染参数。进水COD可通过设置在厌氧区的出口与缺氧区的入口之间的COD仪被测量。
第一氮含量是基于进水COD计算的氮含量，因此第一氮含量可以是与COD相关联的氮含量。
具体地讲，在一个示例中，步骤S1可包括：基于进水COD和出水COD设定值，计算第一氮含量，如下面的公式2所示。
TN1＝f2(COD进水，COD设定) 公式2
在公式2中，COD设定表示出水COD设定值，f2(COD进水，COD设定)表示第一氮含量是进水COD和出水COD设定值的函数。
出水COD设定值是对污水处理系统的出水的COD要求。对于A2O工艺而言，由于污水在依次经历了厌氧池(区)、缺氧池(区)和好氧池(区)之后，水中的COD保持稳定。因此，出水COD设定值可被理解为位于缺氧区之后的好氧区出水处的COD设定值。然而，应理解，出水COD设定值可以根据不同国家或地区的相关规定、污水处理相关企业内部的要求等而改变。
更具体地讲，在一个示例中，步骤S1可包括：根据进水COD与出水COD设定值之差与碳氮比之比，计算第一氮含量，如下面的公式3所示。
Figure BDA0002708768060000071
在公式3中，C/D表示碳氮比。
碳氮比是水样中碳含量与氮含量之比。在本公开中，碳氮比特别指的是在进行污水处理(例如，脱氮处理)之前的污水中的碳含量与氮含量之比。碳氮比没有量纲，并且可通过试验被确定。
此外，在公式3中，进水COD与出水COD设定值之差(COD进水-COD设定)可反映出在不进行外部碳源投放的情况下污水中的COD消耗。如上所述，COD可表示有机物的量。由于有机物主要由碳构成，因此COD可对应于碳的含量。在这种情况下，进水COD与出水COD设定值之差可反映出在不进行外部碳源投放的情况下污水中的碳的消耗量。在反硝化(即，脱氮)过程中，反硝化细菌为异养微生物，因此需要外界有机碳为其提供反硝化过程所需营养物质以及反硝化所需的电子。然而，在一些国家，大部分的污水中的有机碳含量较低，而氮含量较高。也就是说，在不进行外部碳源投放的情况下，这些国家的污水中含有的碳(即，有机物或COD)不足以用于去除污水中的氮。换言之，当污水中的碳(即，有机物或COD)消耗了进水COD与出水COD设定值之差(COD进水-COD设定)那么多时，虽然出水COD满足了出水COD设定值，但是出水中仍然在存在大量的氮没有被去除。因此，根据进水COD与出水COD设定值之差与碳氮比之比，可以确定在不进行外部碳源投放的情况下，利用污水自身的COD所能去除的氮的量(即，第一氮含量)。
在步骤S2中，基于进水无机氮浓度，计算第二氮含量，如下面的公式4所示。
TN2＝f3(N无机) 公式4
在公式4中，N无机表示进水无机氮浓度，TN2表示第二氮含量，f3(N无机)表示第二氮含量是进水无机氮浓度的函数。
在一个示例中，可通过设置在厌氧区与缺氧区之间的氨氮硝氮仪来测量进水无机氮浓度，并且可以将测量的进水无机氮浓度视为进水中的总的氮含量。
具体地讲，在一个示例中，步骤S2可包括：基于进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度，计算第二氮含量，如下面的公式5所示。
TN2＝f4(N(NHX)进水，N(NOY)进水) 公式5
在公式5中，N(NHX)进水表示进水氨态氮浓度，N(NOY)进水表示进水硝态氮浓度，f4(N(NHX)进水，N(NOY)进水)表示第二氮含量是进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度的函数。
在一个示例中，进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度分别可以是通过如上所述的设置在厌氧区与缺氧区之间(例如，设置在缺氧区进水处)的氨氮硝氮仪测量的氨态氮浓度的测量值和硝态氮浓度的测量值。即，进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度是缺氧区进水处的氮浓度的测量值。
更具体地讲，在一个示例中，步骤S2可包括：根据进水氨态氮浓度与进水硝态氮浓度之和与修正系数的乘积，计算第二氮含量，如下面的公式6所示。
TN2＝(N(NHX)进水+N(NOY)进水)×C 公式6
在公式6中，C表示第二氮含量修正系数。
进水氨态氮浓度与进水硝态氮浓度之和表征了缺氧区进水处的总氮含量。第二氮含量修正系数是对测量的总氮含量的修正系数。虽然本公开通过以上公式6示出了第二氮含量修正系数与进水氨态氮浓度与进水硝态氮浓度之和进行相乘的计算，但是本公开不限于此。例如，第二氮含量修正系数可以与进水氨态氮浓度与进水硝态氮浓度之和进行相加，或者第二氮含量修正系数可包括用于与进水氨态氮浓度与进水硝态氮浓度之和进行相加或相乘的多个不同的系数。
在步骤S3中，基于第一氮含量和第二氮含量，计算外加碳源的第一投加量，如下面的公式7所示。
Q投1＝f5(TN1，TN2) 公式7
在公式7中，Q投1表示第一投加量，f5(TN1，TN2)表示第一投加量是第一氮含量和第二氮含量的函数。
如上所述，第一氮含量表示可被COD去除的氮含量，第二氮含量表示污水中的总氮含量。因此，可通过第一氮含量和第二氮含量来计算外加碳源的第一投加量。
在下文中，将参照图2详细描述基于第一氮含量和第二氮含量，计算外加碳源的第一投加量的方法。
在步骤S4中，根据第一投加量控制碳源投加量，如下面的公式8所示。
Q＝f6(Q投1) 公式8
在公式8中，Q表示碳源投加量，f6(Q投1)表示碳源投加量是第一投加量的函数。
在下文中，将参照图3至图8详细描述根据第一投加量控制碳源投加量的方法。
图2是示出根据本公开的实施例的计算外加碳源的第一投加量的步骤的流程图。
在一个示例中，步骤S3可包括：基于第二氮含量与第一氮含量之差，计算外加碳源的第一投加量，如下面的公式9所示。
Q投1＝f7(TN2-TN1) 公式9
在公式9中，f7(TN2-TN1)表示第一投加量是第二氮含量与第一氮含量之差的函数。
如上所述，第一氮含量表示可被COD去除的氮含量，第二氮含量表示污水中的总氮含量。因此，第二氮含量与第一氮含量之差可表示总氮含量之中无法被污水自身的COD去除的氮的含量，这部分氮的含量即为需要依赖外加碳源才能被去除的氮的含量。
具体地讲，在一个示例中，步骤S3可包括：基于第二氮含量与第一氮含量之差、碳氮比、进水流量、外加碳源的COD当量值，计算外加碳源的第一投加量，如下面的公式10所示。
Q投1＝f8(TN2-TN1，C/D，Q进水，CODC) 公式10
在公式10中，Q进水表示进水流量，CODC表示外加碳源的COD当量值，f8(TN2-TN1，C/D，Q进水，CODC)表示第一投加量是第二氮含量与第一氮含量之差、碳氮比、进水流量和外加碳源的COD当量值的函数。
进水流量可通过设置在厌氧区之前的流量计被测量。外加碳源的COD当量值指的是根据外加碳源折算的COD值。本领域技术人员应理解，可通过各自方法来计算外加碳源的COD当量值，并且当外加碳源不同时，相应的COD当量值也可以不同。
更具体地讲，在一个示例中，参照图2，步骤S3可包括步骤S31和步骤S32。
在步骤S31中，计算第二氮含量与第一氮含量之差、碳氮比、进水流量和第一系数四者的乘积。在步骤S32中，根据所述乘积与外加碳源的COD当量值之比，计算外加碳源的第一投加量。
步骤S31和步骤S32可由下面的公式11表示。
Figure BDA0002708768060000101
在公式11中，K1表示第一系数。本领域技术人员应理解，第一系数可通过各自方法被确定。
图3是示出根据本公开的实施例的根据第一投加量控制碳源投加量的步骤的流程图。
参照图3，步骤S4可包括步骤S41、步骤S42和步骤S43。
在步骤S41中，根据第一投加量，计算第一总投加量，如下面的公式12所示。
Q1＝f9(Q投1) 公式12
在公式12中，Q1表示第一总投加量，f9(Q投1)表示第一总投加量是第一投加量的函数。
在下文中，将参照图4至图6详细描述根据第一投加量，计算第一总投加量的方法。
在步骤S42中，基于出水硝态氮浓度，计算第二总投加量，如下面的公式13所示。
Q2＝f10(N(NOY)出水) 公式13
在公式13中N(NOY)出水表示出水硝态氮浓度，Q2表示第二总投加量，f10(N(NOY)出水)表示第二总投加量是出水硝态氮浓度的函数。
出水硝态氮浓度可特别指的是通过设置在好氧区出口处的氨氮硝氮仪测量的硝态氮浓度。这里，虽然氨氮硝氮仪可以测量氨态氮浓度和硝态氮浓度，但由于污水在依次经过厌氧区、缺氧区和好氧区之后，污水中的氨态氮含量极低，因此可以用出水硝态氮浓度来表征整个好氧区出水的氮的浓度。
在下文中，将参照图7详细描述基于出水硝态氮浓度，计算第二总投加量的方法。
在步骤S43中，使用第一总投加量和第二总投加量，控制碳源投加量，如下面的公式14所示。
Q＝f11(Q2，Q2) 公式14
在公式14中，f11(Q2，Q2)表示碳源投加量是第一总投加量和第二总投加量的函数。在一个示例中，可将第一总投加量与第二总投加量之和作为碳源投加量。
图4是示出根据本公开的第一实施例的计算第一总投加量的步骤的流程图。
参照图4，步骤S41可包括步骤S4111和步骤S4112。
在步骤S4111中，计算第一投加量与进水波动系数的第一乘积。在步骤S4112中，根据第一投加量与第一乘积之和，计算第一总投加量。
步骤S4111和步骤S4112可由下面的公式15表示。
Q1＝Q投1+Q投1×B 公式15在公式15中，B表示进水波动系数。
进水波动系数可根据一段时间内的进水水量的波动情况而设置。例如，当进水水量在一段时间内增大时，进水波动系数可相对较大；当进水水量在一段时间内减小时，进水波动系数可相对较小；当进水水量在一段时间内可以被视为不变时，进水波动系数可以是0。当污水的水量发生波动时，污水中的氮含量也发会生波动。因此，步骤S4111和步骤S4112通过考虑进水水量的波动来确定第一总投加量。
图5是示出根据本公开的第二实施例的计算第一总投加量的步骤的流程图。
参照图5，步骤S41可包括步骤S4121和步骤S4122。
在步骤S4121中，计算第一投加量、缺氧区溶解氧值和第二系数三者的第二乘积。在步骤S4122中，根据第一投加量与第二乘积之和，计算第一总投加量。
步骤S4121和步骤S4122可由下面的公式16表示。
Q1＝Q投1+Q投1×DO缺×K2 公式16在公式16中，DO缺表示缺氧区溶解氧值，K2表示第二系数。
缺氧区溶解氧值可以是通过设置在缺氧区与好氧区之间的溶解氧仪测量的溶解氧值。当缺氧区存在溶解到污水中的氧时，溶解到污水中的氧会消耗COD(例如，碳)的一部分，使得并非全部的COD(即，第二氮含量与第一氮含量之差)被用于反硝化(脱氮)反应。因此，步骤S4121和步骤S4122通过考虑缺氧区溶解氧的量来补偿由于COD被溶解氧消耗而导致的脱氮能力的损失。
在一个示例中，当缺氧区溶解氧值小于或等于第一预定阈值时，由此带来的COD的损失可以忽略不计。因此，在这种情况下，当缺氧区溶解氧值小于或等于第一预定阈值时，第二系数可被设置为等于零。例如，第一预定阈值可以是0.5mg/L。
第二系数可以是用于修正补偿溶解氧带来的COD损失的额外投加量(即，Q投1×DO缺)的系数，本领域技术人员可根据各种方法来确定第二系数。
图6是示出根据本公开的第三实施例的计算第一总投加量的步骤的流程图。
参照图6，步骤S41可包括步骤S4131、步骤S4132和步骤S4133。
在步骤S4131中，计算第一投加量与进水波动系数的第一乘积。在步骤S4132中，计算第一投加量、缺氧区溶解氧值和第二系数三者的第二乘积。在步骤S4133中，根据第一投加量、第一乘积、第二乘积三者之和，计算第一总投加量。
步骤S4131、步骤S4132和步骤S4133可由下面的公式17表示。
Q1＝Q投1+Q投1×B+Q投1×DO缺×K2 公式17当缺氧区溶解氧值小于或等于第一预定阈值时，第二系数等于零。
因此，步骤S4131、步骤S4132和步骤S4133通过考虑进水水量的波动以及缺氧区溶解氧的量二者来确定第一总投加量。
图7是示出根据本公开的实施例的计算第二总投加量的步骤的流程图。
参照图7，步骤S42包括步骤S421和步骤S422。
在步骤S421中，计算出水硝态氮浓度设定值与出水硝态氮浓度之间的差，如下面的公式18所示。
DN＝N(NOY)设定-N(NOY)出水 公式18在公式18中，N(NOY)设定表示出水硝态氮浓度设定值，DN表示所述差。
应理解，出水硝态氮浓度设定值可以根据不同国家或地区的相关规定、污水处理相关企业内部的要求等而改变。例如，在一个示例中，出水硝态氮浓度设定值可以是10mg/L。
在步骤S422中，基于所述差、进水流量、碳氮比、第三系数、外加碳源的COD当量值，计算第二总投加量，如下面的公式19所示。
Q2＝f12(DN，Q，C/D，K3，CODC) 公式19
在公式19中，K3表示第三系数，Q2表示第二总投加量，f12(DN，Q，C/D，K3，CODC)表示第二总投加量是所述差、进水流量、碳氮比、第三系数、外加碳源的COD当量值的函数。
第三系数是可以是用于修正由于出水硝态氮浓度过高导致的第二总投加量的系数，本领域技术人员可根据各种方法来确定第二系数。
在下文中，将参照图8详细描述基于所述差、进水流量、碳氮比、第三系数、外加碳源的COD当量值，计算第二总投加量的方法。
图8是示出根据本公开的实施例的计算第二总投加量的详细步骤的流程图。
参照图8，步骤S422包括步骤S4221和步骤S4222。
在步骤S4221中，计算所述差、进水流量、碳氮比、第三系数四者的乘积。在步骤S4222中，根据所述乘积与外加碳源的COD当量值之比，计算第二总投加量。
步骤S4221和步骤S4222可由下面的公式20表示。
Figure BDA0002708768060000131
在一个示例中，当所述差大于第二预定阈值时，表明出水硝态氮浓度低于出水硝态氮浓度设定值达第二预定阈值那么多，从而可以忽略出水中所含有的硝态氮。在这种情况下，第三系数可被设置为等于零。在一个示例中，第二预定阈值可以是2mg/L。
在一个示例中，当所述差大于0且小于第二预定阈值时，表明虽然出水硝态氮浓度低于出水硝态氮浓度设定值，但是不能忽略出水中所含有的硝态氮。在这种情况下，本领域技术人员可根据各种方法来确定第三系数的值。
在一个示例中，当所述差小于零时，表明出水硝态氮浓度高于出水硝态氮浓度设定值。在这种情况下，第三系数可被设置为等于当所述差大于零且小于第二预定阈值时的第三系数的负整数倍。例如，在一个具体示例中，当所述差小于零时，第三系数可被设置为等于当所述差大于零且小于第二预定阈值时的第三系数的-2倍。
然而，本领域技术人员应理解，可对公式20进行各种变形。例如，当所述差小于零时，如果在公式20中对所述差(即，DN)取绝对值，则第三系数可被设置为等于当所述差大于零且小于第二预定阈值时的第三系数的正整数倍。
图9是示出根据本公开的实施例的自动碳源投加的控制设备的框图。
参照图9，根据本公开的实施例的自动碳源投加的控制设备100包括第一氮含量计算模块110、第二氮含量计算模块120、投加量计算模块130和控制模块140。
第一氮含量计算模块110被配置为：基于进水COD，计算第一氮含量，如上面的公式1所示。
进水COD是厌氧区的出口处或缺氧区的入口处的COD测量值。进水COD可通过设置在厌氧区的出口与缺氧区的入口之间的COD仪被测量。第一氮含量是基于进水COD计算的氮含量，因此第一氮含量可以是与COD相关联的氮含量。
具体地讲，在一个示例中，第一氮含量计算模块110可被配置为：基于进水COD和出水COD设定值，计算第一氮含量，如上面的公式2所示。
出水COD设定值是对污水处理系统的出水的COD要求。对于A2O工艺而言，由于污水在依次经历了厌氧池(区)、缺氧池(区)和好氧池(区)之后，水中的COD保持稳定。因此，出水COD设定值可被理解为位于缺氧区之后的好氧区出水处的COD设定值。然而，应理解，出水COD设定值可以根据不同国家或地区的相关规定、污水处理相关企业内部的要求等而改变。
更具体地讲，在一个示例中，第一氮含量计算模块110可被配置为：根据进水COD与出水COD设定值之差与碳氮比之比，计算第一氮含量，如上面的公式3所示。
碳氮比是水样中碳含量与氮含量之比。在本公开中，碳氮比特别指的是在进行污水处理(例如，脱氮处理)之前的污水中的碳含量与氮含量之比。碳氮比没有量纲，并且可通过试验被确定。
此外，在公式3中，进水COD与出水COD设定值之差(COD进水-COD设定)可反映出在不进行外部碳源投放的情况下污水中的COD消耗。如上所述，COD可表示有机物的量。由于有机物主要由碳构成，因此COD可对应于碳的含量。在这种情况下，进水COD与出水COD设定值之差可反映出在不进行外部碳源投放的情况下污水中的碳的消耗量。在反硝化(即，脱氮)过程中，反硝化细菌为异养微生物，因此需要外界有机碳为其提供反硝化过程所需营养物质以及反硝化所需的电子。然而，在一些国家，大部分的污水中的有机碳含量较低，而氮含量较高。也就是说，在不进行外部碳源投放的情况下，这些国家的污水中含有的碳(即，有机物或COD)不足以用于去除污水中的氮。换言之，当污水中的碳(即，有机物或COD)消耗了进水COD与出水COD设定值之差(COD进水-COD设定)那么多时，虽然出水COD满足了出水COD设定值，但是出水中仍然在存在大量的氮没有被去除。因此，根据进水COD与出水COD设定值之差与碳氮比之比，可以确定在不进行外部碳源投放的情况下，利用污水自身的COD所能去除的氮的量(即，第一氮含量)。
第二氮含量计算模块120可被配置为：于进水无机氮浓度，计算第二氮含量，如上面的公式4所示。
在一个示例中，第二氮含量计算模块120可被配置为：通过设置在厌氧区与缺氧区之间的氨氮硝氮仪来测量进水无机氮浓度，并且可以将测量的进水无机氮浓度视为进水中的总的氮含量。
具体地讲，在一个示例中，第二氮含量计算模块120可被配置为：基于进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度，计算第二氮含量，如上面的公式5所示。
在一个示例中，进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度分别可以是通过如上所述的设置在厌氧区与缺氧区之间(例如，设置在缺氧区进水处)的氨氮硝氮仪测量的氨态氮浓度的测量值和硝态氮浓度的测量值。即，进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度是缺氧区进水处的氮浓度的测量值。
更具体地讲，在一个示例中，第二氮含量计算模块120可被配置为：根据进水氨态氮浓度与进水硝态氮浓度之和与修正系数的乘积，计算第二氮含量，如上面的公式6所示。
进水氨态氮浓度与进水硝态氮浓度之和表征了缺氧区进水处的总氮含量。第二氮含量修正系数是对测量的总氮含量的修正系数。虽然本公开通过以上公式6示出了第二氮含量修正系数与进水氨态氮浓度与进水硝态氮浓度之和进行相乘的计算，但是本公开不限于此。例如，第二氮含量修正系数可以与进水氨态氮浓度与进水硝态氮浓度之和进行相加，或者第二氮含量修正系数可包括用于与进水氨态氮浓度与进水硝态氮浓度之和进行相加或相乘的多个不同的系数。
投加量计算模块130被配置为：基于第一氮含量和第二氮含量，计算外加碳源的第一投加量，如上面的公式7所示。
如上所述，第一氮含量表示可被COD去除的氮含量，第二氮含量表示污水中的总氮含量。因此，可通过第一氮含量和第二氮含量来计算外加碳源的第一投加量。
在一个示例中，投加量计算模块130可被配置为：基于第二氮含量与第一氮含量之差，计算外加碳源的第一投加量，如上面的公式9所示。
如上所述，第一氮含量表示可被COD去除的氮含量，第二氮含量表示污水中的总氮含量。因此，第二氮含量与第一氮含量之差可表示总氮含量之中无法被污水自身的COD去除的氮的含量，这部分氮的含量即为需要依赖外加碳源才能被去除的氮的含量。
具体地讲，在一个示例中，投加量计算模块130可被配置为：基于第二氮含量与第一氮含量之差、碳氮比、进水流量、外加碳源的COD当量值，计算外加碳源的第一投加量，如上面的公式10所示。
进水流量可通过设置在厌氧区之前的流量计被测量。外加碳源的COD当量值指的是根据外加碳源折算的COD值。本领域技术人员应理解，可通过各自方法来计算外加碳源的COD当量值，并且当外加碳源不同时，相应的COD当量值也可以不同。
更具体地讲，在一个示例中，投加量计算模块130可被配置为：计算第二氮含量与第一氮含量之差、碳氮比、进水流量和第一系数四者的乘积；根据所述乘积与外加碳源的COD当量值之比，计算外加碳源的第一投加量，如上面的公式11所示。
在步骤S4中，控制模块140被配置为：根据第一投加量控制碳源投加量，如上面的公式8所示。
在一个示例中，控制模块140可被配置为：根据第一投加量，计算第一总投加量，如上面的公式12所示。
在一个示例中，控制模块140可被配置为：计算第一投加量与进水波动系数的第一乘积；根据第一投加量与第一乘积之和，计算第一总投加量，如上面的公式15所示。
进水波动系数可根据一段时间内的进水水量的波动情况而设置。例如，当进水水量在一段时间内增大时，进水波动系数可相对较大；当进水水量在一段时间内减小时，进水波动系数可相对较小；当进水水量在一段时间内可以被视为不变时，进水波动系数可以是0。当污水的水量发生波动时，污水中的氮含量也发会生波动。因此，步骤S4111和步骤S4112通过考虑进水水量的波动来确定第一总投加量。
在一个示例中，控制模块140可被配置为：计算第一投加量、缺氧区溶解氧值和第二系数三者的第二乘积；据第一投加量与第二乘积之和，计算第一总投加量，如上面的公式16所示。
缺氧区溶解氧值可以是通过设置在缺氧区与好氧区之间的溶解氧仪测量的溶解氧值。当缺氧区存在溶解到污水中的氧时，溶解到污水中的氧会消耗COD(例如，碳)的一部分，使得并非全部的COD(即，第二氮含量与第一氮含量之差)被用于反硝化(脱氮)反应。因此，步骤S4121和步骤S4122通过考虑缺氧区溶解氧的量来补偿由于COD被溶解氧消耗而导致的脱氮能力的损失。
在一个示例中，当缺氧区溶解氧值小于或等于第一预定阈值时，由此带来的COD的损失可以忽略不计。因此，在这种情况下，当缺氧区溶解氧值小于或等于第一预定阈值时，第二系数可被设置为等于零。例如，第一预定阈值可以是0.5mg/L。
第二系数可以是用于修正补偿溶解氧带来的COD损失的额外投加量(即，Q投1×DO缺)的系数，本领域技术人员可根据各种方法来确定第二系数。
在一个示例中，控制模块140可被配置为：计算第一投加量与进水波动系数的第一乘积；计算第一投加量、缺氧区溶解氧值和第二系数三者的第二乘积；根据第一投加量、第一乘积、第二乘积三者之和，计算第一总投加量，如上面的公式17所示。
当缺氧区溶解氧值小于或等于第一预定阈值时，第二系数等于零。
因此，步骤S4131、步骤S4132和步骤S4133通过考虑进水水量的波动以及缺氧区溶解氧的量二者来确定第一总投加量。
在一个示例中，控制模块140可被配置为：基于出水硝态氮浓度，计算第二总投加量，如上面的公式13所示。
出水硝态氮浓度可特别指的是通过设置在好氧区出口处的氨氮硝氮仪测量的硝态氮浓度。这里，虽然氨氮硝氮仪可以测量氨态氮浓度和硝态氮浓度，但由于污水在依次经过厌氧区、缺氧区和好氧区之后，污水中的氨态氮含量极低，因此可以用出水硝态氮浓度来表征整个好氧区出水的氮的浓度。
在一个示例中，控制模块140可被配置为：计算出水硝态氮浓度设定值与出水硝态氮浓度之间的差，如上面的公式18所示。
应理解，出水硝态氮浓度设定值可以根据不同国家或地区的相关规定、污水处理相关企业内部的要求等而改变。例如，在一个示例中，出水硝态氮浓度设定值可以是10mg/L。
在一个示例中，控制模块140可被配置为：基于所述差、进水流量、碳氮比、第三系数、外加碳源的COD当量值，计算第二总投加量，如上面的公式19所示。
第三系数是可以是用于修正由于出水硝态氮浓度过高导致的第二总投加量的系数，本领域技术人员可根据各种方法来确定第二系数。
在一个示例中，控制模块140可被配置为：计算所述差、进水流量、碳氮比、第三系数四者的乘积；根据所述乘积与外加碳源的COD当量值之比，计算第二总投加量，如上面的公式20所示。
在一个示例中，当所述差大于第二预定阈值时，表明出水硝态氮浓度低于出水硝态氮浓度设定值达第二预定阈值那么多，从而可以忽略出水中所含有的硝态氮。在这种情况下，第三系数可被设置为等于零。在一个示例中，第二预定阈值可以是2mg/L。
在一个示例中，当所述差大于0且小于第二预定阈值时，表明虽然出水硝态氮浓度低于出水硝态氮浓度设定值，但是不能忽略出水中所含有的硝态氮。在这种情况下，本领域技术人员可根据各种方法来确定第三系数的值。
在一个示例中，当所述差小于零时，表明出水硝态氮浓度高于出水硝态氮浓度设定值。在这种情况下，第三系数可被设置为等于当所述差大于零且小于第二预定阈值时的第三系数的负整数倍。例如，在一个具体示例中，当所述差小于零时，第三系数可被设置为等于当所述差大于零且小于第二预定阈值时的第三系数的-2倍。
然而，本领域技术人员应理解，可对公式20进行各种变形。例如，当所述差小于零时，如果在公式20中对所述差(即，DN)取绝对值，则第三系数可被设置为等于当所述差大于零且小于第二预定阈值时的第三系数的正整数倍。
在一个示例中，控制模块140可被配置为：使用第一总投加量和第二总投加量，控制碳源投加量，如上面的公式14所示。在一个示例中，控制模块140可被配置为：将第一总投加量与第二总投加量之和作为碳源投加量。
图10是示出根据本公开的实施例的自动碳源投加的控制装置的框图。
参照图10，根据本公开的实施例的化学除磷加药的控制装置200可以是(但不限于)可编程逻辑控制器(PLC)工控机。根据本公开的实施例的化学除磷加药的控制装置200可包括处理器210和存储器220。处理器210可包括(但不限于)中央处理器(CPU)、数字信号处理器(DSP)、微型计算机、现场可编程门阵列(FPGA)、片上系统(SoC)、微处理器、专用集成电路(ASIC)等。存储器720存储将由处理器210执行的计算机程序。存储器220包括高速随机存取存储器和/或非易失性计算机可读存储介质。当处理器210执行存储器220中存储的计算机程序时，可实现如上所述的自动碳源投加的控制方法。
可选择地，控制装置200可以以有线/无线通信方式与水处理系统中的其他组件进行通信，还可以以有线/无线通信方式与水处理系统中的其他装置进行通信。此外，控制装置200可以以有线/无线通信方式与水处理系统外部的装置进行通信。此外，控制装置200可具有计时器和编码器功能。
根据本公开的实施例的自动碳源投加的控制方法可被编写为计算机程序并被存储在计算机可读存储介质上。当所述计算机程序被处理器执行时，可实现如上所述的自动碳源投加的控制方法。计算机可读存储介质的示例包括：只读存储器(ROM)、随机存取可编程只读存储器(PROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、随机存取存储器(RAM)、动态随机存取存储器(DRAM)、静态随机存取存储器(SRAM)、闪存、非易失性存储器、CD-ROM、CD-R、CD+R、CD-RW、CD+RW、DVD-ROM、DVD-R、DVD+R、DVD-RW、DVD+RW、DVD-RAM、BD-ROM、BD-R、BD-RLTH、BD-RE、蓝光或光盘存储器、硬盘驱动器(HDD)、固态硬盘(SSD)、卡式存储器(诸如，多媒体卡、安全数字(SD)卡或极速数字(XD)卡)、磁带、软盘、磁光数据存储装置、光学数据存储装置、硬盘、固态盘以及任何其他装置，所述任何其他装置被配置为以非暂时性方式存储计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构并将所述计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构提供给处理器或计算机使得处理器或计算机能执行所述计算机程序。在一个示例中，计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构分布在联网的计算机系统上，使得计算机程序以及任何相关联的数据、数据文件和数据结构通过一个或多个处理器或计算机以分布式方式存储、访问和执行。
本发明以缺氧区进水前馈加药控制为主，好氧区出水硝态氮浓度反馈加药控制为辅，实现进水前馈和出水反馈相结合的控制策略，从而实现自动化学碳源投加的控制，能够节省外加碳源的用量、提高外加碳源利用率并改善碳源投加的滞后性。
尽管已经参照其示例性实施例具体显示和描述了本发明，但是本领域的技术人员应该理解，在不脱离权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以对其进行形式和细节上的各种改变。

Claims (18)

1.一种自动碳源投加的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括：
基于进水化学需氧量，计算第一氮含量；
基于进水无机氮浓度，计算第二氮含量；
基于第一氮含量和第二氮含量，计算外加碳源的第一投加量；
根据第一投加量控制碳源投加量。
2.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，基于进水化学需氧量，计算第一氮含量的步骤包括：
基于进水化学需氧量和出水化学需氧量设定值，计算第一氮含量，
其中，进水化学需氧量是位于缺氧区之前的厌氧区出水处的化学需氧量测量值，出水化学需氧量设定值是位于缺氧区之后的好氧区出水处的化学需氧量设定值。
3.如权利要求2所述的控制方法，其特征在于，基于进水化学需氧量和出水化学需氧量设定值，计算第一氮含量的步骤包括：
根据进水化学需氧量与出水化学需氧量设定值之差与碳氮比之比，计算第一氮含量，
其中，碳氮比是水样中碳含量与氮含量之比。
4.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，基于进水无机氮浓度，计算第二氮含量的步骤包括：
基于进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度，计算第二氮含量，
其中，进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度是缺氧区进水处的氮浓度的测量值。
5.如权利要求4所述的控制方法，其特征在于，基于进水氨态氮浓度和进水硝态氮浓度，计算第二氮含量的步骤包括：
根据进水氨态氮浓度与进水硝态氮浓度之和与修正系数的乘积，计算第二氮含量。
6.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，基于第一氮含量和第二氮含量，计算外加碳源的第一投加量的步骤包括：
基于第二氮含量与第一氮含量之差，计算外加碳源的第一投加量。
7.如权利要求6所述的控制方法，其特征在于，基于第二氮含量与第一氮含量之差，计算外加碳源的第一投加量的步骤包括：
基于第二氮含量与第一氮含量之差、碳氮比、进水流量、外加碳源的化学需氧量当量值，计算外加碳源的第一投加量。
8.如权利要求7所述的控制方法，其特征在于，基于第二氮含量与第一氮含量之差、碳氮比、进水流量、外加碳源的化学需氧量当量值，计算外加碳源的第一投加量的步骤包括：
计算第二氮含量与第一氮含量之差、碳氮比、进水流量和第一系数四者的乘积；
根据所述乘积与外加碳源的化学需氧量当量值之比，计算外加碳源的第一投加量。
9.如权利要求1所述的控制方法，其特征在于，根据第一投加量控制碳源投加量的步骤包括：
根据第一投加量，计算第一总投加量；
基于出水硝态氮浓度，计算第二总投加量；
使用第一总投加量和第二总投加量，控制碳源投加量，
其中，出水硝态氮浓度是位于缺氧区之后的好氧区出水处的硝态氮浓度的测量值。
10.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，根据第一投加量，计算第一总投加量的步骤包括：
计算第一投加量与进水波动系数的第一乘积；
根据第一投加量与第一乘积之和，计算第一总投加量。
11.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，根据第一投加量，计算第一总投加量的步骤包括：
计算第一投加量、缺氧区溶解氧值和第二系数三者的第二乘积；
根据第一投加量与第二乘积之和，计算第一总投加量，
其中，当缺氧区溶解氧值小于或等于第一预定阈值时，第二系数等于零。
12.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，根据第一投加量，计算第一总投加量的步骤包括：
计算第一投加量与进水波动系数的第一乘积；
计算第一投加量、缺氧区溶解氧值和第二系数三者的第二乘积，
根据第一投加量、第一乘积、第二乘积三者之和，计算第一总投加量，
其中，当缺氧区溶解氧值小于或等于第一预定阈值时，第二系数等于零。
13.如权利要求9所述的控制方法，其特征在于，基于出水硝态氮浓度，计算第二总投加量的步骤包括：
计算出水硝态氮浓度设定值与出水硝态氮浓度之间的差；
基于所述差、进水流量、碳氮比、第三系数、外加碳源的化学需氧量当量值，计算第二总投加量。
14.如权利要求13所述的控制方法，其特征在于，基于所述差、进水流量、碳氮比、第三系数、外加碳源的化学需氧量当量值，计算第二总投加量的步骤包括：
计算所述差、进水流量、碳氮比、第三系数四者的乘积；
根据所述乘积与外加碳源的化学需氧量当量值之比，计算第二总投加量。
15.如权利要求13或14所述的控制方法，其特征在于，
当所述差大于第二预定阈值时，第三系数等于零，
当所述差小于零时，第三系数等于当所述差大于零且小于第二预定阈值时的第三系数的负整数倍。
16.一种自动碳源投加的控制设备，其特征在于，所述控制设备包括：
第一氮含量计算模块，被配置为：基于进水化学需氧量，计算第一氮含量；
第二氮含量计算模块，被配置为：基于进水无机氮浓度，计算第二氮含量；
投加量计算模块，被配置为：基于第一氮含量和第二氮含量，计算外加碳源的第一投加量；
控制模块，被配置为根据第一投加量控制碳源投加量。
17.一种存储有计算机程序的计算机可读存储介质，其特征在于，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至15中任意一项所述的自动碳源投加的控制方法。
18.一种控制装置，包括：
处理器；
存储器，存储有计算机程序，当所述计算机程序被处理器执行时，实现如权利要求1至15中任意一项所述的自动碳源投加的控制方法。
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