CN114291911B - 一种基于氧转移效率的污水曝气控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的一种基于氧转移效率的污水曝气控制方法，其包括以下步骤：对需要进行控制的污水曝气系统进行曝气测试，完成曝气系统特征参数及控制参数的初始化；采集曝气系统的实际氧转移效率AOTE、曝气量Gs0、溶解氧浓度DO和混合液悬浮固体浓度MLSS；计算污水实时耗氧速率OUR；当DO超出设定范围时，以OUR计算目标曝气量Gstarget；当DO值处于设定范围内，且OTE低于设定目标时，采用OTE优化算法，以供氧速率与耗氧速率平衡为限定条件，在溶解氧设定范围与曝气量调节范围内，获取氧转移效率OTE最佳控制点，求得Gstarget；根据Gstarget调节风机流量和曝气管阀门开度。本发明通过调节曝气量，将OTE控制在目标值以上，进而将溶解氧控制在合理的区域，实现稳定曝气和节能降耗。

Description

一种基于氧转移效率的污水曝气控制方法
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种基于氧转移效率的污水曝气控制方法。
背景技术
基于目前，污水处理领域通用的鼓风曝气控制方法是根据设定溶解氧浓度DO目标值，通过调节风机的风量、曝气阀门开度和曝气时间来实现。由于污水水质水量在运行期间不断变化，为了达到DO目标值，需频繁对风机风量和曝气阀门开度进行调节，由此经常造成DO值的滞后现象，影响出水水质和节能降耗。
然而，在污水处理鼓风曝气的过程中，还有一项衡量曝气系统工况的关键参数——氧转移效率OTE，能很好地改变目前的控制方法。影响鼓风曝气系统OTE的主要因素有曝气器特性、曝气器运行状况、混合液溶解氧浓度DO、曝气量Gs、混合液悬浮固体浓度MLSS。经研究发现，在污水耗氧速率OUR基本不变的条件下，污水DO值上升，曝气系统氧转移效率OTE值下降；DO值下降，曝气系统OTE值上升。因此，当污水水质稳定时，降低DO值，可以提高曝气系统的供氧效率，进而减小曝气量，降低风机功耗。在OUR上升的条件下，DO控制目标越高，污水需要的曝气量越大，OTE越低。因此，当污水水质恶化时，降低DO控制目标，可减小曝气量的增量，降低能耗。
发明内容
本发明提出的一种基于氧转移效率的污水曝气控制方法，可有效地把控DO与OTE关系，实现稳定曝气和节能降耗。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于氧转移效率的污水曝气控制方法，包括参数初始化与控制过程；
其中，所述参数初始化包括曝气系统特征参数初始化与控制参数初始化。曝气系统特征参数包括饱和溶解氧浓度CS、混合液体积V、总传质系数KLa。控制参数包括溶解氧浓度最大值DOmaxSetPoint与最小值DOminSetPoint、曝气量最大值Gsmax与最小值Gsmin、氧转移效率理论最大值OTEmaxTheory、目标氧转移效率系数k(k在0.6至0.9之间取值，目标氧转移效率为k×OTEmaxTheory)。
所述曝气系统特征参数初始化，包括对需要进行控制的污水曝气系统进行曝气测试，用溶氧仪测定CS；依据水深及反应器体积与水深的关系曲线计算V；用氧转移效率检测仪测定实际氧转移效率AOTE，空气流量计测定标准状态曝气量Gs0，溶氧仪测定溶解氧浓度DO，悬浮固体浓度测定仪测定混合液悬浮固体浓度MLSS，曝气测试过程的总传质系数KLa0，通过如下公式计算：
Figure GDA0004082066760000021
其中，CS和V为曝气系统特征参数，AOTE、Gs0、DO为曝气测试中的测定值。
将曝气量由低至高调节，再由高至低调节，测定并记录全程的AOTE、Gs0、DO、MLSS，并计算KLa0，根据KLa0、Gs0和MLSS时间序列，对KLa0、Gs0和MLSS拟合三参数数据模型，得到控制过程中曝气系统KLa的计算公式如下：
KLa＝f(Gs0，MLSS)    (2)
所述控制参数初始化，包括根据所测DO时间序列和生物处理对DO值的要求，确定溶解氧设定范围[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]；根据所测DO和Gs0时间序列，确定所测DO处于溶解氧设定范围时的曝气量取值范围，即曝气量调节范围[Gsmin，Gsmax]；将所测AOTE时间序列中的最大值设为氧转移效率理论最大值(OTEmaxTheory)；根据对控制系统稳定性及节能降耗能力的需求，设定目标氧转移效率系数k。
完成参数初始化后，进入控制过程。
其中，所述控制过程，包括数据采集、数据处理、曝气控制。
所述数据采集，包括用氧转移效率检测仪测定AOTE；用空气流量计测定Gs0；用溶氧仪测定DO；用悬浮固体浓度测定仪测定MLSS。
所述数据处理，包括计算污水耗氧速率OUR，计算公式如下：
Figure GDA0004082066760000022
其中，V为曝气系统特征参数，AOTE、Gs0为数据采集过程中的测定值，
Figure GDA0004082066760000023
为溶解氧浓度的变化速率，由数据采集过程中测定的DO时间序列计算得到：
Figure GDA0004082066760000024
其中，DOt与DOt-Δt分别表示t与t-Δt时刻的DO值，Δt为设定的DO信号采集间隔。
进一步，计算目标曝气量(Gstarget)。
若DO∈[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]不成立，说明DO超出DO设定范围，此时根据OUR计算Gstarget，将DO控制在DO设定范围内。计算Gstarget的公式为：
Figure GDA0004082066760000031
OUR＝f(Gstarget，MLSS)×(CS-DO设定值)×V   (6)
其中，DOmaxSetPoint与DOminSetPoint为控制参数，CS和V为曝气系统特征参数，MLSS为控制过程中的测定值，f(Gstarget，MLSS)为通过Gstarget与MLSS计算KLa的函数。
联立(5)、(6)式，求得Gstarget。
若DO∈[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]成立，且AOTE≥k×OTEmaxTheory，说明曝气系统DO处于DO设定范围内，且AOTE达到OTE控制目标，无需对曝气量进行调节。
若DO∈[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]成立，且AOTE＜k×OTEmaxTheory，说明曝气系统DO处于DO设定范围内，但AOTE未达到OTE控制目标，通过OTE优化算法计算出OTE最佳控制点，获取Gstarget。OTE优化算法中计算OTE的公式为：
Figure GDA0004082066760000032
在DOtarget∈[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]、Gstarget∈[Gsmin，Gsmax]范围内，供氧与耗氧速率平衡的限制条件为0.28×Gstarget×OTE∈(OUR，OUR+dev)，其中dev表示供氧与耗氧速率的偏差，在(0.01，0.1)之间取值，通过计算机运行OTE优化算法程序，求得(OTE，Gstarget)的解集，从解集中取OTE值最大的解(OTEmax，Gstarget)，以此计算出Gstarget。
所述曝气控制，将Gstarget用于控制风机风量和曝气阀门开度，使曝气系统OTE达到控制目标，并保持DO处于设定范围。
由上述技术方案可知，本发明的基于氧转移效率的污水曝气控制方法，本发明的控制方法根据OTE优化算法获取OTE最佳控制点，可有效地把控DO与OTE关系，实现稳定曝气和节能降耗。具体的说，本发明通过调节曝气量，将OTE控制在目标值以上，进而将溶解氧控制在合理的区域，可减少曝气过程的耗能，降低风机和阀门的调节频率，使曝气系统处在经济合理的运行状态。实现稳定曝气和节能降耗。
附图说明
图1是本发明实施例的曝气控制系统图。
图2是本发明实施例提出的曝气控制方法的说明附图，包括参数初始化过程与控制过程。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
参照图1所示本发明实施例的曝气控制系统，包括1是集气罩，集气罩1其作用是收集曝气池液面逸出的气体；2是导气软管，导气软管2其作用是将收集的气体传输至氧转移效率检测仪；3是氧转移效率检测仪，氧转移效率检测仪3其作用是分析逸出气体的成分，计算出曝气系统氧转移效率；4是悬浮固体浓度测定仪，悬浮固体浓度测定仪4其作用是测定混合液中的悬浮固体浓度；5是溶氧仪，溶氧仪5其作用是测定混合液中的溶解氧浓度；6空气流量计，空气流量计6其作用是测定标准状态的曝气量；7是鼓风机，鼓风机7其作用是依据目标曝气量，提供空气流量；8是曝气管道，曝气管道8其作用是传输空气；9是曝气器，曝气器9其作用是分散空气；10是控制系统，控制系统10其作用是采集测定的数据，进行数据处理，输出目标曝气量用于控制鼓风机。
本实施例中，由鼓风机7压缩空气，提供曝气量，曝气管道8将压缩空气传输至曝气器9，曝气器9将空气分散到污水中，污水表面逸出的气体由集气罩1收集，经导气软管2传输至氧转移效率检测仪3。氧转移效率检测仪3、悬浮固体浓度测定仪4、溶氧仪5和空气流量计6采集数据传输至控制系统10的数据采集模块，控制系统10的数据处理模块输出目标曝气量用于控制鼓风机7的风量，完成控制循环。
参照图2所示的曝气控制方法，对需要进行控制的污水曝气系统进行曝气测试，用溶氧仪5测定饱和溶解氧浓度CS；依据水深及反应器体积与水深的关系曲线计算混合液体积V；用氧转移效率检测仪3测定实际氧转移效率AOTE，用空气流量计6测定标准状态曝气量Gs0，用溶氧仪5测定溶解氧浓度DO，用悬浮固体浓度测定仪4测定混合液悬浮固体浓度MLSS，曝气测试过程的总传质系数KLa0，通过如下公式计算：
Figure GDA0004082066760000051
其中，CS和V为曝气系统特征参数，AOTE、Gs0、DO为曝气测试中的测定值。
将曝气量由低至高调节，再由高至低调节，测定并记录全程的AOTE、Gs0、DO、MLSS，并计算KLa0，根据KLa0、Gs0和MLSS时间序列，对KLa0、Gs0和MLSS拟合三参数数据模型，得到控制过程中曝气系统KLa的计算公式如下：
KLa＝f(Gs0，MLSS)     (2)
进行控制参数初始化，根据所测DO时间序列和生物处理对DO值的要求，确定溶解氧设定范围[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]；根据所测DO和Gs0时间序列，确定所测DO处于溶解氧设定范围时的曝气量取值范围，即曝气量调节范围[Gsmin，Gsmax]；将所测AOTE时间序列中的最大值设为氧转移效率理论最大值(OTEmaxTheory)；根据对控制系统稳定性及节能降耗能力的需求，设定目标氧转移效率系数k，k在0.6至0.9之间取值，目标氧转移效率为k×OTEmaxTheory。
将曝气系统特征参数及控制参数输入控制系统10，完成参数初始化，进入控制过程。
所述控制过程，包括数据采集、数据处理、曝气控制。
所述数据采集，包括用氧转移效率检测仪3测定AOTE；用气体流量计6测定Gs0；用溶氧仪5测定DO；用悬浮固体浓度测定仪4测定MLSS。
所述数据处理，包括计算污水耗氧速率OUR，计算公式如下：
Figure GDA0004082066760000052
其中，V为曝气系统特征参数，AOTE、Gs0为数据采集过程中的测定值，
Figure GDA0004082066760000053
为溶解氧浓度的变化速率，由数据采集过程中测定的DO时间序列计算得到：
Figure GDA0004082066760000054
其中，DOt与DOt-Δt分别表示t与t-Δt时刻的DO值，Δt为设定的DO信号采集间隔。
进一步，计算目标曝气量(Gstarget)。
若DO∈[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]不成立，说明DO超出DO设定范围，此时根据OUR计算Gstarget，将DO控制在DO设定范围内。计算Gstarget的公式为：
Figure GDA0004082066760000061
OUR＝f(Gstarget，MLSS)×(CS-DO设定值)×V   (6)
其中，DOmaxsetPoint与DOminsetPoint为控制参数，CS和V为曝气系统特征参数，MLSS为控制过程中的测定值，f(Gstarget，MLSS)为通过Gstarget与MLSS计算KLa的函数。
联立(5)、(6)式，求得Gstarget。
若DO∈[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]成立，且AOTE≥k×OTEmaxTheory，说明曝气系统DO处于DO设定范围内，且AOTE达到OTE控制目标，无需对曝气量进行调节。
若DO∈[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]成立，且AOTE＜k×OTEmaxTheory，说明曝气系统DO处于DO设定范围内，但AOTE未达到OTE控制目标，通过OTE优化算法计算出OTE最佳控制点，获取Gstarget。OTE优化算法中计算OTE的公式为：
Figure GDA0004082066760000062
在DOtarget∈[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]、Gstarget∈[Gsmin，Gsmax]范围内，供氧与耗氧速率平衡的限制条件为0.28×Gstarget×OTE∈(OUR，OUR+dev)，其中dev表示供氧与耗氧速率的偏差，在(0.01，0.1)之间取值，通过计算机运行OTE优化算法程序，求得(OTE，Gstarget)的解集，从解集中取OTE值最大的解(OTEmax，Gstarget)，以此计算出Gstarget。
所述曝气控制，将控制系统10输出的Gstarget用于控制鼓风机7的风量，使曝气系统OTE达到控制目标，并保持DO处于设定范围。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的提高污水曝气氧转移效率的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
曝气系统特征参数CS为8.6mg/L、V为840m3，对曝气系统进行实验测试，KLa0、Gs0和MLSS数据系列为：
KLa0＝[3.14 3.32 5.71 3.87 5.84 4.26 4.13 4.6 5.24 5.61]，单位h-1；
Gs0＝[398.7 425.6 663.8 463.8 713.6 452.7 523.6 567.2 603.3 781.3]，单位m3·h-1；
MLSS＝[3677.4 3693.2 3546.7 3534.2 3647.5 3411.1 3722.5 3517.6 3462.43823.4]，单位mg·L-1；
KLa0与Gs0及MLSS的拟合关系式(置信区间为95％)为：
KLa＝f(Gs0,MLSS)＝8.996+0.007861×Gs0-0.002448×MLSS
溶解氧设定浓度范围[1.0,2.0](单位mg/L)，曝气量调节范围[300,800](单位m3/h)，氧转移效率理论最大值(OTEmaxTheory)为23％，目标氧转移效率系数k为0.8，目标氧转移效率为k×OTEmaxTheory＝18.4％，设定数据采集周期为10min。
情形1：当测定AOTE为18.6％，Gs0为354.7m3/h，DO为0.97mg/L，MLSS为3649.4mg/L，计算
Figure GDA0004082066760000071
为-0.08mg·L-1·h-1，由(3)式计算OUR：
Figure GDA0004082066760000072
由于测定DO低于溶解氧设定浓度范围，所以将计算的OUR值代入(6)式计算KLa，并由KLa＝f(Gstarget,MLSS)值计算Gstarget：
Figure GDA0004082066760000073
KLa＝3.109＝f(Gstarget,3649.4)＝8.996+0.007861×Gstarget-0.002448×3649.4
Gstarget＝387.58
由此可知，当污水DO值超出设定范围时，控制系统依据污水耗氧速率计算目标曝气量，用于控制风机风量，使得DO值逐渐靠近溶解氧设定范围中间值1.5mg/L。
情形2：当测定AOTE为16.7％，Gs0为539.6m3/h，DO为1.89mg/L，MLSS为3572.5mg/L，计算
Figure GDA0004082066760000074
为0.11mg·L-1·h-1，由(3)式计算OUR：
Figure GDA0004082066760000075
测定DO处于溶解氧设定浓度范围，而AOTE<18.4％，即实际氧转移效率低于目标氧转移效率，因此通过OTE优化算法计算Gstarget。具体步骤如下：
依据(7)式计算OTE，
Figure GDA0004082066760000076
DOtarget取值区间为[1,2]，Gstarget取值区间为[300,800]，供氧与耗氧速率平衡的限制条件为0.28×Gstarget×OTE∈(25.12,25.13)，根据计算机程序求得(OTE,Gstarget)解集为：{(0.1901，472)，(0.1866，481)}，从解集中取OTE最大值点(0.1901，472)，OTE值为19.32％，Gstarget为472m3/h，此时供氧速率与耗氧速率平衡，且OTE达到最大。此外，
Figure GDA0004082066760000081
Figure GDA0004082066760000082
曝气系统氧转移效率提高12.2％，氧转移曝气量降低12.5％，降低污水厂能耗。
将曝气量调节至Gstarget，供氧与耗氧速率平衡，氧转移效率超过目标值，使溶解氧浓度处于设定范围，系统运行在预设的稳定状态内，在水质水量波动较小的条件下，无需对风机风量进行频繁调节。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种基于氧转移效率的污水曝气控制方法，其特征在于，其包括以下步骤：
对需要进行控制的污水曝气系统进行曝气测试，完成曝气系统特征参数及控制参数的初始化；
采集曝气系统的实际氧转移效率AOTE、曝气量Gs0、溶解氧浓度DO和混合液悬浮固体浓度MLSS；
计算污水实时耗氧速率OUR；
当DO超出设定范围时，以OUR计算目标曝气量Gstarget；
当DO值处于设定范围内，且OTE低于设定目标时，采用OTE优化算法，以供氧速率与耗氧速率平衡为限定条件，在溶解氧设定范围与曝气量调节范围内，获取氧转移效率OTE最佳控制点，求得Gstarget；根据Gstarget调节风机流量和曝气管阀门开度；
所述对需要进行控制的污水曝气系统进行曝气测试，具体步骤包括，
用溶氧仪测定饱和溶解氧浓度CS；依据水深及反应器体积与水深的关系曲线计算混合液体积V；用氧转移效率检测仪测定实际氧转移效率AOTE，用空气流量计测定标准状态曝气量Gs0，用溶氧仪测定溶解氧浓度DO，用悬浮固体浓度测定仪测定混合液悬浮固体浓度MLSS，曝气测试过程的总传质系数KLa0，通过如下公式计算：
其中，CS和V为曝气系统特征参数，AOTE、Gs0、DO为曝气测试中的测定值；
曝气系统特征参数初始化包括总传质系数KLa初始化，根据曝气测试获取的KLa、曝气量Gs0和混合液悬浮固体浓度MLSS时间序列，对KLa、Gs0和MLSS拟合三参数数据模型，得到控制过程中曝气系统KLa的计算公式如下：
KLa＝f(Gs0，MLSS)    (2)
函数f(Gs0，MLSS)为KLa参数初始化结果；
所述计算污水实时耗氧速率OUR，计算公式如下：
其中，V为曝气系统特征参数，AOTE、Gs0为数据采集过程中的测定值，为溶解氧浓度的变化速率，由数据采集过程中测定的DO时间序列计算得到：
其中，DOt与DOt-Δt分别表示t与t-Δt时刻的DO值，Δt为设定的DO信号采集间隔；
所述计算目标曝气量Gstarget步骤如下：
若DO∈[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]不成立，说明DO超出DO设定范围，此时根据OUR计算目标曝气量Gstarget，将DO控制在DO设定范围内；
计算Gstarget的公式为：
OUR＝f(Gstarget，MLSS)×(CS-DO设定值)×V       (6)
其中，DOminSetPoint、DOmaxSetPoint为溶解氧浓度最小设定值和最大设定值，CS为饱和溶解氧浓度，MLSS为混合液悬浮固体浓度，f(Gstarget，MLSS)为通过Gstarget与MLSS计算KLa的函数；
联立(5)、(6)式，求得Gstarget；还包括OTE优化算法中计算OTE的公式为：
在DOtarget∈[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]、Gstarget∈[Gsmin，Gsmax]范围内，供氧与耗氧速率平衡的限制条件为0.28×Gstarget×OTE∈(OUR，OUR+dev)，其中dev表示供氧与耗氧速率的偏差，通过计算机运行OTE优化算法程序，求得(OTE，Gstarget)的解集，从解集中取OTE值最大的解(OTEmax，Gstarget)，以此计算出Gstarget。
2.根据权利要求1所述的基于氧转移效率的污水曝气控制方法，其特征在于：
若DO∈[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]成立，且AOTE≥k×OTEmaxTheory，说明曝气系统DO处于DO设定范围内，且AOTE达到OTE控制目标，无需对曝气量进行调节；
若DO∈[DOminSetPoint，DOmaxSetPoint]成立，且AOTE＜k×OTEmaxTheory，说明曝气系统DO处于DO设定范围内，但AOTE未达到OTE控制目标，通过OTE优化算法计算出OTE最佳控制点，获取Gstarget。
3.根据权利要求1所述的基于氧转移效率的污水曝气控制方法，其特征在于：
所述污水曝气系统包括集气罩(1)，导气软管(2)，氧转移效率检测仪(3)，悬浮固体浓度测定仪(4)，溶氧仪(5)，空气流量计(6)，鼓风机(7)，曝气管道(8)，曝气器(9)及控制系统(10)；
控制系统(10)用于采集测定的数据，进行数据处理，输出目标曝气量用于控制鼓风机；
其中由鼓风机(7)压缩空气，提供曝气量，曝气管道(8)将压缩空气传输至曝气器(9)，曝气器(9)将空气分散到污水中，污水表面逸出的气体由集气罩(1)收集，经导气软管(2)传输至氧转移效率检测仪(3)；
氧转移效率检测仪(3)、悬浮固体浓度测定仪(4)、溶氧仪(5)和空气流量计(6)采集数据传输至控制系统(10)的数据采集模块，控制系统(10)的数据处理模块输出目标曝气量用于控制鼓风机(7)的风量，完成控制循环。
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