CN114956335A - 一种基于a2o的曝气控制系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于A2O的曝气控制系统和方法，包括n个曝气支管，每个曝气支管安装在好氧区的对应处理区域，还包括安装在生物池内部的参数检测仪表，所述曝气支管上安装有电动调节阀和闸阀；控制器根据参数检测仪表反馈的数据控制电动调节阀和闸阀的状态；所述电动调节阀用于调节阀门开度，控制从曝气支管的曝气孔流到好氧区的风量；所述闸阀用于控制曝气支管的开闭状态。本发明通过新增参数检测仪表监测生物池，利用仪表数据精确计算曝气量，根据曝气量和仪表参数控制鼓风机和电动调节阀门的启停，从而从而控制生物池的曝气量，实现按需曝气，降低能耗。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，特别涉及一种基于A2O的曝气控制系统和方法。
背景技术
污水处理厂24小时进水水量波动较大，监测历史数据发现，某一天就产生了54次流量突变，波动在50％及以上有48次，如此频繁及大幅度的水量冲击对后续工艺的自动稳定控制产生了较大的影响。
现有的曝气阀门采用的是手动式，即根据人工经验实行“曝2停2”式的间歇曝气。厂区在运行时，当出水COD和氨氮存在超标风险时，工作人员便增加曝气量以控制达标。该方法较粗糙，曝气过低会使生物硝化不完全，出水氨氮和总氮存在超标风险；反之会使得回流水中DO过高，增大碳源的消耗，同时也会使鼓风机的能耗增加，并且根据出水预测存在一定滞后性。因此需要对生物脱氮的硝化和反硝化过程进行优化控制，合理控制曝气量，
发明内容
针对现有技术中生物池中曝气量控制精度较低的问题，本发明提出一种基于A2O的曝气控制系统和方法，通过新增在线仪表监测生物池的参数，计算曝气量以对鼓风机及阀门进行调节控制，从而精确控制生物池的曝气量。
为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：
一种基于A2O的曝气控制系统，包括n个曝气支管，每个曝气支管安装在好氧区的对应处理区域，还包括安装在生物池内部的参数检测仪表，所述曝气支管上安装有电动调节阀和闸阀；
控制器根据参数检测仪表反馈的数据控制电动调节阀和闸阀的状态；所述电动调节阀用于调节阀门开度，控制从曝气支管的曝气孔流到好氧区的风量；所述闸阀用于控制曝气支管的开闭状态。
优选地,所述曝气支管上还安装有气体流量计和压力计；所述气体流量计用于统计空气流量；压力计用于统计曝气支管内的空气压力。
优选地,所述参数检测仪表包括溶氧仪、氨氮仪；
所述溶氧仪为n个，分别安装在每个处理区域，检测每个处理区域的溶解氧含量；所述氨氮仪，安装在好氧区出水区的入口，监测氨氮含量。
优选地,所述参数检测仪表还包括硝氮仪、ORP仪和硝酸盐仪；
硝氮仪安装在缺氧区，监测反硝化进程；ORP仪安装在厌氧区，检测厌氧区状态；硝酸盐仪安装在出水区的入口，监测水质中硝酸盐含量。
优选地,所述控制器包括：
曝气量统计单元，用于根据进水负荷计算曝气量；
曝气时间统计单元，用于统计曝气时间；
时间补偿单元，用于设定曝气最小时间和停止曝气最大时间；
控制单元，用于根据曝气量和参数检测仪表的数据实时调整电动调节阀的开度，从而调整曝气量。
本发明还提供一种基于A2O的曝气控制方法，具体包括以下步骤：
S1：根据生物曝气池的参数和进水负荷计算需氧量；
S2：根据S1中的需氧量计算需要进入曝气系统的实际曝气量；
S3：启动鼓风机，根据S2中计算的实际曝气量将对应空气灌入曝气支管，并打开电动调节阀进行曝气；当检测到溶解氧到达阈值后，控制电动调节阀关闭，鼓风机停止工作。
优选地,还包括S4：
设定曝气参数，根据曝气参数对鼓风机的状态进行调节；曝气参数包括曝气最小时间、鼓风机停机最大时间、氨氮上线/下线设定值；
当检测到停机时间超过鼓风机停机最大时间，则控制鼓风机工作，并打开电动调节阀进行曝气，且曝气时间不小于曝气最小时间。
优选地,所述S1中，需氧量的计算公式如下：
O2＝a＇QSr+b＇VX (1)
公式(1)中，O2表示需氧量；a＇表示活性污泥对有机污染物分解代谢反应需氧率，b＇表示活性污泥内源代谢期进行菌体自身氧化的需氧量；Q表示污水流量；Sr表示活性污泥微生物代谢活动所降解的有机污染物量；V表示生物曝气池容积；X表示活性污泥浓度。
优选地,所述S2中，实际曝气量的计算公式如下：
Gs＝100*(O2+24.57*C)/0.3*E (2)
公式(2)中，Gs表示实际进入曝气支管的曝气量；C表示氨氮浓度，由氨氮仪测得；E表示氧的传递效率。
综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明为了降低污水厂区碳源投加量以及人工成本，提出了基于A2O工艺的精确曝气系统。通过新增参数检测仪表监测生物池，利用仪表数据精确计算曝气量，根据曝气量和仪表参数控制鼓风机和电动调节阀门的启停，从而从而控制生物池的曝气量，实现按需曝气，降低能耗。
附图说明：
图1为根据本发明示例性实施例的一种基于A2O的曝气控制系统示意图。
图2为根据本发明示例性实施例的一种基于A2O的曝气控制方法示意图。
图3为现有进出水COD示意图。
图4为根据本发明示例性实施例的进出水COD示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种基于A2O的曝气控制系统，用于安装在污水处理厂的生物池中，以控制曝气的精度，从而对污水进行处理。
A2O为一种常用的二级污水处理工艺，包括厌氧-缺氧-好氧，好氧区曝气属于底曝。因此本实施例中，生物池分为回流反硝化区、厌氧区、缺氧区、好氧区，污水从回流反硝化区进入，经过厌氧区、缺氧区、好氧区后，从好氧区中的沉淀池流出。
本实施例中，好氧区中设置有n个连通的处理区域以及曝气管道，曝气管道包括多个并联的曝气支管，每个处理区域中设置一个曝气支管，曝气支管上设置有多个曝气孔。每个曝气支管的结构相同。
本实施例中，曝气控制系统包括电动调节阀1、气体流量计2、压力计3、闸阀4、参数检测仪表5和控制器。动调节阀1可以调节阀门开度，控制风量；而闸阀4只有开或关两个状态。电动调节阀1、气体流量计2、压力计3、闸阀4依次安装在曝气支管上；电动调节阀1用于调节阀门开度，控制风量从曝气支管的曝气孔流出到好氧区，保持其活性以去除有机物污染；气体流量计2用于统计曝气流量；压力计3用于统计曝气支管的压力；闸阀4用于控制曝气支管的开闭；参数检测仪表5用于检测好氧区中污水参数。
本实施例中，参数检测仪表5包括溶氧仪、氨氮仪、硝氮仪、ORP仪和硝酸盐仪。
溶氧仪为多个，分别安装在每个处理区域，检测每个处理区域的溶氧状况，控制支管曝气量；氨氮仪安装在出水区的入口，监测好氧区的氨氮转化效率；硝氮仪安装在缺氧区，监测反硝化进程；ORP仪应安装在厌氧区，实施反映厌氧区状态；硝酸盐仪安装在出水区的入口，监测水质中硝酸盐含量。
本实施例中，控制器包括曝气量统计单元、曝气时间统计单元、控制单元、时间补偿单元、人机交互单元。
曝气量统计单元，用于根据进水负荷计算系统对应的总需气量，结合曝气条件(指好氧池内的氨氮浓度超过界定值，存在出水氨氮/总氮超标风险，需进行充氧曝气)下的溶解氧、风量变化情况计算实际曝气量。
本实施例中，进水负荷的计算公式如下：
公式(1)中，F/M表示进水负荷；Q表示污水流量；Sa表示污水中有机物浓度；X表示活性污泥浓度；V表示曝气池体积。
曝气时间统计单元，用于计算曝气时间；
时间补偿单元，用于计算停机时间；
人机交互单元，用于管理人员及时掌握在线仪表水质状况，通过远程进行调节；
控制单元根据实际曝气量、曝气时间、停机时间实时调整电动调节阀1的的开度，从而调整曝气量。
基于上述控制系统，本发明提供一种基于A2O的曝气控制方法，具体包括以下步骤：
S1：根据生物曝气池的参数计算需氧量。
本实施例中，生物曝气池的参数包括活性污泥浓度X(已提前放置在生物曝气池，为已知参数)、生物曝气池容积V、活性污泥微生物代谢活动所降解的有机污染物量Sr、活性污泥对有机污染物分解代谢反应需氧率a、活性污泥内源代谢期进行菌体自身氧化的需氧量b，污水流量Q(可通过进水区的流量计测得)。
本实施例中，生物曝气池为活性污泥提供氧气，保持其活性以去除污水中的有机物污染，因此需要对需氧量进行计算：
O2＝a＇QSr+b＇VX (2)
公式(2)中，O2表示需氧量；a＇表示活性污泥对有机污染物分解代谢反应需氧率，b＇表示活性污泥内源代谢期进行菌体自身氧化的需氧量，可通过查表得出常数值；Q表示污水流量；Sr表示活性污泥微生物代谢活动所降解的有机污染物量；V表示生物曝气池容积；X表示活性污泥浓度。
S2：根据S1中的需氧量计算进入曝气系统的实际曝气量。
本实施例中，污水中有机物浓度是由COD仪表测量，市面上的COD分析仪一般为40分钟检测一次，因此考虑仪表机械性的损耗以及厂区需要，COD测量时间为两小时，因此曝气时间每隔两小时更新一次，当前曝气值与上一时刻曝气值比值在90％-110％之间，则无需改变曝气量。
本实施例中，由于存在误差，因此需对曝气量进行补偿，即实际进入曝气系统的曝气量是由理论曝气量+补偿曝气量进行计算，公式如下：
Gs＝100*(O2+24.57*C)/0.3*E (3)
公式(3)中，Gs表示实际进入曝气系统的曝气量；C表示氨氮浓度(由氨氮仪测得)，1g氮完成硝化反应需要24.57g的氧气；E表示氧的传递效率，由鼓风机的供应商提供。
曝气时间由需气量输入至鼓风机一体化程序中算出，通过MCP柜进行变频控制。当溶氧仪检测到处理区域的溶氧均达到预设值时，反馈给控制器，从而控制鼓风机停止曝气。
现有曝气方式是根据人工经验实行“曝2小时停2小时”式的间歇曝气，是恒定的曝气量。但生物曝气池的进水流量存在误差，若在一段时间内，进水流量增大，若还是按照现有曝气方式，那就会使得曝气过低，生物硝化不完全，出水氨氮和总氮存在超标风险；反之若进水流量减小(对应的曝气量实际应减小)，则不需要过量的曝气，过量曝气会使得回流水中DO过高，增大碳源的消耗，同时也会使鼓风机的能耗增加。
因此本实施例中，根据实时进水流量计算所需的曝气量，通过对曝气量的精确计算和控制，避免曝气过低使得水质存在超标风险或过高使得鼓风机的能耗增加。
S3：启动鼓风机，根据S2中计算的实际曝气量将对应空气灌入曝气管道，并打开电动调节阀进行曝气。
本实施例中，曝气控制系统实时监测出水水质与每个处理区域的溶解氧状态，调节每个曝气支管的电动调节阀1的开度，从而控制曝气量，保证溶解氧控制在阈值(2mg/L)以上(好氧微生物生命活动在溶氧氧在2mg/L以上不会受影响，对有机物和氨氮得氧化分解才能正常进行)。
当控制器通过溶氧仪检测到溶解氧到达阈值后，控制电动调节阀1关闭，在满足出水达标的前提下降低曝气量，鼓风机停止工作。即本发明实时根据生物曝气池中溶解氧的状态调整曝气量，实现按需曝气和节能降耗。
现有曝气方式是根据人工经验实行“曝2小时停2小时”式的间歇曝气，是恒定的曝气量，出水水质稳定在较低水平。
S4：本实施例中，曝气是由系统自动控制的，因此需在系统中设定曝气参数以防止生物池中曝气过低或过高，包括曝气最小时间(30分钟)、鼓风机停机最大时间(2小时)、氨氮上线/下线设定值(1-4mg/L，由出水区入口的氨氮仪检测)。
当检测到停机时间超过鼓风机停机最大时间，则控制鼓风机工作，并打开电动调节阀进行曝气，且曝气时间不小于曝气最小时间。
当检测到溶解氧低于2mg/L以及实时测量的氨氮值高于4mg/L时，开启鼓风机进行曝气。
设置曝气最小时间和鼓风机停机最大时间时为了保证生物曝气池中溶解氧的含量在阈值(2mg/L)以上。
设置氨氮上线/下线设定值，是为了保证水质达标。若当氨氮值低于下线就停止曝气，因为国家城镇排水A标氨氮要控制在5mg/L以内，若低于下线则说明好氧池内存在过曝的情况，浪费能耗；当氨氮值高于上线则说明厂区污水存在超标的风险，要开启曝气。
本实施例中，曝气方法采用三级串联的控制结构：第一级前馈开环控制，通过进水负荷(进水流量)设定计算需氧量；第二级反馈闭环控制，通过好氧区溶解氧仪的实时数据调整每个支管曝气量及阀门开度(通过计算当前曝气量如果与上个时刻差距大就需要调节曝气量，曝气量调节通过阀门开度大小进行调节)；第三级鼓风机闭环反馈控制，通过溶解氧和支管曝气量调整鼓风机总气量，即启停。
本实施例中，图3为现有进出水COD图，图4为本实施例的进出水COD图。从图3和图4可看出：进水COD(化学需氧量)的变化波动较大，现有系统的出水COD控制在5～17mg/L内，保持在较低水平，造成能耗损失；本发明出水COD稳定在13～28mg/L之间，保持在较高水平，从而降低能耗损失。
为了验证厂区能耗是否降低，对比了近三年的进水量、鼓风机能耗等值，如表1所示。
表1改进前后曝气能耗对比值
2021年为实施本发明后系统的能耗，2020年、2019年为现有(未实施本发明)系统的能耗。从表1中可看出，2021年的能耗比2019年同期降低14.54％，比2020年同期降低6.11％。
本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。
Claims (9)
1.一种基于A2O的曝气控制系统，包括n个曝气支管，每个曝气支管安装在好氧区的对应处理区域，其特征在于,还包括安装在生物池内部的参数检测仪表，所述曝气支管上安装有电动调节阀和闸阀；
控制器根据参数检测仪表反馈的数据控制电动调节阀和闸阀的状态；所述电动调节阀用于调节阀门开度，控制从曝气支管的曝气孔流到好氧区的风量；所述闸阀用于控制曝气支管的开闭状态。
2.如权利要求1所述的一种基于A2O的曝气控制系统，其特征在于,所述曝气支管上还安装有气体流量计和压力计；所述气体流量计用于统计空气流量；压力计用于统计曝气支管内的空气压力。
3.如权利要求1所述的一种基于A2O的曝气控制系统，其特征在于,所述参数检测仪表包括溶氧仪、氨氮仪；
所述溶氧仪为n个，分别安装在每个处理区域，检测每个处理区域的溶解氧含量；所述氨氮仪，安装在好氧区出水区的入口，监测氨氮含量。
4.如权利要求3所述的一种基于A2O的曝气控制系统，其特征在于,所述参数检测仪表还包括硝氮仪、ORP仪和硝酸盐仪；
硝氮仪安装在缺氧区，监测反硝化进程；ORP仪安装在厌氧区，检测厌氧区状态；硝酸盐仪安装在出水区的入口，监测水质中硝酸盐含量。
5.如权利要求1所述的一种基于A2O的曝气控制系统，其特征在于,所述控制器包括：
曝气量统计单元，用于根据进水负荷计算曝气量；
曝气时间统计单元，用于统计曝气时间；
时间补偿单元，用于设定曝气最小时间和停止曝气最大时间；
控制单元，用于根据曝气量和参数检测仪表的数据实时调整电动调节阀的开度，从而调整曝气量。
6.基于权利要求1-5任一所述系统的一种基于A2O的曝气控制方法，其特征在于,具体包括以下步骤：
S1：根据生物曝气池的参数和进水负荷计算需氧量；
S2：根据S1中的需氧量计算需要进入曝气系统的实际曝气量；
S3：启动鼓风机，根据S2中计算的实际曝气量将对应空气灌入曝气支管，并打开电动调节阀进行曝气；当检测到溶解氧到达阈值后，控制电动调节阀关闭，鼓风机停止工作。
7.如权利要求6所述的一种基于A2O的曝气控制方法，其特征在于,还包括S4：
设定曝气参数，根据曝气参数对鼓风机的状态进行调节；曝气参数包括曝气最小时间、鼓风机停机最大时间、氨氮上线/下线设定值；
当检测到停机时间超过鼓风机停机最大时间，则控制鼓风机工作，并打开电动调节阀进行曝气，且曝气时间不小于曝气最小时间。
8.如权利要求6所述的一种基于A2O的曝气控制方法，其特征在于,所述S1中，需氧量的计算公式如下：
O2＝a＇QSr+b＇VX (1)
公式(1)中，O2表示需氧量；a＇表示活性污泥对有机污染物分解代谢反应需氧率，b＇表示活性污泥内源代谢期进行菌体自身氧化的需氧量；Q表示污水流量；Sr表示活性污泥微生物代谢活动所降解的有机污染物量；V表示生物曝气池容积；X表示活性污泥浓度。
9.如权利要求6所述的一种基于A2O的曝气控制方法，其特征在于,所述S2中，实际曝气量的计算公式如下：
Gs＝100*(O2+24.57*C)/0.3*E (2)
公式(2)中，Gs表示实际进入曝气支管的曝气量；C表示氨氮浓度，由氨氮仪测得；E表示氧的传递效率。
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