CN117342689A - 一种污水厂智能脱氮方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及污水脱氮技术领域，具体公开了一种污水厂智能脱氮方法及系统，所述系统包括：监测单元，若干组监测单元分别设置于缺氧池的首端和末端及出水处，用以实时监测对应位置点的水质指标；曝气调节模块，用以对曝气机的运行功率进行调整；碳源投加模块，用以控制外部碳源的投加量；分析控制中心，用以根据各个监测单元获取的水质指标进行逐级分析判断，根据判断结果对曝气调节模块及碳源投加模块进行动态调节，及根据判断结果确定设备异常系数；设备运行监测模块，用以实时监测设备运行参数；设备运行预警单元，用以根据设备运行参数及其对应的设备异常系数对设备状态进行预警。
Description
技术领域
本发明涉及污水处理技术领域，具体为一种污水厂智能脱氮方法及系统。
背景技术
污水处理厂最基本的任务是保证出水水质达标排放，而污水厂的高效脱氮是保障出水水质的关键，也是污水厂智能控制和节能降耗的重点。智慧污水厂是智慧环保在污水处理厂的延伸应用，可提高污水处理过程的自动化、智能化控制水平，稳定工艺参数，提高出水水质，节省人力物力，降低运营成本。
现有的污水处理过程中，污水处理厂通过引入仪表、控制和自动化等技术，能够对污水处理过程的水质参数进行监测，同时通过对水质参数的判断对污水处理的工艺参数进行调整，以保证污水排出时的水质符合标准要求。
而在污水脱氮反硝化过程中，会受到温度、氧气供应、营养物质等多种因素的影响，因此单一的水质参数判断难以确定污水脱氮过程中存在的异常，进而在具体的控制过程中，导致曝气系统及碳源添加调价系统控制的准确性较难达到要求，使得污水脱氮存在滞后性；另外，污水脱氮处理过程中的设备异常也会对脱氮工艺参数的调整造成影响，因此如何溯源污水脱氮反硝化过程中具体异常因素是本发明要解决的根本问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种污水厂智能脱氮方法及系统，解决以下技术问题：
如何溯源污水脱氮反硝化过程中具体异常因素。
本发明的目的可以通过以下技术方案实现：
一种污水厂智能脱氮系统，所述系统包括：
监测单元，若干组监测单元分别设置于缺氧池的首端和末端及出水处，用以实时监测对应位置点的水质指标；
曝气调节模块，用以对曝气机的运行功率进行调整；
碳源投加模块，用以控制外部碳源的投加量；
分析控制中心，用以根据各个监测单元获取的水质指标进行逐级分析判断，根据判断结果对曝气调节模块及碳源投加模块进行动态调节，及根据判断结果确定设备异常系数；
设备运行监测模块，用以实时监测设备运行参数；
设备运行预警单元，用以根据设备运行参数及其对应的设备异常系数对设备状态进行预警。
进一步地，所述逐级分析判断的过程包括：
判断出水处的监测单元监测的硝态氮浓度是否低于阈值A：
若硝态氮浓度不低于A，则判断出水处的监测单元监测的氨氮浓度是超过阈值F：
若氨氮浓度超过F，则发出故障排查指令；
若氨氮浓度不超过F，则不作处理；
若硝态氮浓度低于A，则判断判断缺氧池末端监测单元监测的硝态氮浓度是否小于阈值B：
若硝态氮浓度小于B，则不作处理；
若硝态氮浓度不小于B，则判断碳源投加模块投加量是否达到阈值C：
若投加量小于C，则判断碳源不足，并在前置缺氧段投加外部碳源；
若投加量不小于C，则根据缺氧池首端及末端监测单元监测的水质指标，判断溶解氧是否低于阈值D：
若溶解氧低于D，则执行设备检测指令并确定设备异常系数；
若溶解氧不低于D，则判断出水处监测单元监测的氨氮是否低于阈值E：
若氨氮低于E，则自动调节控制曝气机阀门降低溶解氧，直至出水达标；
若氨氮不低于E，系统控制回流泵使缺氧池的溶解氧低于D。
进一步地，所述设备异常系数确定的过程包括：
获取缺氧池内实时溶解氧曲线及实时水温曲线/>；
按照预设时间间隔分别采集与/>上的点;
其中，,/>为标准温度；
根据采集的数据判断溶解氧浓度与水温的关联值，根据关联值确定设备异常系数。
进一步地，所述关联值的计算过程包括：
通过公式：，计算获得关联值r；
其中，n为选取的时间点数，；/>为第i个时间点，/>为所有时间点对应/>的均值，/>为所有时间点对应/>的均值；
通过公式：，计算获得设备异常系数u。
进一步地，所述设备运行参数包括曝气机控制功率曲线、连续使用时长、使用寿命/>及实时运行诊断数据；
所述设备运行预警单元的工作过程包括：
将设备异常系数u与预设阈值u1进行比对：
若 u≥u1 ，则判断设备存在异常，并判断与/>的变化趋势是否呈正相关：
若为是，则根据连续使用时长、使用寿命/>、实时运行诊断数据及当前t时间点的设备异常系数u(t)进行设备异常分析，根据设备异常分析结果判断设备状态；
若为否，则判断曝气反馈调节系统异常；
若u＜u1，则判断水温导致异常。
进一步地，所述设备异常分析的过程包括：
对振动数据进行分析提取，获取振幅变动曲线并进行周期划分，选取当前时间点t之前若干个周期振幅及周期时长，基于方差公式分别计算获得振幅离散度系数及周期时长/>离散度系数；
通过公式：，计算获得t时间点设备异常值，将设备异常值/>与预设阈值/>进行比对：
若，则判断设备运行故障，并发出设备故障指令；
否则，则进行人工排查；
其中，为t时间点设备运行异常系数，/>为设备连续运行参考时长，为第一分段函数，/>为第二分段函数，x为预设调整系数，A0为振幅参考值，T0为周期时长参考值。
进一步地，所述阈值C的计算过程包括：
通过公式：，计算获得阈值C；
其中，阈值C表示必须投加以COD计的外部碳源量mg/L；5表示反硝化1kg硝态氮需投加以COD计的外部碳源量5kg；表示出水实际TN浓度mg/L；/>表示TN排放标准mg/L。
一种污水厂智能脱氮方法，所述方法采用所述的一种污水厂智能脱氮系统进行污水脱氮，包括：
S1、通过设置缺氧池的首端和末端及出水处监测单元对水质指标进行实时监测；
S2、根据各个监测单元获取的水质指标进行逐级分析判断，根据判断结果对曝气调节模块及碳源投加模块进行动态调节，及根据判断结果确定设备异常系数；
S3、根据设备运行参数及其对应的设备异常系数对设备状态进行预警。
本发明的有益效果：
（1）本发明根据各个点位监测的水质指标参数对脱氮过程存在的异常原因进行溯源，同时根据结果对设备的运行风险进行初步判断，进而再通过设备运行监测模块实时监测的设备运行参数，通过设备运行预警单元根据设备运行参数及其对应的设备异常系数对设备状态进行预警，进而能够保证设备的状态能够得到准确的判断。
附图说明
下面结合附图对本发明作进一步的说明。
图1是本发明智能脱氮系统的逻辑框图；
图2是本发明污水处理的工艺流程图；
图3是逐级分析判断的逻辑框图；
图4是本发明智能脱氮方法的流程图。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在一个实施例中，提供了一种污水厂智能脱氮系统，如图2所示，该系统应用的工艺流程包括：进水——粗格栅及进水泵房——细格栅及曝气沉砂池——除沉池——厌氧池、缺氧池、好氧池——二沉池配水井——二沉池——混合反应沉淀池——二次提升泵房——V型滤池——接触池及巴氏计量槽；请参阅图1所示，所述系统包括：若干组的监测单元、曝气调节模块、碳源投加模块、分析控制中心、设备运行监测模块及设备运行预警单元，其中，监测单元能够实时监测对应位置点的水质指标，其分别设置于厌氧池、缺氧池、好氧池的首端和末端及出水处，二沉池的内部及二沉池的出水处，其中，厌氧池的首端和末端主要监测指标为（硝态氮）及COD（化学需氧量）等，缺氧池的首端和末端主要监测指标为/>（硝态氮）、ORP/DO（氧化还原电位/溶解氧）及COD（化学需氧量）等，好氧池的首端和末端主要监测指标为/>（硝态氮）、ORP/DO（氧化还原电位/溶解氧）及（氨氮含量）等，二沉池内部主要监测指标为DO（溶解氧）和浊度，二沉池出水位置主要监测指标为COD（化学需氧量）、/>（氨氮含量）及TN（总氮）等，另外本实施例中设置了曝气调节模块及碳源投加模块，其能够根据分析控制中心的控制来对曝气机的运行功率进行调整及外部碳源的投加量进行调整，而分析控制中心会根据各个监测单元获取的水质指标进行逐级分析判断，根据判断结果对曝气调节模块及碳源投加模块进行动态调节，及根据判断结果确定设备异常系数，在此过程中，逐级分析判断的过程能够根据各个点位监测的水质指标参数对脱氮过程存在的异常原因进行溯源，同时根据结果对设备的运行风险进行初步判断，进而再通过设备运行监测模块实时监测的设备运行参数，通过设备运行预警单元根据设备运行参数及其对应的设备异常系数对设备状态进行预警，进而能够保证设备的状态能够得到准确的判断；其中，如图3所示，逐级分析判断的过程包括：
判断出水处的监测单元监测的硝态氮浓度是否低于阈值A：
若硝态氮浓度不低于A，则判断出水处的监测单元监测的氨氮浓度是超过阈值F：
若氨氮浓度超过F，则发出故障排查指令；
若氨氮浓度不超过F，则不作处理；
若硝态氮浓度低于A，则判断判断缺氧池末端监测单元监测的硝态氮浓度是否小于阈值B：
若硝态氮浓度小于B，则不作处理；
若硝态氮浓度不小于B，则判断碳源投加模块投加量是否达到阈值C：
若投加量小于C，则判断碳源不足，并在前置缺氧段投加外部碳源；
若投加量不小于C，则根据缺氧池首端及末端监测单元监测的水质指标，判断溶解氧是否低于阈值D：
若溶解氧低于D，则执行设备检测指令并确定设备异常系数；
若溶解氧不低于D，则判断出水处监测单元监测的氨氮是否低于阈值E：
若氨氮低于E，则自动调节控制曝气机阀门降低溶解氧，直至出水达标；
若氨氮不低于E，系统控制回流泵使缺氧池的溶解氧低于D。
上述技术方案中，阈值A、B、C、D、E、F均根据经验数据拟合设定，其中，阈值C的计算过程包括通过公式：计算获得；其中，阈值C表示必须投加的外部碳源量（以COD计）mg/L；5表示反硝化1kg硝态氮需投加外部碳源量(以COD计)5kg；/>表示出水实际TN浓度mg/L；/>表示TN排放标准mg/L。通过上述技术方案中逐级分析判断过程，能够根据各个位点监测的数据，基于逻辑判断的方式实现对脱氮过程异常的判断。
作为本发明的一种实施方式，设备异常系数确定的过程包括：
获取缺氧池内实时溶解氧曲线及实时水温曲线/>；其中实时水温曲线可通过水温传感器实时监测获得，按照预设时间间隔分别采集/>与/>上的点，需要说明的是，预设时间间隔根据经验数据选择设定，在此不作限定，其中，,/>为标准温度；因为缺氧池内的溶解氧与水温呈反比，即水温越低，溶解氧越高，因此为了判断是否是水温因素造成脱氮相关参数异常，因此本实施例通过采集的数据判断溶解氧浓度与水温的关联值，根据关联值确定设备异常系数，由于与/>呈反比，因此/>与/>呈正比，因此若判断关联值较高，则可以判断是水温因素造成的异常，反正则说明设备因素原因，而关联值r的计算过程通过公式（1）获得；/>,其中，n为选取的时间点数，；/>为第i个时间点，/>为所有时间点对应/>的均值，/>为所有时间点对应/>的均值，因此r值越趋近于1，则说明两者的关联性越高，进而通过公式/>计算获得设备异常系数u，即当关联性越低时，说明设备存在异常风险越大，即u值越大，进而通过u的数值大小实现对设备风险的判断。
作为本发明的一种实施方式，设备运行参数包括曝气机控制功率曲线、连续使用时长/>、使用寿命/>及实时运行诊断数据；所述设备运行预警单元的工作过程包括：
将设备异常系数u与预设阈值u1进行比对：
若u≥u1，则说明设备风险较大，进而判断设备存在异常，并判断与的变化趋势是否呈正相关，此判断过程基于拟合分析过程实现，在此不作限定，当与/>呈正相关时，说明曝气设备根据污水实时的状态进行了适应性的调整，而实际的设备运行并未达到预设效果，因此若为是，则根据连续使用时长/>、使用寿命/>、实时运行诊断数据及当前t时间点的设备异常系数u(t)进行设备异常分析，根据设备异常分析结果判断设备状态若为否，则判断曝气反馈调节系统异常；当u＜u1时，则判断水温导致异常。
作为本发明的一种实施方式，所述设备异常分析的过程包括：
对振动数据进行分析提取，获取振幅变动曲线并进行周期划分，选取当前时间点t之前若干个周期振幅及周期时长，需要说明的是，选择周期的数量根据经验数据选择性设定，在此不作限定，基于方差公式分别计算获得振幅离散度系数及周期时长离散度系数，/>、/>表示以t时间点作为基准获取的/>及/>，其中，，/>，m表示周期数，j∈[1，m]，/>表示第j个周期的振幅，/>表示第k个周期的周期时长，之后再通过公式：/>，计算获得t时间点设备异常值/>，其中，/>为t时间点设备运行异常系数，/>为设备连续运行参考时长，其根据设备的使用历史数据选择设定，/>为第一分段函数，为第二分段函数，/>根据曝气机运行过程中测试数据中持续运行时长对曝气控制精确度的影响拟合设定，/>则基于大数据中该规格曝气机不同寿命下的控制精确度影响设定，因此通过第一分段函数及第二分段函数，进而获取该设备持续使用时长及寿命对其影响系数的判断，因此通过公式（2）的过程，能够剔除设备自身持续使用时长及设备自然损耗因素的影响，更加准确的对其运行异常进行判断，另外，x为预设调整系数，A0为振幅参考值，T0为周期时长参考值，A0及T0根据曝气机正常运行状态下的测试数据求均值获得，预设调整系数根据影响程度设定，在此不作详述，因此通过将设备异常值/>与预设阈值进行比对，进而当/>时，判断设备运行故障，并发出设备故障指令；否则，则进行人工排查。
需要说明的是，上述判断过程中，设备的持续时长及寿命会有独立的判断策略进行判断，即避免其持续运行时长过长并在曝气机寿命较低时及时更换，而上述过程中对持续时A长及寿命数据的使用，在于对影响判断准确性因素的剔除。
请参阅附图4所示，在本实施例中给出了一种污水厂智能脱氮方法，所述方法采用所述的一种污水厂智能脱氮系统进行污水脱氮，包括：
S1、通过设置缺氧池的首端和末端及出水处监测单元对水质指标进行实时监测；
S2、根据各个监测单元获取的水质指标进行逐级分析判断，根据判断结果对曝气调节模块及碳源投加模块进行动态调节，及根据判断结果确定设备异常系数；
S3、根据设备运行参数及其对应的设备异常系数对设备状态进行预警。
通过上述方法，能够根据各个点位监测的水质指标参数对脱氮过程存在的异常原因进行溯源，同时根据结果对设备的运行风险进行初步判断，进而再通过设备运行监测模块实时监测的设备运行参数，通过设备运行预警单元根据设备运行参数及其对应的设备异常系数对设备状态进行预警，进而能够保证设备的状态能够得到准确的判断。
以上对本发明的一个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (6)
1.一种污水厂智能脱氮系统，其特征在于，所述系统包括：
监测单元，若干组监测单元分别设置于缺氧池的首端和末端及出水处，用以实时监测对应位置点的水质指标；
曝气调节模块，用以对曝气机的运行功率进行调整；
碳源投加模块，用以控制外部碳源的投加量；
分析控制中心，用以根据各个监测单元获取的水质指标进行逐级分析判断，根据判断结果对曝气调节模块及碳源投加模块进行动态调节，及根据判断结果确定设备异常系数；
设备运行监测模块，用以实时监测设备运行参数；
设备运行预警单元，用以根据设备运行参数及其对应的设备异常系数对设备状态进行预警；
所述设备异常系数确定的过程包括：
获取缺氧池内实时溶解氧曲线及实时水温曲线/>；
按照预设时间间隔分别采集与/>上的点;
其中，,/>为标准温度；
根据采集的数据判断溶解氧浓度与水温的关联值，根据关联值确定设备异常系数；
所述关联值的计算过程包括：
通过公式：，计算获得关联值r；
其中，n为选取的时间点数，；/>为第i个时间点，/>为所有时间点对应/>的均值，/>为所有时间点对应/>的均值；
通过公式：，计算获得设备异常系数u。
2.根据权利要求1所述的一种污水厂智能脱氮系统，其特征在于，所述逐级分析判断的过程包括：
判断出水处的监测单元监测的硝态氮浓度是否低于阈值A：
若硝态氮浓度不低于A，则判断出水处的监测单元监测的氨氮浓度是超过阈值F：
若氨氮浓度超过F，则发出故障排查指令；
若氨氮浓度不超过F，则不作处理；
若硝态氮浓度低于A，则判断判断缺氧池末端监测单元监测的硝态氮浓度是否小于阈值B：
若硝态氮浓度小于B，则不作处理；
若硝态氮浓度不小于B，则判断碳源投加模块投加量是否达到阈值C：
若投加量小于C，则判断碳源不足，并在前置缺氧段投加外部碳源；
若投加量不小于C，则根据缺氧池首端及末端监测单元监测的水质指标，判断溶解氧是否低于阈值D：
若溶解氧低于D，则执行设备检测指令并确定设备异常系数；
若溶解氧不低于D，则判断出水处监测单元监测的氨氮是否低于阈值E：
若氨氮低于E，则自动调节控制曝气机阀门降低溶解氧，直至出水达标；
若氨氮不低于E，系统控制回流泵使缺氧池的溶解氧低于D。
3.根据权利要求1所述的一种污水厂智能脱氮系统，其特征在于，所述设备运行参数包括曝气机控制功率曲线、连续使用时长/>、使用寿命/>及实时运行诊断数据；
所述设备运行预警单元的工作过程包括：
将设备异常系数u与预设阈值u1进行比对：
若 u≥u1 ，则判断设备存在异常，并判断与/>的变化趋势是否呈正相关：
若为是，则根据连续使用时长、使用寿命/>、实时运行诊断数据及当前t时间点的设备异常系数u(t)进行设备异常分析，根据设备异常分析结果判断设备状态；
若为否，则判断曝气反馈调节系统异常；
若u＜u1，则判断水温导致异常。
4.根据权利要求3所述的一种污水厂智能脱氮系统，其特征在于，所述设备异常分析的过程包括：
对振动数据进行分析提取，获取振幅变动曲线并进行周期划分，选取当前时间点t之前若干个周期振幅及周期时长，基于方差公式分别计算获得振幅离散度系数及周期时长/>离散度系数；
通过公式：，计算获得t时间点设备异常值/>，将设备异常值/>与预设阈值/>进行比对：
若，则判断设备运行故障，并发出设备故障指令；
否则，则进行人工排查；
其中，为t时间点设备运行异常系数，/>为设备连续运行参考时长，/>为第一分段函数，/>为第二分段函数，x为预设调整系数，A0为振幅参考值，T0为周期时长参考值。
5.根据权利要求2所述的一种污水厂智能脱氮系统，其特征在于，所述阈值C的计算过程包括：
通过公式：，计算获得阈值C；
其中，阈值C表示必须投加以COD计的外部碳源量mg/L；5表示反硝化1kg硝态氮需投加以COD计的外部碳源量5kg；表示出水实际TN浓度mg/L；/>表示TN排放标准mg/L。
6.一种污水厂智能脱氮方法，其特征在于，所述方法采用如权利要求1-5任一项所述的一种污水厂智能脱氮系统进行污水脱氮，包括：
S1、通过设置缺氧池的首端和末端及出水处监测单元对水质指标进行实时监测；
S2、根据各个监测单元获取的水质指标进行逐级分析判断，根据判断结果对曝气调节模块及碳源投加模块进行动态调节，及根据判断结果确定设备异常系数；
S3、根据设备运行参数及其对应的设备异常系数对设备状态进行预警。
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