CN1872732A - 曝气量多变量多系统智能式控制系统 - Google Patents

曝气量多变量多系统智能式控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种曝气量多变量多系统智能式控制系统，包括曝气装置、供氧装置，一前馈控制系统，将污水原水的水质、流量的检测，计算出需要的氧气量数据；一反馈控制系统，将污水受控点的水质的检测，计算出需要的氧气量数据；一加法器，将前计算出的氧气数据相加，得到曝气装置的供氧量；供氧装置根据加法器输出的供氧量数据，输出相应的氧气给曝气装置，进行污水的曝气处理。由于曝气过程具有大惯性、大滞后、非线性，而本发明智能式控制系统，当污水原水水质、流量发生变化时，能实时确定供氧量的增加或减少，以弥补反馈控制滞后性的不足，提高了控制质量，实现污水的连续处理。

Description

曝气量多变量多系统智能式控制系统
                          技术领域
本发明涉及一种污水处理控制系统，具体来说，涉及一种污水处理中，对曝气量进行多变量多系统智能式控制的控制系统。
                          背景技术
市政污水处理、工业染水处理是水污染防治及水资源合理开发利用的主要工作，物理性处理有各种形式的格栅、格网、钟氏沉沙池，多尔沉沙池及各种形式的沉淀池除泥装置等。生物化学法是物理性处理后更为完善的工艺过程，生物化学法工艺中常用的活性污泥法主要处理成本是曝气，将供气量控制在曝气需求量范围是减少生物化学法处理成本的主要项目。
活性污泥法是耗氧生物处理的方法，耗氧微生物在氧化有机物时需要大量的氧，通常氧的供应是将空气中的氧强制溶解到混合液中去的曝气过程，曝气过程除上述供氧外，还起搅拌作用，使活性污泥在混合液中保持悬浮状态，与废水充分接触混合。
曝气方法通常采用的有两种；(1)鼓入空气即吹风曝气法；(2)压入纯氧气曝气法。
1999年11月1日，公开号为CN 1110962A的中国发明专利公开说明书公开了一种用于市政污水处理系统中的鼓风曝气自动反馈控制系统。该系统实质是在污水处理中探测D01、D02、COD、pH等参数，按规定在电脑中计算出氧气需求量，电脑将氧气需求量变为对变频器的控制信号，用控制变频器的方法控制鼓风机转速，从而控制曝气量。这种方法只有一个反馈控制系统，而从鼓风机转速变化到曝气需求量变要一个时间过程，常出现鼓风机转速变化到曝气需求量不匹配，浪费电力又曝气效果不佳。
2002年12月15日，公开号为CN1387099A的中国发明专利公开说明书公开了一种SBR工艺模糊控制方法及控制装置，方法步骤如下：(1)、测定计算曝气量的参数；(2)、将参数输入模糊控制装置主机；(3)、将参数数字信号转换成模糊控制信号；(4)将模糊控制信号输出至执行机构；(5)执行机构指挥曝气继电器、进水继电器、出水继电器对污水处理系统的曝气量和反应时间进行在线控制。这种技术方案同于专利94104508.0，只是参数多测定了几种，控制方案还只有一个反馈控制系统。
                          技术内容
本发明的目的是提供一种对污水不同状态进行多变量多系统控制曝气量的智能式控制系统。
为实现上述发明目的，本发明的曝气量多变量多系统智能式控制系统包括曝气装置、供氧装置，其特征在于，还包括：
一前馈控制系统，用于将污水原水的水质、流量的检测，并将检测到的数据送到前馈控制智能运算器，经过运算后，计算出需要的氧气量数据；
一反馈控制系统，用于将污水受控点的水质的检测，并将检测到的数据送到反馈控制智能运算器，经过运算后，计算出需要的氧气量数据；
一加法器，用于将前馈控制智能运算器计算出的氧气数据与反馈控制智能运算器计算出的氧气数据相加，得到曝气装置的供氧量；
供氧装置根据加法器输出的供氧量数据，输出相应的氧气给曝气装置，进行污水的曝气处理。
由于曝气过程具有大惯性、大滞后、非线性等特点，仅采用单一的反馈控制系统，由于控制作用的不及时，在一段时间内排污指标可能达不到排污标准，或带来能源的浪费，采用前馈控制系统，实现了对污水原水以及污水受控点，通常为污水出口处污水同时控制，当污水原水水质、流量发生变化时，能实时检测到一些列污水原水的水质、流量变化，确定供氧量的增加或减少，以弥补反馈控制滞后性的不足，提高了控制质量，实现污水的连续处理。
                         附图说明
图1是本发明曝气量多变量多系统智能式控制系统一种具体实施方式原理图。
                         具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式，对本发明曝气量多变量多系统智能式控制系统作进一步详细的说明和描述。
图1是本发明曝气量多变量多系统智能式控制系统一种具体实施方式原理图。
在本实施方式中：
1、前馈控制系统
前馈控制系统包括检测污水原水水质COD/BOD、TKN，流量，温度的检测及变送装置DS1～4、前馈控制智能运算器OP1、加法器R、气体流量控制器FL、执行器EX、制氧机OG、曝气装置GWQ。执行器EX、制氧机OG组成所述的供氧装置。
在活性污泥工艺中，曝气要经过数小时到几十小时的时间，当干扰，即污水原水水质、流量、温度变化发生时，如仅依靠反馈控制则可能干扰已造成影响，被控变量，即污水受控点的水质直指标得不到及时控制，因而必须首先进行前馈控制即在干扰出现时，控制系统就对控制变量，供氧量进行调整，来补偿干扰对被控变量，即水质指标的影响。
所谓干扰就是指污水原水量增加/减少，COD、TKN增加/减少，水温等因素发生了变化。当干扰发生时，干扰检测及变送装置DS1～4将扰动值以模拟量信号方式输入到前馈控制智能运算器OP1中，前馈控制智能运算器OP1根据经验运算模块自动计算出各控制点的需氧量u1，这些需氧量数值再进入曝气装置运算模块，在此依据装置的实验及设计基础数据库，计算出要增/减的供氧量信号发至加法器R处，与反馈控制智能运算器OP2输出的供氧量信号u2相加/减后，输出到气体流量控制器FL，气体流量控制器FL控制执行器EX中控制阀门VA的打开以及变频器IN输出频率，来控制向曝气装置GWQ的供氧量和制氧机OG氧气的输出量。
在前馈控制运算过程中，曝气装置运算模块的运算最为关键。在需氧量确定后，必须知道曝气装置在此操作条件下的氧气传递效率OTR，才能明确得到供氧量数值。不同的曝气装置GWQ的氧气传递效率OTR不同，控制过程必须有特定的曝气器配合才能完成。当运行条件变化，即干扰发生和供氧量变化，即气液比变化时，氧气传递效率OTR也会变化。曝气装置GWQ的OTR的确定可依据实验所得到的一系列标准状态下的氧气传递效率SOTR数值，再用实时检测得到的一系列污水运行参数确定污水修正系数，自行运算得到。采用前馈控制，可以弥补反馈控制滞后性能不足，提高控制质量。
在本实施例中，需氧量与供氧量采用以下公式进行计算，其中进口指污水原水、污水受控点为出口。
一、需氧量计算公式
需氧量QO2＝总碳氧化需氧量Oa+总硝化需氧量Ob
(1)总碳氧化需氧量Oa
Oa＝Q×(COD0-CODe)/μ/1000-1.42×Q’
COD0：进口指标，mg/L；
CODe：出口指标，mg/L；
Q：平均水处理量，m3/d；
μ：BOD5对于BOD的比值；
Q’：剩余污泥排放量，kg/d。
(2)Q’＝r×Q×(COD0-CODe)/1000
r：计算污泥产率系数
(3)r＝(Y*(F/M)-λ)/(F/M)；
Y：污泥产率系数，kg/kg；
λ：衰减系数；
F/M：有机负荷，kg/kg.d；
(4)F/M＝(Q*COD0)/(MLVSS*V)
MLVSS：混合液挥发性活性污泥浓度，mg/L；
V：曝气池有效容积；m3
(5)总硝化需氧量Ob，kg/d
Ob＝b×Q×(TKN0-TKNe)
TKN0：进口指标，mg/L
TKNe：出口指标，mg/L
b：是否需要脱氮的矫正系数。
二、供氧量计算公式
(1)Qg＝Qh×OTR’
Qg：设计氧气传递量，kg/h
Qh：设计循环水量，m3/h；
OTR’：二次喷射下的传递氧量，kg/h；
OTR：在运行温度和DO下的传递氧量，kg/h·m3，单位时间内循环1m3水实际传递的氧气量。
(2)OTR＝(θαSOTR/CS，20℃)×(τβΩCS，20℃-CS，T)
θ：温度矫正系数；
α：污水与清水的矫正系数；
CS，20℃：20℃时溶解氧饱和浓度，mg/L；
τ：操作条件下的饱和溶解氧浓度矫正系数；
β：饱和溶解氧浓度的化学性质矫正系数；
Ω：操作条件下压力与标准压力下的矫正系数；
CS，T：运行条件下的溶解氧浓度，mg/L；
SOTR：运行压力下的标准传递氧量，kg/h·m3，单位时间内循环1m3水传递的氧气量。
(3)SOTR＝SAE×W/Qh
SAE：清水试验测定值；
W：所需水功率；
(4)W＝QhP
P：GWQ氧气传递器运行压力。
表1为一具体需氧量计算结果实例：
  需氧量计算
  工艺参数   单位     数值 备注
  处理量   m3/h     87
  平均设计处理水量   m3/day     2088
  进口COD   mg/l     2000
  进口TKN   mg/l     200
  出口COD   mg/l     1000
  出口TKN   mg/l     100
是否需要脱氮指标？ y 1.71 如果Y为4.57，如果N则为1.71
曝气池体积   m3     580
混合液挥发性悬浮固体，MLVSS mg/l 5000 假定
F/M比@ADF   Kg/Kg·d     1.440 BOD-MLSS负荷
污泥产率系数，Y，KgVSS/KgBOD5 Kg/Kg 0.7 通常为0.4-0.8，假定0.7
衰减系数，Kd，d-1   Kg/Kg·Day     0.04 通常为0.04-0.075，假定0.04
表观或计算污泥产率系数，VSS/#BOD5@ADF Kg/Kg 0.67
剩余污泥排量，@ADF   Kg/day     1404
BOD5对于BOD的比值     0.71 通常为0.46-0.71，假定0.71
总碳氧化需氧量Oa   Kg/day     948
总硝化需氧量Ob   Kg/day     357
需氧量计算QO2   Kg/day     1305
可曝气时间   hr/day     24
氧传递量@ADF   kg/hr     54.37
                                         表1
表2是供氧量计算实例：
    供氧量计算表
    工艺参数    单位     数值
    喷射器运行压力    Mpa     0.15
    运行压力/水深下的SOTR    kg/hr     34.74 每分钟循环1M3水传递的氧气量
    标准射流器效率SAE    kgO2/kwhr水功率     14.19
    20C温度下DO饱和浓度    mg/l     9.08
    操作温度下DO饱和浓度    mg/l     6.93
    运行溶解氧浓度DO    mg/l     2.00
    系数Tau     0.76
    系数Theta     1.02
    系数Beta     1.00 假设
    系数Omega     1.00
    系数Alpha     1.00
    在运行温度和DO下的OTR    kg/hr     19.20 每分钟循环1M3水传递的氧气量
    二次喷射下的OTR′    kg/hr     22.08 假设倍率系数在1.1～1.5，取1.15
    设计循环水量    m3/h     250.00
    所需水功率    kwhr水功率     10.20
    设计氧气传递量，Qg    kg/hr     91.99
                                      表2
Figure A20051002102500091
                       表3
由表1中，所需氧量为54kg/h，而由表2中设计所提供的氧量为91.99kg/h，当需氧增加量ΔQO2变化时，气液比vg/vl也随之变化，而氧气传递效率EOT也随之变化，由表3可查ΔQO2/EOT＝ΔQg。
2、反馈控制系统
在本实施方式中，由于排污是由COD/BOD、TKN、DO等多项指标来衡量的，被控变量，即污水受控点的水质参数不是单一的某个变量，而是多个变量，若仅对其中的一项指标进行控制，其它指标仍然有可能达不到排污标准，所以在本实施例中，反馈控制系统对污水受控点的水质检测参数为COD/BOD、TKN、DO等多个参数，相应的反馈控制系统包括COD/BOD检测及变送装置DS7、TKN检测及变送装置DS6、DO检测及变送装置DS5。通过COD/BOD检测及变送装置DS7、TKN检测及变送装置DS6、DO检测及变送装置DS5检测到的COD/BOD、TKN、DO等水质数据送到相应的比较器S1、S2、S3中与相应的设定值进行比较后，得到偏差e和偏差变化率c，输出反馈控制智能运算器，对COD、BOD、TKN、DO等多个水质被控变量的模糊(Fuzzy)控制，以达到平稳及时控制供氧量及保证多项排污指标均达到排污标准的目的。
曝气过程中被控变量，即污水受控点的水质参数COD/BOD，TKN，DO与控制变量，即供氧量的关系是一个非线性的复杂过程，在不同的曝气时间和不同的曝气地点，污水性质和需氧量也是不同的。前馈控制系统也只是提供一个平均需氧量和控制的提前性，要做到更精确的控制还需要根据被控变量的变化进行反馈控制来进行调节。
由于过程的非线性的性质，采用常规的比例微积分PID作反馈控制，会出现控制不及时和振荡波动现象。因此在反馈控制智能运算器中用模糊(Fuzzy)控制和比例微积分PID组合作反馈控制，以达到平稳及时及平衡控制的目的。
被控变量COD/BOD、TKN、DO分别通过检测变送反馈到反馈控制智能运算器的输入端与各自的设定值比较后得到COD的偏差eCOD、BOD的偏差eBOD、TKN的偏差eTKN、DO的偏差eDO，及COD的偏差变化率cCOD、BOD的偏差变化率cBOD、TKN的偏差变化率cTKN、DO的偏差变化率cDO。eCOD、eBOD、eTKN、eDO后面用向量e表示。cCOD、cBOD、cTKN、cDO后面用向量c表示。偏差e和偏差变化率c这两个精确向量转化为对应的模糊向量E和C，根据E和C及曝气过程供氧量模糊控制规则，计算出输出模糊量U，然后根据专家知识库再将U清晰化/精确化为控制变量，即氧气需要量u2，输入到加法器R中。
规则库包括用模糊语言变量表示的一系列规则，它反映了专家的在控制变量(供氧量)与被控变量(COD，DO，TKN，MLSS等)之间关系的经验与知识的累积，建立和调整很有难度，需要在试验/实践中反复调试和修改才能得到满意的结果。
在本实施例中，模糊控制过程如表1所示：
水中溶解氧DO     IF     IS     IF     IS     THEN     IS
eDO LN cDO     LNSN δO2     LPLP
eDO MN cDO     LNSN δO2     LPMP
eDO SN cDO     LNSN δO2     MPSP
eDO SP cDO     SPLP δO2     SNSN
eDO MP cDO     SPLP δO2     SNMN
eDO LP cDO     SPLP δO2     MNLN
化学需氧量COD eCOD LN cCOD     LNSN δO2     LNMN
eCOD MN cCOD     LNSN δO2     MNSN
    eCOD     SN     cCOD     LNSN δO2     SNSN
eCOD SP cCOD     SPLP δO2     SPMP
eCOD MP cCOD     SPLP δO2     MPLP
eCOD LP cCOD     SPLP δO2     LPLP
氨氮总量TKN eTKN LN cTKN     LNSN δO2     LNMN
eTKN MN cTKN     LNSN δO2     MNSN
eTKN SN cTKN     LNSN δO2     SNSN
eTKN SP cTKN     LPSP δO2     MPSP
eTKN MP cTKN     SPLP δO2     MPLP
eTKN LP cTKN     SPLP δO2     LPLP
                                     表1
表1中：
eDO表示DO与设定值的偏差，cDO表示DO偏差变化率
eCOD表示COD与设定值的偏差，cCOD表示COD偏差变化率
eTKN表示TKN与设定值的偏差，cTKN表示TKN偏差变化率
δO2表示供氧增量
LN表示负大，MN表示负中，SN表示负小
LP表示正大，MP表示正中，SP表示正小
IF表示如果，IS表示是；THEN，表示那么。以第一行为例，其意思为水中溶解氧DO，与设定值的偏差eDO如果是负大LN，偏差变化率cDO如果是负大LN，那么供氧增量δO2是正大LP，其他依次类推。
3、加法器
加法器将前馈控制智能运算器OP1计算出的氧气数据u1与反馈控制智能运算器计算出的氧气数据u2相加，得到曝气装置的供氧量u。
4、气体流量控制系统
加法器得到的曝气装置的供氧量u输出到气体流量控制器FL，气体流量控制器FL控制执行器EX中控制阀门VA的开度以及变频器IN输出频率，来控制向曝气装置GWQ的供氧量和制氧机OG氧气的输出量。执行器EX根据流量控制器送达的信号改变控制变量。控制阀VA用于直接控制气体管道中的氧气/空气流量；变频器IN控制供氧装置的制氧机OG，从而控制供氧装置的制氧量。
为保证气体流量控制系统的输出为曝气装置实际需要的供氧量u，在执行器EX的氧气输出端接有一气体流量检测及变送装置DS8，其检测到实际供氧量u’送入到加法器R中，与需要的供氧量u进行比较，对加法器R输出进行修正，直到实际供氧量u’与需要的供氧量u相一致。
在本实施例中，曝气装置采用氧气传递器，执行器EX所供给的氧气被吸入到氧气传递器的射流管中与污水迅速混合形成气液混合液，超饱和氧的混合液再通过水力喷射筒高速注入到水中，由此产生的吸力可产生五倍水泵流量的水与混合液在射吸筒内再发生二次混合，使氧气传递效率达到70％～90％，有效利用了所供给的氧气。
氧气传递器的氧化速率和效率依据清水实验数据和经验数据、输入实际污水处理运行参数、水量、水压、水深、水温、水质、气液比，在运算模块中自动运算完成。
氧气传递器的另一优点是它运用于敞开式曝气池，结构简便紧凑，在不停产，不改变污水处理厂现有设施的情况下即可安装。年度检修时不停止污水处理即可进行，大大降低检修费用和消除了停产检修后微生物再驯化的时间。
本发明曝气量多变量多系统智能式控制系统，不限于具体实施方式的范围，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (5)

1.曝气量多变量多系统智能式控制系统，包括曝气装置、供氧装置，其特征在于，还包括：
一前馈控制系统，用于将污水原水的水质、流量的检测，并将检测到的数据送到前馈控制智能运算器，经过运算后，计算出需要的氧气量数据；
一反馈控制系统，用于将污水受控点的水质的检测，并将检测到的数据送到反馈控制智能运算器，经过运算后，计算出需要的氧气量数据；
一加法器，用于将前馈控制智能运算器计算出的氧气数据与反馈控制智能运算器计算出的氧气数据相加，得到曝气装置的供氧量；
供氧装置根据加法器输出的供氧量数据，输出相应的氧气给曝气装置，进行污水的曝气处理。
2.根据权利要求1所述的智能式控制系统，其特征在于，所述的前馈控制系统污水原水水质检测的数据包括COD/BOD、TKN参数，污水受控点的水质检测的数据包括COD/BOD、TKN、DO参数。
3.根据权利要求1所述的智能式控制系统，其特征在于，所述的前馈控制系统还需要对污水原水温度进行检测，并送到前馈控制智能运算器进行运算。
4.根据权利要求1所述的智能式控制系统，其特征在于，所述的反馈控制系统污水受控点检测到的水质数据在送到反馈控制智能运算器前，需要与各自的设定值进行比较，得到偏差和偏差变化率，并转化为对应的模糊向量，根据曝气过程供氧量模糊控制规则，计算出输出模糊量，然后根据专家知识库再将模糊量清晰化/精确化为需要的氧气量数据，输入到加法器中。
5.根据权利要求1所述的智能式控制系统，其特征在于，所述的供氧装置输出端接有一气体流量检测及变送装置，其检测到实际供氧量送入到加法器中，与需要的供氧量进行比较，对加法器输出进行修正，直到实际供氧量与需要的供氧量相一致。
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