專利名稱：一種實時控制生化反應池中曝氣量的方法
技術領域：
本發明涉及一種實時控制生化反應池中曝氣量方法。
背景技術：
城市污水多采用以活性污泥法為基礎的生物處理工藝，其基本原理是利用人工曝氣，使得活性污泥均勻分散，和污水充分接觸，對污水中的有機污染物質進行合成和降解， 從而達到去除污染物的目的。生物處理工藝是污水處理廠的核心設施，其運行控制效果直接關系到整個污水處理廠的處理能力。生物處理過程是個復雜的生化反應過程，影響活性污泥微生物活性的因素包括基質條件(如碳源、氮源、磷源、有毒化學物質、重金屬離子等)和環境因素(如溫度、PH、溶解氧、內回流及外回流等)。生物工藝控制就是通過改變某些基質條件和環境因素，使活性污泥發揮穩定的降解性能，去除污水中的污染物。污水處理廠自動化運行控制歷來是自動化技術領域內的難點。其中精確曝氣控制和運行節能更是長期以來一直追求的目標。傳統的污水處理廠曝氣是基于保證出廠水質達標基礎上的，采用相對保守的控制參數進行控制回路整定。以A/0工藝的生化反應池溶解氧(DO)控制為例，為保證有機物去除和硝化反應同時在一個反應器中順利進行，DO設定值一般相對較高。其后果一方面增加了曝氣系統能耗，同時導致過多溶解氧回流到缺氧區抑止了反硝化的進行。由于曝氣池中DO值與充氧量存在較大的非線性和滯后性，一般控制方法很容易造成DO值震蕩，難以使DO值穩定在實時給出的目標值附近，導致處理效果不理想，并且增加了鼓風機、閥門等曝氣控制設備調節動作頻率，進一步增加設備損耗。因此，本領域的技術人員致力于開發一種能實時控制生化反應池中曝氣量的方法。
發明內容
有鑒于現有技術的上述缺陷，本發明的目的是提供一種解決曝氣池中DO值與充氧量存在較大的非線性和滯后性的方法。為實現上述目的，本發明提供了一種實時控制生化反應池中曝氣量的方法，包括步驟一，將監測儀置于反應池的進水端、池中、出水端；步驟二，將監測儀采集的水質水量數據傳遞至中央控制系統，所述中央控制系統中包括實時生化反應模型模塊、智能轉換模塊和供氣管網氣體動力模型模塊，所述實時生化反應模型模塊依據水質水量數據計算出反應池需氧量和溶解氧目標值，所述智能轉換模塊根據反應池需氧量、溶解氧目標值和反應池中耗氧速率計算得到生化反應池中供氣量，所述供氣管網氣體動力模型模塊依據供氣量計算出反應池的空氣閥開度和風機壓力數據；步驟三，中央控制系統將空氣閥開度和風機壓力數據傳遞至執行機構；
步驟四，執行機構控制空氣閥的開合。進一步的，其中所述步驟一還包括所述生化反應池還包括一沉淀池，所述沉淀池包括污水進口、污水出口、污泥出口、污泥回流口，所述污水進口與所述反應池的出水端相連，所述反應池還包括一污泥回流端，所述污泥回流端與所述沉淀池的污泥回流口相連，將監測儀置于沉淀池的污泥回流口 ；所述步驟二還包括所述實時生化反應模型模塊依據水質水量數據計算出沉淀池的污泥回流量；所述步驟三還包括中央控制系統將污泥回流量數據傳遞至執行機構。進一步的，其中所述水質水量數據包括流量、氨氮含量、硝酸鹽含量數據。進一步的，其中還包括可編程邏輯控制器(PLC)，所述監測儀通過可編程邏輯控制器與所述中央控制系統連接。進一步的，其中所述實時生化反應模型模塊、智能轉換模塊和供氣管網氣體動力模型模塊通過用于過程控制的對象連接和嵌入(OPC)接口與中央控制系統連接。進一步的，其中所述監測儀包括氨氮監測儀、硝酸鹽監測儀和水量監測儀。進一步的，其中所述實時生化反應模型模塊包括仿真數學模型和實際運行過程中的相關干擾量。優選的，其中所述仿真數學模型是仿真微生物呼吸過程，或是仿真有機碳的處理過程，或是仿真氨氮硝化與反硝化過程，或是仿真污泥的回流過程的數學模型。優選的，其中所述仿真數學模型為國際水協(IWAQ)的活性污泥數學模型(Activated Sludge Models 簡稱 ASM)。進一步的，其中所述執行機構包括空氣閥、風機和回流泵。本發明的實時生化反應模型模塊中仿真數學模型優選ASM模型體系中的ASM2D模型。本發明的智能轉換模塊，是以實時生化反應模型模塊計算得到的生化反應池的需氧量和溶解氧目標值為依據，根據生化反應池中生化反應的耗氧速率，采用數學對表的方法計算得到生化反應池中供氣量的控制目標值。本發明的供氣管網氣體動力模型模塊包括英國的熱流體系統仿真分析 (FL0WMASTER)模型。需要說明的是，本發明的執行機構的空氣閥、風機和回流泵上還設有行程控制裝置，以利于控制系統對執行機構的控制。在本發明的較佳實施方式中，本發明的生化反應池包括反應池和沉淀池，將監測儀置于反應池的進水端、池中、出水端，沉淀池的污泥回流口。將監測儀采集的水質水量數據通過可編程邏輯控制器(以下簡稱PLC)傳遞至中央控制系統；中央控制系統中包括實時生化反應模型模塊、智能轉換模塊和供氣管網氣體動力模型模塊，實時生化反應模型模塊和智能轉換模塊依據水質水量數據計算出生化反應池供氣量、溶解氧目標值和污泥回流量，供氣管網氣體動力模型模塊依據供氣量計算出反應池的空氣閥開度和風機壓力數據； 中央控制系統將污泥回流量、空氣閥開度和風機壓力數據傳遞至執行機構；執行機構控制閥門、風機和回流泵的開合。其中實時生化反應模型模塊包括ASM2d模型；供氣管網氣體動力模型模塊包括英國FL0WMASTER模型。本發明具有以下優點1，克服了污水處理領域生化反應池風量調節控制以定性控制為主、控制效果不佳、運行能耗較高、粗放性控制的缺點；2，通過控制方式的轉變克服了污水處理控制中存在的非線性、大滯后、干擾嚴重等技術難點。本發明對于關鍵參數的控制改變以往的“反饋控制”模式，采用“前饋控制”控制模式，較為準確真實地預測了生化反應池中污染物負荷的變化趨勢，預先對相關控制參數給予適當補償，避免了因污染物干擾、處理過程滯后等因素對污水處理過程持續運行控制造成的不利影響，保證污水處理調節控制過程的平穩連續；3，引入模型技術作為控制的支撐和依據，克服了污水處理中曝氣量控制調節的盲目性，提高了自動控制的可信度以及控制效果的評估能力；4，實現了專業數學模型與控制系統的實時數據傳輸。本項目通過活性污泥模型、 供氣管網空氣動力學模型等專業計算機數學模型的二次開發和完善，實現了模型與控制系統間的實時對接，實現模型的實時仿真和計算。以下將結合附圖對本發明的構思、具體結構及產生的技術效果作進一步說明，以充分地了解本發明的目的、特征和效果。
圖1是本發明的一個較佳實施例的生化反應池控制系統的結構示意圖。圖2是本發明的一個較佳實施例的生化反應池控制系統的信息流程示意圖。
具體實施例方式如圖1所示，本發明較佳實施例中的生化反應池包括反應池1和沉淀池2。監測儀3包括氨氮監測儀、硝酸鹽監測儀和水量監測儀。執行機構包括空氣閥7、風機8和污泥回流泵9。反應池1包括進水端、出水端和污泥回流端，反應池1與空氣閥7和風機8相連。 沉淀池2包括進水口、出水口、污泥回流口和污泥出口，沉淀池2與污泥回流泵9相連。沉淀池的污水進口與所反應池的出水端相連，沉淀池的污泥回流口與反應池的污泥回流端相連，本發明較佳實施例中的中央控制系統包括實時生化反應模型模塊5、智能轉換模塊51 和供氣管網氣體動力模型模塊6。中央控制系統通過可編程邏輯控制器4與監測儀和執行機構相連。本發明的較佳實施例將監測儀3置于反應池1的進水端、池中、出水端和沉淀池2 的污泥回流口，以采集污水及回流液中的氨氮、硝酸鹽、亞硝酸和水量等數據。并將采集的水質水量數據通過現場控制可編程邏輯控制器4傳輸至中央控制系統中的實時生化反應模型模塊5。實時生化反應模型模塊5包括活性污泥數學模型ASM2d和實際運行過程中的相關干擾量。實時生化反應模型模塊依據傳輸來的數據計算出合理的反應池需氧量、溶解氧目標值和污泥回流量；中央控制系統中的智能轉換模塊51以實時生化反應模型模塊5計算得到的反應池需氧量和溶解氧目標值為依據，根據反應池中生化反應的耗氧速率，采用數學對表的方法計算得到反應池中供氣量的控制目標值，并通過OPC接口反饋給中央控制系統。中央控制系統將實時生化反應模型模塊和智能轉換模塊計算得到的數據參數同步傳送給供氣管網氣體動力模型模塊6，該模塊采用氣體流量平衡算法計算供氣管網中各個空氣閥的開度設定值、管網總管的總壓設定值、風機的運行狀態等氣體動力學參數，并將計算結果通過OPC接口反饋給中央控制系統。中央控制系統綜合實時生化反應模型模塊、智能轉換模塊和供氣管網氣體動力模型模塊反饋的數據，通過現場可編程邏輯控制器4傳輸至執行機構中的空氣閥7，風機8和回流泵9，并驅動執行機構完成相應動作，實現曝氣池溶解氧、污泥回流量的實時在線控制。本發明通過實時監測污水的處理情況，在線調整反應池中曝氣量和污泥回流量， 確保反應池生化反應需氧量的同時避免過量曝氣和過多回流的污泥造成污泥沉降特性降低、對反硝化反應的抑制和運行能量的浪費等不良后果。并且實時模擬、同步跟蹤了空氣閥以及總管風壓的運行工況，實現管網總體的綜合優化調節控制。本發明的較佳實施例中還包括將污水進水進行預處理的步驟，將污水進水依次通過進水井和初沉池，以利于生化反應池對污水的進一步處理。反應池中的污水處理工藝采用改良型缺氧/好氧(A/0)法組合工藝。即在同一個反應池內平行設置兩條池渠，將70% 的污水按傳統好氧活性污泥法進行處理，另外30%的污水通過脫氮和好氧硝化工藝處理， 處理后的兩股出水混合進人沉淀池進行泥水分離后經紫外線消毒排放。兩種工藝共用一個污泥回流系統。沉淀池采用平流式沉淀池，沉淀池產生的剩余污泥經重力濃縮后由板框壓濾機脫水后外運。運用計算機模型開展實時在線模擬計算是本發明的一大特色，通過本發明的應用改變了以往計算機模型在污水處理廠運行處理工程中只能用于離線分析研究的狀況，實現了模擬與控制的實時對接。借助模型的仿真實現污水處理廠運行的可視化和數字化，進一步擴大了模型的應用范圍。本較佳實施例中的計算機模型包括實時生化反應模型和供氣管網氣體動力學模型。實時生化反應模型建設的基礎工藝理論是活性污泥理論。活性污泥也是目前國際國內絕大多數污水處理廠設計中廣泛采用的工藝理論。1980年代起國際水協(IWAQ)根據該理論的技術特點開發了相應的模型標準，形成了較為完整的活性污泥數學模型(Actived Sludge Models簡稱ASM)體系。該體系經過近30年的發展，目前已經發展出ASM1、ASM2、 ASM2d和AMS3等版本的模型標準。ASM2d模型除了包含碳和氮的去除等反應過程外，還包含生物除磷過程，增加了厭氧水解、發酵及生物除磷、化學除磷及聚磷菌缺氧生長等反應過程。它含19種組分、21種反應、22個化學計量系數及45個動力學參數。ASM2d模型是目前活性污泥模型體系中較為完善的一個版本，能夠較好的模擬反映污水處理廠的實際運行情況。供氣管網氣體動力學模型選用英國FLOWMASTER。FL0WMASTER平臺全球領先的一維流體系統仿真解算工具，是面向工程的完備的流體系統仿真軟件包，系統具有穩定獨特的計算算法，快速的求解能力、實時動態的顯示能力、高精度的仿真結果和完備的后處理能力。能夠對水/液系統、油、氣(空氣、氧氣、二氧化碳、氫氣等)等流體系統進行精確的壓力、流量、流速、溫度分析。系統模擬的算法主要是基于壓力-流量關系，對系統壓力分布、 流量分布及元件流阻、流量及流速進行精確的計算是軟件的基本功能。對于由多個元件組成的流體系統，FLOWMASTER的解算器利用迭代求解系數矩陣的方式計算出系統的節點壓力，然后根據元件的流阻特性及流量守恒的原理得到主干和分支的流量，進而得到流速、雷諾數、馬赫數等參數。本發明中的FLOWMASTER將動量方程、連續性方程和能量方程同時進行耦合求解，根據元件的性能參數，考慮元件與流體介質及環境的傳導換熱、對流換熱及輻射換熱，同時還考慮溫度對流體介質的動力學粘度、定壓比熱、密度和熱膨脹速率的影響， 通過反復迭代得到流體系統的溫度分布，并給出元件的實際換熱量、熱阻、換熱效率及努謝爾數等參數。如圖2所示的本發明的實施例的信息流程圖，監測儀把采集到的進水水質、水量和實測的DO、MLSS, NH4-N, NO3-N等信息通過現場PLC傳輸至中央控制系統；中央控制系統中的實時生化反應模型模塊、智能轉換模塊和供氣管網氣體動力學模型模塊通過模型模擬完成溶解氧DO的設定范圍和供氣量的選擇計算，以及供氣管網運行狀態和管網總壓、調節閥開度等控制參數的優化計算；中央控制系統根據計算的結果指令現場PLC來調節執行機構中各空氣閥、風機和回流泵的開度，最終完成生化反應池曝氣量的優化控制。本發明的曝氣量控制系統分為3個控制層次，包括機側手動控制層面、區域控制層面和中央控制系統。最基礎的控制層次主要是受控設備附近的機側手動控制層面，包括監測儀和執行機構。該層面的主要控制要求是實現單臺設備的機側手動控制功能，是控制系統最基本的機構，主要負責上級控制層次傳送的控制信息，并直接驅動受控設備執行控制指令，完成控制命令。機側手動控制層面包含了大量的監測儀和執行機構，負責控制調節指令完成狀況的監測以及控制效果數據的反饋，同時能夠在中央控制系統或上級控制單元控制失效或解除控制的情況下實現強制手動控制，是整個控制系統的基礎；介于中央控制系統與機側手動控制層面之間的是以PLC為核心控制設備的區域控制層面。由于污水處理廠在運行過程中需要涉及的設備較多，不僅有與處理工藝相關的系統，同時還有供水、供電等輔助性設備，對于這些輔助設備的運行情況也需要加以監測和控制。系統設計上以設備功能、服務范圍和工藝流程等條件為原則，劃分部分控制區，對于同一功能區設置PLC進行統一控制管理，PLC 一方面負責根據中央控制系統的指令下達并執行本控制區域設備調節控制的指令，一方面作為現場信息的轉送樞紐將現場監測儀實時采集的信息輸送至中央控制系統。并且本發明的實時生化反應模型的模擬計算也可在PLC 的層面內實現；位于控制系統最頂層的是中央控制系統。中央控制系統是運行控制的核心，所有電氣、機械設備的運行數據均最終傳送至中央控制系統，中央控制系統根據數據的來源和需求進行數據的分發和保存。在本發明的實施例中，中央控制系統包括4臺控制工作站，各調節控制系統軟件均安裝部署于上述控制工作站內。工作站的分工包括一臺負責進行精確曝氣量的計算； 一臺負責供氣管網空氣動力學模型的模擬計算；另設兩臺互為熱備份的監控計算機負責污水處理廠其他控制監測功能的實現，包括設備運行狀態的監測、流量、水位等基本水力參數的監測等。中央控制系統內同時設置2臺控制服務器，負責污水處理廠控制系統的組態、主要控制回路、實時數據庫和歷史數據庫的維護以及與現場控制設備間的實時數據通訊。所有計算機系統均通過100M光纖環網實現互通互聯以及信息的實時傳輸。中央控制系統通過數據接口 OPC將模擬計算所需的數據傳輸給相應的計算模型模塊，并實時、同步的驅動模型對當前運行工況進行模擬計算和預測。對于模型的計算結果，中央控制系統從模型中提取與控制相關的部分數據形成控制策略，然后分發給執行機構以完成一次完整的控制周期。以上詳細描述了本發明的較佳具體實施例。應當理解，本領域的普通技術無需創造性勞動就可以根據本發明的構思作出諸多修改和變化。因此，凡本技術領域中技術人員依本發明的構思在現有技術的基礎上通過邏輯分析、推理或者有限的實驗可以得到的技術方案，皆應在由權利要求書所確定的保護范圍內。
權利要求
1.一種實時控制生化反應池中曝氣量的方法，包括步驟一，將監測儀置于反應池的進水端、池中、出水端；步驟二，將監測儀采集的水質水量數據傳遞至中央控制系統，所述中央控制系統中包括實時生化反應模型模塊、智能轉換模塊和供氣管網氣體動力模型模塊，所述實時生化反應模型模塊依據水質水量數據計算出反應池需氧量和溶解氧目標值，所述智能轉換模塊根據反應池需氧量、溶解氧目標值和反應池中耗氧速率計算得到生化反應池中供氣量，所述供氣管網氣體動力模型模塊依據供氣量計算出反應池的空氣閥開度和風機壓力數據；步驟三，中央控制系統將空氣閥開度和風機壓力數據傳遞至執行機構；步驟四，執行機構控制閥門的開合。
2.如權利要求1所述的實時控制生化反應池中曝氣量的方法，其中所述步驟一還包括所述生化反應池還包括一沉淀池，所述沉淀池包括污水進口、污水出口、污泥出口、污泥回流口，所述污水進口與所述反應池的出水端相連，所述反應池還包括一污泥回流端，所述污泥回流端與所述沉淀池的污泥回流口相連，將監測儀置于沉淀池的污泥回流口；所述步驟二還包括所述實時生化反應模型模塊依據水質水量數據計算出沉淀池的污泥回流量；所述步驟三還包括中央控制系統將污泥回流量數據傳遞至執行機構。
3.如權利要求1或2所述的實時控制生化反應池中曝氣量的方法，其中所述水質水量數據包括流量、氨氮含量、硝酸鹽含量數據。
4.如權利要求1或2所述的實時控制生化反應池中曝氣量的方法，其中還包括可編程邏輯控制器，所述監測儀通過可編程邏輯控制器與所述中央控制系統連接。
5.如權利要求1或2所述的實時控制生化反應池中曝氣量的方法，其中所述實時生化反應模型模塊、智能轉換模塊和供氣管網氣體動力模型模塊通過用于過程控制的對象連接和嵌入接口與中央控制系統連接。
6.如權利要求2所述的實時控制生化反應池中曝氣量的方法，其中所述監測儀包括氨氮監測儀、硝酸鹽監測儀和水量監測儀。
7.如權利要求1或2所述的實時控制生化反應池中曝氣量的方法，其中所述實時生化反應模型模塊包括仿真數學模型和實際運行過程中的相關干擾量。
8.如權利要求7所述的實時控制生化反應池中曝氣量的方法，其中所述仿真數學模型是仿真微生物呼吸過程，或是仿真有機碳的處理過程，或是仿真氨氮硝化與反硝化過程，或是仿真污泥的回流過程的數學模型。
9.如權利要求8所述的實時控制生化反應池中曝氣量的方法，其中所述仿真數學模型為國際水協的活性污泥數學模型。
10.如權利要求2所述的實時控制生化反應池中曝氣量的方法，其中所述執行機構包括空氣閥、風機和回流泵。
全文摘要
本發明公開了一種實時控制生化反應池中曝氣量的方法，包括將監測儀置于反應池的進水端、池中、出水端，沉淀池的污泥回流口。將監測儀采集的水質水量數據通過PLC傳遞至中央控制系統；中央控制系統中的實時生化反應模型模塊依據水質水量數據計算出生化反應池需氧量、溶解氧目標值和污泥回流量；智能轉換模塊將生化反應池需氧量轉換為供氣量；供氣管網氣體動力模型模塊依據供氣量計算出反應池的空氣閥開度和風機壓力數據；中央控制系統將污泥回流量、空氣閥開度和風機壓力數據傳遞至執行機構；執行機構控制閥門、風機和回流泵的開合。應用本發明實現了生化反應池中曝氣量的實時在線控制。
文檔編號C02F3/02GK102156432SQ20111004208
公開日2011年8月17日 申請日期2011年2月22日 優先權日2011年2月22日
發明者蔣雋睿, 陳洪 申請人:上海市城市建設設計研究院