一種基于模糊控制的再生水廠化學除磷藥劑投加量方法
【專利摘要】本發明涉及一種新型的實用的城市再生水廠除磷加藥前饋反饋控制方法，所提出的控制方法以除磷加藥模型為基礎構造前饋控制環節，并將出口磷含量、進水流量和進口磷含量作為模糊系統的輸入，輸出控制量補償值。補償值的引入使得系統具有一定的自適應能力，有利于排除后續除磷工藝例如生物除磷等因素的干擾。由于該方法的模糊系統中考慮了其他影響因素，使得系統能夠實現比一般前饋反饋控制方法更為精確的投藥過程，降低了系統運行成本；進一步促進了微生物對有機物、磷以及氮的吸收，降低了所需化學除磷試劑藥耗，同時，在一定程度上優化了生物池內的生物菌落結構；該方法不僅能夠減輕污水處理廠的經濟負擔，而且給活性污泥工藝帶來積極的影響。
【專利說明】一種基于模糊控制的再生水廠化學除磷藥劑投加量方法【技術領域】
[0001]本發明涉及一種模糊控制的藥劑投加量方法，涉及再生水廠化學除磷領域，尤其涉及一種基于模糊控制的再生水廠化學除磷藥劑投加量方法。
【背景技術】
[0002]生活污水中所含的磷主要有如下幾個來源:來自下水管道的排泄物、丟棄的食物以及其它各種洗滌劑。如果沒有對污水中含量高的磷進行處理，則很容易導致水體的富營養化，帶來嚴重的污染。因此，在污水處理引入相關除磷工藝就顯得非常重要。目前，城市生活污水除磷的主要方法包括化學除磷法、生物除磷法和人工濕地技術。
[0003]化學除磷是利用化學試劑中的正離子與廢水中的磷反應生成沉淀，從而實現去除污水中的磷的方法。該方法得到了特別廣泛的應用，國外眾多著名的大型污水處理廠使用的都使用化學沉淀法來除磷。由于該方法在國外的污水除磷過程中的廣泛應用，國內的大批水廠也都引進該工藝并取得了很好的除磷效果。化學沉淀法的除磷效率高，出水磷含量可達到一級B標準的要求。目前，國內污水廠使用最多的是鋁鹽、鐵鹽、鈣鹽等化學除磷藥劑。
[0004]與化學法相比，生物除磷過程比較復雜。生物除磷過程主要由一種叫聚磷菌的細菌來完成。生活污水中的磷通常以溶解性正磷的形式存在，經聚磷菌的吸收，變為不溶性聚磷聚集在聚磷菌體內。從而達到除去污水中的磷的效果。有關生物除磷的機理還有待進一步深入研究。
[0005]化學輔助生物法指的是通過把化學試劑投加到配水井中，化學試劑經過溶解，進入到曝氣池生物同時發生除磷的過程。在微生物的作用下，可以同時去除有機物、磷和氮。
[0006]化學除磷試劑投加 控制方法主要經過了手動控制階段、自動控制階段和智能控制階段。
[0007]1、手動控制階段
[0008]手動控制方法先后進行了多次改進，這些投藥控制方法各有優缺點，主要歸納為經驗判斷法和燒杯試驗法。經驗判斷法依賴于操作人員的經驗；而燒杯試驗法根據前一天的試驗結果來調節當前的投藥量。
[0009]2、自動控制階段
[0010]自動控制階段主要包括:單回路控制方法、軟測量技術、前饋控制系統以及前饋-反饋控制系統。其中，單回路控制方案采用簡單的PID反饋控制方式，但該方法只適用于小型污水處理廠；目前用于除磷過程的軟測量技術包括流動電流法和透光率檢測法，這些方法在很大程度上減少了檢測信號的滯后時間，但對設備要求高；前饋控制方法一般以原水的流量、濁度、pH、COD含量等一些參數，擬合出以投藥量為輸出變量的數學模型，以克服反饋控制方法控制滯后的缺點；前饋-反饋控制系統以過濾前或過濾后污水的磷含量或以軟測量測得的參數構成反饋控制，并以原水磷含量濃度為測量值構成前饋控制。該方法結合了前饋控制和反饋控制的優點，能夠取得較好的控制效果。[0011]3.智能控制階段
[0012]智能控制階段有機地綜合了包括人工智能、控制論、系統論和信息論等多門學科技術。智能控制的過程主要具有如下特點:首先，它從知識信息為基點，從中以啟發式的方法來學習、推理、求解。第二，該過程含有不確定性、復雜性和模糊性，其主要內容包含了專家系統、模糊系統，還有群體智能等諸多方面內容。
[0013]國內的再生水廠廣泛使用燒杯試驗法，由于該方法控制作用滯后，難以取得較好的控制效果。同時，再生水廠為了保證在大多數情況下出口磷含量達標，加藥量設定在較高的值。因此，過量加藥的問題也因此普遍存在。發明人在研究過程中發現，化學試劑過量投加會導致生物池內的磷含量過低，導致聚磷菌生長所需的磷含量不足，極大的抑制聚磷菌菌落的生長，進而影響到它對有機物、磷以及氮的吸收，降低了生物除磷的效果。這樣一來，過量投藥不僅會加重污水處理廠的經濟負擔，還會給活性污泥工藝帶來負面的影響。此外，在活性污泥法(SBR)工藝的高達3~4小時的大遲滯前提下，一般的除磷加藥反饋控制難以發揮其應有的作用。
[0014]經過潛心研究發現，可以通過模糊系統對其它影響除磷過程的因素做出有效估計，進而對控制作用進行有效的補償。為此本發明提出一種基于模糊控制的再生水廠化學除磷藥劑投加量方法，該方法依靠模糊系統，可以對污水處理過程中所有能夠影響除磷因素進行有效估計，不僅能保證出水水質達標而且可以實現除磷加藥過程的自適應控制。
【發明內容】
[0015]針對以上問題，本發明提供一種新型的實用的城市再生水廠除磷加藥前饋反饋控制方案。其中，所述城市再生水廠采用序批式活性污泥法，主要除磷過程包括生物池、脫水機房、氮池，并具有變頻器和隔膜加藥泵組成的加藥系統。該控制方案如下:進、出口總磷在線分析儀及進水流量計通過通訊系統將相關參數發送給上位機，上位機根據前饋單元及模糊反饋單元的計算出實時所需加藥量，將該所需加藥量轉化為對應的加藥泵頻率值，通過通訊模塊將該設定頻率值傳輸至變頻加藥系統，通過反饋調節來實現所需藥量的精確投加，并且將PLC作為安全連鎖設備，從而實現加藥量跟蹤除磷負荷的在線調節。
[0016]該方法所投加的化學試劑流量由下式所示的前饋數學模型決定:
[0017]M=Id1 XQ+b2X (P1-Ps) +b3XQX (P1-Ps) +b4X (P1-Ps)2+b5XQX (P1-Ps)2
[0018]+b6X (P1-Ps)3+Ak (I)
[0019]式中:匕~匕為常數；
[0020]M為所需加藥流量，τα/h ；
[0021]Q為進口水流量，m3/h ;
[0022]P1為進口磷含量的濃度，mg/L ；
[0023]Ps為出口磷含量設定值，mg/L ；
[0024]Δ k為模糊系統的補償輸出流量值，m3/h。
[0025]其中，表達式(I)中比(11=1，2，3，4，5，6)的取值可以根據實際情況而重新擬合確定。
[0026]在上述城市再生水廠化學除磷試劑投加控制模型中，需首先設定出口磷含量設定值Ps。進口磷含量P1和進口水流量來自現場數據采集。Ak為模糊系統根據當前水流量、進出口磷含量對其他影響因素的控制作用補償值。
[0027]模糊系統構成的反饋單元的補償輸出流量值Ak=k2XUBP+b，式中，k2為比例系數；b為常數；UBP為模糊系統輸出。
[0028]該模糊系統構成如下:由出口磷含量Utp、進口水流量Ufl和進口磷含量Ucp作為模糊系統的輸入，模糊系統輸出為控制量補償值Ubp。各輸入輸出變量根據實際分別取值論域:Utp= (A1, B1, C1,...}, Ufl= {A2, B2, C2,…, Ucp= {A3, B3, C3,…, Ubp= {A4, B4, C4,…}。其中，模糊系統的輸入輸出變量個數及各變量的取值論域可以根據不同情況進行調整。各變量依據實際選取隸屬度函數形狀，并依據實際情形建立系統的模糊規則庫。
[0029]根據本發明的基于模糊系統的城市再生水廠化學除磷藥劑投加量控制方法及其裝置，可以解決如下問題并產生良好的控制效果。由于序批式活性污泥法中化學除磷過程的純滯后時間高達3~4小時，一般的反饋信號難以發揮作用，無法實現高質量的反饋控制。因此反饋信號僅能作為產生控制作用的穩態參考。通過模糊系統對其他影響除磷過程的因素做出有效估計，能夠對控制作用進行有效的補償。在所提出的控制方法中，以除磷加藥模型為基礎構造前饋控制環節，并將出口磷含量、進口水流量和進口磷含量作為模糊系統的輸入，輸出控制量補償值。補償值的引入使得系統具有一定的自適應能力，有利于排除后續除磷工藝例如生物除磷等因素的干擾。
[0030]與現有技術相比，本發明具有以下優點:
[0031]1、由于該方法的模糊系統中考慮了其他影響因素，使得系統能夠實現比一般前饋反饋控制方法更為精確的投藥過程，在滿足出水達標的情況下，大幅度降低了藥耗，降低了系統運行成本。
[0032]2、由于該方法使得化學試劑適量投加，有利于生物池內微生物(例如聚磷菌等)的生長，進一步促進了微生物對磷的吸收，又一次降低了所需化學除磷試劑藥耗，同時，在一定程度上優化了生物池內的生物菌落結構，給活性污泥工藝帶來積極的影響。
[0033]3、由于該方法的模糊規則庫可以依據實際情況進行更新，可以實現除磷加藥過程的自適應控制。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0034]圖1是本發明的城市再生水廠除磷加藥系統的簡化流程圖。
[0035]圖2是本發明的化學除磷智能加藥控制系統的簡化流程圖。
[0036]圖3是本發明的裝置結構圖。
[0037]圖4是本發明實施例的進口水流量曲線圖。
[0038]圖5是本發明實施例的進口磷含量曲線圖。
[0039]圖6是本發明實施例的出口磷含量曲線圖。
[0040]圖7是本發明實施例的化學除磷試劑加藥量曲線圖。
【具體實施方式】
[0041]以下將結合附圖和實施實例對本發明作進一步說明。
[0042]如圖1所示為本發明的城市再生水廠除磷加藥系統的簡化流程圖，再生水廠的污水處理過程如下:原污水經過過濾及除臭處理，加入混凝劑后，進入生物池；在生物池中混凝劑與廢水中的磷進行沉析反應和化學絮凝反應，同時生物池中的某些細菌群落也會消耗廢水中的磷，形成絮凝體；在后經其他工藝經出水泵房送出污水廠；其中，本發明的進口總磷在線分析和化學除磷加藥點安裝在沉砂池后配水井前，且進口總磷在線分析儀的檢測口在化學除磷加藥點之前；出口總磷在線分析儀安裝在出水泵房；再生水廠使用的化學除磷試劑為液態PAFC，濃度在7%~8%左右。
[0043]如圖2所示為本發明的化學除磷智能加藥控制系統的簡化流程圖，本發明的化學除磷智能加藥控制系統主要包括由前饋模型、設定單元和前饋控制器構成的前饋單元；數據采集和模糊系統構成的反饋單元；以及變頻加藥系統；前饋單元的前饋模型和反饋單元的模糊系統是影響系統加藥的最主要因素，下面將對前饋單元中所使用的數學模型及反饋單元中的模糊系統進行展開介紹。
[0044]前饋模型所涉及的參數包括進口磷含量和進口水流量。根據北京市某污水處理廠的主體工藝SBR，投藥點設置在旋流沉砂池之后，采用化學除磷總量可表述為P=原水中的總磷-二沉池出水的總磷-生物除磷量，即:
[0045]P=Q1 (P1-P3-P2Xk) (2)
[0046]式中，Q1為污水日處理量，m3/d ;
[0047]P1為進水中磷含量的濃度，mg/L ；
[0048]P2為混凝后出水磷含量的濃度，mg/L ；
[0049]P3為(二沉池)出水中磷 含量的濃度，mg/L ；
[0050]k為生物除磷率，根據污水廠歷史數據得出，在本實施例中取值為51.6%。
[0051]一般化學除磷采用鐵鹽或鋁鹽為除磷劑通過投加藥劑除磷的燒杯試驗可以建立藥劑投量系數β與沉淀后水中總磷濃度的關系:
[0052]P2= (1- 0.2 β ) P1 (3)
[0053]實際運行中除磷藥劑投加的質量流量公式為:
[0054]M1= β P= β Q1 (P1 - P3 - P2 X k) (4)
[0055]將式(3)代入式(4)經過整理，得到
[0056]M1= β Q1 [ (0.484+0.1032 β ) P1 - P3] (5)
[0057]式中，M1為除磷劑的實際投加的質量流量，mg/L ；
[0058]β為投藥量系數，適用于本實施例的β取值范圍為I~2.6。
[0059]考慮到化學除磷試劑的不完全反應等因素，將式(5)改寫為下式:
[0060]M1= β Q1X (P1 - P3)
[0061](6)
[0062]根據化學除磷加藥試劑的質量流量與體積流量的轉換關系，以及日處理水量和實時進口水流量Q的轉換關系，并且令P3=Ps，確定該污水廠化學除磷過程的前饋投藥量數學模型為:
[0063]M=BXQX(P1-Ps)
[0064](7)
[0065]式中，a=P Xk1A1=0.938 X 10_5。在不同入口磷含量分段區間取樣，分別做燒杯試
驗，確定投藥量系數β的取值如下式:
[0066]
【權利要求】
1.一種基于模糊控制的再生水廠化學除磷藥劑投加量方法，其特征在于:本發明的化學除磷智能加藥控制系統包括數據采集系統、控制系統和變頻加藥系統；控制系統包括前饋單元和模糊反饋單元，前饋單元包括前饋模型、設定單元和前饋控制器，模糊反饋單元包括模糊系統；變頻加藥系統包括PLC、變頻器和隔膜加藥泵；數據采集系統和控制系統構成上位機(磷分析計算機)監控系統。
2.根據權利要求1所述的一種基于模糊控制的再生水廠化學除磷藥劑投加量方法，其技術特征在于:該方法前饋單元中的前饋模型，由下式確定
M=biXQ+b2X (P1-Ps)+b3XQX (P1-Ps) +b4X (P1-Ps)^b5XQX (P1-Ps)2
+b6 X (Pj-Ps)3+ Δ k
式中~b6為常數； Q為進口水流量，m3/h ； P1為進口磷含量的濃度，mg/L ； Ps為出口磷含量設定值，mg/L ； Δ k為模糊系統的補償輸出流量值，m3/h。 式中bn(n=l、2、3、4、5、6)的取值可以根據實際情況而定。 模糊反饋單元的輸出Ak由下式確定 Δ k=k2 X UBP+b 式中，k2為比例系數；b為常數；UBP為模糊系統輸出。
3.根據權利要求1所述的一種基于模糊控制的再生水廠化學除磷藥劑投加量方法，其技術特征在于:模糊反饋單元中的模糊系統，該模糊系統構成如下，由出口磷含量Utp、進水流量Ufl和進口磷含量Ucp作為模糊系統的輸入，模糊系統輸出為控制量補償值Ubp。各輸入輸出變量根據實際分別取值論域如下Utp= {A1； B1, C1,…}，Ufl= (A2, B2, C2,…}，Ucp= (A3,B3, C3,...};其中，模糊系統的輸入輸出變量個數及各變量的取值論域可以根據不同情況進行調整；各變量依據實際選取隸屬度函數形狀；依據實際工況建立系統的模糊規則庫。
4.根據權利要求1所述的一種基于模糊控制的再生水廠化學除磷藥劑投加量方法，其技術特征在于:模糊系統的推理過程推如下，首先根據出口磷含量、進口磷含量和進口水流量三個輸入變量值，計算得出模糊規則前件的各種情況的論域值；采用由Mamdani提出的最小運算法則的模糊蘊含運算由前提條件推斷出結論；再利用模糊并(Max)合成規則來合成出最終的結論；反模糊化過程中使用的是中心法，實現系統輸出的模糊量到數值輸出的轉化。
5.根據權利要求1所述的一種基于模糊控制的再生水廠化學除磷藥劑投加量方法，其技術特征在于:數據采集系統系統由安裝在沉砂池后配水井前的進口總磷在線分析儀、配水井處的進水流量計、出水泵房的出水總磷分析儀、隔膜加藥泵出口處的加藥流量計及上位機的監測界面構成。
6.根據權利要求1所述的一種基于模糊控制的再生水廠化學除磷藥劑投加量方法，其技術特征在于:該變頻加藥系統的加藥點安裝在沉砂池后配水井前，且化學除磷加藥點安裝在進口總磷在線分析儀的檢測口之后。
7.根據權利要求1所述的一種基于模糊控制的再生水廠化學除磷藥劑投加量方法，其技術特征在于:上位機與各檢測設備、PLC之間的通訊可以由無線或者電纜通訊來實現，并且上位機系統可以擴展為DCS系統 。
【文檔編號】C02F9/14GK103570190SQ201310493275
【公開日】2014年2月12日 申請日期:2013年10月20日 優先權日:2013年10月20日
【發明者】李大字, 李論通, 宋天恒 申請人:北京化工大學