一種曝氣控制系統與曝氣控制方法與流程

本發明涉及污水處理領域，尤其涉及一種曝氣控制系統與曝氣控制方法。

背景技術：

據統計，我國每年在污水處理運行方面的花費接近300億元，而這很大一部分是在污水處理過程中耗電產生的而通常情況下曝氣系統的耗電量約占污水廠運營總電耗的50％～70％，而曝氣環節是不可缺少的部分，因此降低曝氣階段的能耗，是污水處理廠節能降耗的重中之重。曝氣控制策略即是通過采用自動化控制儀表及相關控制邏輯對污水處理過程曝氣量實現自動、精確的調控，以達到出水水質穩定達標、節能降耗及減少人員干預的目的。

目前，國內的大多污水廠仍然沿用恒定曝氣法，有的會結合現場經驗進行不定期的人工手動調節，還有一部分采用了簡單的PID實現控制。但污水處理廠的進水量、污染物濃度等具有很大的波動性，是一個非線性的變化過程，恒定曝氣法只能是處于一個較高的曝氣量來滿足較大的負荷沖擊，污水廠是一個長期運行的項目，像這樣始終處于過度曝氣的情況下會造成很大能耗浪費，而加入人工調節后也只是進行粗放的調整曝氣量，僅僅使用傳統的PID控制法也很難實現理想的控制效果，很難實現在實際污水處理過程中的穩定節能運行，一旦來水水量、濃度波動過大，很難保證出水水質及避免污泥膨脹問題。。

DO(溶解氧)控制法是在外界條件變化比較規律的情況下，通過PID反饋監測的DO濃度值來調節鼓風量達到預設的值；其步驟為：將污水處理廠某處的溶解氧量設定在某個值，一般為2～3mg/L，當反饋的DO值大于這個值，關小閥門開度，減少鼓風量，來減小DO值，如果反饋的DO值小于該值，就會增加風量來增加DO值。對于采用ORP(氧化還原電位)和pH來進行曝氣控制的系統，由于ORP和pH與曝氣量并沒有直接的線性關系，且ORP值短期內延時嚴重，在實際應用中并不廣泛。以水質指標作為前饋的曝氣控制，基本原理是通過污染物濃度來計算需要提供的氧氣量，但是污水水質指標大多依靠實驗測定，測定時間需要數小時甚至數天，這對實時控制的作用不大。在線水質檢測儀表也有數小時的延遲，且價格昂貴，尚未完全普及。因而，對于實現污水處理系統的高穩定性、低能耗需要提供一種先進的曝氣控制系統與方法。

技術實現要素：

本發明解決的技術問題在于提供一種曝氣控制的系統與方法，能夠實現精確曝氣，并達到節能降耗的目的。

有鑒于此，本申請提供了一種曝氣控制系統，包括：數據采集單元、PLC控制單元與曝氣單元，所述數據采集單元包括耗氧速率測定儀、氧轉移效率測定儀與溶解氧測定儀，所述PLC控制單元包括控制柜與顯示屏，所述控制柜中設置有控制軟件，所述控制軟件中包括基于耗氧速率值、氧氣轉移效率值及溶解氧值的控制單元和以DO反饋的保護單元，所述曝氣單元包括鼓風機、微孔曝氣頭與流量計；

所述耗氧速率測定儀的檢測部伸入曝氣池中，所述耗氧速率測定儀與PLC控制單元信號連接；

所述氧轉移效率測定儀的檢測部伸入曝氣池中，所述氧轉移效率測定儀與PLC控制單元信號連接；

所述溶解氧測定儀的檢測部伸入曝氣池中，所述溶解氧測定儀與PLC控制單元信號連接；

所述微孔曝氣頭置于曝氣池內，所述微孔曝氣頭的進口與所述鼓風機連通，所述流量計設置于所述微孔曝氣頭和鼓風機之間的管路上，所述流量計和所述鼓風機均與PLC控制單元連接。

優選的，所述曝氣控制系統還包括攪拌裝置，所述攪拌裝置的一端設置于曝氣池中。

本申請還提供了利用上述方案所述的曝氣控制系統進行曝氣控制的方法，包括以下步驟：

在所述PLC控制單元中輸入溶解氧設定值；

檢測實際溶解氧濃度，若|溶解氧設定值-實際溶解氧值|＞k1，根據DO反饋調節曝氣量；

若|溶解氧設定值-實際溶解氧值|≤k1，根據檢測的污泥耗氧速率、實際溶解氧濃度與氧轉移效率，得到溶解氧設定值所需要的曝氣量；所述k1為0.3～0.5mg/L；

根據所述曝氣量調節鼓風機，控制曝氣池中的曝氣量。

優選的，|溶解氧設定值-實際溶解氧值|＞k1時，所述實際溶解氧值小于溶解氧設定值時，在上次曝氣量的基礎上增加變化系數β正比于(C_設定值-C_實際值)的值；所述實際溶解氧值大于溶解氧設定值時，在上次曝氣量的基礎上減去變化系數β正比于(C_實際值-C_設定值)的值，β＞0，且根據曝氣池的具體情況進行調整。

優選的，所述污泥耗氧速率由耗氧速率測定儀在線測定得到，所述在線測定的時間間隔15min。

優選的，所述實際溶解氧濃度由溶解氧監測儀實時監測得到，所述氧轉移效率由氧轉移效率測定儀實時監測得到。

優選的，若|C_設定值-C_實際值|≤k1時，得到溶解氧設定值所需要的曝氣量的計算式為：

其中，Q為實際曝氣量，OUR為活性污泥耗氧速率，V_曝氣池為曝氣池體積，t_控制周期為耗氧速率測定儀的測定周期，C_設定值為調控之后要達到的目標溶解氧濃度，C_實際值為溶解氧探頭的實際測定溶解氧濃度；

SOTR為Q氣量下曝氣器清水充氧能力，C^*_∞20為標準狀態下飽和溶解氧，k為飽和溶解氧的修正參數，SOTE為曝氣器在標準狀態下的氧利用率，Q1為上次實際曝氣量。

本發明提供了一種曝氣控制系統，其包括：數據采集單元、PLC控制單元與曝氣單元，所述數據采集單元包括耗氧速率(OUR)測定儀、氧轉移效率(OTE)測定儀與溶解氧(DO)測定儀，所述PLC控制單元包括控制柜與顯示屏等硬件及控制軟件，所述曝氣單元包括鼓風機、微孔曝氣頭與流量計。本申請還提供了一種利用上述曝氣控制系統進行曝氣控制的方法。本申請提供的曝氣控制系統是結合基于耗氧速率OUR值與氧轉移效率OTE值的控制模式和DO反饋控制模式于一體的曝氣控制系統，該控制系統通過測定曝氣池活性污泥的實時溶解氧量，為曝氣系統應當供給的氧氣量提供準確的依據，通過測定曝氣控制系統的氧轉移效率，準確計算實際應當調節的曝氣量；即本申請通過周期性在線自動采集OUR和OTE值及實時監測的DO值，反饋給PLC控制器計算需供給的曝氣量，輸出信號通過風機改變曝氣量，并且在出現較大沖擊負荷或者其他因素導致DO實際值與設定值偏差超過±0.5mg/L時，系統自動切換到DO反饋控制模式，使DO實際值迅速回到正常波動范圍，實現精確曝氣保證，并達到節能降耗的目的。

附圖說明

圖1為本發明曝氣控制系統的結構示意圖；

圖2為本發明曝氣控制方法的具體實施流程圖。

具體實施方式

為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特征和優點，而不是對本發明權利要求的限制。

本發明實施例公開了一種曝氣控制系統，包括：數據采集單元、PLC控制單元與曝氣單元，所述數據采集單元包括耗氧速率測定儀、氧轉移效率測定儀與溶解氧測定儀，所述PLC控制單元包括控制柜與顯示屏，所述控制柜中設置有控制軟件，所述控制軟件中包括基于耗氧速率值、氧氣轉移效率值及溶解氧值的控制單元和以DO反饋的保護單元，所述曝氣單元包括鼓風機、微孔曝氣頭與流量計；

所述耗氧速率測定儀的檢測部伸入曝氣池中，所述耗氧速率測定儀與PLC控制單元信號連接；

所述氧轉移效率測定儀的檢測部伸入曝氣池中，所述氧轉移效率測定儀與PLC控制單元信號連接；

所述溶解氧測定儀的檢測部伸入曝氣池中，所述溶解氧測定儀與PLC控制單元信號連接；

所述微孔曝氣頭置于曝氣池內，所述微孔曝氣頭的進口與所述鼓風機連通，所述流量計設置于所述微孔爆氣頭和鼓風機之間的管路上，所述流量計和所述鼓風機均與PLC控制單元連接。

本申請主要對PLC的控制單元進行了設置，其除了設置有基于OUR值、OTE值及溶解氧值為主的控制單元，還設置有DO反饋保護單元；上述控制單元均由本領域技術人員直接輸入即可，對此本申請沒有特別的限制。

所述DO反饋保護單元是當溶解氧濃度波動(實際溶解氧濃度與溶解氧設定值差值的絕對值)超過k1時啟動，而基于所述OUR和OTE的曝氣控制系統停止運行，k1為0.3～0.5mg/L。

如圖1所示，圖1為本發明曝氣控制系統的結構示意圖，圖中1為曝氣反應池，2為溶解氧探頭，3為耗氧速率(OUR)測定儀，4為攪拌機，5為PLC控制單元，6為氧轉移效率(OTE)測定儀，7為信息傳輸線，8為風機，9為流量計，10為集氣罩，11為曝氣傳送管路，12為微孔曝氣頭。

為了使曝氣池中的氧分布均勻，本申請所述曝氣控制系統中還包括攪拌裝置4，所述攪拌裝置4的一端設置于所述曝氣池中。選擇采用微孔曝氣頭12來增加空氣氣泡的比表面積，提高氧氣的轉移效率。

本申請中所述曝氣池、污泥耗氧速率測定儀、氧轉移效率測定儀、攪拌裝置、溶解氧實時監測儀、流量計、曝氣管路、鼓風機、數據信號傳輸線與微孔曝氣頭均為本領域技術人員熟知的設備，對其來源本申請沒有特別的限制。本申請中所述OUR測定儀用于檢測曝氣池中的活性污泥耗氧速率，所述OTE測定儀用于實時檢測曝氣池的氧轉移速率，所述DO測定儀用于實時監測曝氣池的溶解氧量。

所述PLC控制系統為本領域技術人員熟知的控制系統，其包括數據采集端、數據顯示窗口與系統自動控制軟件。所述數據顯示窗口可以顯示并記錄OUR值、OTE值以及DO值等相關參數；所述自動控制軟件具體為實現自動控制的應用程序及相關算法；所述應用程序及相關算法包括基于OUR、OTE等儀器的精確控制和DO反饋控制。上述控制程序為本領域技術人員直接輸入的，對此本申請沒有特別的限制。本申請所述OUR測定儀、OTE測定儀與DO測定儀分別測定曝氣池中的OUR值、OTE值與DO值；其中耗氧速率(OUR)是指污泥中微生物利用有機物進行呼吸作用時所消耗氧氣的速度，是表征污泥中微生物活性的重要指標，代表了實際需氧量；氧轉移效率(OTE)是指通過曝氣系統轉移到混合液中的氧量占總供氧量的比，代表了曝氣系統的充氧性能。

本申請所述曝氣控制系統通過PLC控制單元根據在線自動采集的OUR值、OTE值與DO值，先進行DO實際值與DO設定值的比較，若差值較大，則首先調節曝氣量；若差值較小，則計算需供給的曝氣量，再將信號輸出改變鼓風流量，本申請通過計算模式與DO反饋控制模式結合的方式，保證了曝氣控制的準確性和穩定性。

本申請還提供了一種利用上述曝氣控制系統進行曝氣控制的方法，包括以下步驟：

在所述PLC控制單元中輸入溶解氧設定值；

檢測實際溶解氧濃度，若|溶解氧設定值-實際溶解氧值|＞k1，調節曝氣池中的曝氣量；

若|溶解氧設定值-實際溶解氧值|≤k1，根據檢測的污泥耗氧速率、實際溶解氧濃度與氧轉移效率，得到溶解氧設定值所需要的曝氣量；所述k1為0.3～0.5mg/L；

根據所述曝氣量調節鼓風機，控制曝氣池中的曝氣量。

上述過程具體為：

在所述PLC控制單元中輸入溶解氧設定值；

檢測實際溶解氧濃度，若|溶解氧設定值-實際溶解氧值|＞k1，根據DO反饋調節曝氣池中的曝氣量；

若|溶解氧設定值-實際溶解氧值|≤k1，根據檢測的污泥耗氧速率與實際溶解氧濃度，由PLC控制單元計算，得到供氧量，根據實際曝氣參數與氧轉移效率，由PLC控制單元計算，得到曝氣系統性能評估參數；

根據所述供氧量、溶解氧設定值與曝氣系統性能評估參數，由PLC控制單元計算，得到溶解氧設定值所需要的曝氣量；

根據所述曝氣量調節鼓風機，控制曝氣池中的曝氣量。

本申請利用所述曝氣控制系統進行曝氣控制的過程為：在所述的PLC控制單元內的軟件中輸入期望的DO值，根據DO實際值與設定值(期望值)的差值來進行控制模式的選擇；在出現較大沖擊負荷或者其他因素導致DO實際值與設定值偏差超過±k1時，系統自動切換到DO反饋控制模式，使DO實際值迅速回到正常波動范圍，再根據所述耗氧速率(OUR)測定儀的測定值、所述氧轉移效率(OTE)測定儀的測定值及所述上次實際風量計算所需要的曝氣量；根據所述的曝氣量對風機進行調節，使曝氣量達到精確控制。

本申請提供了一種曝氣控制的方法，根據所測得的實際溶解氧值來判定是否啟動DO反饋保護系統。具體的，若所述的實際溶解氧值高于或低于設定值超過k1時，則DO反饋保護單元啟動，通過降低或者增加曝氣量來使得實際溶解氧迅速迫近設定值；當實際溶解氧與設定值的差值小于k1時，DO反饋保護單元關閉，進行曝氣量的計算過程。所述k1為0.3～0.5mg/L，其根據曝氣池的具體情況而定。

按照本發明，所述曝氣控制的方法是在一定條件下進行不同的操作。如圖2所示，圖2為本發明曝氣控制方法的流程示意圖。根據所述實際溶解氧與所述設定值的差值判斷使用哪種控制模式，當|C_設定值-C_實際值|>k1時，控制系統啟用DO反饋控制模式；具體的，在PLC控制單元中輸入溶解氧設定值，檢測實際溶解氧濃度，若|溶解氧設定值-實際溶解氧值|>k1，調節曝氣池中的曝氣量；具體的，若C_設定值-C_實際值>k1時，在上次曝氣量的基礎上需要增加曝氣量，風量的調節具體為：在上次曝氣量的基礎上增加變化系數β正比于(C_設定值-C_實際值)的值；在C_實際值-C_設定值>k1時，在上次曝氣量的基礎上減去變化系數β正比于(C_實際值-C_設定值)的值；由此可以實現當波動幅度超過±k1時，及時通過迅速增大或者減小風量縮小波動幅度，所述變化系數β＞0，且根據曝氣池的具體情況進行調整。

此算法，|C_設定值-C_實際值|>k1時啟用。

在進行上述風量調整后，若DO值與DO設定值的差值仍大于k1，則繼續直接進行曝氣量的調整，若差值小于k1，則進行曝氣量的計算過程。按照本發明，所述系統是不停運行的，上述DO反饋保護與基于OUR測定值的精確算法的先后順序是不受限制的，即本申請提供的控制方法實質是一個條件的控制方法。

所述的|C_設定值-C_實際值|≤k1時，控制系統啟用基于OUR與OTE檢測值計算法的模式，所述的基于OUR、OTE檢測值算法模式，即根據檢測的污泥耗氧速率、氧轉移效率及DO實際值，由PLC控制單元計算，得到此時所需要的曝氣量。

若|C_設定值-C_實際值|≤k1時，所述PLC控制單元植入的控制規則具體為：

上述計算過程均通過PLC控制得到。

上述公式的推導過程具體如下所示：

首先是供氧量的計算過程，供氧量的計算式如下式所示：

其中，OUR為活性污泥耗氧速率，V_曝氣池為曝氣池體積，t_控制周期為OUR儀器測定周期，C_設定值為調控之后要達到的目標值，C_實際值為溶解氧探頭的實際測定值；以上參數中，V_曝氣池、C_設定值、t_控制周期為事先設定好的參數，OUR與C_實際值為儀器測定值；根據上述計算式與儀器測定值，即可計算得到供氧量。

然后再進行曝氣系統性能評估參數的計算，計算式如下所示：

其中，Q為實際曝氣量，SOTR為Q氣量下曝氣器清水充氧能力，為標準狀態下飽和溶解氧，k為飽和溶解氧的修正參數；θ為氧轉移效率的溫度修正參數；以上參數中，OTE、C_實際值為儀器測定值，SOTR、k、θ為設定值，其中：θ＝0.888。

SOTR會隨著曝氣量的變化而變化，k會隨著水質的變化而變化，會隨著溫度的變化而變化，會隨著測試現場位置的變化而變化，因此參數k為變量。相比較而言，SOTR可通過污水處理廠所用曝氣器產品的性能指標說明中獲得，k可先進行污水中飽和溶解氧的測定及現場大氣壓力測定后，之后默認為定值。在計算曝氣系統性能評估參數的過程中，Q為實際曝氣量，具體為：若曝氣系統首次啟動，則Q為設定的曝氣量，若曝氣系統運行一段時間后，則Q為上次計算得到的曝氣量，此過程中為了將上次曝氣量與實際曝氣量進行區別，將上次曝氣量設定為Q1，通過上述Q、OTE、C_實際值的測定值，即可計算得到曝氣系統性能評估參數。

在上述過程中，所述污泥耗氧速率是由活性污泥耗氧速率在線測定裝置測得，所述測定裝置時間間隔為15min；所述實際溶解氧濃度由溶解氧測定儀測得；所述的實際曝氣量由流量計測得。

最后進行曝氣量的計算，曝氣量的按照如下規則進行：

其中，SOTE為曝氣器在標準狀態下的氧利用率。

帶入公式得出實際所需曝氣量Q的計算公式如下：

本申請曝氣控制方法利用所述曝氣控制系統進行了曝氣量的實時監測與計算，在實際曝氣控制過程中，曝氣量是隨著監測儀器以及上述參數的變化實時變動的，由PLC控制單元直接輸出來控制曝氣單元的。

此算法，|C_設定值-C_實際值|≤k1時啟用。

經過上述計算過程后，調節曝氣量，使DO穩定在設定值，波動范圍不超過±k1mol/L。

由此，本申請提供的曝氣控制方法是DO保護反饋與OUR計算過程的不斷切換過程，在實際溶氧量與設定溶氧量的差值波動范圍大于±k1，則進行DO反饋保護，小于等于±k1，則進行基于OUR和OTE儀器的精確曝氣控制。

本發明提供了一種基于耗氧速率OUR和氧轉移效率OTE為控制參數的曝氣控制系統，先設定期望溶解氧(DO)濃度，通過溶解氧測定儀測出實際溶解氧的值，計算設定的溶解氧濃度與實際溶解氧濃度的差值，再根據此差值選擇控制的模式。本發明提供的曝氣控制方法采用兩種不同的控制模式實現了曝氣量的精確控制，準確監測污泥活性、曝氣池中氧氣的轉移效率以及實際溶解氧和設定溶解氧的差值可以實現曝氣量的精確控制，達到長期穩定的出水水質及節能降耗的目的。

為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明提供的曝氣控制系統與曝氣控制方法進行詳細說明，本發明的保護范圍不受以下實施例的限制。

實施例1

設定期望溶解氧濃度，設定的溶解氧值是通過改變曝氣量使得實際曝氣量與期望值盡量接近或一致；

根據DO實際值與設定值(期望值)的差值來進行控制模式的選擇；

根據所述的DO設定值與所述的DO實際值的差值、所述耗氧速率(OUR)測定儀的測定值、所述氧轉移效率(OTE)測定儀的測定值及所述上次實際風量計算所需要的曝氣量；

根據所述的曝氣量對風機進行調節；并且在出現較大沖擊負荷或者其他因素導致DO實際值與設定值偏差超過±k1時，系統自動切換到DO反饋控制模式，使DO實際值迅速回到正常波動范圍。

首先將控制程序算法寫入PLC控制單元5，當曝氣控制系統開始運轉后，溶解氧(DO)測定儀2實時測定污水中DO濃度，通過數據信號傳輸線7發送到PLC控制單元5，PLC控制單元5會根據實際溶解氧與設定溶解氧的差值選擇控制模式，將OUR測定儀3和OTE測定儀6反饋的數據進行整合，計算出所需要的曝氣量，通過數據信號傳輸線9控制鼓風機8實現實時曝氣量的調整。

具體的，所述OUR測定儀3的具體工作為吸取所測混合液經過一段時間的測試得出微生物的OUR值；所述OUR測定儀3的測樣時間間隔為15min，OUR測定儀3每測定一個OUR值，直至下一個測定值反饋前，PLC控制單元5會根據該OUR值及實時的DO測定儀2和OTE測定儀6測得數據進行計算得出所需曝氣量；

所述OTE測定儀6通過分析曝氣時出氣和進氣成分，對比兩者相對變化，經過數字信號輸出得出OTE值；

所述PLC控制單元5控制柜、顯示屏等硬件及控制軟件，所述控制軟件具體為實現自動控制的程序，所述控制柜包括數據收集模塊命令發送模塊，所述數據顯示屏可以顯示實時數據變化曲線及記錄歷史數據，通過觀察實際溶解氧值的變化趨勢與溶解氧設定值的偏離度來判斷曝氣控制系統的品質。

實施例2

曝氣池的體積為0.25m³，由于OUR測定儀的測定周期為15分鐘故設定控制周期為15min，SOTE＝20％，SOTR＝0.03kg/h，k＝0.75，C^*_∞20為20℃下的飽和溶解氧值；

溶解氧的初始設定值為2，將OUR測定儀、OTE測定儀、DO測定儀與曝氣系統全部接入PLC后即可開始實施曝氣控制，OUR、OTE、DO三個值每次的變化都會通過信號傳輸線傳給PLC控制柜，并計算出實際所需要的風量，命令傳輸給流量控制閥通過改變其開度達到命令值，并通過信號線將實際風量的數值顯示在信號屏幕上。

在穩定狀況下OUR和OTE值變化并不大，溶解氧的控制品質穩定在±k1的范圍；若出現不可預測的問題使得溶解氧值波動超過±k1，則此時自控會自動啟動DO反饋系統來進行調節。

以下為具體實施例：

1、當OUR＝30mg/L·h，DO_設定值＝2.0mg/L，OTE＝8％時，若此時實際溶解氧DO_實際值＝1.5mg/L，則Q＝9.21L/min；

2、當OUR＝30mg/L·h，DO_實際值上升到2.0mg/L時，此時Q＝7.86L/min；

3、若此時OUR＝30mg/L·h，k1＝0.5mg/L，DO_實際值下降到1.4mg/L時，系統啟動DO反饋控制，設定β＝5，上次的曝氣量Q為8.48L/min，此時曝氣量Q上升到11.48L/min。

由1到2，由于此時實際溶解氧在較大風量的作用下從1.5mg/L上升到2mg/L，曝氣量也相應的減小，使得實際溶解氧逐漸回落至更接近設定值；由1到3，由于|C_設定值-C_實際值|>k1(k1＝0.5mg/L)，啟動DO反饋保護系統，曝氣量根據|C_設定值-C_實際值|差值大小進行調節，使實際溶解氧值能迅速回升到正常波動范圍。

以上實施例的說明只是用于幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護范圍內。

對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或范圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制于本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的范圍。