A/o生物脫氮反應器、硝化過程的調節方法及其在線模糊控制裝置、方法

專利名稱：A/o生物脫氮反應器、硝化過程的調節方法及其在線模糊控制裝置、方法
技術領域：
本發明涉及一種污水處理工藝及其控制裝置與方法，特別是一種連續流生物脫氮工藝硝化裝置與方法及其智能控制裝置和方法。
背景技術：
隨著經濟的發展和人類生活水平的提高，用水量急劇增長、污水排放量也相應增加，加劇了水資源的短缺和水體富營養化問題。富營養化問題是當今世界面臨的最主要的水污染問題之一。近年來，雖然我國污水處理率不斷提高，但是由氮磷污染引起的水體富營養問題不僅沒有解決，而且有日益嚴重的趨勢。可見，污水處理的主要矛盾已逐漸由有機污染物的去除轉變為氮、磷污染物的去除。這就促使人們對常規活性污泥法進行改造，以提高氮、磷的去除率。氮化合物(如NH4+-N和NO3--N)的分子量比較小，無法通過投加藥劑來去除；另外，如果利用膜技術來去除氮化合物，僅有反滲透膜技術是最有效的。因此氮的去除是污水處理的難點和重點，只有利用生物脫氮技術才是最合理可行的。另一方面，污水中的磷化合物利用生物處理方法有時不易去除，但通過投藥混凝可實現滿意的除磷效果。因此，生物脫氮技術是污水深度處理的關鍵所在。
當前實現脫氮的工藝很多，最具有代表性的工藝主要有SBR法、A/O法、氧化溝工藝，然而SBR法只能應用在小型污水處理廠、具有池容閑置期長、運行復雜等缺點，在城市污水處理廠的應用很少。而氧化溝工藝屬于延時曝氣工藝，具有基建費用和運行費用高的缺點。A/O生物脫氮工藝是缺氧/好氧(Anoxic/Oxic)生物脫氮工藝的簡稱，是我國目前城市污水處理廠應用最多的一種脫氮工藝，反硝化在缺氧條件下運行，含碳有機物的去除和氨氮的硝化在好氧條件下運行，與傳統的多級生物脫氮工藝相比具有很多優點。但是，目前我國污水處理廠生物脫氮普遍存在著能耗高、效率低以及運行不穩定的缺點。由于城市進水水質水量的巨大變化、以及季節性溫度的變化等波動性因素的影響，導致A/O工藝出水氨氮濃度波動很大，經常出現超標排放現象。出水氨氮濃度的嚴重超標，將嚴重加重水體的富營養化。氨氮會消耗水體的溶解氧，使藻類過度繁殖，這種水如果排放到水源水體中會增加制水成本。另外污水排放標準對出水氨氮濃度的要求也越來越高，我國80％以上的污水處理廠存在著硝化效果差，出水氨氮超標排放的現象。目前城市污水處理廠中對曝氣量的控制，大部分采取恒定曝氣量控制，少部分采用恒定DO濃度控制，沒有從系統優化方面來考慮曝氣量的控制。然而城市污水處理廠進水水質與水量隨時間變化很大、外界干擾因素多，如果按上述方式控制，當進水氨氮濃度高時出水水質不合格；當進水濃度低時，導致曝氣過量，既增加系統運行費用同時又易于發生污泥膨脹。由于我國城市污水處理廠廣泛地應用A/O工藝處理城市生活污水或部分工業廢水，另外城市污水處理廠曝氣能耗約占污水廠運行費用的50％或更多，由于污水處理所需運行費用是龐大的、長期的，如果通過有效控制，能將城市污水處理廠的運行費用節省1％，也是個天文數字。因此如何提高工藝硝化效率，以解決我國日益嚴重的水污染問題，在我國現階段無論從節省資金、提高污水處理效果和優化污水脫氮等方面都有重大的理論意義和現實意義。
模糊控制(Fuzzy Control)是智能控制的重要組成部分與支柱。自zadeh提出模糊集合理論以來，模糊控制在工程中的應用日益廣泛與深入，特別是近年來其研究與應用成果更受人們的矚目。當前，模糊控制理論已在各種工程系統在線過程控制中得到應用。然而模糊控制在水處理中的研究與應用很少，主要集中在SBR法上，例如CN1387099A。對于連續流生物脫氮工藝(即A/O法)，由于系統復雜的動態性、高度的時變性和非線性，至今未實現模糊控制。國內對A/O工藝的控制僅僅是實現了系統的連續運行，未考慮系統的優化運行及其穩定性。

發明內容
本發明的目的是提供一種A/O生物脫氮工藝的硝化方法及其在線模糊控制裝置與控制方法，解決A/O生物脫氮工藝運行工況優化智能控制和提高穩定性的問題；并解決A/O生物脫氮工藝硝化效果差、出水氨氮濃度不穩定、運行費用高的問題。
本發明的技術方案這種A/O生物脫氮反應器，由缺氧池、好氧池和二沉池組成，其特征在于其缺氧池至少有一個格室，好氧池至少有兩個串聯的格室，缺氧區連通進水管，缺氧池內有攪拌器，好氧池內設有曝氣器，二沉池與出水管連通，進水口連續進水，出水口連續出水，二沉池底部連接剩余污泥排泥管和污泥回流管，污泥回流管與進水管連通，其間連接污泥回流泵，好氧池出口與缺氧池入口之間連接內循環回流管和內循環回流泵，向缺氧池內還連通有外碳源投加管道和外碳源投加計量泵。
這種根據權利要求1的A/O生物脫氮方法，其特征在于在反應池內進行以下調節(1)、在缺氧區連續攪拌，進行反硝化反應，在好氧區連續曝氣，進行硝化反應；(2)、當進水氨氮負荷較高或出水氨氮濃度較低時，增大曝氣器進氣閥門的開啟度，提高曝氣量；相反減小曝氣器進氣閥門的開啟度；(3)、關閉或開啟不同格室的曝氣器的進氣閥門，從而增加或降低好氧池和缺氧池的體積比，并開啟或關閉對應反應池內的攪拌裝置；(4)、增加或降低回流污泥泵閥門開啟度，從而調節反應器內污泥濃度，以滿足硝化所需；(5)、反應池運行過程中維持內循環回流泵的開啟狀態，維持硝化液回流比為2；(6)、剩余污泥排泥管的排泥間隔，以控制系統污泥齡SRT維持在12-15天。
這種A/O生物脫氮硝化過程的在線模糊控制裝置，其特征在于在A/O反應器內放置三種在線傳感器，采集溶解氧(DO)濃度、進水氨氮(SNHin)、出水氨氮濃度(SNHe)和污泥濃度(MLSS)濃度的信號；將采集的信號輸入模擬數字轉換元件A/D，轉換成數字信號；將數字信號輸入計算機，應用模糊控制規則，經過模糊化計算采用Mamdani模糊算法進行模糊推理、經非模糊化計算后，得到模糊控制變量；再將模糊控制變量經數字模擬轉換元件D/A轉換成控制信號；控制信號輸入執行機構，實時模糊控制好氧區DO濃度、好氧區體積和反應器內污泥濃度。
上述模糊控制規則如下表好氧區DO濃度模糊控制規則表

上述模糊控制規則如下表MLSS模糊控制規則表

這種A/O生物脫氮硝化過程的在線模糊控制方法，其特征在于在反應池內置有溶解氧(DO)濃度、進水氨氮濃度和出水氨氮濃度和污泥濃度(MLSS)在線傳感器，上述傳感器經導線與DO測定儀、氨氮測定儀和MLSS濃度測定儀連接后與計算機數據信號的輸入接口連接，計算機的數據信號輸出接口，經導線連接執行機構，執行機構的曝氣繼電器、回流污泥繼電器、攪拌繼電器經接口分別與鼓風機閥門、回流污泥泵閥門和攪拌機控制閥門連接；溶解氧(DO)濃度的控制根據進水氨氮濃度和出水氨氮濃度應用模糊控制規則來動態確定好氧區DO濃度設定值，并調節曝氣量的大小，從而維持好氧區所需DO濃度；當進水氨氮負荷較高或出水氨氮濃度較高時，增大曝氣器進氣閥門的開啟度，從而增大曝氣量；相反減小曝氣器進氣閥門的開啟度；好氧區體積的控制根據好氧區DO濃度是否超過上下限設定值來開啟或關閉不同格室曝氣器的進氣閥門，從而增加或降低好氧區和缺氧區的體積比，并開啟或關閉對應反應池內的攪拌裝置；DO濃度上下限值分別為3.5mg/L和0.5mg/L，當DO濃度超過3.5mg/L時，增大好氧區體積，當好氧區DO濃度降低到0.5mg/L時，減少好氧區體積；但好氧區占反應池總體積只比最大不超過85％，最小不低于35％；污泥濃度(MLSS)的控制通過出水氨氮濃度和MLSS濃度大小，應用模糊控制規則動態控制；反應器的污泥濃度最大不超過5000mg/L，最小不低于1000mg/L；每次污泥回流量的增降幅度不超過15％，當不需污泥回流模糊系統且可滿足硝化效果時，污泥回流比取0.6。
上述模糊控制規則如下表好氧區DO濃度模糊控制規則表

上述模糊控制規則表達為當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“很小”時，好氧區DO濃度為“很小”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“小”時，好氧區DO濃度為“小”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“中小”時，好氧區DO濃度為“中小”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度為“中間值”時，好氧區DO濃度為″中間值″；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“中大”時，好氧區DO濃度為“不大不小”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“大”時，好氧區DO濃度為“中大”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“很大”時，好氧區DO濃度為“中大”；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“很小”時，好氧區DO濃度為“很小”；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“小”時，好氧區DO濃度為“中小”；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“中小”時，好氧區DO濃度為″中間值″；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“中間值”時，好氧區DO濃度為″中大″；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“中大”時，好氧區DO濃度為“中大”；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“大”時，好氧區DO濃度為“大”；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“很大”時，好氧區DO濃度為“很大”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“很小”時，好氧區DO濃度為“中小”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“小”時，好氧區DO濃度為“中間值”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“中小”時，好氧區DO濃度為“中間值”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“中間值”時，好氧區DO濃度為“大”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“中大”時，好氧區DO濃度為“大”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“大”時，好氧區DO濃度為“很大”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“很大”時，好氧區DO濃度為“很大”。
上述模糊控制規則如下表
MLSS模糊控制規則表

上述模糊控制規則表達為當反應器內污泥濃度為“小”且出水氨氮濃度為“小”時，回流污泥比為“正小”；當反應器內污泥濃度為“小”且出水氨氮濃度為“中”時，回流污泥比為“正大”；當反應器內污泥濃度為“小”且出水氨氮濃度為“大”時，回流污泥比為“正大”；當反應器內污泥濃度為“中”且出水氨氮濃度為“小”時，回流污泥比“不變，保持原有狀態”；當反應器內污泥濃度為“中”且出水氨氮濃度為“中”時，回流污泥比為“正小”；當反應器內污泥濃度為“中”且出水氨氮濃度為“大”時，回流污泥比為“正小”；當反應器內污泥濃度為“大”且出水氨氮濃度為“小”時，回流污泥比為“負大”；當反應器內污泥濃度為“大”且出水氨氮濃度為“中”時，回流污泥比為“負小”；當反應器內污泥濃度為“大”且出水氨氮濃度為“大”時，回流污泥比為“不變，保持原有狀態”。
本發明的工作原理以生活污水為處理對象，通過大量的試驗研究，在進水水質不同的情況下，獲得DO濃度、好氧池體積和MLSS濃度與硝化反應的之間的內在關系。確定A/O工藝去除有機物和硝化反應的最優運行方式和參數，提高工藝運行的穩定性和可控制性，為A/O工藝硝化反應實現智能控制提供理論基礎。根據上述試驗結果和智能控制理論，建立A/O工藝硝化反應模糊控制方法。其中最主要的部分是模糊控制器的設計，它包括被控變量的模糊化處理、建立模糊控制規則，做出模糊決策，控制變量的非模糊化處理，以及相應的計算機算法，模糊控制器輸入變量包括進水氨氮濃度、出水氨氮濃度和MLSS濃度，輸出變量包括好氧池DO濃度、好氧池體積和回流污泥量。對智能控制系統的可行性與可靠性進行系統的模擬試驗驗證，并反復修改與完善，直至得到一個準確可靠的在線模糊控制系統。
有益效果本發明可根據進水水質與水量的動態變化控制曝氣量、好氧池體積和反應池內污泥濃度，準確地把握硝化反應進行的程度，避免傳統控制方法好氧池DO濃度過高或過低、好氧區體積不足(硝化差)或過量(總氮去除率低)以及反應池污泥濃度不足等現象。DO濃度過高會導致充氧效率降低，增加運行能耗，破壞污泥絮體，并嚴重影響反硝化環境；DO濃度過低，可能造成污泥沉淀性能變差，引起污泥膨脹并可導致N2O的生成。本發明不僅能提高A/O工藝硝化反應效率、降低出水氨氮濃度、減少系統運行費用，而且對進一步提高其它活性污泥法的硝化效率也有重要的理論意義與應用價值，本發明屬于多目標控制。
本發明與現有技術相比，具有下列優點流程簡單、構筑物少，基建費用和運行費用較低，占地面積小。以原污水中的含碳物質和內源代謝產物作為反硝化碳源物質，可節省外碳源投加費用，從而達到充分的反硝化。好氧池在缺氧池之后，可以進一步去除反硝化殘留的有機物，使出水水質得到改善。缺氧池在好氧池之前，由于反硝化消耗了大部分有機碳源，有利于減輕好氧池的有機負荷，減少好氧池的需氧量。反硝化產生的堿度可以補充原水堿度不足以及硝化過程中對堿度的消耗。A/O工藝的缺氧池可起到生物選擇器的作用，有利于控制污泥膨脹。易于在常規活性污泥法系統上改建，實現以最小的改建投資滿足更高的水污染控制需要。
在線模糊控制裝置用來確定好氧池DO濃度，而應用傳統的PI控制器控制曝氣量，維持好氧池DO濃度。可在降低出水氨氮濃度的情況下，盡可能減少曝氣量，同時以進水氨氮濃度作為前饋控制信號，避免單純以出水氨氮濃度作為控制信號，由于系統的滯后性，造成出水氨氮濃度波動性較大。
本發明基于DO濃度和好氧池體積聯合控制，可避免好氧池DO濃度過高、過低以及好氧池體積不足，可實時控制好氧池DO濃度和好氧池體積，保證出水氨氮濃度達標排放的前提下盡可能節約運行費用。
本發明規定了DO濃度、好氧池體積占反應池總體積比以及反應池內MLSS的最小值和最大值，避免控制變量變化過大，造成系統運行不穩定、不安全，增加了系統的安全性、穩定性和可靠性。
本發明選擇能夠在線檢測、響應時間短、精確度較高的溶解氧(DO)濃度、氨氮濃度和MLSS濃度作為A/O法硝化反應過程的被控制變量。這三個控制變量是硝化反應的最主要的影響因素，因此本系統具有控制精度高、運行效率高的特點。
管理、操作方便，費用低。另外不管外界因素如何變化，都會實現較好的硝化效果，抗沖擊負荷能力強，不易發生污泥膨脹。
根據原水水質水量的變化來調節和控制DO濃度、好氧區體積和反應器內污泥濃度三個參數，在保證出水水質的前提下節省能耗，使A/O工藝反應器得以高效、穩定運行。本發明針對不同進水水質(不同進水COD濃度、不同的進水氨氮濃度、不同的進水量等)，對DO濃度、好氧區體積和反應器內污泥濃度做出相應的調節與控制，來解決運行過程中出現的出水氨氮濃度難以控制以及運行費用較高的實際問題。基于大量的實驗研究數據，為硝化過程提供一種模糊控制的裝置和方法，為A/O工藝的更廣泛的應用提供可靠的運行，解決了傳統恒定曝氣量或恒定DO濃度控制A/O工藝所存在的問題，解決了A/O工藝由于曝氣量、好氧硝化池體積不足或MLSS不足所引起的硝化反應不完全，造成出水氨氮濃度不達標或較高的問題；同時解決了A/O工藝由于曝氣量過高或好氧池體積過大所帶來的運行費用提高的問題，從而達到高效率、低消耗的處理水平，增強工藝的優化與控制。
A/O生物脫氮工藝在處理生活污水時，通過模糊控制好氧區DO濃度、好氧區體積和污泥濃度，可以實現90％和95％以上的COD和氨氮去除率，可以節約15％以上的曝氣能耗費用，從而解決A/O工藝硝化效果不穩定、運行費用較高的問題。
本發明可廣泛應用于已采用A/O工藝的污水處理廠或準備采用A/O工藝的污水處理廠或傳統活性污泥法改造或擴建為具有脫氮功能的污水處理廠。


圖1是本發明A/O生物脫氮反應器結構的示意圖；圖2是本發明A/O生物脫氮反應器在線模糊控制裝置的結構示意圖；圖3是本發明A/O生物脫氮反應器在線模糊控制方法步驟的示意圖；圖4是DO輸入變量-進水氨氮(SNHin)的隸屬函數圖；圖5是DO輸入變量-出水氨氮(SNHe)的隸屬函數圖；圖6是DO輸出變量-好氧區DO濃度(DO)的隸屬函數圖；圖7是基于DO模糊控制規則的控制系統的響應情況示意圖；圖8是MLSS輸入變量-出水氨氮(SNHe)的隸屬函數圖；圖9是MLSS輸出變量-污泥回流比膔的隸屬函數圖。
圖10是MLSS輸入變量-污泥濃度的隸屬函數圖；圖11是恒DO控制和DO模糊控制出水氨氮濃度控制結果比較示意圖。
1-進水管、2-進水泵、3-缺氧池、4-攪拌器、5-曝氣器、6-好氧池、7-二沉池、8-出水管、9-排泥管、10-內循環回流泵、11-內循環回流管、12-氨氮傳感器、13-MLSS傳感器、14-DO傳感器、15-氨氮測定儀、16-MLSS測定儀、17-DO測定儀、18-計算機、19-信號輸入接口、20-信號輸出接口、21-執行機構、22-曝氣繼電器、23-攪拌機繼電器、24-污泥回流繼電器、25-曝氣閥門、26-回流污泥泵、27-回流污泥管。
具體實施例方式
參見圖1，A/O生物脫氮反應器由缺氧池、好氧池和二沉池組成，其特征在于其缺氧池至少有一個格室，好氧池至少有兩個串聯的格室，缺氧區連通進水管，缺氧池內有攪拌器，好氧池內設有曝氣器，二沉池與出水管連通，進水口連續進水，出水口連續出水，二沉池底部連接剩余污泥排泥管和污泥回流管，污泥回流管與進水管連通，其間連接污泥回流泵，好氧池出口與缺氧池入口之間連接內循環回流管和內循環回流泵，向缺氧池內還連通有外碳源投加管道和外碳源投加計量泵。
參見圖2，A/O生物脫氮反應器的工作過程和硝化過程的調節方法待處理污水由進水泵進入缺氧池，同時回流污泥由二沉池通過回流泵也進入缺氧池，在缺氧池通過攪拌裝置把活性污泥攪拌起來，并和好氧池回流來的硝化液，以硝酸氮為電子受體、有機碳源為電子供體，通過反硝化菌的作用，進行反硝化反應。然后缺氧池出水進入好氧池，在此進行有機物的繼續降解和氨氮的硝化反應，利用DO、氨氮和MLSS在線儀實時監測好氧池DO濃度、進水氨氮(SNHin)和出水氨氮濃度(SNHe)以及反應器內污泥濃度，通過數據接口輸入模糊控制裝置，模糊控制裝置通過模糊控制規則對所獲取的數據進行模糊決策，從而輸出DO濃度、是否增加好氧區體積或是否增加反應器內MLSS的指示。
其中DO濃度和MLSS濃度分別由DO和MLSS模糊控制器實現，通過PID控制器調節曝氣量來控制好氧區的DO濃度(PID控制器的比例增益Kp＝500，積分參數Ki＝5×106)；而好氧池體積由好氧池DO濃度是否達到最高和最低濃度確定，當模糊控制器輸出的DO濃度大于3.5mg/L時，則需增大好氧池體積，相反則需減少好氧池體積。如需增加好氧池體積，則需要關閉缺氧池最后格室的攪拌裝置，開啟曝氣裝置閥門；如果需要增加反應器內MLSS濃度，則需要根據模糊控制器輸出結果，調節回流污泥泵轉速，從而獲得所需的MLSS濃度。出水最后進入二沉池，在此進行泥水分離，上清夜通過出水管進行排放，而污泥在污泥斗內進行濃縮，其中一部分以剩余污泥的形式進行排放，一部分通過污泥回流泵回流到缺氧池。
為了避免運行設備的頻繁啟動和關閉，提高系統的穩定性和可靠性，控制裝置在運行時采取以下措施實時在線測定好氧區DO濃度、氨氮濃度，在線測定的進水和出水氨氮濃度數據儲存在模糊控制器中，以每20分鐘內測定數據的平均值，來確定好氧區DO，避免氨氮在線測定儀的誤差導致DO控制的偏差，以及鼓風機頻繁的開啟和調節，以每20分鐘為一個控制周期。另外好氧區體積的控制也不是DO濃度瞬間大于3.5mg/L時就增加好氧區體積，同樣以每3個小時內的DO濃度平均值是否大于3.5mg/L或小于0.5mg/L，來增大好氧區體積或降低好氧區體積。避免過渡區運行狀態的頻繁交替，不但起不到有效的作用，頻繁變化將導致污泥性能的惡化，運行設備也將無法承受。污泥濃度控制級別低于DO濃度控制和好氧區體積控制，當采用DO濃度和好氧區體積控制后，仍然無法實現出水氨氮濃度的達標排放時，啟動污泥回流模糊控制，控制過程中更要避免回流污泥量的巨大波動，以3小時測定的出水氨氮濃度和污泥濃度的平均值輸入模糊控制器，經模糊控制器模糊決策后獲得污泥回流量是增加還是降低的決定，每次污泥回流量的增降幅度不超過15％，當不需污泥回流模糊系統且可滿足硝化效果時，污泥回流比取0.6。
參見圖2，A/O工藝模糊控制裝置進水由進水管1經進水泵2，進入缺氧池3，并通過攪拌機4進行攪拌維持泥水混合效果，缺氧池出水進入好氧池6，通過曝氣器5維持好氧池6的好氧條件，好氧池出水進入二沉池7，出水通過出水管8排放，剩余污泥經過排泥管9排放，而硝化液回流由回流泵10通過回流管11回流到缺氧池3。在缺氧池首端設置氨氮在線傳感器12，在好氧池每個格室設有DO傳感器13和污泥濃度計14，在好氧池出水(或好氧池最后格室)內置有氨氮傳感器12，上述傳感器經導線與DO測定儀15、氨氮測定儀16和MLSS測定儀17連接后與計算機18的數據信號輸入接口19連接，計算機的數據信號輸出接口20，經導線連接執行機構21，執行機構的曝氣繼電器22、攪拌機繼電器23和回流污泥泵繼電器24經接口分別與曝氣器進氣閥門25、攪拌機4和回流污泥泵26連接。
參見圖3，A/O工藝硝化過程模糊控制方法如下(1)在污水處理系統中放置三種傳感器，采集溶解氧濃度(DO)、污泥濃度(MLSS)、進水氨氮(SNHin)和出水氨氮濃度(SNHe)的信號，作為硝化反應的被控制變量；
(2)將采集的DO、MLSS、SNHin和SNHe值信號經變送器輸入模擬數字轉換元件A/D，轉換成數字信號；(3)將數字信號輸入計算機，經過模糊化計算、與事先輸入的模糊控制規則比較、采用Mamdani模糊推算法進行模糊控制推理、經非模糊化計算后，得到模糊控制變量；(4)再將模糊控制變量經數字模擬轉換元件D/A轉換成控制信號；(5)控制信號控制執行機構，直接控制硝化反應的控制變量-曝氣量、好氧區體積和回流污泥量。
以DO濃度作為曝氣量的模糊控制參數，根據進水氨氮濃度和出水氨氮濃度確定DO濃度。氨氮濃度大小和DO濃度大小可用模糊語言變量加以描述，故應用進水氨氮濃度和出水氨氮濃度作為模糊控制器的兩個輸入變量，應用DO濃度作為模糊控制器的輸出變量。
進水氨氮(SNHin)、出水氨氮濃度(SNHe)、DO濃度均為正。輸入變量SNHin和SNHe模糊集和論域分別定義為SNHin的模糊集為{S，M，L}SNHe的模糊集為{XS，S，MS，M，ML，L，XL}SNHin的論域為{1，2，3，4，5，6}SNHe的論域為{1，2，3，4，5，6，7}對控制量UA即DO濃度而言，其模糊集和論域分別定義為DO的模糊集為{XS，S，MS，M，ML，L，XL}DO的論域為{1，2，3，4，5，6，7}上述語言變量的含義分別為XS(Very small)很小；S(Small)小；MS(Middlesmall)中小；M(middle)中間；ML(Middle large)中大；L(Large)大；XL(Verylarge)很大。
由模糊控制的原理可知，模糊控制裝置的輸入是確定量，而模糊控制算法本身要求模糊變量。這就需要將精確的輸入變量經模糊化處理變為模糊變量。對輸入變量、輸出變量進行模糊化處理，模糊化方法見表1-5。輸入變量的各模糊集的隸屬函數如圖4-10。在此僅對模糊規則的建立進行說明，模糊控制規則如表6所示。當進水氨氮SNHin濃度大時，而出水氨氮SNHe小時，也維持較低的曝氣量；當進水氨氮SNHin濃度小時，而出水氨氮SNHe大時，也維持較高的曝氣量。該控制規則以首先滿足出水氨氮達標的前提下，盡可能降低能耗費用，圖7是基于DO模糊控制規則時控制系統的響應情況示意圖。
表1 將SNHin化為離散的整型變量XSNHin

表2 將SNHe化為離散的整型變量XSNHe

表3 將DO化為離散的整型變量XDO

表4 SNHin的隸屬函數賦值表

表5 SNHe和DO的隸屬函數賦值表


表6 好氧區DO濃度模糊控制規則表

上述模糊控制規則表達為當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“很小”時，好氧區DO濃度為“很小”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“小”時，好氧區DO濃度為“小”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“中小”時，好氧區DO濃度為“中小”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度為“中間值”時，好氧區DO濃度為″中間值″；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“中大”時，好氧區DO濃度為“不大不小”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“大”時，好氧區DO濃度為“中大”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“很大”時，好氧區DO濃度為“中大”；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“很小”時，好氧區DO濃度為“很小”；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“小”時，好氧區DO濃度為“中小”；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“中小”時，好氧區DO濃度為″中間值″；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“中間值”時，好氧區DO濃度為″中大″；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“中大”時，好氧區DO濃度為“中大”；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“大”時，好氧區DO濃度為“大”；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“很大”時，好氧區DO濃度為“很大”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“很小”時，好氧區DO濃度為“中小”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“小”時，好氧區DO濃度為“中間值”；
當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“中小”時，好氧區DO濃度為“中間值”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“中間值”時，好氧區DO濃度為“大”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“中大”時，好氧區DO濃度為“大”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“大”時，好氧區DO濃度為“很大”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“很大”時，好氧區DO濃度為“很大”。
MLSS污泥濃度模糊控制器以MLSS濃度作為回流污泥量的模糊控制參數，根據反應器MLSS濃度和出水氨氮濃度確定回流污泥量的增量。以反應器MLSS濃度和出水氨氮濃度作為模糊控制器的輸入變量，應用回流污泥比的增量膔作為模糊控制器的輸出變量。輸入和輸出變量可用模糊語言變量加以描述。
MLSS濃度、出水氨氮濃度(SNHe)均為正，它們的模糊集和論域分別定義為MLSS的模糊集為{S，M，L}SNHe的模糊集為{S，M，L}MLSS和SNHe的論域為{1，2，3，4，5，6}對控制量膔而言，其模糊集和論域分別定義為膔的模糊集為{NB，NS，O，PS，PB}膔的論域為｛-3，-2，-1，0，1，2，3}由模糊控制的原理可知，需將精確的輸入變量經模糊化處理變為模糊變量。模糊化方法見表7-9，表中的實際論域都是通過大量的試驗確定的。模糊變量必須用隸屬函數來表示。隸屬函數的具體形式取決于被控制系統本身的特性。輸入變量、輸出變量的各模糊集的隸屬函數如圖8、9、10。由輸入輸出變量的隸屬函數可以得到它們的隸屬函數表10和表11。
詳細分析它們之間的相關關系，總結出不依賴于數學模型的接近最優控制的控制規律，建立以模糊語言表示的模糊控制推理的合成規則和模糊控制規則。根據操作過程中可能遇到的各種情況和系統運行數據，將控制規則歸納為表12。
表7 將SNHe化為離散的整型變量XSNHe

表8 將MLSS化為離散的整型變量XMLSS

表9 將Δr化為離散的整型變量XΔr

表10 MLSS和SNHe隸屬函數賦值表

表11 Δr的隸屬函數賦值表

表12 MLSS模糊控制規則表

上述模糊控制規則表達為當反應器內污泥濃度為“小”且出水氨氮濃度為“小”時，回流污泥比為“正小”；當反應器內污泥濃度為“小”且出水氨氮濃度為“中”時，回流污泥比為“正大”；當反應器內污泥濃度為“小”且出水氨氮濃度為“大”時，回流污泥比為“正大”；當反應器內污泥濃度為“中”且出水氨氮濃度為“小”時，回流污泥比“不變，保持原有狀態”；當反應器內污泥濃度為“中”且出水氨氮濃度為“中”時，回流污泥比為“正小”；當反應器內污泥濃度為“中”且出水氨氮濃度為“大”時，回流污泥比為“正小”；當反應器內污泥濃度為“大”且出水氨氮濃度為“小”時，回流污泥比為“負大”；當反應器內污泥濃度為“大”且出水氨氮濃度為“中”時，回流污泥比為“負小”；當反應器內污泥濃度為“大”且出水氨氮濃度為“大”時，回流污泥比為“不變，保持原有狀態”。
效果實施例以某大學家屬區排放的實際生活污水為原水(pH＝7-7.8，COD＝180-450mg/L，TN＝68-110mg/L)。所選擇的A/O工藝反應池有效容積為300L，反應池內MLSS在3000-4000mg/L，SRT維持在15d左右，反應溫度20-23℃，反應器內循環回流比恒定為2.5，污泥回流比為0.5。以進水氨氮和出水氨氮濃度模糊控制好氧區DO濃度，同時對反應器好氧區的DO值進行在線檢測，實時監測反應器內有機物降解和硝化情況，此時系統對COD、氨氮和TN的平均去除率可以維持在90％、90％和65％左右。而采用DO和好氧區體積綜合后，氨氮去除率可以提高到95％以上，同時由于提高曝氣充氧效率，系統運行費用降低5％。
參見圖11，恒DO控制和DO模糊控制結果實例圖，相對于恒DO(2.5mg/L)控制，模糊控制系統可以獲得較好的出水水質，平均出水氨氮濃度降低了18.1％，最大出水氨氮濃度降低了11.9％，曝氣運行能耗降低了7％。應用模糊控制器不管進水氨氮濃度有多大波動，出水氨氮可以滿足排放標準8mg/L。
權利要求
1.一種A/O生物脫氮反應器，由缺氧池、好氧池和二沉池組成，其特征在于其缺氧池至少有一個格室，好氧池至少有兩個串聯的格室，缺氧區連通進水管，缺氧池內有攪拌器，好氧池內設有曝氣器，二沉池與出水管連通，進水口連續進水，出水口連續出水，二沉池底部連接剩余污泥排泥管和污泥回流管，污泥回流管與進水管連通，其間連接污泥回流泵，好氧池出口與缺氧池入口之間連接內循環回流管和內循環回流泵，向缺氧池內還連通有外碳源投加管道和外碳源投加計量泵。
2.一種根據權利要求1的A/O生物脫氮方法，其特征在于在反應池內進行以下調節(1)、在缺氧區連續攪拌，進行反硝化反應，在好氧區連續曝氣，進行硝化反應；(2)、當進水氨氮負荷較高或出水氨氮濃度較低時，增大曝氣器進氣閥門的開啟度，提高曝氣量；相反減小曝氣器進氣閥門的開啟度；(3)、關閉或開啟不同格室的曝氣器的進氣閥門，從而增加或降低好氧池和缺氧池的體積比，并開啟或關閉對應反應池內的攪拌裝置；(4)、增加或降低回流污泥泵閥門開啟度，從而調節反應器內污泥濃度，以滿足硝化所需；(5)、反應池運行過程中維持內循環回流泵的開啟狀態，維持硝化液回流比為2；(6)、剩余污泥排泥管的排泥間隔，以控制系統污泥齡SRT維持在12-15天。
3.一種A/O生物脫氮硝化過程的在線模糊控制裝置，其特征在于在A/O反應器內放置三種在線傳感器，采集溶解氧(DO)濃度、進水氨氮(SNHin)、出水氨氮濃度(SNHe)和污泥濃度(MLSS)濃度的信號；將采集的信號輸入模擬數字轉換元件A/D，轉換成數字信號；將數字信號輸入計算機，應用模糊控制規則，經過模糊化計算采用Mamdani模糊算法進行模糊推理、經非模糊化計算后，得到模糊控制變量；再將模糊控制變量經數字模擬轉換元件D/A轉換成控制信號；控制信號輸入執行機構，實時模糊控制好氧區DO濃度、好氧區體積和反應器內污泥濃度。
4.根據權利要求3的A/O生物脫氮硝化過程的在線模糊控制裝置，其特征在于所述模糊控制規則如下表好氧區DO濃度模糊控制規則表
5.根據權利要求3的A/O生物脫氮硝化過程的在線模糊控制裝置，其特征在于所述模糊控制規則如下表MLSS模糊控制規則表
6.一種A/O生物脫氮硝化過程的在線模糊控制方法，其特征在于在反應池內置有溶解氧(DO)濃度、進水氨氮濃度和出水氨氮濃度和污泥濃度(MLSS)在線傳感器，上述傳感器經導線與DO測定儀、氨氮測定儀和MLSS濃度測定儀連接后與計算機數據信號的輸入接口連接，計算機的數據信號輸出接口，經導線連接執行機構，執行機構的曝氣繼電器、回流污泥繼電器、攪拌繼電器經接口分別與鼓風機閥門、回流污泥泵閥門和攪拌機控制閥門連接；溶解氧(DO)濃度的控制根據進水氨氮濃度和出水氨氮濃度應用模糊控制規則來動態確定好氧區DO濃度設定值，并調節曝氣量的大小，從而維持好氧區所需DO濃度；當進水氨氮負荷較高或出水氨氮濃度較高時，增大曝氣器進氣閥門的開啟度，從而增大曝氣量；相反減小曝氣器進氣閥門的開啟度；好氧區體積的控制根據好氧區DO濃度是否超過上下限設定值來開啟或關閉不同格室曝氣器的進氣閥門，從而增加或降低好氧區和缺氧區的體積比，并開啟或關閉對應反應池內的攪拌裝置；DO濃度上下限值分別為3.5mg/L和0.5mg/L，當DO濃度超過3.5mg/L時，增大好氧區體積，當好氧區DO濃度降低到0.5mg/L時，減少好氧區體積；但好氧區占反應池總體積只比最大不超過85％，最小不低于35％；污泥濃度(MLSS)的控制通過出水氨氮濃度和MLSS濃度大小，應用模糊控制規則動態控制；反應器的污泥濃度最大不超過5000mg/L，最小不低于1000mg/L；每次污泥回流量的增降幅度不超過15％，當不需污泥回流模糊系統且可滿足硝化效果時，污泥回流比取0.6。
7.根據權利要求6的A/O生物脫氮硝化過程的在線模糊控制方法，其特征在于所述模糊控制規則如下表好氧區DO濃度模糊控制規則表
8.根據權利要求6的A/O生物脫氮硝化過程的在線模糊控制方法，其特征在于所述模糊控制規則表達為當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“很小”時，好氧區DO濃度為“很小”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“小”時，好氧區DO濃度為“小”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“中小”時，好氧區DO濃度為“中小”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度為“中間值”時，好氧區DO濃度為″中間值″；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“中大”時，好氧區DO濃度為″不大不小″；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“大”時，好氧區DO濃度為“中大”；當進水氨氮濃度為“小”且出水氨氮濃度“很大”時，好氧區DO濃度為“中大”；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“很小”時，好氧區DO濃度為″很小″；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“小”時，好氧區DO濃度為“中小”；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“中小”時，好氧區DO濃度為″中間值″；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“中間值”時，好氧區DO濃度為″中大″；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“中大”時，好氧區DO濃度為″中大″；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“大”時，好氧區DO濃度為“大”；當進水氨氮濃度為“中間值”且出水氨氮濃度“很大”時，好氧區DO濃度為“很大”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“很小”時，好氧區DO濃度為“中小”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“小”時，好氧區DO濃度為“中間值”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“中小”時，好氧區DO濃度為“中間值”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“中間值”時，好氧區DO濃度為“大”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“中大”時，好氧區DO濃度為“大”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“大”時，好氧區DO濃度為“很大”；當進水氨氮濃度為“大”且出水氨氮濃度“很大”時，好氧區DO濃度為“很大”。
9.根據權利要求6的A/O生物脫氮硝化過程的在線模糊控制方法，其特征在于所述模糊控制規則如下表MLSS模糊控制規則表
10.根據權利要求6的A/O生物脫氮硝化過程的在線模糊控制方法，其特征在于所述模糊控制規則表達為當反應器內污泥濃度為“小”且出水氨氮濃度為“小”時，回流污泥比為“正小”；當反應器內污泥濃度為“小”且出水氨氮濃度為“中”時，回流污泥比為“正大”；當反應器內污泥濃度為“小”且出水氨氮濃度為“大”時，回流污泥比為“正大”；當反應器內污泥濃度為“中”且出水氨氮濃度為“小”時，回流污泥比“不變，保持原有狀態”；當反應器內污泥濃度為“中”且出水氨氮濃度為“中”時，回流污泥比為“正小”；當反應器內污泥濃度為“中”且出水氨氮濃度為“大”時，回流污泥比為“正小”；當反應器內污泥濃度為“大”且出水氨氮濃度為“小”時，回流污泥比為“負大”；當反應器內污泥濃度為“大”且出水氨氮濃度為“中”時，回流污泥比為“負小”；當反應器內污泥濃度為“大”且出水氨氮濃度為“大”時，回流污泥比為“不變，保持原有狀態”。
全文摘要
一種A/O生物脫氮反應器、硝化過程的調節方法及其在線模糊控制裝置、方法，在反應池內進行以下調節在缺氧區連續攪拌，進行反硝化反應，在好氧區連續曝氣，進行硝化反應；當進水氨氮負荷較高或出水氨氮濃度較低時，增大曝氣器進氣閥門的開啟度，提高曝氣量；相反減小曝氣器進氣閥門的開啟度；關閉或開啟不同格室的曝氣器的進氣閥門，從而增加或降低好氧池和缺氧池的體積比，并開啟或關閉對應反應池內的攪拌裝置；增加或降低回流污泥泵閥門開啟度，從而調節反應器內污泥濃度，以滿足硝化所需；反應池運行過程中維持內循環回流泵的開啟狀態；剩余污泥排泥管的排泥間隔為12－15天。使A/O工藝實現高效率、低消耗，增強工藝的優化與控制。
文檔編號G05B13/00GK1778714SQ20051020062
公開日2006年5月31日 申請日期2005年10月20日 優先權日2005年10月20日
發明者彭永臻, 馬勇, 王淑瑩 申請人:彭永臻