CN102053615B - 非稳态分段进水深度脱氮除磷过程控制系统及控制方法 - Google Patents
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Abstract
一种非稳态分段进水深度脱氮除磷过程控制系统及控制方法，上位PC机通过以太网与可编程控制器PLC控制器连接；PLC控制器与对进水负荷动态变化控制与恒定溶解氧控制的电机\变频控制柜连接；控制柜与执行机构及监测装置连接；进水负荷动态变化包括进水相位角变化流程，周期变化流程和正弦曲线波峰波谷变化流程；恒定溶解氧控制包括溶解氧测定仪、溶解氧传感器、气体流量计和电动阀；监视控制系统包括现场仪表、进水量调节泵、厌氧\缺氧反应器、各段鼓风机。电机\变频控制柜由控制总线与检测设备、动力设备通过PLC控制器和计算机连接；通过控制进水负荷动态变化和恒定溶解氧，实现非稳态进水水量条件下改良分段进水工艺性能。
Description
技术领域
本发明属于生化法污水生物处理技术领域，涉及一种非稳态分段进水深度脱氮除磷过程控制系统及控制方法，尤其优化改良分段进水工艺设计和运行控制策略，提高工艺处理效果和稳定性，改善装置控制性能，同时可实现根据进水变化实时调整运行参数的节能降耗方法，适用于已建分段进水工艺的升级改造或新建工艺。
背景技术
随着政府环保部门的重视，虽然国内污水处理率不断提高，但是由氮磷污染引起的水体富营养问题不仅没有解决，而且有日益严重的趋势。目前以控制富营养化为目的的脱氮除磷水污染治理技术，是我国污水处理领域的研究热点。近年来，尽管我国城市污水脱氮除磷技术的研究有了很大进展，但仍然普遍存在工艺流程复杂、构筑物繁多、能耗和剩余污泥量过大、同步脱氮除磷效率低、缺少方便实效的过程控制系统等缺陷。传统生物脱氮除磷技术的缺陷和可持续污水处理技术的要求，促使生物脱氮除磷新技术和工艺的飞速发展。改良分段进水脱氮除磷工艺是基于南非开普敦大学工艺(UCT工艺)开发的新型高效脱氮除磷工艺，它可以最大程度地利用原水碳源，对于我国普遍低碳氮比城市污水水质情况具有非常大的竞争优势，在现阶段无论从提高污水氮磷去除效果、遏制富营养化问题和节能降耗等方面都有重大的现实意义和推广应用前景。此外，随着我国城镇污水排放标准的日益严格和我国污水处理厂出水水质现状，90％以上的城镇污水处理厂面临着现有处理工艺的技术革新和升级改造，对于在建的污水处理厂更是要做到一步到位，达到国家城镇污水一级A排放标准。
城市污水处理厂的进水流量和污染物浓度时变化和日变化都会呈现一定的规律性特点，存在较大的波动范围，每日的最高进水流量会是最低进水流量的几倍，污染物浓度也会在日高峰期达到峰值，因此污水处理厂工艺出水水质情况也随之变化，最终影响日平均出水水质。对此，目前已建的污水厂在前期设计阶段一般采用较大的设计安全系数，以缓解进水水量和水质的波动对水厂运行造成的负面影响，但这无疑增加了水厂建设的基建费用，低负荷时浪费部分构筑物容量，增加运行能耗。同时，目前水厂应用的控制系统多采用以PLC为基础的IPC和PLC集散型控制系统，实现采用计算机集散控制方式，对污水处理厂生产过程进行分散控制、集中监视和管理。与国际水平相比，我国的自动化和信息化技术还相对滞后，主要体现在发展的不平衡和应用水平方面。以智能决策为目标的信息化技术则相对迟缓，“信息孤岛”现象依然严重，自动化技术和信息化技术缺乏融合，大量的过程数据都静静地“躺”在现场，而没有发挥其应有的作用，污水厂控制系统只能执行预先设定好的控制策略，不具备针对实际运行情况如进水负荷变化等因素实时变化的响应功能。
改良分段进水工艺各段进水流量分配比的选取对于装置氮磷去除效果以及有机物利用效率都具有较大的影响，而且不同的进水水质、不同出水标准要求以及暴雨等气候条件均可采用各自最佳的进水流量分配比，这样后续各段好氧池曝气能耗也随之改变，各段空气压缩机需要响应变化以减少曝气动力费用。另外，现有技术中，大多数污水处理厂的曝气装置采用人工就地控制或简单的PID(比例-积分-微分)控制回路。前者主要是运行人员通过人工测定溶解氧后与经验参数值比较，根据经验对阀门等执行器进行条件，后者根据在线检测设备测定值与设定值的偏差值，通过PID运算输出至执行机构进行相应调节，从而控制曝气池的溶解氧浓度。从目前污水厂溶解氧控制效果看，以上两种方法存在着一定的不足。首先，现有污水处理厂的阀门一般是非线性的，简单的PID控制并不能严格的实现预期的溶解氧控制范围，而且严重的时间延迟滞后问题导致曝气池内溶解氧浓度的巨大扰动。此外，人工就地控制要求运行人员必须具有长期的现场调试经验，人为因素影响过大，一般采取较大的冗余度以确保控制微生物正常生长繁殖所需的溶解氧值，从而造成曝气能耗的浪费。
因此，亟待开发出一种非稳态分段进水深度脱氮除磷过程控制系统及控制方法，在充分保证耦合污水生物处理新技术，保证污水处理能力的前提下，尽可能地挖掘装置节能的潜力，实现改良分段进水脱氮除磷工艺的高处理率和高自动化控制水平。
发明内容
本发明的目的是针对我国不同城市污水处理厂进水负荷的时和日动态变化规律，提供一种非稳态分段进水深度脱氮除磷过程控制系统及控制方法，利用进水负荷动态变化模块设定不同的进水负荷变化规律，以好氧反应器溶解氧为控制参数，实时检测溶解氧值并将动态数据信息通过网络通讯技术传输到控制决策支持装置，通过决策支持装置的模拟分析，产生对应的工艺适宜运行条件和控制策略，确定装置的最佳运行状态，再实施调控电动阀，并由工艺在线监测设备对溶解氧进行监测，将检测值反馈到控制系统和运行决策装置，对装置运行策略进行反馈验证和决策修正，最终保障改良分段进水工艺的成功高效运行和应用。
本发明是采用以下技术手段实现的：
一种非稳态分段进水深度脱氮除磷过程控制系统，上位PC机通过以太网与可编程控制器PLC控制器连接；可编程PLC控制器与对进水负荷动态变化控制与恒定溶解氧控制的电机\变频控制柜连接；电机\变频控制柜与执行机构及监测装置连接；进水负荷动态变化包括进水相位角变化流程，进水周期变化流程和进水正弦曲线波峰波谷变化流程；恒定溶解氧控制包括溶解氧测定仪、溶解氧传感器、气体流量计和电动阀；监视控制系统包括现场仪表、进水量调节泵、厌氧\缺氧反应器、各段鼓风。电机\变频控制柜由控制总线与检测设备、动力设备通过可编程PLC控制器和计算机连接；
污水水箱经与控制总线连接的数个进水泵与主体反应器相连；数个厌氧\缺氧反应器以及沉淀池依次相连；沉淀池经污泥回流阀和与控制总线连接的污泥回流泵与第一段缺氧反应器相连；第一段缺氧反应器经与控制总线连接的内回流泵与厌氧反应器连接；三个缺氧反应器内均设置与控制总线连接的搅拌器；好氧反应器设置砂头曝气器和溶解氧传感器，其中，砂头曝气器经气体流量计，与控制总线连接的电动阀与鼓风机连接，溶解氧传感器经溶解氧仪与控制总线连接；剩余污泥通过剩余污泥排放阀排放。
前述的进水泵包括第一段进水泵、第二段进水泵、第三段进水泵。
前述的厌氧\缺氧反应器包括厌氧反应器、第一段缺氧反应器、第一段好氧反应器、第二段缺氧反应器、第二段好氧反应器、第三段缺氧反应器、第三段好氧反应器。
一种非稳态分段进水深度脱氮除磷过程控制方法，包括以下步骤：
控制进水负荷动态变化；
进水泵、内循环泵和污泥回流泵的控制接口与控制总线连接；在计算机操作界面设定日进水动态正弦变化规律曲线的峰值和周期；由加药设备控制污染物浓度；当进水水量变化平缓，三段进水泵转速比例保持在40％∶30％∶30％；若遇水量负荷瞬间急剧增加时，可同时调大进水泵的转速，并增加污泥回流泵的转速，以减少对装置活性污泥的冲刷流失量；
控制恒定溶解氧：
溶解氧传感器在线检测第一段好氧反应器内混合液的溶解氧浓度，测定值在溶解氧测定仪上显示，该测定值经通讯传输至控制箱后与控制程序中的溶解氧设定值比较分析，若测定值在1.5±0.5mg/L范围，则控制程序保持原状态，不执行任何程序；若测定值超出设定范围，则该数据信号经模拟转化输出至电动阀，调整阀门开启度，以增加或减少鼓风机的鼓风量；分为以下三种控制情况：
当进水泵的转速变化不大，即第一段反应器的进水负荷变化不明显，则控制箱不做任何执行程序，电动阀维持一定的开启度或微调；
当进水泵的转速或进水污染物浓度持续增加，导致第一段反应器的进水负荷不断增加，好氧反应器内需氧量增加，溶解氧浓度降低，当浓度测定值小于1.0mg/L时，电动阀开始调节，以4％的步幅逐渐开启，直至溶解氧浓度恢复至1.5±0.5mg/L范围内；
当进水泵的转速或进水污染物浓度持续降低，导致第一段反应器的进水负荷不断降低，好氧反应器内需氧量减少，溶解氧浓度增加，当浓度测定值大于2.0mg/L时，电动阀开始调节，以4％的步幅逐渐闭合，直至溶解氧浓度恢复至.5±0.5mg/L范围内。
本发明涉及的非稳态进水条件下改良分段进水深度脱氮除磷工艺过程控制系统与现有技术相比，具有以下优点：
(1)脱氮除磷性能好，在无需外加碳源条件下满足国家城镇污水一级A排放标准，尤其适用于我国低碳氮比的城市污水水质情况，为我国城市污水处理厂升级改造或新建水厂提供可靠的技术支持。
(2)建立的进水负荷动态变化装置可以真实模拟实际污水处理厂进水负荷动态变化规律，并对此合理调整各段进水流量分配比例、污泥回流比和内循环比等运行参数，大大提高该工艺实际工程应用的可靠性和稳定性。
(3)好氧池溶解氧控制系统能够实时根据进水负荷变化而相应的调整鼓风机的曝气量，有效地保证好氧池内的溶解氧浓度，避免了曝气不足所引起的效果不彻底和曝气过量导致的能耗浪费问题，实现了在线实时的过程控制，在保证出水水质的基础上提高生化单元运行效率，降低曝气能耗。
附图说明
图1为改良分段进水深度脱氮除磷的过程控制系统图；
图2为改良分段进水工艺集成控制系统图；
图3为改良分段进水深度脱氮除磷工艺进水流量分配控制策略；
图4为工艺进水总量日动态变化规律图；
图5为控制前后好氧反应器溶解氧浓度变化趋势图(以第一段好氧反应器为例)。
图2中：1为污水水箱；2为第一段进水泵；3为第二段进水泵；4为第三段进水泵；5为厌氧反应器搅拌器；6为第一段缺氧搅拌器；7为第二段缺氧搅拌器；8为第三段缺氧搅拌器；9为1号溶解氧仪；10为2号溶解氧仪；11为3号溶解氧仪；；12为厌氧反应器；13为第一段缺氧反应器；14为第一段好氧反应器；15为第二段缺氧反应器；16为第二段好氧反应器；17为第三段缺氧反应器；18为第三段好氧反应器；19为1号溶解氧传感器；20为2号溶解氧传感器；21为3号溶解氧传感器；22为1号砂头曝气器；23为2号砂头曝气器；24为3号砂头曝气器；25为1号转子流量计；26为2号转子流量计；27为3号转子流量计；28为1号电动阀；29为2号电动阀；30为3号电动阀；31为1号鼓风机；32为2号鼓风机；33为3号鼓风机；34为内循环泵：35为污泥回流泵；36为污泥回流控制阀；37为剩余污泥排放阀；38为沉淀池；39为控制总线；40为控制箱；41为计算机；50为上位机；60为可编程控制器；70为电机控制柜及变频控制柜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明：
以北京某污水处理厂初沉池出水为研究对象(COD＝119-565mg/L，TN＝24.6-79.5mg/L，TP＝0.48-13.3mg/L，C/N＝1.5-6.4，C/P＝35.7-74.5)，水力停留时间8-10h，污泥龄8-12d，平均污泥浓度5000±150mg/L，污泥回流比0.5-0.75。
在如图1所示的非稳态条件下改良分段进水深度脱氮除磷工艺过程控制系统，与污水水箱1连接的第一段进水泵2、第二段进水泵3、第三段进水泵4与控制总线39连接；厌氧反应器12、第一段缺氧反应器13、第一段好氧反应器14、第二段缺氧反应器15、第二段好氧反应器16、第三段缺氧反应器17、第三段好氧反应器18相互之间隔离的独立空间；从沉淀池38以及从沉淀池38回流到第一段缺氧反应器13的污泥外回流管路、从第一段缺氧反应器13回流到厌氧反应器12的泥水混合液回流管路，以及控制箱40和计算机41。
另外，污水水箱1的有效容积为340L，试验所选用的试验模型反应器为矩形反应器，有效容积为340L，共分13个格室运行：第一个格室为厌氧反应器12(34L)，第二个格室为第一段缺氧反应器13(34L)，紧接着三个格室为第一段好氧反应器14(68L)，然后依次是第二段缺氧反应器15(34L)、第二段好氧反应器16(68L)、第三段缺氧反应器17(34L)、第三段好氧反应器18(68L)。沉淀池38有效容积为85L。
原水分别由进水管经进水泵2、3、4进入到厌氧反应器9，第二段缺氧反应器15和第三段缺氧反应器17；在厌氧反应器12、第一段缺氧反应器13、第二段缺氧反应器15、第三段缺氧反应器17中分别安装有搅拌器5、6、7、8以保持污泥处于悬浮状态，而且搅拌器均通过导线与控制总线39连接以实施在线控制开关启停；第一段好氧反应器14、第二段好氧反应器16以及第三段好氧反应器18分别设有砂头曝气器22、23、24和溶解氧传感器19、20、21，其中三个溶解氧传感器分别经溶解氧检测仪9、10、11与控制总线39连接，曝气器分别由鼓风机31、32、33提供曝气，三个曝气管路分别设置气体流量计25、26、27和电动阀28、29、30，电动阀与控制总线39连接；各段缺氧反应器和好氧反应器间隔顺次连接；沉淀池38底部通过回流污泥控制阀36和污泥回流泵35与缺氧第一段缺氧反应器13连通，剩余污泥通过剩余污泥排放控制阀37排出装置；第一段缺氧反应器13通过内循环泵34与厌氧反应器12连通；内循环泵34和污泥回流泵35经导线与控制总线连接。
图2详细描述了本发明的控制结构，主要包括：上位机PC机，安装有工业控制组态软件，具有画面监视、集中控制、模拟量显示、数据采集、数据转换、报表输出打印的功能；可编程控制器PLC控制系统，负责控制策略、程序控制、时间控制、程序调试等，包括进水相位角变化流程，进水周期变化流程和进水正弦曲线波峰波谷变化流程三个控制策略；电机控制柜及变频控制柜；执行机构及监测装置，包括pH和溶解氧等现场仪表、进水泵和污泥回流泵、及搅拌器和鼓风机等设备。
具体的控制方法和步骤为：
(一)控制进水负荷动态变化：
首先，进水泵2、3、4，内循环泵34和污泥回流泵35的控制接口与控制总线连接，便于在计算机操作界面自由设定每台泵的转速。另外，日进水动态正弦变化规律曲线的峰值和周期可以在计算机操作界面设定，可模拟多种进水水质水量变化规律，以研究该工艺装置抗冲击负荷能力。而且，对于水质冲击负荷的模拟研究，污染物浓度可以由单独的加药设备控制。流量分配控制措施为：当进水水量变化较平缓，即进水负荷稳定时，三段进水泵转速比例可保持在40％∶30％∶30％；若遇暴雨季节即水量负荷瞬间急剧增加时，可同时调大进水泵3和4或单独调大进水泵4的转速，并增加污泥回流泵35的转速，以减少对装置活性污泥的冲刷流失量。
具体的控制操作程序流程如图3所示，首先装置启动，选择自动非手动状态，设定a段进水流量分配比例，则各段进水变量为随时间变化变化的总进水变量与a段进水比例设定值的乘积，从而得出改良分段进水工艺各段进水流量均随时间呈周期变化。图4则为按照图3控制程序实现的总进水量日动态变化曲线，各段进水量变化规律与总量一致。
(二)控制恒定溶解氧：
针对进水进水负荷动态变化控制系统，保证装置硝化效果而开发的前馈-反馈控制回路，主要包括溶解氧测定仪9、10、11，溶解氧传感器19、20、21，气体流量计25、26、27和电动阀28、29、30。下面以第一段好氧反应器14为例说明恒定溶解氧控制原理及方法。
溶解氧传感器19在线检测第一段好氧反应器14内混合液的溶解氧浓度，测定值在溶解氧测定仪9上显示，该测定值经通讯传输至控制箱40后与控制程序中的溶解氧设定值比较分析，若测定值在(1.5±0.5)mg/L范围，则控制程序保持原状态，不执行任何程序；若测定值超出设定范围，则该数据信号经模拟转化输出至电动阀28，调整阀门开启度，以增加或减少鼓风机31的鼓风量，气体流量计25的作用是尽量稳定传送至好氧反应器19内的曝气量，以避免溶解氧浓度的过度震荡波动。基于现场调试，主要分为以下三种控制情况：
当进水泵2的转速变化不大，即第一段反应器12、13、14的进水负荷变化不明显，不足以影响好氧反应器14中的溶解氧浓度，则控制箱不做任何执行程序，电动阀28维持一定的开启度或微调。
当进水泵2的转速或进水污染物浓度持续增加，导致第一段反应器12、13、14的进水负荷不断增加，好氧反应器14内需氧量增加，溶解氧浓度降低，当浓度测定值小于1.0mg/L时，电动阀28开始自动调节，以4％的步幅逐渐开启，直至溶解氧浓度恢复至(1.5±0.5)mg/L范围内。
当进水泵2的转速或进水污染物浓度持续降低，导致第一段反应器12、13、14的进水负荷不断降低，好氧反应器14内需氧量减少，溶解氧浓度增加，当浓度测定值大于2.0mg/L时，电动阀28开始自动调节，以4％的步幅逐渐闭合，直至溶解氧浓度恢复至(1.5±0.5)mg/L范围内。
Claims (1)
1.一种非稳态分段进水深度脱氮除磷过程控制方法，由污水水箱(1)连接的第一段进水泵(2)、第二段进水泵(3)、第三段进水泵(4)与控制总线(39)连接，厌氧反应器(12)、第一段缺氧反应器(13)、第一段好氧反应器(14)、第二段缺氧反应器(15)、第二段好氧反应器(16)、第三段缺氧反应器(17)、第三段好氧反应器(18)相互之间隔离的独立空间，上位PC机通过以太网与可编程控制器PLC控制器连接，构成的非稳态分段进水深度脱氮除磷过程控制系统；其特征在于：包括以下步骤：
1.1、对进水负荷动态变化进行控制；
1.1.1、将第一段进水泵(2)、第二段进水泵(3)、第三段进水泵(4)、内循环泵(34)和污泥回流泵(35)的控制接口与控制总线连接；
1.1.2、在计算机操作界面设定日进水动态正弦变化规律曲线的峰值和周期；
1.1.3、由加药设备控制污染物浓度；
1.1.4、当进水水量变化平缓，三段进水泵转速比例保持在40％∶30％∶30％；若遇水量负荷瞬间急剧增加时，可同时调大进水泵的转速，并增加污泥回流泵的转速，以减少对装置活性污泥的冲刷流失量；
1.2、控制恒定溶解氧；
溶解氧传感器(19)在线检测第一段好氧反应器(14)内混合液的溶解氧浓度，测定值在溶解氧测定仪(9)上显示，该测定值经通讯传输至控制箱(40)后与控制程序中的溶解氧设定值比较分析，若测定值在1.5±0.5mg/L范围，则控制程序保持原状态，不执行任何程序；若测定值超出设定范围，则该数据信号经模拟转化输出至电动阀(28)，调整阀门开启度，以增加或减少鼓风机(31)的鼓风量；分为以下三种控制情况：
1.2.1、当第一段进水泵(2)的转速变化不大，即厌氧反应器(12)、第一段缺氧反应器(13)、第一段好氧反应器(14)的进水负荷变化不明显，则控制箱不做任何执行程序，电动阀(28)维持一定的开启度或微调；
1.2.2、当第一段进水泵(2)的转速或进水污染物浓度持续增加，导致厌氧反应器(12)、第一段缺氧反应器(13)、第一段好氧反应器(14)的进水负荷不断增加，第一段好氧反应器(14)内需氧量增加，溶解氧浓度降低，当浓度测定值小于1.0mg/L时，电动阀(28)开始调节，以4％的步幅逐渐开启，直至溶解氧浓度恢复至1.5±0.5mg/L范围内；
1.2.3、当第一段进水泵(2)的转速或进水污染物浓度持续降低，导致厌氧反应器(12)、第一段缺氧反应器(13)、第一段好氧反应器(14)的进水负荷不断降低，第一段好氧反应器(14)内需氧量减少，溶解氧浓度增加，当浓度测定值大于2.0mg/L时，电动阀(28)开始调节，以4％的步幅逐渐闭合，直至溶解氧浓度恢复至.5±0.5mg/L范围内。
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