CN102681498B - 污水处理过程优化运行方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种污水处理过程优化运行方法，步骤为：建立污水处理过程模型，进行污水处理系统出水水质预测，得到污水处理系统出水水质预测值；建立动态优化控制系统；建立工业毒水诊断与应对系统，对侵入工业毒水发出警报；建立污水处理过程远程监控与诊断系统，将污水处理厂本地的实时监控数据传送到企业管理者和上级主管部门做出决策；建立化验室管理系统，对污水处理过程的水质和工业参数进行化验测量，分析各类化验室测量数据；将上述各类化验室测量数据引入动态优化控制系统，对污泥浓度和溶解氧浓度的设定值进行修正。本发明提高了污水处理厂的自动控制水平，实现污水处理过程的节能降耗，提高了污水处理的安全性，降低了污水处理的人力资源成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种污水处理技术，具体的说是一种污水处理过程优化运行方法。
背景技术
我国正面临着水资源危机，污水治理任务紧迫而艰巨。目前我国污水处理厂运行状况不佳，能耗过高是制约污水处理行业发展的重要瓶颈。根据清华大学环境科学与工程系系统分析研究所对我国559座城镇污水处理厂2006年能耗状况的统计分析，目前我国城市污水处理厂的吨水耗电量约为0.29千瓦时，约为发达国家城市污水处理厂的吨水耗电量的2倍，而运行管理人员数是其若干倍，造成了污水处理运行成本过高。
从污水处理厂的现状来看，目前国内污水处理厂在工艺设计方面与国外相当，设备大多由国外全套引进，差距主要体现在过程控制和优化管理方面。
近年来，污水处理的基础理论和处理工艺日益成熟，但是污水处理过程优化控制技术依然落后。当前我国污水处理厂的控制水平较低，大多使用简单的PID控制或手动控制，几乎没有优化控制方法的应用。另一方面，我国污水处理厂的管理水平较低，在一定程度上影响了污水处理系统的运行效率，增加了不必要的能源和人力资源的浪费，从而增加了污水处理成本。
发明内容
针对现有技术中存在的污水处理过程能源和人力资源成本高等上述不足之处，本发明要解决的技术问题是提供一种提高系统运行效率、降低污水处理成本的污水处理过程优化运行方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
本发明污水处理过程优化运行方法包括以下步骤：
建立污水处理过程模型，在上述污水处理过程模型基础上进行污水处理系统出水水质预测，得到污水处理系统出水水质预测值；
根据污水处理系统出水水质预测值，通过对污水处理过程的循环模拟建立动态优化控制系统；
建立工业毒水诊断与应对系统，对侵入工业毒水发出警报，作出应对措施；
建立污水处理过程远程监控与诊断系统，将污水处理厂本地的实时监控数据传送到企业管理者和上级主管部门，企业管理者和上级主管部门根据上述信息做出决策；
建立化验室管理系统，对污水处理过程的水质和工业参数进行化验测量，记录到化验室管理系统中，分析各类化验室测量数据；
将上述各类化验室测量数据引入动态优化控制系统，对污泥浓度和溶解氧浓度的设定值进行修正。
所述污水处理过程模型的建立过程为：对ASM1模型的组分及反应过程进行简化，组分只考虑对化学需氧量有贡献的组分，反应过程只考虑ASM1模型中的碳去除过程，建立适合描述普通推流式活性污泥法碳去除过程的模型。
在污水处理过程模型基础上进行污水处理系统出水水质预测为：
对污水处理过程模型在污水处理厂现场仪表的检测数据统计分析的基础上，利用软测量技术实现化学需氧量、固体悬浮物浓度水质指标与模型组分浓度间的转换；
根据Arrhenius公式对污水处理过程模型的参数进行校正；
将校正后的参数输入污水处理过程模型，模拟污水处理过程，得到污水处理系统出水水质预测值。
所述建立动态优化控制系统的过程为：
将污水处理系统出水水质预测值做为反馈值，结合污水处理系统操作条件，建立溶解氧浓度设定值闭环控制回路和污泥浓度设定值闭环控制回路，得到溶解氧浓度设定值与污泥浓度设定值；
建立溶解氧浓度闭环控制回路和污泥浓度闭环控制回路，跟随溶解氧浓度设定值与污泥浓度设定值的变化。
所述工业毒水诊断与应对系统的建立过程为：
结合工业毒水特征建立专家规则库；
将入水化学需氧量与PH信号数据、曝气池溶解氧数据与专家规则库中的数据进行比较，当上述数据与专家规则库中的数据相匹配时，认为有工业毒水侵入；
启动应对措施。
所述应对措施为：降低系统入水水量；加大污泥回流量。
所述化验室管理系统包括异常工况处理单元、数据管理单元以及优化控制单元，其中：异常工况处理单元包括异常工况记录、异常工况报警；数据管理单元包括历史数据查询及数据记录；优化控制单元包括工艺参数设定修正及仪表数据校正。
所述对污泥浓度和溶解氧浓度的设定值进行修正为：根据化验室化验数据灰分和微生物呼吸率确定有效污泥浓度和污泥活性，根据有效污泥浓度动态调整污泥浓度设定值，根据污泥活性动态调整溶解氧浓度设定值。
所述专家规则为：根据仪表测量数据即入水化学需氧量与PH信号数据、曝气池溶解氧数据与工业毒水侵入之间的联系，即通过对当前工况的仪表测量数据分析判断是否有工业毒水侵入。
本发明具有以下有益效果及优点：
1.本发明通过动态优化控制系统，提高了污水处理厂的自动控制水平，实现污水处理过程的节能降耗。
2.通过工业毒水诊断与应对系统降低了工业毒水侵入的发生频率和带来的损失，从而提高了污水处理的安全性。
3.通过远程监控与诊断系统和化验室管理提高了管理效率，降低了污水处理的人力资源成本。
附图说明
图1为本发明方法应用的体系结构；
图2为本发明污水处理过程中基于活性污泥简化模型流程图；
图3为本发明污水处理过程动态优化控制方法原理图；
图4为本发明方法应用的工业毒水诊断和应对方法原理图；
图5为本发明方法应用的远程监控与诊断系统架构；
图6为本发明方法化验室管理系统功能框图。
具体实施方式
本发明污水处理过程优化运行方法应用的体系结构如图1所示，包括控制系统和管理系统，其中控制系统包含污水处理过程模型、动态优化控制系统以及工业毒水诊断与应对系统三部分，管理系统包括远程监控与诊断系统和化验室管理系统。
本发明方法的步骤如下：
建立污水处理过程模型，在上述污水处理过程模型基础上进行污水处理系统出水水质预测，得到污水处理系统出水水质预测值；
根据污水处理系统出水水质预测值，通过对污水处理过程的循环模拟建立动态优化控制系统；
建立工业毒水诊断与应对系统，对侵入工业毒水发出警报，作出应对措施；
建立污水处理过程远程监控与诊断系统，将污水处理厂本地的实时监控数据传送到企业管理者和上级主管部门，企业管理者和上级主管部门根据上述信息做出决策；
建立化验室管理系统，对污水处理过程的水质和工业参数进行化验测量，记录到化验室管理系统中，分析各类化验室测量数据；
将上述各类化验室测量数据引入动态优化控制系统，对污泥浓度和溶解氧浓度的设定值进行修正。
所述污水处理过程模型的建立过程为：对ASM1模型的组分及反应过程进行简化，组分只考虑对化学需氧量有贡献的组分，反应过程只考虑ASM1模型中的碳去除过程，建立适合描述普通推流式活性污泥法碳去除过程的模型。
污水处理过程是一个大滞后过程，水力停留时间为十几个小时，因此当前的出水水质指标只能反映十几个小时前的系统运行状况，不能反映系统当前的运行情况，为此本发明提出基于国际水协会数学模型ASM1的活性污泥简化模型，模型系统框架如图2所示。模型系统包括输入、计算、输出和评价四部分内容，其中输入部分包括动力学参数、化学计量参数、反应器参数、二沉池参数、控制参数和入水水质数据；计算部分是模型系统的核心，包括基于活性污泥简化模型的反应器生化过程描述和基于固体通量模型的二沉池处理过程描述；输出部分为通过输入和计算部分得到的系统出水水质预测数据；评价部分用于建立性能评价指标，评估当前的工艺参数和控制参数下的系统性能，包括系统能耗、出水水质等性能。基于此模型预测系统出水水质，为优化控制提供了依据。
在污水处理过程模型基础上进行污水处理系统出水水质预测为：
对污水处理过程模型在污水处理厂现场仪表的检测数据统计分析的基础上，利用软测量技术实现化学需氧量、固体悬浮物浓度水质指标与模型组分浓度间的转换；
根据Arrhenius公式(μ(t)＝u(T)eθ(t-T))对污水处理过程模型的参数进行校正；
将校正后的参数输入污水处理过程模型，模拟污水处理过程，得到污水处理系统出水水质预测值。
所述建立动态优化控制系统的过程为：
将污水处理系统出水水质预测值做为反馈值，结合污水处理系统操作条件，建立溶解氧浓度设定值闭环控制回路和污泥浓度设定值闭环控制回路，得到溶解氧浓度设定值与污泥浓度设定值；
建立溶解氧浓度闭环控制回路和污泥浓度闭环控制回路，跟随溶解氧浓度设定值与污泥浓度设定值的变化。
污水处理过程是一个复杂的生化过程，优化控制难度很大，本发明提出动态优化控制系统，其方法原理如图3所示，输入入水水质信息，基于污水处理过程模型实时预测出水水质指标，以模型预测值作为反馈，通过循环模拟，模拟操作设定参数，为生化过程控制器提供操作设定参数(如溶解氧DO和污泥浓度MLSS等)提供依据，实现污水处理过程的优化控制。同时通过出水水质指标预测值和实际值计算预测误差，通过预测误差对污水处理过程模型不断的修正，以提高模型的准确性。为保证出水水质指标预测值和实际值为同一出水的水质指标，需要考虑停留时间延迟，停留时间前的出水水质指标预测值与当前时刻的出水水质实际值为对应的同一出水水质指标。
所述工业毒水诊断与应对系统的建立过程为：
结合工业毒水特征建立专家规则库；
将入水化学需氧量与PH信号数据、曝气池溶解氧数据与专家规则库中的数据进行比较，当上述数据与专家规则库中的数据相匹配时，认为有工7业毒水侵入，启动应对措施。否则当上述数据与专家规则库中的数据不匹配时，认为没有工业毒水侵入，不需要启动应对措施。
工业毒水是由于个别企业将不达标甚至没有经过预处理的工业污水直接排放形成的，是污水生化处理系统的巨大威胁。根据工业毒水特征，结合仪表测量数据和专家经验，本发明提出了工业毒水诊断系统，系统结构如图4所示，将入水化学需氧量COD、酸碱度pH值信号和曝气池溶解氧DO信号传送到分散控制站，通过OPC传送到专家系统中，经过专家系统的信号处理，通过OPC将处理信息通过OPC传输给分散控制站，通过控制站给入水提升泵和污泥回流泵的变频器下达运行指令。该系统能提前对侵入工业毒水发出警报，及时作出应对措施，降低工业毒水侵入危害。
为降低污水处理厂的维护，管理与运营成本，特别是一些运营多家污水处理厂的大型公司，本发明方法包含了污水处理厂远程监控与诊断系统，如图5所示，将污水处理厂本地现场仪表采集到的实时监控数据，通过标准Http协议发布到WEB网络上，使企业管理者和上级主管部门(环保局等监察部门)可以通过Internet网随时了解生产和运营情况，发现问题可及时调整，提高了管理效率。
为了摆脱传统的人工记录数据录入形式对化验室工作的限制，本发明方法包含了化验室管理系统。如图6所示，该系统包含异常工况处理单元、数据管理单元和优化控制单元三部分，其中异常工况处理单元为通过化验室化验数据实现异常工况的报警和记录，数据管理单元包括数据分析、历史数据擦讯和数据记录三个功能，优化控制单元在记录和分析各类化验室测量数据的基础上，将离线化验数据(如灰分、污泥体积指数)引入控制系统，一方面参与工艺过程的优化控制，另一方面化验数据还可以对仪表测量数据进行校正。此外该系统还具有异常工况记录、报警、数据分析、查询等功能。
所述对污泥浓度和溶解氧浓度的设定值进行修正为：根据化验室化验数据灰分和微生物呼吸率确定有效污泥浓度和污泥活性，根据有效污泥浓度动态调整污泥浓度设定值，根据污泥活性动态调整溶解氧浓度设定值。
为降低污水处理过程能源和人力资源成本，提高系统运行效率，本发明提出了污水处理过程优化运行系统，从控制和管理两个方面提出技术解决方案，在辽宁某污水处理厂应用后取得理想效果。
应用后企业的控制和管理水平得到了提高，在保证出水稳定达标的前提下，每吨水处理能耗降低，员工数量由30人降至22人，节约了人力资源，年创造利润超过110万元。
Claims (8)
1.一种污水处理过程优化运行方法，其特征在于包括以下步骤：
建立污水处理过程模型，在上述污水处理过程模型基础上进行污水处理系统出水水质预测，得到污水处理系统出水水质预测值；
根据污水处理系统出水水质预测值，通过对污水处理过程的循环模拟建立动态优化控制系统；
建立工业毒水诊断与应对系统，对侵入工业毒水发出警报，作出应对措施；
建立污水处理过程远程监控与诊断系统，将污水处理厂本地的实时监控数据传送到企业管理者和上级主管部门，企业管理者和上级主管部门根据上述信息做出决策；
建立化验室管理系统，对污水处理过程的水质和工业参数进行化验测量，记录到化验室管理系统中，分析各类化验室测量数据；
将上述各类化验室测量数据引入动态优化控制系统，对污泥浓度和溶解氧浓度的设定值进行修正；
在污水处理过程模型基础上进行污水处理系统出水水质预测为：
对污水处理过程模型在污水处理厂现场仪表的检测数据统计分析的基础上，利用软测量技术实现化学需氧量、固体悬浮物浓度水质指标与模型组分浓度间的转换；
根据Arrhenius公式对污水处理过程模型的参数进行校正；
将校正后的参数输入污水处理过程模型，模拟污水处理过程，得到污水处理系统出水水质预测值。
2.按权利要求1所述的污水处理过程优化运行方法，其特征在于：所述污水处理过程模型的建立过程为：对ASM1模型的组分及反应过程进行简化，组分只考虑对化学需氧量有贡献的组分，反应过程只考虑ASM1模型中的碳去除过程，建立适合描述普通推流式活性污泥法碳去除过程的模型。
3.按权利要求1所述的污水处理过程优化运行方法，其特征在于：所述建立动态优化控制系统的过程为：
将污水处理系统出水水质预测值做为反馈值，结合污水处理系统操作条件，建立溶解氧浓度设定值闭环控制回路和污泥浓度设定值闭环控制回路，得到溶解氧浓度设定值与污泥浓度设定值；
建立溶解氧浓度闭环控制回路和污泥浓度闭环控制回路，跟随溶解氧浓度设定值与污泥浓度设定值的变化。
4.按权利要求1所述的污水处理过程优化运行方法，其特征在于：所述工业毒水诊断与应对系统的建立过程为：
结合工业毒水特征建立专家规则库；
将入水化学需氧量与PH信号数据、曝气池溶解氧数据与专家规则库中的数据进行比较，当上述数据与专家规则库中的数据相匹配时，认为有工业毒水侵入；
启动应对措施。
5.按权利要求1所述的污水处理过程优化运行方法，其特征在于：所述应对措施为：降低系统入水水量；加大污泥回流量。
6.按权利要求1所述的污水处理过程优化运行方法，其特征在于：所述化验室管理系统包括异常工况处理单元、数据管理单元以及优化控制单元，其中：异常工况处理单元包括异常工况记录、异常工况报警；数据管理单元包括历史数据查询及数据记录；优化控制单元包括工艺参数设定修正及仪表数据校正。
7.按权利要求1所述的污水处理过程优化运行方法，其特征在于：所述对污泥浓度和溶解氧浓度的设定值进行修正为：根据化验室化验数据灰分和微生物呼吸率确定有效污泥浓度和污泥活性，根据有效污泥浓度动态调整污泥浓度设定值，根据污泥活性动态调整溶解氧浓度设定值。
8.按权利要求4所述的污水处理过程优化运行方法，其特征在于：所述专家规则为：根据仪表测量数据即入水化学需氧量与PH信号数据、曝气池溶解氧数据与工业毒水侵入之间的联系，即通过对当前工况的仪表测量数据分析判断是否有工业毒水侵入。
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