CN104102255B - 氨氮耦合溶解氧曝气节能控制系统和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种氨氮耦合溶解氧曝气节能控制系统及控制方法，控制系统设有控制柜、柜内设有PLC自控组件和计算机，计算机内装有数据采集分析电路模块；设有在线液位计、在线氨氮仪、在线污泥浓度计、在线温度计、在线溶解氧测定仪、全天侯在线氨氮智能分析仪和在线污泥硝化活性智能分析仪；曝气管路上设有气体均衡配置器、气体流量计、空气压力计。控制方法包括如下步骤：1)计算机编入数据采集分析程序；2)通过污水处理厂计算机和在线仪表获得数据并计算出曝气池中的需气量；3)控制柜根据计算所得需气量调整鼓风机的输出气量；4)根据溶解氧设定值对溶解氧进行微调。本发明适用于帮助生物池实现曝气量自动控制，控制灵活，自动化程度高，能大大节省能源，提高污水处理工艺稳定性。

Description

氨氮耦合溶解氧曝气节能控制系统和控制方法

技术领域

本发明专利涉及一种污水处理技术，具体是一种氨氮耦合溶解氧曝气节能控制系统及控制方法，适用于控制城市污水处理厂活性污泥法生物处理工艺生物池中沿程的曝气强度和溶解氧梯度，能提高脱氮除磷效果，增强运行稳定性并节省曝气能耗。

技术背景

目前，国内城市污水处理覆盖区域越来越广，处理标准越来越严格。很多新建污水处理厂正在投资建设，一些老旧污水处理厂面临升级改造，以满足逐渐增大的处理水量和日益严格的出水标准。在现有和新建污水处理厂中，既有传统生物处理工艺，如A²O工艺等，也有一些新工艺得到推广性应用，如MBR工艺等。生物处理工艺的运行稳定性、可靠性、高效性将对城市污水处理厂污水处理达标并实现再生回用影响重大。

传统生物处理工艺如A²O工艺，具有技术成熟、运行操作简单、应用广泛等特点，而新工艺如MBR工艺具有节省占地、出水水质较好等特点。然而，无论是传统工艺还是新工艺，均存在能耗普遍较高的缺点，尤其是曝气能耗，这无疑极大的增加了运行费用。活性污泥法生物处理工艺中，生物池段运行方式通常包括厌氧区、缺氧区和好氧区。为了确保去除COD和氨氮等好氧污染物，好氧区往往会处于过量曝气状态。据统计，A²O工艺吨水电耗在0.3～0.4kWh/m³左右，而MBR工艺则高达0.5～0.7kWh/m³左右，甚至更高。无论采用何种工艺，曝气系统能耗约占工艺总能耗的50％～70％。并且过量曝气会影响污泥微生物活性，从而影响运行稳定性。

因此，在提高污水处理工艺运行效果及稳定性和降低运行能耗的目标推动下，有必要开发生物池曝气节能控制系统及方法，以帮助实现活性污泥法生物处理工艺的可持续发展。

发明内容

本发明目的是针对上述技术问题，提供一种氨氮耦合溶解氧曝气节能控制系统及控制方法，本发明设置完备的检测系统和自动控制系统，采用氨氮耦合溶解氧的控制方式，以出水氨氮值为最终控制目标，以溶解氧值为中间调节参数。通过流量计和在线传感器等将流量、溶解氧和氨氮等在线信号反馈给计算模型，实时计算所需计算气量后再对曝气池进行供气，并根据溶解氧设定值和在线实时值对供气量进行修正。该方法自动合理控制曝气量，既能满足对曝气量的科学控制，又能帮助实现处理工艺高效稳定运行，保障出水氨氮稳定达标。

为实现上述目的，本发明采取了如下技术方案：

氨氮耦合溶解氧曝气节能控制系统，其特征是：设有控制柜，安装于控制柜内的PLC自控组件和计算机，所述计算机内装有数据采集分析电路模块，计算机与PLC自控组件进行信号和控制连接；设有安装在污水处理工艺各生物池上的在线液位计、在线氨氮仪、在线污泥浓度计、在线温度计、在线溶解氧测定仪、全天侯在线氨氮智能分析仪和在线污泥硝化活性智能分析仪；上述安装在生物池上的在线仪表均跟所述控制柜内的计算机进行信号连接；在所述生物池的曝气管路上设有气体均衡配置器、气体流量计、空气压力计，其中气体均衡配置器分别与PLC自控组件和计算机进行信号和控制连接，气体流量计和空气压力计与计算机进行信号连接；另外，生物池曝气管路所连通的鼓风机的控制器与PLC自控组件进行信号和控制连接，所述计算机还与污水处理厂的主控制计算机进行信号和控制连接。

应用上述的氨氮耦合溶解氧曝气节能系统控制方法，其特征包括如下步骤：

1)将上述仪表设备安装完毕后并建立相互间的信号连接；将下面公式(1)-(3)编入计算机3的程序内：

其中，

Os-标准状态下生物反应池污水需氧量(kgO₂/h)；

Q-生物反应池的进水流量(m³/d)，从污水处理厂主控制计算机处采集得到；

ΔX_H-排出生物反应池系统的微生物量(kg/d)，从污水处理厂主控制计算机处采集得到；

N_t-生物反应池进水氨氮浓度(mg/L)，由氨氮测定传感器测得；

N_te-生物反应池出水氨氮浓度(mg/L)，由全天侯在线氨氮智能分析仪(9)测得；

S_S-出水有机底物浓度(mg/L)；从污水处理厂主控制计算机处采集得到；

y-MLSS中MLVSS所占比例，根据试验确定；

Y_t-污泥总产率系数(kgMLSS/kgBOD₅)，根据试验确定；

S_SF-进水有机底物浓度，mg/L，从污水处理厂主控制计算机处采集得到；

So-溶解氧浓度，mg/L，由在线溶解氧测定仪(8)测得；

q_A-曝气量，m³/h；

E_A-曝气器氧的利用率(％)

2)通过污水处理厂主控制计算机15获得有机底物浓度、进水流量、生物池容积；在线仪表(4)-(10)将相应的生物池液位、进水氨氮浓度、污泥浓度、温度、溶解氧、出水氨氮浓度和硝化速率数值通过4～20mA信号传输给计算机，通过计算机根据公式(1)-(3)计算出曝气池中的需气量q_A；

3)计算机(3)将q_A数值传输给鼓风机控制柜(14)，然后由鼓风机(16)及其控制柜(14)调整鼓风机输出气量，达到计算值q_A；

4)与此同时，在线污泥硝化活性智能分析仪10将不同溶解氧浓度下的氨氮硝化速率值传输给计算机3，计算机3绘出氨氮硝化速率随溶解氧变化的规律曲线，然后根据在线污泥浓度计6、在线温度计7和设计的水力停留时间值：14小时，确定出生物池中实际的硝化速率，并通过氨氮硝化速率随溶解氧变化的规律曲线找到相对应的溶解氧浓度，以此溶解氧浓度作为溶解氧控制设定值DO_SET；

5)当鼓风机按q_A值输出气量时，首先将气体流量计12反馈的实际流量值与q_A值相比较，若与q_A值不一致则再次对鼓风机进行调整直到达到q_A值，若与q_A值一致则该调整周期内不再对鼓风机气量进行调节。而是，根据在线溶解氧测定仪8反馈的实际溶解氧值与DO_SET相比较，若一致则该周期内不再进行任何调整，若不一致则对曝气支管上配有的气体均衡配置器11进行调节，使在线溶解氧测定仪8反馈的实际溶解氧值与DO_SET值一致。对曝气进行精确调节时，需实时考虑空气压力计13的反馈值，该值指示了鼓风机工作状态或气体管路情况是否正常；

对气体均衡配置器进行调节，实现稳定的溶解氧；对所有供气管路上的气体均衡配置器进行调节时遵循三个原则：1、避免同时调节；2、气体均衡配置器开度总和保持不变；3、总有一个气体均衡配置器开度处于最大；

6)返回步骤2)，不断重复上述调节过程，考虑到气量传输和气体在水中传质的滞后性，以及出于对设备频繁调节的保护，两次q_A值计算之间和两次溶解氧值调整之间的时间间隔要≥30s。

本发明具有的特点和有益效果：

1)氨氮耦合溶解氧曝气节能控制方法广泛适用于活性污泥法生物处理工艺曝气池。

2)该控制方法以模型计算为依据，对多种生物处理工艺有普适性，可根据具体工艺参数灵活调整。

3)以出水氨氮为最终控制目标，节约曝气量的同时最大限度的保障了出水水质达标。

4)本控制方法在某20万吨/天的示范工程应用时可实现节约曝气能耗10％。因此，采用该控制方法对曝气系统进行合理控制时节能效果显著。

5)本方法采用了多种在线仪表，实现对曝气量精确控制的同时，可以辅助运行人员对工艺状况进行预测分析。

附图说明：

图1是本发明的控制系统的结构示意图。

图中：1.控制柜；2.PLC自控组件；3.计算机，4.在线液位计；5.在线智能氨氮分析仪；6.在线污泥浓度计；、7.在线温度计；8.在线溶解氧测定仪；9.全天候氨氮智能分析系统；10.污泥硝化活性智能分析系统；11.调整气体均衡配置器；12.气体流量计；13.空气压力计；14.鼓风机的控制器；15.主控制计算机；

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明做说明：实施例1：参见附图，氨氮耦合溶解氧曝气节能控制系统，设有控制柜1，控制柜内设有PLC自控组件2和计算机3，所述计算机内装有数据采集分析电路模块，计算机与PLC自控组件进行信号和控制连接；设有安装在污水处理设备各生物池上的在线液位计4、氨氮测定传感器5、在线污泥浓度计6、在线温度计7、在线溶解氧测定仪8、全天侯在线氨氮智能分析仪9和在线污泥硝化活性智能分析仪10；上述安装在生物池上的在线仪表均跟所述控制柜内的计算机进行信号连接；在所述生物池的曝气管路上设有气体均衡配置器11、气体流量计12、空气压力计13，其中气体均衡配置器分别与PLC自控组件和计算机进行信号和控制相连，气体流量计和空气压力计与计算机进行信号连接；另外，生物池曝气管路连通的鼓风机16的控制柜14与PLC自控组件进行信号和控制连接；所述计算机还与污水处理厂的主控制计算机15进行信号和控制相连。

实施例2：氨氮耦合溶解氧曝气节能系统的控制方法，包括如下步骤：

1)将上述仪表设备安装完毕后并建立相互间的信号连接；将下面公式(1)-(3)编入计算机3的程序内：

其中，

Os-标准状态下生物反应池污水需氧量(kgO₂/h)

Q-生物反应池的进水流量(m³/d)，从污水处理厂主控制计算机15处采集得到

ΔX_H-排出生物反应池系统的微生物量(kg/d)

N_t-生物反应池进水氨氮浓度(mg/L)，由氨氮测定传感器5测得；

N_te-生物反应池出水氨氮浓度(mg/L)，由全天侯在线氨氮智能分析仪9测得；

S_S-出水有机底物浓度(mg/L)；从污水处理厂主控制计算机处采集得到；

y-MLSS中MLVSS所占比例，根据试验确定；

Y_t-污泥总产率系数(kgMLSS/kgBOD₅)，根据试验确定；

S_SF-进水有机底物浓度，mg/L，从污水处理厂主控制计算机15处采集得到；

So-溶解氧浓度，mg/L，由在线溶解氧测定仪8测得；

q_A-曝气量，m³/h；

E_A-曝气器氧的利用率，％。

2)通过污水处理厂主控制计算机15获得有机底物浓度、水量、生物池容积、回流量；在线仪表4-10将相应的生物池液位、进水氨氮浓度、污泥浓度、温度、溶解氧、出水氨氮浓度和硝化速率数值通过4～20mA信号传输给计算机3，通过计算机3根据上述公式(1)-(3)计算出曝气池中的需气量q_A为160万kg/h，具体计算过程如下：

水质水量值

上述水质水量值分别通过在线液位计4、氨氮测定传感器5、全天侯在

线氨氮智能分析仪9和主控制计算机15获得。

其中y值取0.8，Y_t值取0.8，将上述数据代入公式(1)得：

代入公式(2)得：

E_A值此处取20％，代入公式(3)得：

3)计算机3将q_A数值传输给鼓风机控制柜14，然后由控制柜14按照q_A值输出气量；

4)与此同时，在线污泥硝化活性智能分析仪10将不同溶解氧浓度下的氨氮硝化速率值传输给计算机3，计算机3绘出氨氮硝化速率随溶解氧变化的规律曲线，然后根据在线污泥浓度计6、在线温度计7和设计的水力停留时间值(14小时)确定出生物池中实际的硝化速率，并通过氨氮硝化速率随溶解氧变化的规律曲线找到相对应的溶解氧浓度，以此溶解氧浓度作为溶解氧控制设定值DO_SET。

5)当鼓风机按q_A值输出气量时，首先将气体流量计12反馈的实际流量值与q_A值相比较，若与q_A值不一致则再次对鼓风机进行调整直到达到q_A值，若与q_A值一致则该调整周期内不再对鼓风机气量进行调节。而是，根据在线溶解氧测定仪8反馈的实际溶解氧值与DO_SET相比较，若一致则该周期内不再进行任何调整，若不一致则对曝气支管上配有的气体均衡配置器11进行调节，使在线溶解氧测定仪8反馈的实际溶解氧值与DO_SET值一致。对曝气进行精确调节时，需实时考虑空气压力计13的反馈值，该值指示了鼓风机工作状态或气体管路情况是否正常。

对所有供气管路上的气体均衡配置器进行调节时遵循三个原则：1、避免同时调节；2、气体均衡配置器开度总和保持不变；3、总有一个气体均衡配置器开度处于最大；

6)返回步骤2)，不断重复上述调节过程，考虑到气量传输和气体在水中传质的滞后性，以及出于对设备频繁调节的保护，两次q_A值计算之间有15min的时间间隔，每两次溶解氧值调整之间的时间间隔为2min。

本两个实施例试运行了6个月，效果十分明显，曝气能耗较原来降低了10％，合理控制曝气后出水指标效果改善明显，系统一级A达标率可稳定维持在90％以上。

Claims (1)

1.一种氨氮耦合溶解氧曝气节能控制系统，设有控制柜(1)，控制柜内设有PLC自控组件(2)和计算机(3)，所述计算机内装有数据采集分析电路模块，计算机与PLC自控组件进行信号和控制连接；设有安装在污水处理设备各生物池上的在线液位计(4)、在线氨氮仪(5)、在线污泥浓度计(6)、在线温度计(7)、在线溶解氧测定仪(8)、全天侯在线氨氮智能分析仪(9)和在线污泥硝化活性智能分析仪(10)；上述安装在生物池上的在线仪表均跟所述控制柜内的计算机进行信号连接；在所述生物池的曝气管路上设有气体均衡配置器(11)、气体流量计(12)、空气压力计(13)，其中气体均衡配置器分别与PLC自控组件和计算机进行信号和控制连接，气体流量计和空气压力计与计算机进行信号连接；另外，生物池曝气管路连通的鼓风机(16)及鼓风机控制柜(14)与PLC自控组件进行信号和控制连接；所述计算机(3)还与污水处理厂的主控制计算机(15)进行信号和控制连接；

上述的氨氮耦合溶解氧曝气节能控制系统的控制方法，其特征是：包括如下步骤：

1)将上述仪表设备安装完毕后并建立相互间的信号连接；将下面公式(1)-(3)编入计算机(3)的程序内：

${\mathrm{\ΔX}}_H={\mathrm{yY}}_t\frac{Q(S_{SF}-S_S)}{1000}---\left(1\right)$

$O_S=\frac{1.47}{1000}Q(S_{SF}-S_S)-1.42{\mathrm{\ΔX}}_H+1.74\[0.001Q(N_t-N_{te})\]---\left(2\right)$

$q_A=\frac{O_S}{0.28E_A}---\left(3\right)$

其中，

Os-标准状态下生物反应池污水需氧量(kgO₂/h)

Q-生物反应池的进水流量(m³/d)，从污水处理厂主控制计算机(15)处采集得到；

ΔX_H-排出生物反应池系统的微生物量(kg/d)

N_t-生物反应池进水氨氮浓度(mg/L)，由在线氨氮仪(5)测得；

N_te-生物反应池出水氨氮浓度(mg/L)，由全天候在线氨氮智能分析仪(9)测得；

S_S-出水有机底物浓度(mg/L)；从污水处理厂主控制计算机(15)处采集得到；

y-MLSS中MLVSS所占比例，根据试验确定；

Y_t-污泥总产率系数(kgMLSS/kgBOD₅)，根据试验确定；

S_SF-进水有机底物浓度(mg/L)，从污水处理厂主控制计算机(15)处采集得到；

q_A-曝气量，(m³/h)；

E_A-曝气器氧的利用率(％)；

2)通过污水处理厂主控制计算机(15)获得有机底物浓度、进水流量、生物池容积；在线仪表(4-10)将相应的生物池液位、进水氨氮浓度、污泥浓度、温度、溶解氧、出水氨氮浓度和硝化速率数值通过4～20mA信号传输给计算机(3)，通过计算机(3)根据上述公式(1)-(3)计算出曝气池中的曝气量q_A；3)计算机(3)将q_A数值传输给鼓风机控制柜(14)，然后由鼓风机控制柜(14)调整鼓风机输出气量，达到计算值q_A；

4)与此同时，在线污泥硝化活性智能分析仪(10)将不同溶解氧浓度下的氨氮硝化速率值传输给计算机(3)，计算机(3)绘出氨氮硝化速率随溶解氧变化的规律曲线，然后根据在线污泥浓度计(6)、在线温度计(7)和设计的水力停留时间值：14小时，确定出生物池中实际的硝化速率，并通过氨氮硝化速率随溶解氧变化的规律曲线找到相对应的溶解氧浓度，以此溶解氧浓度作为溶解氧控制设定值DO_SET；

5)当鼓风机按q_A值输出气量时，首先将气体流量计(12)反馈的实际流量值与q_A值相比较，若与q_A值不一致则再次对鼓风机进行调整直到达到q_A值，若与q_A值一致则调整周期内不再对鼓风机气量进行调节；而是，根据在线溶解氧测定仪(8)反馈的实际溶解氧值与DO_SET相比较，若一致则该周期内不再进行任何调整，若不一致则对曝气支管上配有的气体均衡配置器(11)进行调节，使在线溶解氧测定仪(8)反馈的实际溶解氧值与DO_SET值一致；对曝气进行精确调节时，需实时考虑空气压力计(13)的反馈值，该值指示了鼓风机工作状态或气体管路情况是否正常；

对气体均衡配置器进行调节，实现稳定的溶解氧；对所有供气管路上的气体均衡配置器进行调节时遵循三个原则：1、避免同时调节；2、气体均衡配置器开度总和保持不变；3、总有一个气体均衡配置器开度处于最大；

6)返回步骤2)，不断重复上述调节过程，考虑到气量传输和气体在水中传质的滞后性，以及出于对设备频繁调节的保护，两次q_A值计算之间和两次溶解氧值调整之间的时间间隔要≥30s。