专利名称：高新实时控制生化反应池中曝气量的技术
技术领域：
本发明涉及一种实时控制生化反应池中曝气量方法。
背景技术：
城市污水多采用以活性污泥法为基础的生物处理工艺，其基本原理是利用人工曝气，使得活性污泥均勻分散，和污水充分接触，对污水中的有机污染物质进行合成和降解， 从而达到去除污染物的目的。生物处理工艺是污水处理厂的核心设施，其运行控制效果直接关系到整个污水处理厂的处理能力。生物处理过程是个复杂的生化反应过程，影响活性污泥微生物活性的因素包括基质条件(如碳源、氮源、磷源、有毒化学物质、重金属离子等)和环境因素(如温度、PH、溶解氧、内回流及外回流等)。生物工艺控制就是通过改变某些基质条件和环境因素，使活性污泥发挥稳定的降解性能，去除污水中的污染物。污水处理厂自动化运行控制历来是自动化技术领域内的难点。其中精确曝气控制和运行节能更是长期以来一直追求的目标。传统的污水处理厂曝气是基于保证出厂水质达标基础上的，采用相对保守的控制参数进行控制回路整定。以A/0工艺的生化反应池溶解氧(DO)控制为例，为保证有机物去除和硝化反应同时在一个反应器中顺利进行，DO设定值一般相对较高。其后果一方面增加了曝气系统能耗，同时导致过多溶解氧回流到缺氧区抑止了反硝化的进行。由于曝气池中DO值与充氧量存在较大的非线性和滞后性，一般控制方法很容易造成DO值震荡，难以使DO值稳定在实时给出的目标值附近，导致处理效果不理想，并且增加了鼓风机、阀门等曝气控制设备调节动作频率，进一步增加设备损耗。因此，本领域的技术人员致力于开发一种能实时控制生化反应池中曝气量的方法。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的是提供一种解决曝气池中DO值与充氧量存在较大的非线性和滞后性的方法。为实现上述目的，本发明提供了一种实时控制生化反应池中曝气量的方法，包括步骤一，将监测仪置于反应池的进水端、池中、出水端；步骤二，将监测仪采集的水质水量数据传递至中央控制系统，所述中央控制系统中包括实时生化反应模型模块、智能转换模块和供气管网气体动力模型模块，所述实时生化反应模型模块依据水质水量数据计算出反应池需氧量和溶解氧目标值，所述智能转换模块根据反应池需氧量、溶解氧目标值和反应池中耗氧速率计算得到生化反应池中供气量，所述供气管网气体动力模型模块依据供气量计算出反应池的空气阀开度和风机压力数据；步骤三，中央控制系统将空气阀开度和风机压力数据传递至执行机构；
步骤四，执行机构控制空气阀的开合。进一步的，其中所述步骤一还包括所述生化反应池还包括一沉淀池，所述沉淀池包括污水进口、污水出口、污泥出口、污泥回流口，所述污水进口与所述反应池的出水端相连，所述反应池还包括一污泥回流端，所述污泥回流端与所述沉淀池的污泥回流口相连，将监测仪置于沉淀池的污泥回流口 ；所述步骤二还包括所述实时生化反应模型模块依据水质水量数据计算出沉淀池的污泥回流量；所述步骤三还包括中央控制系统将污泥回流量数据传递至执行机构。进一步的，其中所述水质水量数据包括流量、氨氮含量、硝酸盐含量数据。进一步的，其中还包括可编程逻辑控制器(PLC)，所述监测仪通过可编程逻辑控制器与所述中央控制系统连接。进一步的，其中所述实时生化反应模型模块、智能转换模块和供气管网气体动力模型模块通过用于过程控制的对象连接和嵌入(OPC)接口与中央控制系统连接。进一步的，其中所述监测仪包括氨氮监测仪、硝酸盐监测仪和水量监测仪。进一步的，其中所述实时生化反应模型模块包括仿真数学模型和实际运行过程中的相关干扰量。优选的，其中所述仿真数学模型是仿真微生物呼吸过程，或是仿真有机碳的处理过程，或是仿真氨氮硝化与反硝化过程，或是仿真污泥的回流过程的数学模型。优选的，其中所述仿真数学模型为国际水协(IWAQ)的活性污泥数学模型(Activated Sludge Models 简称 ASM)。进一步的，其中所述执行机构包括空气阀、风机和回流泵。本发明的实时生化反应模型模块中仿真数学模型优选ASM模型体系中的ASM2D模型。本发明的智能转换模块，是以实时生化反应模型模块计算得到的生化反应池的需氧量和溶解氧目标值为依据，根据生化反应池中生化反应的耗氧速率，采用数学对表的方法计算得到生化反应池中供气量的控制目标值。本发明的供气管网气体动力模型模块包括英国的热流体系统仿真分析 (FL0WMASTER)模型。需要说明的是，本发明的执行机构的空气阀、风机和回流泵上还设有行程控制装置，以利于控制系统对执行机构的控制。在本发明的较佳实施方式中，本发明的生化反应池包括反应池和沉淀池，将监测仪置于反应池的进水端、池中、出水端，沉淀池的污泥回流口。将监测仪采集的水质水量数据通过可编程逻辑控制器(以下简称PLC)传递至中央控制系统；中央控制系统中包括实时生化反应模型模块、智能转换模块和供气管网气体动力模型模块，实时生化反应模型模块和智能转换模块依据水质水量数据计算出生化反应池供气量、溶解氧目标值和污泥回流量，供气管网气体动力模型模块依据供气量计算出反应池的空气阀开度和风机压力数据； 中央控制系统将污泥回流量、空气阀开度和风机压力数据传递至执行机构；执行机构控制阀门、风机和回流泵的开合。其中实时生化反应模型模块包括ASM2d模型；供气管网气体动力模型模块包括英国FL0WMASTER模型。本发明具有以下优点1，克服了污水处理领域生化反应池风量调节控制以定性控制为主、控制效果不佳、运行能耗较高、粗放性控制的缺点；2，通过控制方式的转变克服了污水处理控制中存在的非线性、大滞后、干扰严重等技术难点。本发明对于关键参数的控制改变以往的“反馈控制”模式，采用“前馈控制”控制模式，较为准确真实地预测了生化反应池中污染物负荷的变化趋势，预先对相关控制参数给予适当补偿，避免了因污染物干扰、处理过程滞后等因素对污水处理过程持续运行控制造成的不利影响，保证污水处理调节控制过程的平稳连续；3，引入模型技术作为控制的支撑和依据，克服了污水处理中曝气量控制调节的盲目性，提高了自动控制的可信度以及控制效果的评估能力；4，实现了专业数学模型与控制系统的实时数据传输。本项目通过活性污泥模型、 供气管网空气动力学模型等专业计算机数学模型的二次开发和完善，实现了模型与控制系统间的实时对接，实现模型的实时仿真和计算。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1是本发明的一个较佳实施例的生化反应池控制系统的结构示意图。图2是本发明的一个较佳实施例的生化反应池控制系统的信息流程示意图。
具体实施例方式如图1所示，本发明较佳实施例中的生化反应池包括反应池1和沉淀池2。监测仪3包括氨氮监测仪、硝酸盐监测仪和水量监测仪。执行机构包括空气阀7、风机8和污泥回流泵9。反应池1包括进水端、出水端和污泥回流端，反应池1与空气阀7和风机8相连。 沉淀池2包括进水口、出水口、污泥回流口和污泥出口，沉淀池2与污泥回流泵9相连。沉淀池的污水进口与所反应池的出水端相连，沉淀池的污泥回流口与反应池的污泥回流端相连，本发明较佳实施例中的中央控制系统包括实时生化反应模型模块5、智能转换模块51 和供气管网气体动力模型模块6。中央控制系统通过可编程逻辑控制器4与监测仪和执行机构相连。本发明的较佳实施例将监测仪3置于反应池1的进水端、池中、出水端和沉淀池2 的污泥回流口，以采集污水及回流液中的氨氮、硝酸盐、亚硝酸和水量等数据。并将采集的水质水量数据通过现场控制可编程逻辑控制器4传输至中央控制系统中的实时生化反应模型模块5。实时生化反应模型模块5包括活性污泥数学模型ASM2d和实际运行过程中的相关干扰量。实时生化反应模型模块依据传输来的数据计算出合理的反应池需氧量、溶解氧目标值和污泥回流量；中央控制系统中的智能转换模块51以实时生化反应模型模块5计算得到的反应池需氧量和溶解氧目标值为依据，根据反应池中生化反应的耗氧速率，采用数学对表的方法计算得到反应池中供气量的控制目标值，并通过OPC接口反馈给中央控制系统。中央控制系统将实时生化反应模型模块和智能转换模块计算得到的数据参数同步传送给供气管网气体动力模型模块6，该模块采用气体流量平衡算法计算供气管网中各个空气阀的开度设定值、管网总管的总压设定值、风机的运行状态等气体动力学参数，并将计算结果通过OPC接口反馈给中央控制系统。中央控制系统综合实时生化反应模型模块、智能转换模块和供气管网气体动力模型模块反馈的数据，通过现场可编程逻辑控制器4传输至执行机构中的空气阀7，风机8和回流泵9，并驱动执行机构完成相应动作，实现曝气池溶解氧、污泥回流量的实时在线控制。本发明通过实时监测污水的处理情况，在线调整反应池中曝气量和污泥回流量， 确保反应池生化反应需氧量的同时避免过量曝气和过多回流的污泥造成污泥沉降特性降低、对反硝化反应的抑制和运行能量的浪费等不良后果。并且实时模拟、同步跟踪了空气阀以及总管风压的运行工况，实现管网总体的综合优化调节控制。本发明的较佳实施例中还包括将污水进水进行预处理的步骤，将污水进水依次通过进水井和初沉池，以利于生化反应池对污水的进一步处理。反应池中的污水处理工艺采用改良型缺氧/好氧(A/0)法组合工艺。即在同一个反应池内平行设置两条池渠，将70% 的污水按传统好氧活性污泥法进行处理，另外30%的污水通过脱氮和好氧硝化工艺处理， 处理后的两股出水混合进人沉淀池进行泥水分离后经紫外线消毒排放。两种工艺共用一个污泥回流系统。沉淀池采用平流式沉淀池，沉淀池产生的剩余污泥经重力浓缩后由板框压滤机脱水后外运。运用计算机模型开展实时在线模拟计算是本发明的一大特色，通过本发明的应用改变了以往计算机模型在污水处理厂运行处理工程中只能用于离线分析研究的状况，实现了模拟与控制的实时对接。借助模型的仿真实现污水处理厂运行的可视化和数字化，进一步扩大了模型的应用范围。本较佳实施例中的计算机模型包括实时生化反应模型和供气管网气体动力学模型。实时生化反应模型建设的基础工艺理论是活性污泥理论。活性污泥也是目前国际国内绝大多数污水处理厂设计中广泛采用的工艺理论。1980年代起国际水协(IWAQ)根据该理论的技术特点开发了相应的模型标准，形成了较为完整的活性污泥数学模型(Actived Sludge Models简称ASM)体系。该体系经过近30年的发展，目前已经发展出ASM1、ASM2、 ASM2d和AMS3等版本的模型标准。ASM2d模型除了包含碳和氮的去除等反应过程外，还包含生物除磷过程，增加了厌氧水解、发酵及生物除磷、化学除磷及聚磷菌缺氧生长等反应过程。它含19种组分、21种反应、22个化学计量系数及45个动力学参数。ASM2d模型是目前活性污泥模型体系中较为完善的一个版本，能够较好的模拟反映污水处理厂的实际运行情况。供气管网气体动力学模型选用英国FLOWMASTER。FL0WMASTER平台全球领先的一维流体系统仿真解算工具，是面向工程的完备的流体系统仿真软件包，系统具有稳定独特的计算算法，快速的求解能力、实时动态的显示能力、高精度的仿真结果和完备的后处理能力。能够对水/液系统、油、气(空气、氧气、二氧化碳、氢气等)等流体系统进行精确的压力、流量、流速、温度分析。系统模拟的算法主要是基于压力-流量关系，对系统压力分布、 流量分布及元件流阻、流量及流速进行精确的计算是软件的基本功能。对于由多个元件组成的流体系统，FLOWMASTER的解算器利用迭代求解系数矩阵的方式计算出系统的节点压力，然后根据元件的流阻特性及流量守恒的原理得到主干和分支的流量，进而得到流速、雷诺数、马赫数等参数。本发明中的FLOWMASTER将动量方程、连续性方程和能量方程同时进行耦合求解，根据元件的性能参数，考虑元件与流体介质及环境的传导换热、对流换热及辐射换热，同时还考虑温度对流体介质的动力学粘度、定压比热、密度和热膨胀速率的影响， 通过反复迭代得到流体系统的温度分布，并给出元件的实际换热量、热阻、换热效率及努谢尔数等参数。如图2所示的本发明的实施例的信息流程图，监测仪把采集到的进水水质、水量和实测的DO、MLSS, NH4-N, NO3-N等信息通过现场PLC传输至中央控制系统；中央控制系统中的实时生化反应模型模块、智能转换模块和供气管网气体动力学模型模块通过模型模拟完成溶解氧DO的设定范围和供气量的选择计算，以及供气管网运行状态和管网总压、调节阀开度等控制参数的优化计算；中央控制系统根据计算的结果指令现场PLC来调节执行机构中各空气阀、风机和回流泵的开度，最终完成生化反应池曝气量的优化控制。本发明的曝气量控制系统分为3个控制层次，包括机侧手动控制层面、区域控制层面和中央控制系统。最基础的控制层次主要是受控设备附近的机侧手动控制层面，包括监测仪和执行机构。该层面的主要控制要求是实现单台设备的机侧手动控制功能，是控制系统最基本的机构，主要负责上级控制层次传送的控制信息，并直接驱动受控设备执行控制指令，完成控制命令。机侧手动控制层面包含了大量的监测仪和执行机构，负责控制调节指令完成状况的监测以及控制效果数据的反馈，同时能够在中央控制系统或上级控制单元控制失效或解除控制的情况下实现强制手动控制，是整个控制系统的基础；介于中央控制系统与机侧手动控制层面之间的是以PLC为核心控制设备的区域控制层面。由于污水处理厂在运行过程中需要涉及的设备较多，不仅有与处理工艺相关的系统，同时还有供水、供电等辅助性设备，对于这些辅助设备的运行情况也需要加以监测和控制。系统设计上以设备功能、服务范围和工艺流程等条件为原则，划分部分控制区，对于同一功能区设置PLC进行统一控制管理，PLC 一方面负责根据中央控制系统的指令下达并执行本控制区域设备调节控制的指令，一方面作为现场信息的转送枢纽将现场监测仪实时采集的信息输送至中央控制系统。并且本发明的实时生化反应模型的模拟计算也可在PLC 的层面内实现；位于控制系统最顶层的是中央控制系统。中央控制系统是运行控制的核心，所有电气、机械设备的运行数据均最终传送至中央控制系统，中央控制系统根据数据的来源和需求进行数据的分发和保存。在本发明的实施例中，中央控制系统包括4台控制工作站，各调节控制系统软件均安装部署于上述控制工作站内。工作站的分工包括一台负责进行精确曝气量的计算； 一台负责供气管网空气动力学模型的模拟计算；另设两台互为热备份的监控计算机负责污水处理厂其他控制监测功能的实现，包括设备运行状态的监测、流量、水位等基本水力参数的监测等。中央控制系统内同时设置2台控制服务器，负责污水处理厂控制系统的组态、主要控制回路、实时数据库和历史数据库的维护以及与现场控制设备间的实时数据通讯。所有计算机系统均通过100M光纤环网实现互通互联以及信息的实时传输。中央控制系统通过数据接口 OPC将模拟计算所需的数据传输给相应的计算模型模块，并实时、同步的驱动模型对当前运行工况进行模拟计算和预测。对于模型的计算结果，中央控制系统从模型中提取与控制相关的部分数据形成控制策略，然后分发给执行机构以完成一次完整的控制周期。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种实时控制生化反应池中曝气量的方法，包括步骤一，将监测仪置于反应池的进水端、池中、出水端；步骤二，将监测仪采集的水质水量数据传递至中央控制系统，所述中央控制系统中包括实时生化反应模型模块、智能转换模块和供气管网气体动力模型模块，所述实时生化反应模型模块依据水质水量数据计算出反应池需氧量和溶解氧目标值，所述智能转换模块根据反应池需氧量、溶解氧目标值和反应池中耗氧速率计算得到生化反应池中供气量，所述供气管网气体动力模型模块依据供气量计算出反应池的空气阀开度和风机压力数据；步骤三，中央控制系统将空气阀开度和风机压力数据传递至执行机构；步骤四，执行机构控制阀门的开合。
2.如权利要求1所述的实时控制生化反应池中曝气量的方法，其中所述步骤一还包括所述生化反应池还包括一沉淀池，所述沉淀池包括污水进口、污水出口、污泥出口、污泥回流口，所述污水进口与所述反应池的出水端相连，所述反应池还包括一污泥回流端，所述污泥回流端与所述沉淀池的污泥回流口相连，将监测仪置于沉淀池的污泥回流口；所述步骤二还包括所述实时生化反应模型模块依据水质水量数据计算出沉淀池的污泥回流量；所述步骤三还包括中央控制系统将污泥回流量数据传递至执行机构。
3.如权利要求1或2所述的实时控制生化反应池中曝气量的方法，其中所述水质水量数据包括流量、氨氮含量、硝酸盐含量数据。
4.如权利要求1或2所述的实时控制生化反应池中曝气量的方法，其中还包括可编程逻辑控制器，所述监测仪通过可编程逻辑控制器与所述中央控制系统连接。
5.如权利要求1或2所述的实时控制生化反应池中曝气量的方法，其中所述实时生化反应模型模块、智能转换模块和供气管网气体动力模型模块通过用于过程控制的对象连接和嵌入接口与中央控制系统连接。
6.如权利要求2所述的实时控制生化反应池中曝气量的方法，其中所述监测仪包括氨氮监测仪、硝酸盐监测仪和水量监测仪。
7.如权利要求1或2所述的实时控制生化反应池中曝气量的方法，其中所述实时生化反应模型模块包括仿真数学模型和实际运行过程中的相关干扰量。
8.如权利要求7所述的实时控制生化反应池中曝气量的方法，其中所述仿真数学模型是仿真微生物呼吸过程，或是仿真有机碳的处理过程，或是仿真氨氮硝化与反硝化过程，或是仿真污泥的回流过程的数学模型。
9.如权利要求8所述的实时控制生化反应池中曝气量的方法，其中所述仿真数学模型为国际水协的活性污泥数学模型。
10.如权利要求2所述的实时控制生化反应池中曝气量的方法，其中所述执行机构包括空气阀、风机和回流泵。
全文摘要
本发明公开了一种实时控制生化反应池中曝气量的方法，包括将监测仪置于反应池的进水端、池中、出水端，沉淀池的污泥回流口。将监测仪采集的水质水量数据通过PLC传递至中央控制系统；中央控制系统中的实时生化反应模型模块依据水质水量数据计算出生化反应池需氧量、溶解氧目标值和污泥回流量；智能转换模块将生化反应池需氧量转换为供气量；供气管网气体动力模型模块依据供气量计算出反应池的空气阀开度和风机压力数据；中央控制系统将污泥回流量、空气阀开度和风机压力数据传递至执行机构；执行机构控制阀门、风机和回流泵的开合。应用本发明实现了生化反应池中曝气量的实时在线控制。
文档编号C02F3/02GK102156432SQ20111004208
公开日2011年8月17日 申请日期2011年2月22日 优先权日2011年2月22日
发明者蒋隽睿, 陈洪 申请人:上海市城市建设设计研究院
