专利名称：一种城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法
技术领域：
本发明涉及一种污水处理技术，尤其涉及一种城市污水厂活性污泥法中鼓风曝气系统的智能控制方法。
背景技术：
活性污泥法是城市污水处理中应用最为广泛的处理工艺，曝气池的生物好氧过程是该工艺的关键环节，在该环节，活性污泥可利用水中的溶解氧(DO)降解污水中的有机污染物，使污水得以净化。溶解氧对污染物降解速率及活性污泥的生长过程有着重要的影响，是重要的工艺调控参数，也是决定系统能耗的重要因素。鼓风曝气是常见的充氧方式之一，由于污水厂进水负荷是一个动态变化的过程，需要对鼓风曝气系统进行相应调节才能保持溶解氧的稳定·并最大程度地降低系统能耗。在先技术中，大多数城市污水厂的鼓风曝气系统采用人工控制或溶解氧-阀门反馈控制的方式。人工控制依赖于操作人员的经验，根据当前工艺运行情况和溶解氧测定值，手动调节阀门开度，从而控制池内的溶解氧浓度。该方法可靠性低，且由于控制频率较低无法对冲击负荷进行快速响应。为使溶解氧浓度更为稳定，在先技术中还公开了采用PID (比例-积分-微分)算法的溶解氧控制方法。例如，在CN201020551700. 7中公开了一种溶解氧自动测控系统，该自动测控系统包括流量传感器、前馈调节器、溶解氧检测仪、PID控制器及风机；所述流量传感器，设置在所述好氧生物处理设备的原水进水管路中，所述流量传感器检测到的原水流量信号传送于所述前馈调节器；所述溶解氧测量仪，其溶解氧传感器设置在所述好氧生物处理设备中，所述溶解氧传感器感测到的溶解氧浓度传送于所述PID控制器；所述PID控制器，包括用于比例、积分和微分运算的运算器及所述运算器输入侧的减法器和所述运算器输出侧的加法器，所述减法器输出的实时测量的溶解氧含量与设定值之间的差值，通过所述运算器的运算，得到调大或调小风机转速的控制信号并经所述加法器输入所述风机；所述前馈调节器，连接于所述加法器，当原水流量突然变化时产生调节信号并通过所述加法器叠加于所述控制信号以调节所述风机转速以改变所述溶解氧含量。在上述发明的说明书中对PID控制有如下的具体描述当原水通过管道流入曝气池内，由溶解氧传感器实时测量水体中的溶解氧浓度，并转换为电流信号，输入到PID控制器的减法器中；PID控制器的比较环节(即减法器)求出设定值与测量值的偏差e，经运算器的PID运算后，经加法器输入到变频器的输入端，通过控制风机的转速来调节风量，从而改变曝气池中溶解氧的含量。其中，运算器按偏差e的P(比例)、1 (积分)、D(微分)控制算法进行运算，输出相应的信号，当输出信号的毫安量(mA)增加时变频器频率提高，风机转速升高，反之即变频器频率下降，风机转速降低。在实际污水厂的曝气控制中，除了对鼓风机参数进行调整之外，通常还通过调节阀门开度来改变供气量，进而使溶解氧满足设定值要求。但是，当进水负荷动态变化较大时，由于溶解氧的传质及消耗过程具有滞后性、非线性、时变性等特征，使用简单PID容易造成溶解氧浓度的振荡，系统的稳定性不高，无法保证工艺的安全稳定运行。此外，在先技术未考虑阀门与鼓风机之间的协调控制，无法保证系统运行于能耗最优点，还可能造成鼓风机喘振停机等安全事故。
发明内容
鼓风曝气系统的高效控制是污水处理厂实现节能降耗的关键。在先技术不能实现溶解氧的及时、稳定的调节，造成水质的波动与能耗的浪费。本发明可适应污水厂进水负荷的变化，及时调整供气量，保持溶解氧的稳定，可显著改善污水处理厂工艺条件，并最大限度地节约曝气能耗。
鉴于上述现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种可以适应污水厂进水负荷的变化，动态调节鼓风机供气量及支管阀门开度，使曝气池溶解氧保持稳定，从而达到按需控制供给量的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法。同时，本发明的另一个目的在于提供一种实现阀门与鼓风机之间的协调控制，从而能节能降耗、保证系统运行安全，并且能降低成本的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法。本发明提供一种城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法，其特征在于，该鼓风曝气系统包括一个或者多个曝气池；对各个曝气池中的溶解氧分别进行测定的一个或者多个溶解氧测定仪；向曝气池供给空气的鼓风机；作为从鼓风机至各曝气池的空气流路的供气总管以及从供给总管分支出而与各个曝气池分别连接的供给支管；以及对鼓风曝气系统内的各项数据进行收集并对系统内的设备进行远程控制的控制器，在所述供气总管上设置有总管压力计和总管气体流量计，在所述的各个供给支管上分别设置有支管气体流量计以及阀门，所述控制器根据各个曝气池当前溶解氧浓度及变化速率，利用溶解氧平衡模型估算出当前负荷，然后以估算出的负荷及当前溶解氧浓度估算所需供气量，接着，调节鼓风机的参数以使鼓风机的总供气量与各个支管的所需供气量的总和一致，同时，通过调整各个支管上的阀门的开度，以使各个曝气池所需的供气量与各个支管上的支管气体流量计所反馈的流量一致，其中，利用所述控制器逐步调整所述鼓风机的参数，以使各个支管阀门的最大开度维持在最低设定限以上，从而使所述供气总管的压力最小。优选的实施方案中，当支管阀门最大开度低于最低设定限时，调节鼓风机参数使供气总管压力降低，此时为维持各支管气量不变，各支管阀门开度将相应增大以维持各支管气量保持不变，进而逐步调整鼓风机参数直到支管阀门最大开度高于最低设定限为止。优选的实施方案中，所述支管阀门的最低设定限为阀门开度的90%。优选的实施方案中，所述鼓风机参数的调节采用PID算法或以固定步长调节。优选的实施方案中，所述鼓风机的参数包括鼓风机的转速或导叶开度或者鼓风机单元的运行数量。优选的实施方案中，所述阀门是非线性阀门，更优选所述阀门是蝶阀。优选的实施方案中，当进水负荷变化时，所述各曝气池中的溶解氧浓度与设定值之间的偏差在±0. 5mg/L范围。
优选的实施方案中,所述各曝气池中的溶解氧浓度的设定值为1.5mg/L。优选的实施方案中，所述曝气池的数量为2个或者3个。优选的实施方案中，所述控制器包括可编程控制器，该可编程控制器中存储有与该城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法对应的控制程序。利用上述的本发明的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法，能够得到如下的技术效果(I)按需供气。曝气池各段供气量跟随需气量的变化，使曝气池在不同进水负荷条件下均能保持溶解氧的稳定，这给曝气池提供了良好的工艺环境，有利于工艺的稳定运行，同时也为各种高级控制策略的实现提供了基础。(2)节约能耗。由于实现了按需供气，并与鼓风机进行协同控制，相比在先技术，可 以最大限度地节约曝气能耗。(3)安全性保障。由于在本发明中，鼓风机与支管阀门的控制作为一个整体考虑，避免了各阀门孤立调节可能引起供气管路压力过高从而造成风机喘震等安全事故。(4)成本较低。本发明专门针对阀门的非线性特征进行了优化，不需要使用昂贵的线性阀门，只需普通的非线性阀门如蝶阀即可实现气量的精确控制。对于供气管路布局适宜的污水厂，只需增加部分仪表即可完成改造，不需要大量的硬件投入。
图I是表示本发明的城市污水厂鼓风曝气系统的整体示意图。图2是表示本实施例中一天内的溶解氧浓度逐分钟变化趋势对比图。图中，I-鼓风机、2-鼓风机、3-鼓风机、4-供气总管、5-总管压力计、6_总管气体流量计、7-电动调节阀、8-电动调节阀、9-电动调节阀、10-支管气体流量计、11-支管气体流量计、12-支管气体流量计、13-曝气池、14-溶解氧测定仪、15-溶解氧测定仪、16-溶解氧测定仪。
具体实施例方式本发明以曝气池溶解氧的稳定性及鼓风曝气系统的节能运行为控制目标，重点解决进水负荷动态变化时供气量的精确控制以及鼓风机与各支管阀门的协同控制问题。本方法的使用需与现场仪表设备布局相结合，适宜的布局图如图I所示。如图I所示，本发明的鼓风曝气系统包括曝气池13，曝气池沿水流方向划分为若干个单元(一般为2段以上，本实施例中是3个)；设置在各个曝气池的中后段并对曝气池13中的溶解氧进行测定的溶解氧测定仪14、15、16 ;向曝气池供给空气的鼓风机1、2、3 ;作为从鼓风机至各曝气池的空气流路的供气总管4以及从供给总管4分支出而与各个曝气池3分别连接的供给支管；以及对鼓风曝气系统内的各项数据进行收集并对系统内的设备进行远程控制的控制器(未图示)。在所述供气总管4上设置有总管压力计5和总管气体流量计6，在所述的各个供给支管上分别设置有支管气体流量计10、11、12以及电动调节阀7、8、9。这些电动调节阀实现对单元供气量的独立调节。所述控制器根据各个曝气池当前溶解氧浓度及变化速率，利用溶解氧平衡模型估算出当前负荷，然后以估算出的负荷及当前溶解氧浓度估算所需供气量。所述溶解氧平衡模型根据本领域常用的ASMl模型简化得到，可用如下方程表示. = QffSals - + r 0V + K Lai Oitsi-其中，V为曝气池体积，q为进水流量，S0为溶解氧浓度，S0j in为进水溶解氧浓度，S0, sat为饱和溶解氧浓度，r0为溶解氧的消耗速率，KLa为氧的传质系数。接着，调节鼓风机1、2、3的参数以使鼓风机的总供气量与各个支管的所需供气量的总和一致，同时，通过调整各个支管上的阀门的开度，以使各个曝气池所需的供气量与各个支管上的支管气体流量计所反馈的流量一致。在该调节过程中，利用所述控制器逐步调整所述鼓风机的参数，以使各个支管阀 门的最大开度维持在最低设定限以上，从而使所述供气总管的压力最小。当支管阀门最大开度低于最低设定限时，调节鼓风机参数使供气总管压力降低，此时为维持各支管气量不变，各支管阀门开度将相应增大以维持各支管气量保持不变，进而逐步调整鼓风机参数直到支管阀门最大开度高于最低设定限为止。其中，所述支管阀门的最低设定限为阀门开度的90%。所述鼓风机参数的调节采用PID算法或以固定步长调节。所述鼓风机的参数包括鼓风机的转速或导叶开度或者鼓风机单元的运行数量。另外，所述阀门是非线性阀门，如可采用蝶阀。使用这样的阀门，可以根据历史数据推出定压力及液位条件下的阀门特性曲线，抵消阀门非线性的影响。另外，当进水负荷变化时，所述各曝气池中的溶解氧浓度与设定值之间的偏差在±0. 5mg/L范围,其中，所述各曝气池中的溶解氧浓度的设定值为I. 5mg/Lo所述控制器包括可编程控制器，该可编程控制器中存储有与该城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法对应的控制程序。下面，对本发明的控制原理进行更详细说明。(I)需气量计算。受负荷波动等因素影响，曝气池各段需气量时刻处于动态变化过程中，只有对其做出准确估算，才能实现各单元的按需曝气。曝气池中溶解氧浓度的变化速率取决于氧的传质速率与消耗速率，其中，氧的消耗速率受进水负荷及微生物活性等因素的影响，是干扰变量，氧的传质速率受当前系统的供气量影响，是控制变量。氧的消耗速率可由当前氧的传质速率和当前溶解氧的变化速率进行估计，由当前氧的消耗速率可反推出将溶解氧维持至设定值时所需的供气量。氧的传质速率与供气量的关系不是固定不变的，而是受曝气系统的特性、供气量、水温、气压、溶解氧浓度等因素共同影响，需要根据最新的历史数据对其参数进行定期修正，使其符合当前工况。(2)气量分配算法。估算出各段需气量后，需要通过支管阀门调节使供气量与需气量保持一致。阀门开度与气量的关系受气体压力、阀门特性、曝气池液位等因素的影响，呈非线性的复杂关系。本方法首先根据历史数据推出定压力及液位条件下的阀门特性曲线，抵消阀门非线性的影响；然后使用PID反馈控制进一步消除气体压力、曝气池液位等扰动因素造成的影响，从而保证使各段气量调节快速、精确。(3)鼓风机协同控制算法。鼓风机的控制目标是①满足曝气池总需气量的要求；②使曝气总管的压力最小从而使支管阀门维持在尽可能大的开度，减少能量损失。首先由曝气池各段总需气量确定鼓风机供气量，然后根据当前各支管阀门的开度及总管压力值，确定鼓风机最优的压力设定值。(实施例)下面，结合实施例，对本发明的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法进行进一步说明。以某城市污水厂的鼓风曝气单元作为实施对象，该厂为AAO工艺，处理能力约为120，OOOmVd,进水流量时变化系数为I. 3，进水COD约为250_350mg/L，曝气池水深6m分为AB两组，每组曝气区域分为3段。每段分别采用DN500、DN400、DN300的独立空气管供气；每个空气管上安装有电动调节阀，阀体为普通蝶阀，采用Auma多回转执行机构；每个子区安装了荧光法溶解氧测定仪。鼓风机房采用三台HV-Turbo高速离心鼓风机，功率为360kW/h，单台供气量范围 为6000-14000m3/h。其中一台常开，采用人工就地控制的模式。采用本发明中的方法，在现有系统基础之上进行了改造，首先在每个电动阀门之后的空气管上安装热式质量气体流量计，其次将鼓风机设置为远程自动状态，利用鼓风机MCP控制柜，可直接给定气压设定值进行调节，最后利用本发明中的控制方法修改现有可编程序控制器上的控制程序。在完成控制调试后，实际运行情况如下(I)当进水负荷相对稳定时，曝气池各个子区的溶解氧变化幅度较小，此时电动阀门通过低频率的小幅调节来抵消由于负荷变化及微生物活性变化等因素引起的溶解氧浓度的变化，各个子区的溶解氧浓度基本稳定在各自设定值的±0. 3mg/L内。由于总需气量基本保持稳定，鼓风机状态维持不变。(2)当进水负荷显著增加时，曝气池各个子区的溶解氧均呈现较大幅度的下降趋势，各子区的需气量计算值亦随之增加，电动阀门快速开大。此时总需气量计算结果增加较大，鼓风机通过调整转速或导叶开度使压力设定值逐渐增大，以使总供气量满足要求。当进水负荷显著减小时，执行结果与此相反。在负荷变化的过渡阶段，溶解氧浓度可稳定在设定值的±0. 5mg/L内ο图2是本实施例中曝气池A末段一天内的溶解氧浓度逐分钟变化趋势对比图。在图2中，曲线I表示实施前溶解氧浓度变化曲线，曲线2表示实施后溶解氧浓度变化曲线，控制前后进水流量变化范围大致相同，约在3900-5200m3/h范围内波动。从图2中可以看出，在未实施本发明中的控制方法之前，溶解氧浓度曲线I波动范围很大，波动区间为lmg/L至7mg/L ;而在实施本发明中的控制方法之后，溶解氧浓度曲线非常稳定，溶解氧的实际浓度在设定值(1.5mg/L)附近波动,最大偏差为±0. 5mg/L。以上，对本发明的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法进行了详细说明，但本发明并不被这些实施方式的所限定，而本领域技术人员能够在不经过创造性劳动就能变更或者替换的所有范围都应包含在本发明的范围之内。
权利要求
1.一种城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法，其特征在于， 该鼓风曝气系统包括一个或者多个曝气池；对各个曝气池中的溶解氧分别进行测定的一个或者多个溶解氧测定仪；向曝气池供给空气的鼓风机；作为从鼓风机至各曝气池的空气流路的供气总管以及从供给总管分支出而与各个曝气池分别连接的供给支管；以及对鼓风曝气系统内的各项数据进行收集并对系统内的设备进行远程控制的控制器， 在所述供气总管上设置有总管压力计和总管气体流量计， 在所述的各个供给支管上分别设置有支管气体流量计以及阀门， 所述控制器根据各个曝气池当前溶解氧浓度及变化速率，利用溶解氧平衡模型估算出当前负荷，然后以估算出的负荷及当前溶解氧浓度估算所需供气量， 接着，调节鼓风机的参数以使鼓风机的总供气量与各个支管的所需供气量的总和一致，同时，通过调整各个支管上的阀门的开度，以使各个曝气池所需的供气量与各个支管上的支管气体流量计所反馈的流量一致， 其中，利用所述控制器逐步调整所述鼓风机的参数，以使各个支管阀门的最大开度维持在最低设定限以上，从而使所述供气总管的压力最小。
2.根据权利要求I所述的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法，其特征在于， 当支管阀门最大开度低于最低设定限时，调节鼓风机参数使供气总管压力降低，此时为维持各支管气量不变，各支管阀门开度将相应增大以维持各支管气量保持不变，进而逐步调整鼓风机参数直到支管阀门最大开度高于最低设定限为止。
3.根据权利要求I所述的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法，其特征在于， 所述支管阀门的最低设定限为阀门开度的90 %。
4.根据权利要求I所述的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法，其特征在于， 所述鼓风机参数的调节采用PID算法或以固定步长调节。
5.根据权利要求I所述的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法，其特征在于， 所述鼓风机的参数包括鼓风机的转速或导叶开度或者鼓风机单元的运行数量。
6.根据权利要求I所述的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法，其特征在于， 所述阀门是非线性阀门。
7.根据权利要求I所述的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法，其特征在于， 当进水负荷变化时，所述各曝气池中的溶解氧浓度与设定值之间的偏差在±0. 5mg/L范围。
8.根据权利要求7所述的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法，其特征在于， 所述各曝气池中的溶解氧浓度的设定值为I. 5mg/Lo
9.根据权利要求I所述的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法，其特征在于， 所述曝气池的数量为2个或者3个。
10.根据权利要求I所述的城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法，其特征在于， 所述控制器包括可编程控制器，该可编程控制器中存储有与该城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法对应的控制程序。
全文摘要
本发明提供一种城市污水厂鼓风曝气系统智能控制方法，包括曝气池；溶解氧测定仪；鼓风机；供气总管及供给支管；控制器；总管上的总管压力计和总管气体流量计；支管气体流量计以及阀门。控制器根据各个曝气池当前溶解氧浓度及变化速率，利用溶解氧平衡模型估算出当前负荷，然后以估算出的负荷及当前溶解氧浓度估算所需供气量，接着，调节鼓风机的参数以使鼓风机的总供气量与各个支管的所需供气量的总和一致，同时通过调整各个支管上的阀门的开度，以使各个曝气池所需的供气量与各个支管上的支管气体流量计所反馈的流量一致，其中，利用控制器逐步调整鼓风机的参数，以使各个支管阀门的最大开度维持在最低设定限以上，从而使供气总管的压力最小。
文档编号C02F3/12GK102863074SQ20111018822
公开日2013年1月9日 申请日期2011年7月6日 优先权日2011年7月6日
发明者不公告发明人 申请人:北京源汇远科技有限公司