一种生物处理污水工艺中的氨氮控制系统及方法
【专利摘要】本发明揭示了一种生物处理污水工艺中的氨氮控制系统及方法，用于精确控制污水处理工艺中的出水氨氮，该氨氮控制系统中级联有外回路和内回路两个控制回路，外回路为氨氮-溶解氧设定值控制回路；内回路为溶解氧设定值-曝气量控制回路，本发明首先借助于数学模型求解将反应池的实际氨氮值稳定在其目标值所需要的溶解氧，将该溶解氧值设定为反应池的溶解氧设定值；然后通过溶解氧控制器调节曝气量，使得反应池的溶解氧稳定在设定值附近。本发明能够达到直接影响或控制生化池出水氨氮的目的；有助于脱氮过程的优化，缓解当前脱氮工艺中普遍存在的过量曝气或不足的弊端，提升污水厂出水氨氮的去除效果和节能降耗水平。
【专利说明】一种生物处理污水工艺中的氨氮控制系统及方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及污水处理中氨氮量自动化控制【技术领域】，尤其是涉及一种生物处理污 水工艺中基于精确曝气系统的氨氮控制系统及方法。
【背景技术】
[0002] 随着社会发展、城市化和工业化的进程，大量未经充分处理的生活、工业废水被排 入自然水体，使得水污染现象成为危及水环境和用水安全的严重问题。在水污染问题中，水 体的富营养化尤为突出，而氮、磷这两种营养元素在其中起到了主要的作用。因此，对污水 中氮、磷元素的去除，已经成为城市污水处理厂必备的基本功能，国家出台的控制污染物排 放的标准也对氮、磷的减排提出了严格的要求。
[0003] 当前，污水处理厂脱氮的主流方式，仍然依赖于硝化和反硝化过程，即基于A20及 其变型的活性污泥工艺。常规的硝化-反硝化脱氮工艺，往往存在着效率不高、能耗较大等 缺陷。由于硝化过程是一个好氧的过程，因此需要一定的曝气量以促成硝化反应进行，以促 使出水氨氮达标。但是过多的曝气量会带来能耗上的浪费，虽然有利于氨氮的去除，然而由 于内回流的作用，可能给缺氧区的反硝化过程带来影响，抑制反硝化过程的进行，造成总氮 的去除效果不够理想。因此在脱氮过程中曝气量并非越大越好，而是需要恰到好处，既能满 足硝化需求，又不需要过高以免造成能耗的浪费和影响反硝化。这就对脱氮过程提出了精 确曝气的控制要求，以实现"按需供气"。
[0004] 精确曝气系统（简称AVS)是一种基于活性污泥数学模型和鼓风机-阀门联合控 制的技术手段，用于污水厂的精细化控制，通过设置能够使出水水质达标的溶解氧目标值， 促使鼓风机输出并由阀门分配能使好氧区的溶解氧达到目标值的气量。这一技术手段在基 本保证出水达标的前提下，节省了曝气量，也就是能耗，即以较小的代价或能耗实现预期出 水达标。
[0005] 如图1所示，精确曝气系统的控制原理示意图，精确曝气系统能够对鼓风机和受 控曝气单元的气量分配进行自动调节，根据实际水质水量数据智能分配每个溶解氧控制区 的供气量，自动调整气体流量设定值，按需曝气。总需气量通过现场每个受控曝气单元根据 水量、水质等信号通过模型进行计算，并由系统控制柜向鼓风机主控柜MCP发出指令，通过 鼓风机导叶或变频器进行气量调节；同时调节多个电动空气流量调节阀的开度，使受控曝 气单元支管内的实际气量达到所需气量，起到了气量分配的作用。
[0006] 精确曝气系统能把曝气池内溶解氧控制在0. 5?5. Omg/L之间的任一设定值，控 制精度在设定值的±〇. 5mg/L范围内，以满足好氧段内不同区域内对溶解氧浓度的不同要 求，如图2所示。
[0007] 但是，现有精确曝气系统的控制方式和控制目标只是间接影响或控制溶解氧这一 出水水质的手段。而出水水质标准不涉及到溶解氧，而针对的是化学需氧量（COD)、氨氮等， 因此现有的精确曝气系统尚不能达到直接控制生化池出水氨氮的目的。
【发明内容】
[0008] 本发明的目的在于提供一种生物处理污水工艺中的氨氮控制系统及方法，克服现 有技术的缺陷，在现有精确曝气系统的基础上作出改进，采用氨氮-溶解氧-气量三者之间 级联的控制方式，通过设置的氨氮目标值，精确控制使污水中的氨氮值达到目标值所需的 曝气量，在保证出水水质达标的基础上，节省曝气量，即以最小的代价或能耗实现预期的出 水达标。
[0009] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0010] 一种生物处理污水工艺中的氨氮控制系统，所述氨氮控制系统包括数学模型，溶 解氧控制器，受控曝气装置和污水反应池，所述污水反应池内设置有溶解氧测量仪和氨氮 测量仪，所述氨氮测试仪测出反应池内的氨氮实际值，所述数学模型根据所述氨氮实际值 和设置的氨氮目标值，设定反应池内的氨氮达到目标值的溶解氧设定值；所述溶解氧测量 仪测得反应池内的溶解氧实际值，所述溶解氧控制器根据所述溶解氧设定值和溶解氧实际 值控制所述受控曝气装置向反应池内输出能使氨氮达到目标值的气量。
[0011] 优选地，所述氨氮测量仪包括第一在线式氨氮仪和第二在线式氨氮仪所述第一 在线式氨氮仪安装在污水反应池好氧段的前端，用于测量好氧段前端的氨氮实际值；所述 第二在线式氨氮仪安装在污水反应池好氧段从前往后的1/2?3/4处，用于测量好氧段 1/2?3/4处的氨氮实际值。
[0012] 优选地,所述氨氮控制系统动态设定所述溶解氧设定值。
[0013] 优选地，所述氨氮控制系统通过人工动态时序或全自动方式来动态设定所述溶解 氧设定值。
[0014] 优选地，所述人工动态时序方式通过人工给出一个进水周期内的溶解氧设定序 列，所述氨氮控制系统根据所述溶解氧设定序列，实现溶解氧设定值的动态设定。
[0015] 优选地，所述全自动方式为所述氨氮控制系统根据反应池内的进水、出水工况，实 时设定出溶解氧设定值。
[0016] 优选地，根据所述溶解氧设定值和溶解氧实际值控制污水反应池内的氨氮达到目 标值所需的曝气量。
[0017] 本发明还提供了另外一个技术方案：一种生物处理污水工艺中的氨氮控制方法， 用于精确控制污水反应池内的氨氮达到目标值所需的曝气量，包括：
[0018] 测量污水反应池内的氨氮实际值；
[0019] 根据所述氨氮实际值和已设置的氨氮目标值动态设定溶解氧设定值；
[0020] 测量污水反应池内的溶解氧实际值；
[0021] 根据所述溶解氧设定值和溶解氧实际值控制污水反应池内的氨氮达到目标值所 需的曝气量。
[0022] 进一步，所述动态设定溶解氧设定值的方式为人工动态时序方式或全自动方式。
[0023] 又，所述人工动态时序方式为通过人工给出一个进水周期内的溶解氧设定序列， 根据所述溶解氧设定序列，实现溶解氧设定值的动态设定。
[0024] 再有，所述全自动方式为根据反应池内的进水、出水工况，实时设定出溶解氧设定 值。
[0025] 本发明是现有精确曝气系统的拓展，采取级联控制方式，首先借助于数学模型求 解将反应池的实际氨氮值稳定在其目标值所需要的溶解氧，将该溶解氧值设定为反应池的 溶解氧设定值；然后，通过溶解氧控制器调节曝气量，使得反应池的溶解氧稳定在设定值附 近。本发明能根据进水因素、环境因素以及工艺控制目标的变化而全自动进行动态溶解氧 设定，也可人工按时序设定序列动态设定溶解氧，并在此基础上计算出需气量，然后借助精 确曝气系统来达成按需供气、配气的目标，实现出水水质优化和节能降耗。
[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0027] 1、本发明根据时刻变化的进水流量、进水COD和进水氨氮等，实时计算出降解这 些氨氮所需的曝气量，达到直接影响或控制生化池出水氨氮的目的。
[0028] 2、本发明有助于脱氮过程的优化，缓解当前脱氮工艺中普遍存在的过量曝气或不 足的弊端，提升污水厂出水氨氮的去除效果和节能降耗水平。
[0029] 3、本发明进行动态溶解氧的设定，实时给出各溶解氧控制区的溶解氧设定值，并 根据溶解氧实际值动态自动调整溶解氧在其设定值附近，避免溶解氧设定响应不及时给污 水处理工艺和出水带来影响。
[0030] 4、本发明氨氮控制系统能把曝气池内氨氮控制在0. 5?20. Omg/L之间的任一设 定值，控制精度在设定值的±〇.5mg/L范围内，以满足好氧段内不同区域内对氨氮浓度的 不同要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0031] 图1是本发明现有精确曝气系统的控制原理不意图；
[0032] 图2是本发明现有精确曝气系统控制溶解氧设定值的范围示意图；
[0033] 图3是本发明氨氮控制系统的控制原理示意图；
[0034] 图4是本发明氨氮控制系统安装在线式氨氮仪的示意图；
[0035] 图5是本发明人工动态时序方式设定的溶解氧值的格式示意图；
[0036] 图6是本发明全自动的溶解氧设定控制的原理示意图；
[0037] 图7是本发明实施例污水处理厂工艺的流程示意图；
[0038] 图8是本发明实施例反应池内氨氮仪具体布置示意图；
[0039] 图9是本发明实施例人工动态溶解氧设定下的控制品质示意图；
[0040] 图10是本发明实施例中各氨氮仪测得的出水氨氮曲线示意图；
[0041] 图11是本发明氨氮控制方法的流程示意图。
【具体实施方式】
[0042] 下面将结合实施例和附图对本发明的技术方案做进一步说明。
[0043] 本发明所揭示的一种生物处理污水工艺中的氨氮控制系统，用于直接根据出水水 质的氨氮目标值，精确控制使反应池内达到氨氮的目标值所需的曝气量，适用于各种主流 的活性污泥处理工艺。
[0044] 污水生化处理系统中影响氨氮降解的因素主要有温度、溶解氧、停留时间、污泥龄 或污泥浓度等，在这些因素中，对于开放性的系统，只有溶解氧能够被控制。因此，本发明氨 氮控制系统的原理是根据时刻变化的进水流量、进水COD和进水氨氮等，时刻计算出降解 这些氨氮所需的曝气量，以使出水COD和氨氮能够稳定达标。
[0045] 如图3所示，本发明的氨氮控制系统包括污水反应池1，数学模型2,溶解氧控制器 3及受控曝气装置4;污水反应池内包括依次相连的厌氧段、缺氧段和好氧段，在反应池的 好氧段设置溶解氧测量仪5和氨氮测量仪6,分别用于测量好氧段的溶解氧实际值和氨氮 实际值。
[0046] 本发明借助于数学模型求解出将氨氮实际值稳定在其目标值所需要的溶解氧，将 该溶解氧值设定为溶解氧控制器的溶解氧设定值；溶解氧控制器根据溶解氧设定值和溶 解氧实际值调节受控曝气装置的曝气量，使得反应池内的控制区的溶解氧稳定在设定值附 近。
[0047] 与现有精确曝气系统通过控制鼓风机-阀门系统输出使污水反应池内的溶解氧 达到目标值的气量，从而间接影响或控制反应池出水水质的技术不同，本发明在现有精确 曝气系统的基础上，采用级联控制方式，通过控制鼓风机-阀门系统输出使污水反应池内 的氨氮达到目标值的气量，实现直接影响或控制反应池内出水氨氮的目的。
[0048] 具体地，本发明控制系统中级联有两个控制回路，分别为外回路和内回路，其中， 外回路为氨氮-溶解氧设定值控制回路，即为本发明在现有精确曝气系统的控制回路上级 联的一个控制回路；内回路为溶解氧设定值-曝气量控制回路，即为现有精确曝气系统的 控制回路，两个回路通过溶解氧设定值关联在一起。
[0049] 根据本发明氨氮控制系统的控制原理，在反应池好氧段的不同位置设置多台在线 式氨氮仪，以设置两台在线式氨氮仪为例，如图4所示，在好氧段的前端安装一台在线式氨 氮仪7,作为检测仪表，用于检测好氧段起始的氨氮实际值；在好氧段的1/2?3/4处（优 选2/3处）安装另一台在线式氨氮仪8作为检控仪表，用于测量出好氧段1/2?3/4处的 氨氮实际值，从而设置和控制氨氮目标值。
[0050] 下面为了描述简便，将好氧段的前端到其2/3处的区域定义为好氧段1，好氧段的 2/3处到其末端的区域定义为好氧段2。
[0051] 溶解氧测量仪对应在线式氨氮仪也设置两台，分别用于测量好氧段1和好氧段2 的溶解氧实际值。
[0052] 由于在线式氨氮仪的安装位置不同，数学模型则需要计算出氨氮浓度从好氧段的 前端降低到其2/3处所需的曝气量及从好氧段2/3处到好氧段末端所需的曝气量，并经过 转换，最终分别以好氧段1所需的溶解氧设定值，及好氧段2所需的溶解氧设定值输出。
[0053] 与现有精确曝气系统一般根据经验通过人工方式来设定溶解氧设定值不同的是， 本发明的氨氮控制系统根据进水因素、环境因素以及工艺控制目标的变化而进行动态溶解 氧的设定，以满足出水氨氮达标的要求。
[0054] 具体地，本发明氨氮控制系统的动态溶解氧设定，可以通过人工动态时序和全自 动这两种方式来实现。
[0055] 其中，人工动态时序设定是通过人工给出一个进水周期内的溶解氧设定序列，数 学模型根据该溶解氧设定序列，利用建立的函数关系式，实现各溶解氧的动态设定，一般一 个进水周期为24小时，一个进水周期可分为多个时段；如图5所示，为人工动态时序方式设 定的溶解氧值的格式示例图。
[0056] 如图6所示，其为全自动的溶解氧设定控制，是基于进水、出水工况，如进水水量、 进水C0D、进水氨氮浓度、出水C0D、出水氨氮浓度等工况，实时给出各溶解氧控制区的溶解 氧设定值。
[0057] 由于整个污水处理厂的运行是不断变化和刷新的，因而溶解氧动态设定控制器内 设置一个动态策略，溶解氧动态设定控制器根据该动态策略动态调整溶解氧设定值，否则 会出现由于响应不及时，会给工艺和出水带来影响。
[0058] 如以全自动设定控制上述图2中好氧段的溶解氧值为例，若第二在线氨氮仪的读 数高于达标线处的氨氮设定值，如图中的曲线3所示，则根据动态策略提高好氧段2的溶解 氧设定值；若第二在线氨氮仪读数低于达标线处的氨氮设定值，如曲线1所示，则减少好氧 段2的溶解氧设定值。
[0059] 本发明的核心算法与现有精确曝气系统一样，都是基于国际水协（IWA)提出的活 性污泥数学模型ASM系列，用于定量描述污水生化处理中的有机物降解、硝化、反硝化和除 磷等过程。
[0060] 本发明的氨氮控制系统会采集污水处理工艺相关的大量数据，并对所有这些数据 进行预处理运算，包括滤波、降噪等合理化处理，使采集的数据与实际工况相对应；再根据 好氧段的前端氨氮仪表实测数据进行分析，建立数学模型，动态时实设定溶解氧设定值，溶 解氧控制器根据溶解氧设定值及实测溶解氧值，控制输出使反应池内氨氮达到目标值所需 的曝气流量，作为系统相应控制单元的需气量。
[0061] 以好氧段1的溶解氧的目标设定值的算法为例，简述其计算原理：
[0062] 通过ASM模型建立氨氮的物料平衡方程：
【权利要求】
1. 一种生物处理污水工艺中的氨氮控制系统，其特征在于，所述氨氮控制系统包括数 学模型，溶解氧控制器，受控曝气装置和污水反应池，所述污水反应池内设置有溶解氧测量 仪和氨氮测量仪，所述氨氮测试仪测出反应池内的氨氮实际值，所述数学模型根据所述氨 氮实际值和设置的氨氮目标值，设定反应池内的氨氮达到目标值的溶解氧设定值；所述溶 解氧测量仪测得反应池内的溶解氧实际值，所述溶解氧控制器根据所述溶解氧设定值和溶 解氧实际值控制所述受控曝气装置向反应池内输出能使氨氮达到目标值的气量。
2. 根据权利要求1所述的生物处理污水工艺中的氨氮控制系统，其特征在于，所述氨 氮测量仪包括第一在线式氨氮仪和第二在线式氨氮仪，所述第一在线式氨氮仪安装在污水 反应池好氧段的前端，用于测量好氧段前端的氨氮实际值；所述第二在线式氨氮仪安装在 污水反应池好氧段从前往后的1/2?3/4处，用于测量好氧段1/2?3/4处的氨氮实际值。
3. 根据权利要求1所述的生物处理污水工艺中的氨氮控制系统，其特征在于，所述氨 氮控制系统动态设定所述溶解氧设定值。
4. 根据权利要求3所述的生物处理污水工艺中的氨氮控制系统，其特征在于，所述氨 氮控制系统通过人工动态时序或全自动方式来动态设定所述溶解氧设定值。
5. 根据权利要求4所述的生物处理污水工艺中的氨氮控制系统，其特征在于，所述人 工动态时序方式通过人工给出一个进水周期内的溶解氧设定序列，所述氨氮控制系统根据 所述溶解氧设定序列，实现溶解氧设定值的动态设定。
6. 根据权利要求4所述的生物处理污水工艺中的氨氮控制系统，其特征在于，所述全 自动方式为所述氨氮控制系统根据反应池内的进水、出水工况，实时设定出溶解氧设定值。
7. -种生物处理污水工艺中的氨氮控制方法，用于精确控制污水反应池内的氨氮达到 目标值所需的曝气量，其特征在于，包括： 测量污水反应池内的氨氮实际值； 根据所述氨氮实际值和已设置的氨氮目标值动态设定溶解氧设定值； 测量污水反应池内的溶解氧实际值； 根据所述溶解氧设定值和溶解氧实际值控制污水反应池内的氨氮达到目标值所需的 曝气量。
8. 根据权利要求7所述的生物处理污水工艺中的氨氮控制方法，其特征在于，所述动 态设定溶解氧设定值的方式为人工动态时序方式或全自动方式。
9. 根据权利要求8所述的生物处理污水工艺中的氨氮控制方法，其特征在于，所述人 工动态时序方式为通过人工给出一个进水周期内的溶解氧设定序列，根据所述溶解氧设定 序列，实现溶解氧设定值的动态设定。
10. 根据权利要求8所述的生物处理污水工艺中的氨氮控制方法，其特征在于，所述全 自动方式为根据反应池内的进水、出水工况，实时设定出溶解氧设定值。
【文档编号】C02F3/02GK104238586SQ201410520618
【公开日】2014年12月24日 申请日期:2014年9月30日 优先权日:2014年9月30日
【发明者】范岳峰, 胡晓东, 强雄伟 申请人:上海昊沧系统控制技术有限责任公司