A/o生物脱氮反应器、硝化过程的调节方法及其在线模糊控制装置、方法

专利名称：A/o生物脱氮反应器、硝化过程的调节方法及其在线模糊控制装置、方法
技术领域：
本发明涉及一种污水处理工艺及其控制装置与方法，特别是一种连续流生物脱氮工艺硝化装置与方法及其智能控制装置和方法。
背景技术：
随着经济的发展和人类生活水平的提高，用水量急剧增长、污水排放量也相应增加，加剧了水资源的短缺和水体富营养化问题。富营养化问题是当今世界面临的最主要的水污染问题之一。近年来，虽然我国污水处理率不断提高，但是由氮磷污染引起的水体富营养问题不仅没有解决，而且有日益严重的趋势。可见，污水处理的主要矛盾已逐渐由有机污染物的去除转变为氮、磷污染物的去除。这就促使人们对常规活性污泥法进行改造，以提高氮、磷的去除率。氮化合物(如NH4+-N和NO3--N)的分子量比较小，无法通过投加药剂来去除；另外，如果利用膜技术来去除氮化合物，仅有反渗透膜技术是最有效的。因此氮的去除是污水处理的难点和重点，只有利用生物脱氮技术才是最合理可行的。另一方面，污水中的磷化合物利用生物处理方法有时不易去除，但通过投药混凝可实现满意的除磷效果。因此，生物脱氮技术是污水深度处理的关键所在。
当前实现脱氮的工艺很多，最具有代表性的工艺主要有SBR法、A/O法、氧化沟工艺，然而SBR法只能应用在小型污水处理厂、具有池容闲置期长、运行复杂等缺点，在城市污水处理厂的应用很少。而氧化沟工艺属于延时曝气工艺，具有基建费用和运行费用高的缺点。A/O生物脱氮工艺是缺氧/好氧(Anoxic/Oxic)生物脱氮工艺的简称，是我国目前城市污水处理厂应用最多的一种脱氮工艺，反硝化在缺氧条件下运行，含碳有机物的去除和氨氮的硝化在好氧条件下运行，与传统的多级生物脱氮工艺相比具有很多优点。但是，目前我国污水处理厂生物脱氮普遍存在着能耗高、效率低以及运行不稳定的缺点。由于城市进水水质水量的巨大变化、以及季节性温度的变化等波动性因素的影响，导致A/O工艺出水氨氮浓度波动很大，经常出现超标排放现象。出水氨氮浓度的严重超标，将严重加重水体的富营养化。氨氮会消耗水体的溶解氧，使藻类过度繁殖，这种水如果排放到水源水体中会增加制水成本。另外污水排放标准对出水氨氮浓度的要求也越来越高，我国80％以上的污水处理厂存在着硝化效果差，出水氨氮超标排放的现象。目前城市污水处理厂中对曝气量的控制，大部分采取恒定曝气量控制，少部分采用恒定DO浓度控制，没有从系统优化方面来考虑曝气量的控制。然而城市污水处理厂进水水质与水量随时间变化很大、外界干扰因素多，如果按上述方式控制，当进水氨氮浓度高时出水水质不合格；当进水浓度低时，导致曝气过量，既增加系统运行费用同时又易于发生污泥膨胀。由于我国城市污水处理厂广泛地应用A/O工艺处理城市生活污水或部分工业废水，另外城市污水处理厂曝气能耗约占污水厂运行费用的50％或更多，由于污水处理所需运行费用是庞大的、长期的，如果通过有效控制，能将城市污水处理厂的运行费用节省1％，也是个天文数字。因此如何提高工艺硝化效率，以解决我国日益严重的水污染问题，在我国现阶段无论从节省资金、提高污水处理效果和优化污水脱氮等方面都有重大的理论意义和现实意义。
模糊控制(Fuzzy Control)是智能控制的重要组成部分与支柱。自zadeh提出模糊集合理论以来，模糊控制在工程中的应用日益广泛与深入，特别是近年来其研究与应用成果更受人们的瞩目。当前，模糊控制理论已在各种工程系统在线过程控制中得到应用。然而模糊控制在水处理中的研究与应用很少，主要集中在SBR法上，例如CN1387099A。对于连续流生物脱氮工艺(即A/O法)，由于系统复杂的动态性、高度的时变性和非线性，至今未实现模糊控制。国内对A/O工艺的控制仅仅是实现了系统的连续运行，未考虑系统的优化运行及其稳定性。

发明内容
本发明的目的是提供一种A/O生物脱氮工艺的硝化方法及其在线模糊控制装置与控制方法，解决A/O生物脱氮工艺运行工况优化智能控制和提高稳定性的问题；并解决A/O生物脱氮工艺硝化效果差、出水氨氮浓度不稳定、运行费用高的问题。
本发明的技术方案这种A/O生物脱氮反应器，由缺氧池、好氧池和二沉池组成，其特征在于其缺氧池至少有一个格室，好氧池至少有两个串联的格室，缺氧区连通进水管，缺氧池内有搅拌器，好氧池内设有曝气器，二沉池与出水管连通，进水口连续进水，出水口连续出水，二沉池底部连接剩余污泥排泥管和污泥回流管，污泥回流管与进水管连通，其间连接污泥回流泵，好氧池出口与缺氧池入口之间连接内循环回流管和内循环回流泵，向缺氧池内还连通有外碳源投加管道和外碳源投加计量泵。
这种根据权利要求1的A/O生物脱氮方法，其特征在于在反应池内进行以下调节(1)、在缺氧区连续搅拌，进行反硝化反应，在好氧区连续曝气，进行硝化反应；(2)、当进水氨氮负荷较高或出水氨氮浓度较低时，增大曝气器进气阀门的开启度，提高曝气量；相反减小曝气器进气阀门的开启度；(3)、关闭或开启不同格室的曝气器的进气阀门，从而增加或降低好氧池和缺氧池的体积比，并开启或关闭对应反应池内的搅拌装置；(4)、增加或降低回流污泥泵阀门开启度，从而调节反应器内污泥浓度，以满足硝化所需；(5)、反应池运行过程中维持内循环回流泵的开启状态，维持硝化液回流比为2；(6)、剩余污泥排泥管的排泥间隔，以控制系统污泥龄SRT维持在12-15天。
这种A/O生物脱氮硝化过程的在线模糊控制装置，其特征在于在A/O反应器内放置三种在线传感器，采集溶解氧(DO)浓度、进水氨氮(SNHin)、出水氨氮浓度(SNHe)和污泥浓度(MLSS)浓度的信号；将采集的信号输入模拟数字转换元件A/D，转换成数字信号；将数字信号输入计算机，应用模糊控制规则，经过模糊化计算采用Mamdani模糊算法进行模糊推理、经非模糊化计算后，得到模糊控制变量；再将模糊控制变量经数字模拟转换元件D/A转换成控制信号；控制信号输入执行机构，实时模糊控制好氧区DO浓度、好氧区体积和反应器内污泥浓度。
上述模糊控制规则如下表好氧区DO浓度模糊控制规则表

上述模糊控制规则如下表MLSS模糊控制规则表

这种A/O生物脱氮硝化过程的在线模糊控制方法，其特征在于在反应池内置有溶解氧(DO)浓度、进水氨氮浓度和出水氨氮浓度和污泥浓度(MLSS)在线传感器，上述传感器经导线与DO测定仪、氨氮测定仪和MLSS浓度测定仪连接后与计算机数据信号的输入接口连接，计算机的数据信号输出接口，经导线连接执行机构，执行机构的曝气继电器、回流污泥继电器、搅拌继电器经接口分别与鼓风机阀门、回流污泥泵阀门和搅拌机控制阀门连接；溶解氧(DO)浓度的控制根据进水氨氮浓度和出水氨氮浓度应用模糊控制规则来动态确定好氧区DO浓度设定值，并调节曝气量的大小，从而维持好氧区所需DO浓度；当进水氨氮负荷较高或出水氨氮浓度较高时，增大曝气器进气阀门的开启度，从而增大曝气量；相反减小曝气器进气阀门的开启度；好氧区体积的控制根据好氧区DO浓度是否超过上下限设定值来开启或关闭不同格室曝气器的进气阀门，从而增加或降低好氧区和缺氧区的体积比，并开启或关闭对应反应池内的搅拌装置；DO浓度上下限值分别为3.5mg/L和0.5mg/L，当DO浓度超过3.5mg/L时，增大好氧区体积，当好氧区DO浓度降低到0.5mg/L时，减少好氧区体积；但好氧区占反应池总体积只比最大不超过85％，最小不低于35％；污泥浓度(MLSS)的控制通过出水氨氮浓度和MLSS浓度大小，应用模糊控制规则动态控制；反应器的污泥浓度最大不超过5000mg/L，最小不低于1000mg/L；每次污泥回流量的增降幅度不超过15％，当不需污泥回流模糊系统且可满足硝化效果时，污泥回流比取0.6。
上述模糊控制规则如下表好氧区DO浓度模糊控制规则表

上述模糊控制规则表达为当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“很小”时，好氧区DO浓度为“很小”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“小”时，好氧区DO浓度为“小”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“中小”时，好氧区DO浓度为“中小”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度为“中间值”时，好氧区DO浓度为″中间值″；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“中大”时，好氧区DO浓度为“不大不小”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“大”时，好氧区DO浓度为“中大”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“很大”时，好氧区DO浓度为“中大”；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“很小”时，好氧区DO浓度为“很小”；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“小”时，好氧区DO浓度为“中小”；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“中小”时，好氧区DO浓度为″中间值″；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“中间值”时，好氧区DO浓度为″中大″；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“中大”时，好氧区DO浓度为“中大”；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“大”时，好氧区DO浓度为“大”；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“很大”时，好氧区DO浓度为“很大”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“很小”时，好氧区DO浓度为“中小”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“小”时，好氧区DO浓度为“中间值”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“中小”时，好氧区DO浓度为“中间值”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“中间值”时，好氧区DO浓度为“大”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“中大”时，好氧区DO浓度为“大”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“大”时，好氧区DO浓度为“很大”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“很大”时，好氧区DO浓度为“很大”。
上述模糊控制规则如下表
MLSS模糊控制规则表

上述模糊控制规则表达为当反应器内污泥浓度为“小”且出水氨氮浓度为“小”时，回流污泥比为“正小”；当反应器内污泥浓度为“小”且出水氨氮浓度为“中”时，回流污泥比为“正大”；当反应器内污泥浓度为“小”且出水氨氮浓度为“大”时，回流污泥比为“正大”；当反应器内污泥浓度为“中”且出水氨氮浓度为“小”时，回流污泥比“不变，保持原有状态”；当反应器内污泥浓度为“中”且出水氨氮浓度为“中”时，回流污泥比为“正小”；当反应器内污泥浓度为“中”且出水氨氮浓度为“大”时，回流污泥比为“正小”；当反应器内污泥浓度为“大”且出水氨氮浓度为“小”时，回流污泥比为“负大”；当反应器内污泥浓度为“大”且出水氨氮浓度为“中”时，回流污泥比为“负小”；当反应器内污泥浓度为“大”且出水氨氮浓度为“大”时，回流污泥比为“不变，保持原有状态”。
本发明的工作原理以生活污水为处理对象，通过大量的试验研究，在进水水质不同的情况下，获得DO浓度、好氧池体积和MLSS浓度与硝化反应的之间的内在关系。确定A/O工艺去除有机物和硝化反应的最优运行方式和参数，提高工艺运行的稳定性和可控制性，为A/O工艺硝化反应实现智能控制提供理论基础。根据上述试验结果和智能控制理论，建立A/O工艺硝化反应模糊控制方法。其中最主要的部分是模糊控制器的设计，它包括被控变量的模糊化处理、建立模糊控制规则，做出模糊决策，控制变量的非模糊化处理，以及相应的计算机算法，模糊控制器输入变量包括进水氨氮浓度、出水氨氮浓度和MLSS浓度，输出变量包括好氧池DO浓度、好氧池体积和回流污泥量。对智能控制系统的可行性与可靠性进行系统的模拟试验验证，并反复修改与完善，直至得到一个准确可靠的在线模糊控制系统。
有益效果本发明可根据进水水质与水量的动态变化控制曝气量、好氧池体积和反应池内污泥浓度，准确地把握硝化反应进行的程度，避免传统控制方法好氧池DO浓度过高或过低、好氧区体积不足(硝化差)或过量(总氮去除率低)以及反应池污泥浓度不足等现象。DO浓度过高会导致充氧效率降低，增加运行能耗，破坏污泥絮体，并严重影响反硝化环境；DO浓度过低，可能造成污泥沉淀性能变差，引起污泥膨胀并可导致N2O的生成。本发明不仅能提高A/O工艺硝化反应效率、降低出水氨氮浓度、减少系统运行费用，而且对进一步提高其它活性污泥法的硝化效率也有重要的理论意义与应用价值，本发明属于多目标控制。
本发明与现有技术相比，具有下列优点流程简单、构筑物少，基建费用和运行费用较低，占地面积小。以原污水中的含碳物质和内源代谢产物作为反硝化碳源物质，可节省外碳源投加费用，从而达到充分的反硝化。好氧池在缺氧池之后，可以进一步去除反硝化残留的有机物，使出水水质得到改善。缺氧池在好氧池之前，由于反硝化消耗了大部分有机碳源，有利于减轻好氧池的有机负荷，减少好氧池的需氧量。反硝化产生的碱度可以补充原水碱度不足以及硝化过程中对碱度的消耗。A/O工艺的缺氧池可起到生物选择器的作用，有利于控制污泥膨胀。易于在常规活性污泥法系统上改建，实现以最小的改建投资满足更高的水污染控制需要。
在线模糊控制装置用来确定好氧池DO浓度，而应用传统的PI控制器控制曝气量，维持好氧池DO浓度。可在降低出水氨氮浓度的情况下，尽可能减少曝气量，同时以进水氨氮浓度作为前馈控制信号，避免单纯以出水氨氮浓度作为控制信号，由于系统的滞后性，造成出水氨氮浓度波动性较大。
本发明基于DO浓度和好氧池体积联合控制，可避免好氧池DO浓度过高、过低以及好氧池体积不足，可实时控制好氧池DO浓度和好氧池体积，保证出水氨氮浓度达标排放的前提下尽可能节约运行费用。
本发明规定了DO浓度、好氧池体积占反应池总体积比以及反应池内MLSS的最小值和最大值，避免控制变量变化过大，造成系统运行不稳定、不安全，增加了系统的安全性、稳定性和可靠性。
本发明选择能够在线检测、响应时间短、精确度较高的溶解氧(DO)浓度、氨氮浓度和MLSS浓度作为A/O法硝化反应过程的被控制变量。这三个控制变量是硝化反应的最主要的影响因素，因此本系统具有控制精度高、运行效率高的特点。
管理、操作方便，费用低。另外不管外界因素如何变化，都会实现较好的硝化效果，抗冲击负荷能力强，不易发生污泥膨胀。
根据原水水质水量的变化来调节和控制DO浓度、好氧区体积和反应器内污泥浓度三个参数，在保证出水水质的前提下节省能耗，使A/O工艺反应器得以高效、稳定运行。本发明针对不同进水水质(不同进水COD浓度、不同的进水氨氮浓度、不同的进水量等)，对DO浓度、好氧区体积和反应器内污泥浓度做出相应的调节与控制，来解决运行过程中出现的出水氨氮浓度难以控制以及运行费用较高的实际问题。基于大量的实验研究数据，为硝化过程提供一种模糊控制的装置和方法，为A/O工艺的更广泛的应用提供可靠的运行，解决了传统恒定曝气量或恒定DO浓度控制A/O工艺所存在的问题，解决了A/O工艺由于曝气量、好氧硝化池体积不足或MLSS不足所引起的硝化反应不完全，造成出水氨氮浓度不达标或较高的问题；同时解决了A/O工艺由于曝气量过高或好氧池体积过大所带来的运行费用提高的问题，从而达到高效率、低消耗的处理水平，增强工艺的优化与控制。
A/O生物脱氮工艺在处理生活污水时，通过模糊控制好氧区DO浓度、好氧区体积和污泥浓度，可以实现90％和95％以上的COD和氨氮去除率，可以节约15％以上的曝气能耗费用，从而解决A/O工艺硝化效果不稳定、运行费用较高的问题。
本发明可广泛应用于已采用A/O工艺的污水处理厂或准备采用A/O工艺的污水处理厂或传统活性污泥法改造或扩建为具有脱氮功能的污水处理厂。


图1是本发明A/O生物脱氮反应器结构的示意图；图2是本发明A/O生物脱氮反应器在线模糊控制装置的结构示意图；图3是本发明A/O生物脱氮反应器在线模糊控制方法步骤的示意图；图4是DO输入变量-进水氨氮(SNHin)的隶属函数图；图5是DO输入变量-出水氨氮(SNHe)的隶属函数图；图6是DO输出变量-好氧区DO浓度(DO)的隶属函数图；图7是基于DO模糊控制规则的控制系统的响应情况示意图；图8是MLSS输入变量-出水氨氮(SNHe)的隶属函数图；图9是MLSS输出变量-污泥回流比膔的隶属函数图。
图10是MLSS输入变量-污泥浓度的隶属函数图；图11是恒DO控制和DO模糊控制出水氨氮浓度控制结果比较示意图。
1-进水管、2-进水泵、3-缺氧池、4-搅拌器、5-曝气器、6-好氧池、7-二沉池、8-出水管、9-排泥管、10-内循环回流泵、11-内循环回流管、12-氨氮传感器、13-MLSS传感器、14-DO传感器、15-氨氮测定仪、16-MLSS测定仪、17-DO测定仪、18-计算机、19-信号输入接口、20-信号输出接口、21-执行机构、22-曝气继电器、23-搅拌机继电器、24-污泥回流继电器、25-曝气阀门、26-回流污泥泵、27-回流污泥管。
具体实施例方式
参见图1，A/O生物脱氮反应器由缺氧池、好氧池和二沉池组成，其特征在于其缺氧池至少有一个格室，好氧池至少有两个串联的格室，缺氧区连通进水管，缺氧池内有搅拌器，好氧池内设有曝气器，二沉池与出水管连通，进水口连续进水，出水口连续出水，二沉池底部连接剩余污泥排泥管和污泥回流管，污泥回流管与进水管连通，其间连接污泥回流泵，好氧池出口与缺氧池入口之间连接内循环回流管和内循环回流泵，向缺氧池内还连通有外碳源投加管道和外碳源投加计量泵。
参见图2，A/O生物脱氮反应器的工作过程和硝化过程的调节方法待处理污水由进水泵进入缺氧池，同时回流污泥由二沉池通过回流泵也进入缺氧池，在缺氧池通过搅拌装置把活性污泥搅拌起来，并和好氧池回流来的硝化液，以硝酸氮为电子受体、有机碳源为电子供体，通过反硝化菌的作用，进行反硝化反应。然后缺氧池出水进入好氧池，在此进行有机物的继续降解和氨氮的硝化反应，利用DO、氨氮和MLSS在线仪实时监测好氧池DO浓度、进水氨氮(SNHin)和出水氨氮浓度(SNHe)以及反应器内污泥浓度，通过数据接口输入模糊控制装置，模糊控制装置通过模糊控制规则对所获取的数据进行模糊决策，从而输出DO浓度、是否增加好氧区体积或是否增加反应器内MLSS的指示。
其中DO浓度和MLSS浓度分别由DO和MLSS模糊控制器实现，通过PID控制器调节曝气量来控制好氧区的DO浓度(PID控制器的比例增益Kp＝500，积分参数Ki＝5×106)；而好氧池体积由好氧池DO浓度是否达到最高和最低浓度确定，当模糊控制器输出的DO浓度大于3.5mg/L时，则需增大好氧池体积，相反则需减少好氧池体积。如需增加好氧池体积，则需要关闭缺氧池最后格室的搅拌装置，开启曝气装置阀门；如果需要增加反应器内MLSS浓度，则需要根据模糊控制器输出结果，调节回流污泥泵转速，从而获得所需的MLSS浓度。出水最后进入二沉池，在此进行泥水分离，上清夜通过出水管进行排放，而污泥在污泥斗内进行浓缩，其中一部分以剩余污泥的形式进行排放，一部分通过污泥回流泵回流到缺氧池。
为了避免运行设备的频繁启动和关闭，提高系统的稳定性和可靠性，控制装置在运行时采取以下措施实时在线测定好氧区DO浓度、氨氮浓度，在线测定的进水和出水氨氮浓度数据储存在模糊控制器中，以每20分钟内测定数据的平均值，来确定好氧区DO，避免氨氮在线测定仪的误差导致DO控制的偏差，以及鼓风机频繁的开启和调节，以每20分钟为一个控制周期。另外好氧区体积的控制也不是DO浓度瞬间大于3.5mg/L时就增加好氧区体积，同样以每3个小时内的DO浓度平均值是否大于3.5mg/L或小于0.5mg/L，来增大好氧区体积或降低好氧区体积。避免过渡区运行状态的频繁交替，不但起不到有效的作用，频繁变化将导致污泥性能的恶化，运行设备也将无法承受。污泥浓度控制级别低于DO浓度控制和好氧区体积控制，当采用DO浓度和好氧区体积控制后，仍然无法实现出水氨氮浓度的达标排放时，启动污泥回流模糊控制，控制过程中更要避免回流污泥量的巨大波动，以3小时测定的出水氨氮浓度和污泥浓度的平均值输入模糊控制器，经模糊控制器模糊决策后获得污泥回流量是增加还是降低的决定，每次污泥回流量的增降幅度不超过15％，当不需污泥回流模糊系统且可满足硝化效果时，污泥回流比取0.6。
参见图2，A/O工艺模糊控制装置进水由进水管1经进水泵2，进入缺氧池3，并通过搅拌机4进行搅拌维持泥水混合效果，缺氧池出水进入好氧池6，通过曝气器5维持好氧池6的好氧条件，好氧池出水进入二沉池7，出水通过出水管8排放，剩余污泥经过排泥管9排放，而硝化液回流由回流泵10通过回流管11回流到缺氧池3。在缺氧池首端设置氨氮在线传感器12，在好氧池每个格室设有DO传感器13和污泥浓度计14，在好氧池出水(或好氧池最后格室)内置有氨氮传感器12，上述传感器经导线与DO测定仪15、氨氮测定仪16和MLSS测定仪17连接后与计算机18的数据信号输入接口19连接，计算机的数据信号输出接口20，经导线连接执行机构21，执行机构的曝气继电器22、搅拌机继电器23和回流污泥泵继电器24经接口分别与曝气器进气阀门25、搅拌机4和回流污泥泵26连接。
参见图3，A/O工艺硝化过程模糊控制方法如下(1)在污水处理系统中放置三种传感器，采集溶解氧浓度(DO)、污泥浓度(MLSS)、进水氨氮(SNHin)和出水氨氮浓度(SNHe)的信号，作为硝化反应的被控制变量；
(2)将采集的DO、MLSS、SNHin和SNHe值信号经变送器输入模拟数字转换元件A/D，转换成数字信号；(3)将数字信号输入计算机，经过模糊化计算、与事先输入的模糊控制规则比较、采用Mamdani模糊推算法进行模糊控制推理、经非模糊化计算后，得到模糊控制变量；(4)再将模糊控制变量经数字模拟转换元件D/A转换成控制信号；(5)控制信号控制执行机构，直接控制硝化反应的控制变量-曝气量、好氧区体积和回流污泥量。
以DO浓度作为曝气量的模糊控制参数，根据进水氨氮浓度和出水氨氮浓度确定DO浓度。氨氮浓度大小和DO浓度大小可用模糊语言变量加以描述，故应用进水氨氮浓度和出水氨氮浓度作为模糊控制器的两个输入变量，应用DO浓度作为模糊控制器的输出变量。
进水氨氮(SNHin)、出水氨氮浓度(SNHe)、DO浓度均为正。输入变量SNHin和SNHe模糊集和论域分别定义为SNHin的模糊集为{S，M，L}SNHe的模糊集为{XS，S，MS，M，ML，L，XL}SNHin的论域为{1，2，3，4，5，6}SNHe的论域为{1，2，3，4，5，6，7}对控制量UA即DO浓度而言，其模糊集和论域分别定义为DO的模糊集为{XS，S，MS，M，ML，L，XL}DO的论域为{1，2，3，4，5，6，7}上述语言变量的含义分别为XS(Very small)很小；S(Small)小；MS(Middlesmall)中小；M(middle)中间；ML(Middle large)中大；L(Large)大；XL(Verylarge)很大。
由模糊控制的原理可知，模糊控制装置的输入是确定量，而模糊控制算法本身要求模糊变量。这就需要将精确的输入变量经模糊化处理变为模糊变量。对输入变量、输出变量进行模糊化处理，模糊化方法见表1-5。输入变量的各模糊集的隶属函数如图4-10。在此仅对模糊规则的建立进行说明，模糊控制规则如表6所示。当进水氨氮SNHin浓度大时，而出水氨氮SNHe小时，也维持较低的曝气量；当进水氨氮SNHin浓度小时，而出水氨氮SNHe大时，也维持较高的曝气量。该控制规则以首先满足出水氨氮达标的前提下，尽可能降低能耗费用，图7是基于DO模糊控制规则时控制系统的响应情况示意图。
表1 将SNHin化为离散的整型变量XSNHin

表2 将SNHe化为离散的整型变量XSNHe

表3 将DO化为离散的整型变量XDO

表4 SNHin的隶属函数赋值表

表5 SNHe和DO的隶属函数赋值表


表6 好氧区DO浓度模糊控制规则表

上述模糊控制规则表达为当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“很小”时，好氧区DO浓度为“很小”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“小”时，好氧区DO浓度为“小”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“中小”时，好氧区DO浓度为“中小”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度为“中间值”时，好氧区DO浓度为″中间值″；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“中大”时，好氧区DO浓度为“不大不小”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“大”时，好氧区DO浓度为“中大”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“很大”时，好氧区DO浓度为“中大”；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“很小”时，好氧区DO浓度为“很小”；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“小”时，好氧区DO浓度为“中小”；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“中小”时，好氧区DO浓度为″中间值″；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“中间值”时，好氧区DO浓度为″中大″；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“中大”时，好氧区DO浓度为“中大”；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“大”时，好氧区DO浓度为“大”；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“很大”时，好氧区DO浓度为“很大”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“很小”时，好氧区DO浓度为“中小”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“小”时，好氧区DO浓度为“中间值”；
当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“中小”时，好氧区DO浓度为“中间值”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“中间值”时，好氧区DO浓度为“大”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“中大”时，好氧区DO浓度为“大”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“大”时，好氧区DO浓度为“很大”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“很大”时，好氧区DO浓度为“很大”。
MLSS污泥浓度模糊控制器以MLSS浓度作为回流污泥量的模糊控制参数，根据反应器MLSS浓度和出水氨氮浓度确定回流污泥量的增量。以反应器MLSS浓度和出水氨氮浓度作为模糊控制器的输入变量，应用回流污泥比的增量膔作为模糊控制器的输出变量。输入和输出变量可用模糊语言变量加以描述。
MLSS浓度、出水氨氮浓度(SNHe)均为正，它们的模糊集和论域分别定义为MLSS的模糊集为{S，M，L}SNHe的模糊集为{S，M，L}MLSS和SNHe的论域为{1，2，3，4，5，6}对控制量膔而言，其模糊集和论域分别定义为膔的模糊集为{NB，NS，O，PS，PB}膔的论域为｛-3，-2，-1，0，1，2，3}由模糊控制的原理可知，需将精确的输入变量经模糊化处理变为模糊变量。模糊化方法见表7-9，表中的实际论域都是通过大量的试验确定的。模糊变量必须用隶属函数来表示。隶属函数的具体形式取决于被控制系统本身的特性。输入变量、输出变量的各模糊集的隶属函数如图8、9、10。由输入输出变量的隶属函数可以得到它们的隶属函数表10和表11。
详细分析它们之间的相关关系，总结出不依赖于数学模型的接近最优控制的控制规律，建立以模糊语言表示的模糊控制推理的合成规则和模糊控制规则。根据操作过程中可能遇到的各种情况和系统运行数据，将控制规则归纳为表12。
表7 将SNHe化为离散的整型变量XSNHe

表8 将MLSS化为离散的整型变量XMLSS

表9 将Δr化为离散的整型变量XΔr

表10 MLSS和SNHe隶属函数赋值表

表11 Δr的隶属函数赋值表

表12 MLSS模糊控制规则表

上述模糊控制规则表达为当反应器内污泥浓度为“小”且出水氨氮浓度为“小”时，回流污泥比为“正小”；当反应器内污泥浓度为“小”且出水氨氮浓度为“中”时，回流污泥比为“正大”；当反应器内污泥浓度为“小”且出水氨氮浓度为“大”时，回流污泥比为“正大”；当反应器内污泥浓度为“中”且出水氨氮浓度为“小”时，回流污泥比“不变，保持原有状态”；当反应器内污泥浓度为“中”且出水氨氮浓度为“中”时，回流污泥比为“正小”；当反应器内污泥浓度为“中”且出水氨氮浓度为“大”时，回流污泥比为“正小”；当反应器内污泥浓度为“大”且出水氨氮浓度为“小”时，回流污泥比为“负大”；当反应器内污泥浓度为“大”且出水氨氮浓度为“中”时，回流污泥比为“负小”；当反应器内污泥浓度为“大”且出水氨氮浓度为“大”时，回流污泥比为“不变，保持原有状态”。
效果实施例以某大学家属区排放的实际生活污水为原水(pH＝7-7.8，COD＝180-450mg/L，TN＝68-110mg/L)。所选择的A/O工艺反应池有效容积为300L，反应池内MLSS在3000-4000mg/L，SRT维持在15d左右，反应温度20-23℃，反应器内循环回流比恒定为2.5，污泥回流比为0.5。以进水氨氮和出水氨氮浓度模糊控制好氧区DO浓度，同时对反应器好氧区的DO值进行在线检测，实时监测反应器内有机物降解和硝化情况，此时系统对COD、氨氮和TN的平均去除率可以维持在90％、90％和65％左右。而采用DO和好氧区体积综合后，氨氮去除率可以提高到95％以上，同时由于提高曝气充氧效率，系统运行费用降低5％。
参见图11，恒DO控制和DO模糊控制结果实例图，相对于恒DO(2.5mg/L)控制，模糊控制系统可以获得较好的出水水质，平均出水氨氮浓度降低了18.1％，最大出水氨氮浓度降低了11.9％，曝气运行能耗降低了7％。应用模糊控制器不管进水氨氮浓度有多大波动，出水氨氮可以满足排放标准8mg/L。
权利要求
1.一种A/O生物脱氮反应器，由缺氧池、好氧池和二沉池组成，其特征在于其缺氧池至少有一个格室，好氧池至少有两个串联的格室，缺氧区连通进水管，缺氧池内有搅拌器，好氧池内设有曝气器，二沉池与出水管连通，进水口连续进水，出水口连续出水，二沉池底部连接剩余污泥排泥管和污泥回流管，污泥回流管与进水管连通，其间连接污泥回流泵，好氧池出口与缺氧池入口之间连接内循环回流管和内循环回流泵，向缺氧池内还连通有外碳源投加管道和外碳源投加计量泵。
2.一种根据权利要求1的A/O生物脱氮方法，其特征在于在反应池内进行以下调节(1)、在缺氧区连续搅拌，进行反硝化反应，在好氧区连续曝气，进行硝化反应；(2)、当进水氨氮负荷较高或出水氨氮浓度较低时，增大曝气器进气阀门的开启度，提高曝气量；相反减小曝气器进气阀门的开启度；(3)、关闭或开启不同格室的曝气器的进气阀门，从而增加或降低好氧池和缺氧池的体积比，并开启或关闭对应反应池内的搅拌装置；(4)、增加或降低回流污泥泵阀门开启度，从而调节反应器内污泥浓度，以满足硝化所需；(5)、反应池运行过程中维持内循环回流泵的开启状态，维持硝化液回流比为2；(6)、剩余污泥排泥管的排泥间隔，以控制系统污泥龄SRT维持在12-15天。
3.一种A/O生物脱氮硝化过程的在线模糊控制装置，其特征在于在A/O反应器内放置三种在线传感器，采集溶解氧(DO)浓度、进水氨氮(SNHin)、出水氨氮浓度(SNHe)和污泥浓度(MLSS)浓度的信号；将采集的信号输入模拟数字转换元件A/D，转换成数字信号；将数字信号输入计算机，应用模糊控制规则，经过模糊化计算采用Mamdani模糊算法进行模糊推理、经非模糊化计算后，得到模糊控制变量；再将模糊控制变量经数字模拟转换元件D/A转换成控制信号；控制信号输入执行机构，实时模糊控制好氧区DO浓度、好氧区体积和反应器内污泥浓度。
4.根据权利要求3的A/O生物脱氮硝化过程的在线模糊控制装置，其特征在于所述模糊控制规则如下表好氧区DO浓度模糊控制规则表
5.根据权利要求3的A/O生物脱氮硝化过程的在线模糊控制装置，其特征在于所述模糊控制规则如下表MLSS模糊控制规则表
6.一种A/O生物脱氮硝化过程的在线模糊控制方法，其特征在于在反应池内置有溶解氧(DO)浓度、进水氨氮浓度和出水氨氮浓度和污泥浓度(MLSS)在线传感器，上述传感器经导线与DO测定仪、氨氮测定仪和MLSS浓度测定仪连接后与计算机数据信号的输入接口连接，计算机的数据信号输出接口，经导线连接执行机构，执行机构的曝气继电器、回流污泥继电器、搅拌继电器经接口分别与鼓风机阀门、回流污泥泵阀门和搅拌机控制阀门连接；溶解氧(DO)浓度的控制根据进水氨氮浓度和出水氨氮浓度应用模糊控制规则来动态确定好氧区DO浓度设定值，并调节曝气量的大小，从而维持好氧区所需DO浓度；当进水氨氮负荷较高或出水氨氮浓度较高时，增大曝气器进气阀门的开启度，从而增大曝气量；相反减小曝气器进气阀门的开启度；好氧区体积的控制根据好氧区DO浓度是否超过上下限设定值来开启或关闭不同格室曝气器的进气阀门，从而增加或降低好氧区和缺氧区的体积比，并开启或关闭对应反应池内的搅拌装置；DO浓度上下限值分别为3.5mg/L和0.5mg/L，当DO浓度超过3.5mg/L时，增大好氧区体积，当好氧区DO浓度降低到0.5mg/L时，减少好氧区体积；但好氧区占反应池总体积只比最大不超过85％，最小不低于35％；污泥浓度(MLSS)的控制通过出水氨氮浓度和MLSS浓度大小，应用模糊控制规则动态控制；反应器的污泥浓度最大不超过5000mg/L，最小不低于1000mg/L；每次污泥回流量的增降幅度不超过15％，当不需污泥回流模糊系统且可满足硝化效果时，污泥回流比取0.6。
7.根据权利要求6的A/O生物脱氮硝化过程的在线模糊控制方法，其特征在于所述模糊控制规则如下表好氧区DO浓度模糊控制规则表
8.根据权利要求6的A/O生物脱氮硝化过程的在线模糊控制方法，其特征在于所述模糊控制规则表达为当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“很小”时，好氧区DO浓度为“很小”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“小”时，好氧区DO浓度为“小”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“中小”时，好氧区DO浓度为“中小”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度为“中间值”时，好氧区DO浓度为″中间值″；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“中大”时，好氧区DO浓度为″不大不小″；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“大”时，好氧区DO浓度为“中大”；当进水氨氮浓度为“小”且出水氨氮浓度“很大”时，好氧区DO浓度为“中大”；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“很小”时，好氧区DO浓度为″很小″；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“小”时，好氧区DO浓度为“中小”；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“中小”时，好氧区DO浓度为″中间值″；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“中间值”时，好氧区DO浓度为″中大″；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“中大”时，好氧区DO浓度为″中大″；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“大”时，好氧区DO浓度为“大”；当进水氨氮浓度为“中间值”且出水氨氮浓度“很大”时，好氧区DO浓度为“很大”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“很小”时，好氧区DO浓度为“中小”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“小”时，好氧区DO浓度为“中间值”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“中小”时，好氧区DO浓度为“中间值”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“中间值”时，好氧区DO浓度为“大”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“中大”时，好氧区DO浓度为“大”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“大”时，好氧区DO浓度为“很大”；当进水氨氮浓度为“大”且出水氨氮浓度“很大”时，好氧区DO浓度为“很大”。
9.根据权利要求6的A/O生物脱氮硝化过程的在线模糊控制方法，其特征在于所述模糊控制规则如下表MLSS模糊控制规则表
10.根据权利要求6的A/O生物脱氮硝化过程的在线模糊控制方法，其特征在于所述模糊控制规则表达为当反应器内污泥浓度为“小”且出水氨氮浓度为“小”时，回流污泥比为“正小”；当反应器内污泥浓度为“小”且出水氨氮浓度为“中”时，回流污泥比为“正大”；当反应器内污泥浓度为“小”且出水氨氮浓度为“大”时，回流污泥比为“正大”；当反应器内污泥浓度为“中”且出水氨氮浓度为“小”时，回流污泥比“不变，保持原有状态”；当反应器内污泥浓度为“中”且出水氨氮浓度为“中”时，回流污泥比为“正小”；当反应器内污泥浓度为“中”且出水氨氮浓度为“大”时，回流污泥比为“正小”；当反应器内污泥浓度为“大”且出水氨氮浓度为“小”时，回流污泥比为“负大”；当反应器内污泥浓度为“大”且出水氨氮浓度为“中”时，回流污泥比为“负小”；当反应器内污泥浓度为“大”且出水氨氮浓度为“大”时，回流污泥比为“不变，保持原有状态”。
全文摘要
一种A/O生物脱氮反应器、硝化过程的调节方法及其在线模糊控制装置、方法，在反应池内进行以下调节在缺氧区连续搅拌，进行反硝化反应，在好氧区连续曝气，进行硝化反应；当进水氨氮负荷较高或出水氨氮浓度较低时，增大曝气器进气阀门的开启度，提高曝气量；相反减小曝气器进气阀门的开启度；关闭或开启不同格室的曝气器的进气阀门，从而增加或降低好氧池和缺氧池的体积比，并开启或关闭对应反应池内的搅拌装置；增加或降低回流污泥泵阀门开启度，从而调节反应器内污泥浓度，以满足硝化所需；反应池运行过程中维持内循环回流泵的开启状态；剩余污泥排泥管的排泥间隔为12－15天。使A/O工艺实现高效率、低消耗，增强工艺的优化与控制。
文档编号G05B13/00GK1778714SQ20051020062
公开日2006年5月31日 申请日期2005年10月20日 优先权日2005年10月20日
发明者彭永臻, 马勇, 王淑莹 申请人:彭永臻