专利名称：A/o工艺分段进水深度脱氮的模糊控制教学装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种污水生物脱氮系统的控制教学装置。
背景技术：
自进入20世纪70年代以来，随着水体富营养化问题日渐突现，污水脱氮除磷在水污染控制中被广泛关注。以控制富营养化为目的的氮磷脱除技术目前已成为各国的主要研究方向。我国最新颁布的污水排放标准(GB18918-2002)要求所有排污单位出水氮磷的含量按接纳水体的等级分别为总磷小于1mg/L，氨氮小于5mg/L，总氮小于15mg/L(一级标准)。尽管生物除磷具有一定不稳定性，采用传统的工艺进行生物除磷并辅助以化学除磷仍可保证出水TP浓度保持在痕量浓度以下]。但污水中的氮只能采用生物的方法才能经济、有效地去除。
在许多国家，特别是中国，大约有80％的城市污水处理厂采用前置反硝化(A/O)工艺进行生物脱氮。在前置反硝化工艺中污水直接进入缺氧区优先进行反硝化反应，提高了总氮去除率，而且在缺氧区中大部分有机物被反硝化反应所利用，缩小了好氧区的池容和停留时间。但是在前置反硝化工艺中为保证硝态氮充分反硝化以提高总氮去除率，往往需要较大程度地硝化液回流，通常为进水量的2-3倍，这无疑会消耗大量的能源。而且由于前置反硝化工艺的构成，出水硝态氮浓度与回流硝化液中的硝态氮浓度相同，这就决定了前置反硝化工艺的总氮去除率不会很高。其它生物脱氮除磷工艺，例如AAO、UCT等工艺，也同样存在上述缺点。
A/O工艺分段进水深度脱氮系统是近年来国外新开发的生物脱氮工艺。与传统A/O工艺相比，采用分段进水具有如下优势(1)有机底物沿池长均匀分布，负荷均衡，既在一定程度上缩小了供氧速率与耗氧速率之间的差距，又能够充分发挥活性污泥微生物的降解功能；(2)污水沿池长分段进入而污泥回流至首端，系统的污泥龄比相同容积的推流系统长；(3)脱氮效率高；(4)硝化液从好氧区直接进入下一段的缺氧区，省去了传统生物脱氮工艺的内循环步骤；(5)反硝化反应的出水直接进入硝化反应池，补充了硝化反应对碱度的要求。然而，由于反应器的构成和污水的分段引入，A/O工艺分段进水深度脱氮系统的最佳设计和运行是一项非常困难的任务。每一段中缺氧区与好氧区的容积比、每段间的容积比以及进水流量的分配是工艺设计和运行的重要参数。污水特性，特别是进水C/N比(碳氮比)严重地影响着工艺的设计与运行。因此探求工艺的优化控制运行方法是实现A/O工艺分段进水系统广阔应用的重要前提。
污水生物处理系统从控制的角度讲有明显的特征①时变性。进水流量和浓度不是恒定的而是随时间呈现不规则变化，特别是工业废水。②非线性。活性污泥生物反应在有机底物、营养物、氧气等充足时呈零级反应，有机底物以最大速率降解；随着反应的进行底物浓度逐渐减小，生物反应受到底物的限制而呈现一级反应。③复杂性。污水生物处理工艺有众多影响因素，如MLSS、DO、污泥龄、HRT、污泥负荷、F/M、温度、pH值等，如需进行脱氮除磷还会受到循环比、污泥回流比、N/MLSS负荷率、P/MLSS负荷率等的影响，且有时同时受到多个因素的影响，呈现强烈的复杂性。④不确定性。对活性污泥微生物有毒害作用的物质，如重金属、氰化物等，会随进水一起进入系统，当其浓度超过临界浓度时会抑制微生物的增殖，甚至使微生物灭绝，造成污水处理系统的瘫痪。
由于污水生物处理系统的特性使传统控制理论显得很不实用，为智能控制技术提供了广阔的研究空间，充分发挥其自学习、自适应与自组织的功能。智能控制有许多分支，如神经网络控制、模糊控制、专家系统、混沌控制、可拓控制等，其中模糊控制技术是典型的智能控制方法，也是应用较多的控制方法。模糊控制是模糊逻辑与自动控制的结合，是从功能上模拟人的推理和决策过程的一种实用控制方法，利用先验知识或专家经验作为控制规则，能够有效地处理模型未知或不精确的控制问题。它无需建模，是一种非线性控制，用万能逼近原理给出了充分的理论依据，即模糊逻辑控制器是万能的，可以完成任何非线性控制任务。但是迄今为止，国内外尚无任何关于A/O工艺分段进水深度脱氮的模糊控制的相关报道和教学演示装置。其原因是多方面的，包括工艺尚未优化稳定运行、控制参数不易确定等等。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种A/O工艺分段进水深度脱氮的模糊控制教学装置，要解决教学演示A/O分段进水污水生物脱氮系统的非线性精确控制和优化运行的技术问题。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案 这种A/O工艺分段进水深度脱氮的模糊控制教学装置，用于A/O生物脱氮污水处理系统中，其A/O生物脱氮污水处理系统由原水容器33、进水管28、控制阀门34、进水泵2、反应池、中心管35、二沉池29、出水管30顺序连接而成；其中反应池由四段组成，每段有一个缺氧区31和一个好氧区32，每个缺氧区内均置有搅拌器4，每段的进水管均连接一个进水泵2，每个进水泵与一个控制阀门34连接；每个好氧区内均设有与空气压缩机连接的曝气器3，二沉池的池底连通剩余污泥管36和污泥回流管37，污泥回流管经回流污泥泵38、止回阀39与第一个缺氧区连通，其特征在于 在上述反应池的原水容器33内置有一个化学需氧量传感器，即COD传感器5，COD传感器5经导线连接COD测定仪8，COD测定仪8的信号输出端口与模糊控制器主机11上的COD信号输入接口13连接； 在上述反应池的原水容器33内还置有一个凯氏氮浓度传感器，即TKN传感器6，TKN传感器6经导线连接TKN测定仪9、TKN测定仪9的信号输出端口与模糊控制器主机11上的TKN信号输入接口14连接； 在上述反应池的好氧区每个内置有溶解氧浓度传感器，即DO传感器，各DO传感器经导线连接DO测定仪10，DO测定仪10的信号输出端口与模糊控制器主机11上的DO信号输入接口15连接； 上述模糊控制器主机的信号输出接口12与执行机构的信号输入口21连接，并分别向控制执行机构内部的曝气继电器26、进水泵调节器25、搅拌器电机继电器27输入控制信号；曝气继电器26控制各曝气器的曝气量，进水泵调节器25控制各进水泵的进水量，搅拌器电机继电器27控制各搅拌器的转速。
上述模糊控制器主机内包括 a、存储执行程序、模糊控制规则和所需数据的存储器； b、具有输入程序和数据的输入设备； c、能够完成程序中的控制量偏差计算、模糊化计算、模糊控制推理、非模糊化计算、逻辑运算和数据传递加工处理的运算器； d、能够根据运算的结果和程序的需要控制程序的走向，并能根据指定控制机各部分协调操作的控制器； e、能够按照人们的需要将处理的结果输出操作人员使用的输出设备； f、将输入的模拟信号转换为数字信号的模拟数字转换器(A/D)； g、将输出的数字信号转换为模拟控制信号的数字模拟转换器(D/A)。
与现有技术相比本实用新型具有以下特点和有益效果 本实用新型在A/O工艺分段进水深度脱氮系统的运行过程中，只需测定进水中的C/N比，即可实现流量和容积的优化分配。该技术不仅能够较好地实现流量和容积的优化分配，实现工艺系统地优化运行达到很高的总氮去除率，而且具有输入参数少、控制规则简单易懂、不易发生污泥膨胀等优点。
采用模糊控制策略控制分段进水生物脱氮过程中的进水流量和容积的优化分配以及每一段中缺氧区的容积分配，即调节每一段缺氧区与好氧区的水力停留时间，从根本上解决了曝气或搅拌时间不足所引起的硝化或反硝化不完全。并且能够根据原水水质水量的变化实时控制各个生化反应所需的反应时间，实现具有智能化的控制； 通过在线测得的进水COD、凯氏氮浓度即可得出进水C/N比，实现流量和容积的优化分配，从而实现工艺的优化运行并达到较高的总氮去除率； 通过模糊控制技术实现每一段硝化和反硝化反应进行完全，不产生硝态氮或氨氮的累计，出水总氮浓度仅由最后一段进水中凯氏氮硝化产生的硝态氮浓度所决定，可达到较高的总氮去除率； 本模糊控制方法和装置仅通过进水C/N比即可实现流量和容积的优化调节，具有输入参数少、控制规则简单易懂的优点； 整个工艺由模糊控制系统完成，具有管理操作方便，费用低、耐冲击负荷强和不易发生污泥膨胀。
本实用新型可应用于A/O工艺分段进水深度脱氮的模糊控制的教学演示。
以下结合附图及实施例对本实用新型进行详细说明
图1是本实用新型的结构示意图。
图2是本实用新型模糊控制过程示意图。
图3是采用本实用新型的试验效果示意图。
图中1-反应池、2-进水泵、3-曝气器、4-搅拌器、5-COD传感器、6-TKN传感器、7-DO传感器、8-COD测定仪、9-TKN测定仪、10-DO测定仪、11-模糊控制器主机、12-模糊控制器主机的信号输出接口、13-COD信号输入接口、14-TKN信号输入接口、15-DO信号输入接口、16-电源开关、17-显示器接口、18-打印机接口、19-显示器、20-执行机构、21-执行机构的信号输入口、22-执行机构的信号输出口、23-电源接口、24-变压器、25-进水泵调节器、26-曝气器继电器、27-搅拌器继电器、28-进水管、29-二沉池、30-出水管、31-缺氧区、32-好氧区、33-原水容器、34-控制阀门、35-中心管、36-剩余污泥管、37-污泥回流管、38-回流污泥泵、39-止回阀。
具体实施方式
实施例这种A/O工艺分段进水深度脱氮的模糊控制教学装置有一个教学用的A/O工艺分段进水生物脱氮污水处理系统，参见
图1、2，其A/O生物脱氮污水处理系统由原水容器33、进水管28、控制阀门34、进水泵2、反应池、中心管35、二沉池29、出水管30顺序连接而成；其中反应池由四段组成，每段有一个缺氧区31和一个好氧区32，以缺氧区、好氧区、缺氧区、好氧区、缺氧区、好氧区、缺氧区、好氧区顺序排列，每个缺氧区内均置有搅拌器4，每段的进水管均连接一个进水泵2，每个进水泵与一个控制阀门34连接；每个好氧区内均设有与空气压缩机连接的曝气器3，二沉池的池底连通剩余污泥管36和污泥回流管37，污泥回流管经回流污泥泵38、止回阀39与第一个缺氧区连通。
在上述反应池的原水容器33内置有一个化学需氧量传感器，即COD传感器5，COD传感器5经导线连接COD测定仪8，COD测定仪8的信号输出头与模糊控制器主机11上的COD信号输入接口13连接。
在上述反应池的原水容器33内还置有一个凯氏氮浓度传感器，即TKN传感器6，TKN传感器6经导线连接TKN测定仪9、TKN测定仪9的信号输出头与模糊控制器主机11上的TKN信号输入接口14连接。
在上述反应池的好氧区每个内置有溶解氧浓度传感器，即DO传感器，各DO传感器经导线连接DO测定仪10，DO测定仪10的信号输出头与模糊控制器主机11上的DO信号输入接口15连接。
上述模糊控制器主机的信号输出接口12与执行机构的信号输入口21连接，并分别向控制执行机构内部的曝气继电器26、进水泵调节器25、搅拌器电机继电器27输入控制信号；曝气继电器26控制各曝气器的曝气量，进水泵调节器25控制各进水泵的进水量，搅拌器电机继电器27控制各搅拌器的转速。
本实用新型中的模糊控制器主机内包括 a、存储执行程序、模糊控制规则和所需数据的存储器； b、具有输入程序和数据的输入设备； c、能够完成程序中的控制量偏差计算、模糊化计算、模糊控制推理、非模糊化计算、逻辑运算和数据传递加工处理的运算器； d、能够根据运算的结果和程序的需要控制程序的走向，并能根据指定控制机各部分协调操作的控制器； e、能够按照人们的需要将处理的结果输出操作人员使用的输出设备； f、将输入的模拟信号转换为数字信号的模拟数字转换器(A/D)； g、将输出的数字信号转换为模拟控制信号的数字模拟转换器(D/A)。
应用本实用新型模糊控制教学装置的模糊控制方法步骤如下 (1)、在反应池的原水容器内放置用于采集化学需氧量COD信号的COD传感器和用于采集进水凯氏氮浓度TKN信号的TKN传感器；采集化学需氧量COD和进水凯氏氮浓度并进而得出进水C/N比的信号，作为A/O工艺分段进水深度脱氮的模糊控制输入参数，实时控制进水流量和容积的优化分配以及每一段中缺氧区的容积分配。
(2)、利用上述COD传感器和TKN传感器检测进水COD和TKN浓度，将采集的COD和TKN浓度信号分别经COD测定仪和TNK测定仪输入模拟数字转换器A/D，转换成进水碳氮比(C/N)输入变量数字信号。
(3)、参见图3，将上述输入变量数字信号输入模糊控制器主机，根据模糊控制规则，经过控制量偏差的计算、模糊化计算、模糊控制推理和非模糊化计算后得到进水流量分配系数(λ)，以及各缺氧区的容积和各段的容积作为输出变量；本实用新型的A/O工艺分段进水生物脱氮模糊控制装置与方法以“进水C/N比”作为输入变量，以进水流量分配系数、各缺氧区和各好氧区的容积作为输出变量。
(4)、再将上述输出变量经数字模拟转换器D/A转换成模糊控制信号。
(5)、上述模糊控制信号控制执行机构，直接对进水泵、曝气器的开关、搅拌器的电机进行在线控制调节。
上述(3)中的模糊控制规则如下 [1]、如C/N比低，那么λ低，V1低，V2低，V3高，V4高，V1缺高，V2缺低，V3缺低，V4缺低； [2]、如C/N比中低，那么λ中低，V1中低，V2中低，V3中高，V4中高，V1缺中高，V2缺中低，V3缺中低，V4缺中低； [3]、如C/N比中，那么λ中，V1中，V2中，V3中，V4中，V1缺中，V2缺中，V3缺中，V4缺中； [4]、如C/N比中高，那么λ中高，V1中高，V2中高，V3中低，V4中低，V1缺中低，V2缺中高，V3缺中高，V4缺中高； [5]、如C/N比高，那么λ高，V1高，V2高，V3低，V4低，V1缺低，V2缺高，V3缺高，V4缺高； 上述每个变量都采用低，中低，中，中高，高表示其状态，得出模糊控制输入变量和输出变量之间的关系。
表1 是在稳态条件下每段容积、每段中缺氧区好氧区容积比和每段流量
每一段总容积以占反应器总容积的百分比的形式表达；每一段缺氧区容积是以占这一段的总容积的百分比的形式表达的。
在表1中，通过试验得出了不同进水C/N比条件下，每段流量和容积以及每一段中缺氧去容积的最佳分配。例如序列(1)，在进水C/N比为6.09的情况下，得到的进水流量分配系数为1，第一段(V1)、第二段(V2)、第三段(V3)、第四段(V4)的容积分别为0.2938V总、0.25V总、0.2375V总、0.2188V总(V总已知)，而每一段中缺氧区所占容积分别为0.1064V1、0.25V2、0.2632V3、0.2857V4。其中每一段的流量可通过Q＝λ3q+λ2q+λq+q计算得出，式中Q总为总进水流量，λ为流量分配系数，q为最后一段的进水流量。
λ代表进水流量分配系数； V1代表第一段的容积； V2代表第一段的容积； V3代表第一段的容积； V4代表第一段的容积； V1缺代表第一段缺氧区的容积； V2缺代表第一段缺氧区的容积； V3缺代表第一段缺氧区的容积； V4缺代表第一段缺氧区的容积。
序列(2)-(11)也应用此方法即可得出不同进水C/N比条件下，每段流量和容积以及每一段中缺氧去容积的最佳分配。
根据表1和表2，建立了模糊控制规则，参见表3。
表3输入和输出变量的论域及模糊化和非模糊化方法 研究结果表明，用正态型模糊变量来描述人进行控制活动时的模糊概念是适宜的，因此本实用新型也采用正态型隶属函数。利用MATLAB语言中的模糊逻辑控制箱(Fuzzy LogicToolbox ofMATLAB 6.5)建立各模糊变量子集的隶属函数，其中的[低 中低 中 中高 高]关键控制点的确定，则根据表1的实验研究结果。根据表1仅仅通过进水C/N比一个参数，就可以确定整个工艺的流量分配和容积的优化分配，并可最终达到很高的总氮去除率，具有典型的单输入、多输出的特点，在实际应用过程中可大大降低控制系统的复杂性。
综合试验得出的结论，共建立了5条模糊控制规则，见表2所示。模糊控制器的控制规则采用IF…THEN…形式表达。
各输入和输出变量的论域以及模糊化和非模糊化的方法列于表3中。对每个变量，都采用{低，中低，中，中高，高}描绘其状态。
利用MATLAB语言中的模糊逻辑控制箱(Fuzzy Logic Toolbox ofMATLAB 6.5)建立模糊控制优化运行模型并得出模糊控制输入变量和输出变量之间的关系。通过实验建立起来的模糊控制模型的输入和输出变量的关系，即模糊控制输入输出曲面，通过此曲面，即可得出不同进水C/N比条件下每段流量和容积以及每一段中缺氧区容积的最佳分配。例如在进水C/N比为10的条件下，经查图可得最佳的流量分配系数为2.25，第一至第四段每段的最佳容积分配为42％V总、26.75％V总、19％V总、15.8％V总，每一段缺氧区所占的容积分别为7.7％V1、34％V2、31.5％V3、37％V4，从而就实现了A/O工艺分段进水的深度脱氮优化运行 A/O工艺分段进水深度脱氮模糊控制方法与装置通过调节曝气器和搅拌电机的开启实现容积的控制与调节；通过调节进水泵实现进水流量的控制与调节。
应用本实用新型后，A/O工艺分段进水深度脱氮系统非稳态运行试验结果参见图3，从实验结果可以看出在非稳态运行过程中A/O分段进水工艺达到了平均94.32％的总氮去除率。试验过程中，出水氨氮浓度均为零，而出水总氮浓度仅仅由出水硝酸盐浓度所决定。在3个月的试验过程中出水总氮浓度均低于2.41mg/L。而污泥体积指数值在82mL/g至97mL/g间变化，平均91mL/g，体现了较好的稳定性。
实施例中试试验采用北京工业大学家属区排放的真实生活污水，其水质指标情况如表4所示。
表4 进水污水水质 中试试验反应器由缺氧/好氧/缺氧/好氧推流式反应器和竖流式沉淀池组成，反应器尺寸为1400mm×460mm×600mm(双廊道)，有效容积为320L(最大为360L)。以本实用新型所述的A/O工艺分段进水深度脱氮模糊控制方法与装置为指导，进行了为期3个月的非稳态运行研究。试验过程中保持进水量不变，而进水水质随时间变化呈现一定的时变性。在试验过程中发现每一段硝化反应和反硝化反应均进行完全。从实验结果可以看出在非稳态运行过程中A/O分段进水工艺达到了100％的氨氮去除率，平均94.32％的总氮去除率。各段好氧区末端氨氮浓度均在检测线以下，达到完全硝化。而每一段缺氧区中，均未发生硝酸盐的累积。试验过程中，出水总氮浓度仅仅由出水硝酸盐浓度所决定。在3个月的试验过程中出水总氮浓度均低于2.41mg/L。而污泥体积指数值在82mL/g至97mL/g间变化，平均91mL/g，体现了较好的稳定性。
权利要求1.一种A/O工艺分段进水深度脱氮的模糊控制教学装置，用于A/O生物脱氮污水处理系统中，其A/O生物脱氮污水处理系统由原水容器(33)、进水管(28)、控制阀门(34)、进水泵(2)、反应池、中心管(35)、二沉池(29)、出水管(30)顺序连接而成；其中反应池由四段组成，每段有一个缺氧区(31)和一个好氧区(32)，每个缺氧区内均置有搅拌器(4)，每段的进水管均连接一个进水泵(2)，每个进水泵与一个控制阀门(34)连接；每个好氧区内均设有与空气压缩机连接的曝气器(3)，二沉池的池底连通剩余污泥管(36)和污泥回流管(37)，污泥回流管经回流污泥泵(38)、止回阀(39)与第一个缺氧区连通，其特征在于
在上述反应池的原水容器(33)内置有一个化学需氧量传感器，即COD传感器(5)，COD传感器(5)经导线连接COD测定仪(8)，COD测定仪(8)的信号输出端口与模糊控制器主机(11)上的COD信号输入接口(13)连接；
在上述反应池的原水容器(33)内还置有一个凯氏氮浓度传感器，即TKN传感器(6)，TKN传感器(6)经导线连接TKN测定仪(9)、TKN测定仪(9)的信号输出端口与模糊控制器主机(11)上的TKN信号输入接口(14)连接；
在上述反应池的好氧区每个内置有溶解氧浓度传感器，即DO传感器，各DO传感器经导线连接DO测定仪(10)，DO测定仪(10)的信号输出端口与模糊控制器主机(11)上的DO信号输入接口(15)连接；
上述模糊控制器主机的信号输出接口(12)与执行机构的信号输入口(21)连接，并分别向控制执行机构内部的曝气继电器(26)、进水泵调节器(25)、搅拌器电机继电器(27)输入控制信号；曝气继电器(26)控制各曝气器的曝气量，进水泵调节器(25)控制各进水泵的进水量，搅拌器电机继电器(27)控制各搅拌器的转速。
专利摘要一种A/O工艺分段进水深度脱氮的模糊控制教学装置，用于污水处理系统，由原水容器、进水管、控制阀门、进水泵、反应池、中心管、二沉池、出水管顺序连接而成，反应池由四段组成，每段有一个缺氧区和一个好氧区，在进水管内置有一个COD传感器和一个TKN传感器，在每个好氧区内置有一个DO传感器，将采集的COD和TKN浓度信号分别经COD测定仪和TNK测定仪输入模拟数字转换器转换成C/N输入变量数字信号，模糊控制器主机根据模糊控制规则得到进水流量分配系数以及各缺氧区的容积和各段的容积，作为输出变量并分别控制各曝气器的曝气量、各进水泵的进水量和各搅拌器的转速。解决了该系统的非线性精确控制和教学演示的问题。
文档编号G09B25/02GK201191473SQ20072020099
公开日2009年2月4日 申请日期2007年9月11日 优先权日2007年9月11日
发明者彭永臻, 祝贵兵, 王淑莹 申请人:彭永臻