一种基于出水氨氮和溶解氧的精确曝气控制方法与流程

本发明涉及污水处理技术领域，尤其涉及完全混合式污水处理工艺，如氧化沟等的精确曝气控制。

背景技术：

随着社会生产力、经济、工业的发展，越来越多的生产废水、生活污水需收集至污水处理厂集中处理，经处理后的污水达标排放，维持水环境洁净的动态循环。污水一般需要经过管网收集→格栅过滤→泵站提升→沉砂处理→生化处理→沉淀池泥水分离→达标排放，部分需要经过深度处理方可达标排放。污水处理厂是能源密集型行业，是能耗大户，并且随着污水排放标准的日益严格，能耗也会相应加大。污水处理厂约50%～80%的能耗发生在鼓风曝气过程，因此优化曝气控制模式是节能降耗、保障水质的关键所在。

传统对工艺过程的控制方式限于人工对曝气时间的控制，同时采用定频控制鼓风机曝气供氧方式，即曝气时段内的鼓风机运转频率固定。此方式具有很大局限性，无法确保反应池系统内微生物适宜的do水平，若曝气不足则抑制异养菌、硝化菌的生长；若曝气过量则造成不必要的能耗浪费，且影响污泥絮体结构及同步硝化反硝化（snd）作用效果，从而降低脱氮效果。随着污水排放标准的日益提高，尤其对氮磷控制要求的提高，该种传统的控制方式已很难达到排放标准的要求。

随着自动仪表的发展，大多数污水厂的曝气过程环节也逐渐发展为以好氧区溶解氧do为基准的控制方式。或是采用溶解氧检测仪和电动调节蝶阀作为简单的控制回路，当生化反应池内的do值大于某一个设定值时，关闭电动蝶阀；当do值小于某一个设定值时则打开电动蝶阀。或是采用了pid（比例-积分-微分）进行定值调节，根据池中溶解氧检测仪的do反馈信号与do设定值进行比较，将偏差通过pid运算后传给阀门的行程控制器调节阀门的开度，进而控制池内的do值。上述控制方法的缺点在于：一是由于时间延迟，即从开始曝气到池内do变化需要一段时间，造成溶解氧的控制波动很大；二是上述的方法能耗高，为了保证安全运行，系统的do设定值只能保持在较高的数值上，从而能耗较高造成浪费；三是过大的波动会使得池内的生物环境不稳定，干扰生物系统的工作。

技术实现要素：

本发明克服了现有曝气模式的不足，提供一种污水处理厂精确曝气控制方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：一种基于出水氨氮和溶解氧的精确曝气控制方法，包括生化反应池、氨氮在线分析仪、溶解氧在线分析仪、上位机和鼓风机，所述氨氮在线分析仪和所述溶解氧在线分析仪均设置在所述生化反应池的出水处，所述氨氮在线分析仪和所述溶解氧在线分析仪均与中控室的所述上位机相连，所述上位机内设置有线控制平台，所述鼓风机安装在曝气设备上，所述鼓风机与中控室的所述上位机连接；

对池内的氨氮浓度和溶解氧浓度进行实时监测并将浓度数据上传至中控室上位机，上位机内设置在线控制平台，通过对比氨氮和溶解氧的设定点浓度与实时浓度，判断不同设备所需的运行状态，采取相应的调控措施，启停鼓风机或变频调速运行：若氨氮的实时浓度大于氨氮设定点高值cnmax，则要求生物池内的溶解氧维持在较高水平，此时需要进行曝气，开启鼓风机或增大运行频率；若氨氮的实时浓度小于氨氮设定点低值cnmin，则此时生物池内的溶解氧维持在较低水平即可，此时需要停止曝气，关闭鼓风机或减小运行频率；

氨氮和溶解氧浓度的设定点数值根据出水水质要求确定；若执行一级a标准，氨氮设定点高值cnmax在3.0-4.5mg/l之间，低值cnmin在0.5-2.0mg/l之间；溶解氧设定点高值cdomax为2.0±0.2mg/l，低值cdomin为1.0±0.2mg/l，具体根据各污水处理厂的实际情况而定；若执行“准ⅳ类”标准，氨氮设定点高值cnmax在1.5-1.8mg/l之间，低值cnmin在0.2-1.0mg/l之间；溶解氧设定点高值cdomax为2±0.2mg/l，低值cdomin为1±0.2mg/l。

在正常工况下，根据出水水质要求，设定合适的浓度设定点，曝气设备根据do/nh3-n信号启停或变频运行。

溶解氧和氨氮的浓度设定点根据出水水质要求确定，出水氨氮＜5mg/l。

溶解氧和氨氮的浓度设定点根据出水水质要求确定，出水氨氮＜2mg/l。

本发明的有益效果在于：

通过采集生化反应池的在线分析仪表实时数据，根据污染物浓度变化调控鼓风机的运行，精确控制曝气量，使曝气供氧量与生化反应需氧量最大限度拟合，使生物池内的溶解氧浓度合理波动，以获得cod、bod、氮、磷等不同污染物去除过程的平衡，防止曝气不足、曝气过量现象的发生。

本发明实现精确控制，按照需求供气，降低污水处理厂单位处理成本；稳定活性污泥生物处理环境，提高活性污泥处理效率；稳定出水指标，抵御瞬时进水负荷冲击带来的排放压力；精确化和智能化，降低现场工作人员劳动强度。

附图说明

图1是本发明结构示意图；

图2是根据在线仪表信号判断的选择控制程序示意图；

图3是生化反应池溶解氧、氨氮在线分析仪表布置图；

图4是精确控制模式逻辑图；

图5是氨氮控制模式逻辑图；

图6是溶解氧控制模式逻辑图；

图7是时间控制模式逻辑图；

图8是精确控制模式下氨氮浓度变化曲线图。

具体实施方式

污水处理厂原水经过预处理后，通过提升泵将污水提升至生化处理池。根据进水水质、水量计算污水处理所需的曝气鼓风总量，匹配鼓风机风量、风压、功率、数量。在生化处理池中设置溶解氧、氨氮在线监测仪表，实时测定溶解氧、氨氮浓度，根据实际的需氧量实时调整鼓风机的运行状态。

生化反应池溶解氧、氨氮在线仪表布置图详见图3。

将以下设定点在智能控制平台中编码并可自由赋值：

溶解氧浓度设定点高值cdomax；

溶解氧浓度设定点低值cdomin；

氨氮浓度设定点高值cnmax；

氨氮浓度设定点低值cnmin；

溶解氧、氨氮在线分析仪表的采样间隔t。

下面以甘肃某一污水处理厂为实施案例，详述本发明的方法。该污水处理厂设计规模为10万吨/天，水质排放执行一级a标准。因为该厂地处西部，常年水温偏低，为了保证安全运行，设定值余量较大。对各控制模式详述如下。

精确控制模式：

生化池中的氨氮和溶解氧仪表均能提供有效数据时，自控系统自动选择精确曝气模式。

设定cdomax=2mg/l，cdomin=1mg/l，cnmax=3mg/l，cnmin=2mg/l，t=30min。

每经过时间t，采集一次氨氮与溶解氧仪表值，与设定值进行比对：

若氨氮浓度cn＞cnmax，判定此时需开始或加强曝气，进一步对比溶解氧数值，若溶解氧浓度cdo＜cdomin，则开启鼓风机或增大频率，若溶解氧浓度cdo≥cdomin，设备维持现状；

若氨氮浓度cn＜cnmin，判定此时需停止或减弱曝气，进一步对比溶解氧数值，若溶解氧浓度cdo＞cdomax，则关闭鼓风机或减小频率，若溶解氧浓度cdo≤cdomin，设备维持现状；

若氨氮浓度cnmin＜cn＜cnmax，设备维持现状。

氨氮控制模式：

如果溶解氧仪表发生故障，自控系统自动选择氨氮控制模式，只依据氨氮仪表的实测值和设定值对曝气过程进行控制。

设定cnmax=3mg/l，cnmin=1mg/l，t=30min。

若氨氮浓度cn＞cnmax，需开始或加强曝气，即开启鼓风机或增大频率；

若氨氮浓度cn＜cnmin，需停止或减弱曝气，即关闭鼓风机或减小频率；

若氨氮浓度cnmin＜cn＜cnmax，设备维持现状；

溶解氧控制模式：

如果氨氮仪表发生故障，自控系统自动选择溶解氧控制模式，只依据溶解氧仪表的实测值和设定值对曝气过程进行控制。

设定cdomax=2.5mg/l，cdomin=1.5mg/l，t=30min。

若溶解氧浓度cdo＞cdomax，则关闭鼓风机或减小频率；

若溶解氧浓度cdo＜cdomin，则开启鼓风机或增大频率；

若溶解氧浓度cdomin＜cdo＜cdomax，设备维持现状；

时间控制模式：

如果溶解氧、氨氮在线分析仪均故障，智能控制平台只可选择时间控制模式（固定风量和固定时间）。鼓风机设备根据预设的曝气时间tn、不曝气时间tdn固定运行状态，以tn与tdn之和为一个运行周期，与常规污水处理厂的风机运行模式相同。

设定曝气时间tn=180min，不曝气时间tdn=60min。

在智能控制平台中，污水厂运行管理人员可根据仪表可用情况自由选择控制模式：精确控制模式、氨氮控制模式、溶解氧控制模式、基础控制模式的控制逻辑图详见图4、图5、图6和图7。

本发明使用的仪表为污水处理厂常规设置仪表，因此几乎所有污水处理厂均具备通过采用智能控制平台实现精确曝气控制的硬件条件。

2016年在该厂进行了连续6个月的精确曝气控制，结果表明，该系统运行稳定，出水水质满足设计标准，达标率高于96%，与应用该系统前相比，该厂鼓风机能耗降低18.5%，吨水电耗降低11.4%。

以上内容详细说明了本发明的实施原理、实施方法及实施效果。本发明不限定实施范围，凡是依照本发明的控制构思、控制方法下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。