预测性精确曝气方法与流程

本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种预测性精确曝气方法。

背景技术：

1、活性污泥法是污水处理最基本也是最为核心的方法之一，拥有上百年的发展历史，已得到世界各地的广泛应用。曝气通常是活性污泥法最主要的能量消耗(相关研究表明，曝气占据了污水处理厂总能耗的50～70％)，也是污水处理厂间接碳排的主要来源。因此，曝气成为了污水处理厂优化运行的研究重点。

2、生物池氧气的消耗主要由两个方面决定：一是bod5去除所需要的氧气耗量；二是nh3-n硝化所需要的氧气耗量，这两个过程均在好氧池内完成。另外，从理论上讲，在缺氧池内的反硝化过程还将产生一部分溶解氧，可减少曝气系统氧气的需求量。

3、实际运行时，通常是通过控制好氧池出口处do浓度(“后馈型”)来实现生物系统的稳定运行，如附图1所示。通常控制好氧池出口处do浓度在2.0mg/l左右，当do值小于1.8mg/l时，通过变频或增加开机风机数量的方式加大曝气系统的供气量，使得好氧池do浓度上升，当do值大于2.5mg/l时，通过变频或减少开机风机数量的方式减小曝气系统的供气量，使得好氧池do浓度下降，通过这种方式来实现好氧池do值的相对稳定。

4、该方法的基本逻辑在于：当进水正常的情况下，只要保证系统的do稳定，整个生物处理系统就将相对稳定，出水水质就会有保证。然而，实际情况与设计工况存在较大差别，实际进水水质通常是时刻波动的且远低于设计进水水质。这将产生多方面的影响，主要表现为以下几个方面：

5、(1)实际的氧气需求量将显著低于设计值。

6、设计时通常根据90～95％概率进水浓度进行设计，为一相对保守的固定值，而实际值是波动的，且绝大部分时间都是小于设计值的。另外，从全国的实际情况来看，由于污水收集系统效能低下的原因，实际进水bod5浓度远低于设计值，这意味着生化系统的实际氧气需求量将显著低于设计值。因此，运行时do值按设计值固定在2.0mg/l左右进行控制实际上肯定是不节能的，实际运行无需维持在2.0mg/l左右的do浓度。

7、(2)系统对do的缓冲能力较弱，do值难以控制。

8、由于实际进水水质远低于设计进水水质，整个生物系统消耗do的能力将较设计值弱，同时也意味着稳定do值的能力较弱，而空气供应系统供应能力较强，将不可避免出现“大马拉小车”的情况，因此，很多污水处理厂会出现do值持续走高，控不下来的情况，从而导致系统能耗较高。

9、(3)内外回流do值较高，影响前端缺氧池、厌氧池的正常运行。

10、由于系统对do消耗能力较弱，消耗速率也较慢，因此，无论是内回流还是外回流，都将带有较高的do浓度，不可避免会影响前端缺氧池、厌氧池的反应环境，进而影响系统的反硝化脱氮与厌氧释磷，不利于生物系统的高效运行。

11、通过上述分析可以知道，实际情况比设计工况要复杂得多，传统的以do浓度为控制目标的“后馈型”控制方法存在一定的局限性。

12、不少研究者提出“前馈+后馈”和“前馈+模型+反馈”等控制方法，但这些方法在实际运行中仍存在以下问题：

13、(1)后馈控制系统维持较高的do浓度，一般在1.5mg/l以上，由于二沉池中易发生污泥厌氧释磷，使得除磷效果变差，影响出水p达标；较高的do浓度虽然能够防止二沉池出现厌氧释磷的情况，但并不节能。

14、(2)实际运行中，好氧池do浓度由于以下原因难以有效控制：

15、①进水在线监测数据并非连续，通常2h左右才有一组数据，在这一间隔时间内水质数据有一定的波动(对于建成区污水处理厂，进水水质相对稳定，此波动值一般较小)；

16、②进水b/c也存在一定的波动，曝气风量的控制在理论推求的基础上，往往并未考虑一定的余量，在水质波动明显时，计算的理论供风量可能不够，导致出水指标不达标。

17、(3)由于污水从在线监测点到好氧池需要一定的时间，在线监测仪表从取样到出结果也需要一定的工作时间，通常精确曝气控制系统未考虑这个滞后的时间差，会导致通过进水实测水质数据计算的供风量与好氧池曝气处实际的水质所需的供风量并不对应，从而达不到精确曝气的作用。

18、(4)现有的利用活性污泥asm模型技术对生物反应过程进行模拟，进而控制风机准确配气的控制方法尚不成熟，由于asm模型机理仍在发展之中，且模型参数较多，除了设计水量水质等基础数据外，还包括生物池的反应动力学、沉淀池和水泵及风机等参数，其实际要求高，控制过程复杂，各监测仪表的投资及维护的工程量均较大，且对维护人员的素质要求较高，因而其实际效果不甚理想，存在一定的局限性，有待进一步改进。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种“前馈+后馈辅助”的预测性精确曝气方法对生物处理系统供氧量进行控制，使控制上更容易，运行上更节能。

2、在现有的设计中，好氧、缺氧池的池容按设计进出水水质，按最不利温度(10℃)设计，所以实际上出水水质应明显优于设计水质，达到一个新的平衡。

3、好氧池的需氧量根据设计进出水水质进行设计，计算出理论需氧量，然后再转化为标准状态下的需氧量，进一步转换为标准供气量，进而控制风机运行。反应池do浓度越高，标准状态下的需氧量就会越大；另外，氧的传递还有一个效率问题，与水深、曝气器效率、do浓度等均有关，在物理条件确定的情况下，能调节的还是do。因此，保证反应池do在一个较低的水平就是一种节能运行的好的方案。

4、由此，本发明提供一种“前馈+后馈辅助”的预测性精确曝气方法的控制逻辑，对生物处理系统供氧量进行控制，所述预测性精确曝气方法，包括以下步骤：

5、步骤一，对污水处理厂多日实测进水codcr和bod5进行统计分析，以最新监测的进水codcr为基准，取其在历史codcr数据中的上下某一设定比例范围内(如20％)的历史codcr和对应的bod5值作为概率分布的数据集，计算得到数据集中b/c的某一设定累积概率范围内(如80％)的b/c值及数据集中的b/c的平均值，以平均值作为bod5折算系数，按下式计算实际供气量的安全系数k安：

6、

7、式中，b/c即bod5/codcr的比值；

8、步骤二，利用污水处理厂在线监测仪表每隔一段时间t工获取的实测进水codcr、进水氨氮、进水tn值、bod5折算系数及设计出水bod5、总凯氏氮、硝态氮值计算好氧区的实际需氧量aor；t工为在线监测仪表从取样到出结果的工作时间；

9、步骤三，将实际需氧量aor换算成标准状态(0.1mpa、20℃)下的需氧量sor，并计算标准供气量gs；

10、步骤四，实际供气量gs控在理论推求的基础上，乘以一个大于1的安全系数k安来计算，计算方式如下：

11、gs控＝gs×k安；

12、步骤五，控制系统在t滞后将供气量gs控传递给风机组的控制柜，并按实际供气量gs控调节风机输出气量；

13、t滞为污水从在线监测点到好氧池所需要的时间，t滞的计算方式为：t滞＝t停－t工，式中，t停为污水从在线监测点到好氧池的实际停留时间；

14、步骤六，后馈辅助控制系统实时反馈好氧池末端do值，设定do的最小值domin以防止二沉池出现厌氧释磷，若do值大于domin，则系统不做调整，持续运行一段时间，至新的进水在线监测值出来后，再计算出新的空气量供应需求后再根据计算的gs控进行调整；若do值小于domin，则根据(domin－当前的do值)乘以好氧区的容积得到好氧区的需氧量aor，再计算sor、gs、k安及要增加的风量gs增，以gs增作为增加的风机组供气量，一直增加供气量至好氧池do浓度超过domin的某一比例(如10％)的时候停止，以保证好氧池出水最低的do含量。

15、优选的，所述步骤二中，好氧区的实际需氧量aor按下式计算：

16、aor＝0.001aq(so－se)－cδxv+b[0.001q(nk－nke)－0.12δxv]

17、－0.62b[0.001q(nt－nke－noe)－0.12δxv]，单位：kgo2/d；

18、式中：so为生物反应池进水bod5浓度(mg/l)；se为生物反应池设计出水bod5浓度(mg/l)；nt为生物反应池实测进水总氮浓度(mg/l)；nk为反应池实测进水总凯氏氮浓度(mg/l)，采用实测进水总氮浓度；nke为反应池设计出水总凯氏氮浓度(mg/l)；noe为反应池设计出水硝态氮浓度(mg/l)；a为碳的氧当量，当含碳物质以bod5计时，取1.47；b为常数，氧化每公斤氨氮所需氧量(kg o2/kgn)，取4.57；c为常数，细菌细胞的氧当量，取1.42；q为生物反应池的进水流量(m3/d)；δxv为排出生物反应池系统的微生物量(kg/d)；0.12δxv为排出生物反应池系统的微生物中含氮量(kg/d)。

19、优选的，生物反应池进水bod5浓度so为通过统计步骤一中进水b/c数据集的平均值作为折算系数，通过实测进水codcr值×折算系数得到。

20、具体的，所述步骤二中的bod5折算系数为步骤一中的进水b/c数据集的平均值。

21、优选的，所述步骤三中，实际需氧量aor按下式换算成标准需氧量sor：

22、

23、式中：cs(20)为水温20℃时清水中溶解氧的饱和度，mg/l；csb(t)为设计水温t℃时好氧池中平均溶解氧的饱和度，mg/l；t为设计水温，℃；cl为好氧池中溶解氧浓度，mg/l；a为污水传氧速率与清水传氧速率之比，取0.82；ρ为压力修正系数，取1.0；β为污水中饱和溶解氧与清水中饱和溶解氧之比，取0.95。

24、优选的，好氧池中平均溶解氧饱和度csb按如下公式计算：

25、

26、式中：cs为在大气压力条件下氧的饱和度，mg/l；pb为空气扩散装置出口处的绝对压力，pa；qt为气泡在离开曝气生物反应池水面时，氧的百分比。

27、优选的，绝对压力pb按下式计算：

28、pb＝p+9.8×103h

29、式中：h为空气扩散的安装深度，m；p为大气压力，取1.013×105pa。

30、优选的，氧的百分比qt按下式计算：

31、

32、式中：ea为空气扩散装置氧转移效率，％。

33、优选的，步骤三中，标准供气量gs按如下式计算：

34、

35、式中：ea为空气扩散装置氧转移效率，％。

36、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

37、一、本发明的曝气控制以前馈为主，do后馈为辅，既能保证出水水质又能实现节能降耗，理论上更加合理，实操上可行，运行上更加节能，系统碳排放量更低；

38、二、风量的控制在理论推求的基础上，乘以一个大于1的安全系数k安，且控制系统可根据实际运行情况随时调整，避免供风量因水质波动而出现不够的情况；安全系数的取值根据污水处理厂进水b/c的概率分布特性，以最新监测的进水codcr为基准，取其上下某一设定比例范围内(如20％)的历史codcr和对应的bod5值作为计算的数据集，初步取数据集中累积概率为80％的b/c值除以b/c值的平均值，得到安全系数k安的初始值，后续进一步依次试验数据集取最新监测的codcr上下10％～30％，或取累积概率为90％～70％的b/c值计算k安，根据出水水质是否达标确定合适的k安，选取当出水水质达标时的最佳计算k安值，得到控制的风量gs控；

39、三、系统科学地设置了好氧池do供应与需求的滞后时间t滞，按污水从在线监测点到好氧池的“实际停留时间”t停减去在线监测仪表从取样到出结果的工作时间t工考虑，能有效提高曝气量预测的精准性；

40、四、保留了好氧池末端do的后馈机制，并在系统中可根据运行情况随时调整运行参数，大大提高了系统的适应性；利用do的后馈进行辅助控制曝气量，保证好氧池出水最低的do含量，降低能耗的同时防止二沉池出现厌氧释磷；

41、五、采用常规的在线监测指标即可进行系统控制，无需增加任何额外的监测仪表，对于改造项目，也仅需要调整控制程序即可，系统部署简单方便。