一种氧化沟曝气与推流过程的优化控制方法及控制系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种城市污水处理工艺的优化控制方法及控制系统，特别是关于一种 在城市污水处理技术领域中应用的氧化沟曝气与推流过程的优化控制方法及控制系统。
【背景技术】
[0002] 我国建设近5000座城镇污水处理厂，氧化沟工艺占比较高。氧化沟工艺历史悠久， 由于其建设和运行简单、具备脱氮除磷功能、完全混合缓冲能力强、适应进水特征和规模的 范围较大，因此应用十分广泛。但是，氧化沟工艺的能耗比传统活性污泥法要高。这是因为 外界必须输入能量维持整个流体在氧化沟系统内的快速循环与流动。氧化沟的曝气推流过 程是整个污水处理过程的核心，能耗约占全厂总电量50~70%。因此有必要研究氧化沟工 艺曝气过程节能的方法，开发实现节能调节的装置。
[0003] 氧化沟工艺一般采用表面曝气设备，比较常用转碟、转刷和倒伞等设备。这类表面 曝气装置的共同特征包括：1、曝气设备通过机械运行使空气与液体混合，兼顾了充氧和推 流两个功能;2、曝气设备的氧传质效率取决于电机转速和浸没深度。因此，针对氧化沟曝气 过程的节能措施也主要从上述两方面出发。目前常用的节能技术主要围绕曝气核心设备展 开，包括增加底流推进器减少表面曝气、改进曝气机械结构提高充氧效率、调节机械转速实 现不同充氧量等。以转碟为例，通过优化转碟表面结构，可以提高单片转碟的充氧能力;通 过设置高低两档转速，可以在高转速实现充氧和推流，在低转速保证推流效果等。以倒伞设 备为例，除了能调整转速外，也可以垂直调整倒伞位置，改变浸没深度来优化充氧量。由于 倒伞位置调节技术复杂，一般较少在运行时长期实时调节。
[0004] 目前，氧化沟的调节和控制手段还不够成熟，主要因为设备调节方式差异很大、曝 气与推流设备的协同调节比较困难。一方面，曝气转碟、推流器和倒伞等设备调节方式差异 很大，导致设备性能的定量及趋势分析困难，控制系统必须根据设备特点进行本地定制化 开发。另一方面，影响设备推流和曝气的因素较多，难以清晰识别。现有技术中主要利用计 算流体力学(cro)来模拟和分析曝气和推流的关联效果，成本高、时间长，缺乏工程上实用 的评估方法。除了设备的多样性之外，氧化沟曝气设备的控制策略也存在不够实用的问题， 比如，公开号为CN1966426A的专利文献中提出以溶解氧来控制变频鼓风机，而实践中氧化 沟较少采用鼓风曝气设备，溶解氧浓度主要指示好氧-缺氧分区，难以稳定控制。公开号为 CN203683313U的专利文献中提出使用溶解氧控制转碟编组和变频等，但氧化沟溶解氧分布 与曝气设备状态密切相关，不存在一个溶解氧平衡的状态，某点溶解氧仪读数主要取决于 上游邻近曝气设备是否运行，因此在实际工作中难以指导整个沟渠运行状态的调整。上述 不利条件限制了氧化沟曝气和推流过程的优化控制，因此迫切需要建立新的认识方法和装 置设备。
【发明内容】
[0005] 针对上述问题，本发明的目的是提供一种氧化沟曝气与推流过程的优化控制方法 及控制系统，其可以统一描述氧化沟设备曝气和推流能量的方法，为灵活调整氧化沟的曝 气与推流状态提供基础，实现氧化沟曝气推流过程的节能运行。
[0006] 为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种氧化沟曝气与推流过程的优化 控制方法，其特征在于包括以下步骤:1)根据工艺运行状况监测数据，针对充氧和推流采用 不同的前馈-反馈控制策略，计算当前工况下需要的曝气能量输入值和推流能量输入值;2) 根据当前曝气设备和推流设备工况，计算曝气设备的曝气能量和推流设备的推流能量，并 分别与预先设定的能量值比较;如果当前能量输入值满足要求，则维持设备运行状态不变； 如果不满足要求，则修改设备编组方案，进入下一步;3)需要调整编组运行时，按照"先改变 转速w，再改变浸没深度h，最后改变开启台数N"的规则生成编组方案，计算新编组方案的推 流能量、曝气能量与设定值的偏离率并判断是否都满足预设要求；当推流能量和曝气能量 与设定值的偏离率都满足预设要求时，执行新的编组方案，如果任一者不满足，则重新生成 编组方案并重复本步骤中的能量计算与比较过程。
[0007] 所述步骤1)中，计算曝气能量输入值时，采用的曝气充氧前馈-反馈控制策略是根 据进水氨氮负荷值前馈补偿、根据出水氨氮浓度值反馈控制输入的充氧能量EA;其具体步 骤如下：（1)前馈补偿环节的算法采用表函数模型，按周期计算进水氨氮负荷Ln的变化量Δ Ln，然后根据变化值的方向，查询向上或向下表格，获得充氧能量设定值的前馈变化量△ EAs,f; (2)反馈补偿环节采用带有死区的比例积分控制模型，经过参数化简后，计算充氧能 量设定值的反馈变化值A EAs,b; (3)控制输出采用分段函数模型，根据前馈补偿设定变化值 Δ EAs, f和反馈控制变化值A EAs, b，与当前时刻充氧能量设定值EAs (t)相加，得到下一个时 刻的充氧能量设定值EAs(t+l); (4)将充氧能量的实际值EA与设定值EAs比较，根据下式判断 是否启动生成新的编组new config，或者维持现状不变unchanged，或者严重报警warning:
[0009] 式中a为是中间参数，取正值。
[0010] 所述步骤(1)中，充氧能量设定值的前馈变化值AEAs,F计算公式如下：
[0011] Δ EAs,F(t) = lookup( Δ Ln,sign( Δ Ln)，t)inTableFunction，
[0012] Δ LN(t)=QiN(t)CiN(t)-QiN(t-l)CiN(t_l)，
[0013] 式中，△ Ln为进水氨氮负荷的变化量，A LN(t)为t时刻进水氨氮负荷的变化量，单 位kg/h; Qin为进水水量，Qin( t)为t时刻进水水量，单位m3/hr; Cin为进水氨氮浓度，Cin( t)为t 时刻进水氨氮浓度，单位mgN/L;lookup(x)表示查阅表格满足x条件对应的数据;sign(x)表 示X的正负符号，-1或+1 ;t为采样时间，单位min; △ EAs,F(t)为t时刻充氧能量设定值的前馈 变化值，单位W/m3。
[0014] 所述步骤(2)中，充氧能量设定值的反馈变化值△ EAs,b计算公式如下：
[0015] Δ EAs,B(t) =Κι · Δ CEN(t)+K2 · A CEN(t-l)，
[0016] Δ CEN(t)=CEN(t)-CEN(t_l)，
[0017] 式中，Cen为出水氨氮浓度，Cen⑴为t时刻出水氨氮浓度，Δ Cen为出水氨氮浓度变 化值，Δ CEN( t)为t时刻出水氨氮浓度变化值，单位mgN/L; Δ EAs,B( t)为t时刻充氧能量设定 值的反馈变化值，单位W/m3;心和心为系数。
[0018]所述步骤1)中，计算推流能量输入值时，采用的推流混合过程前馈-反馈控制策略 是根据进水流量值前馈补偿、根据氧化沟内污泥浓度值反馈控制输入的混合能量EF，其具 体步骤如下：（1)推流能量设定值的前馈补偿环节也采用表函数模型，按周期计算进水水量 Qin的变化量A QIN，然后根据变化值的方向，查询向上或向下表格，获得混合能量设定值的 前馈变化量A EFs,f; (2)反馈环节采用带有死区的比例控制模型，根据污泥浓度计的读数 MLSS(t)，计算混合能量设定值的反馈变化量AEFs,b;(3)控制输出采用分段函数模型，根据 前馈补偿设定变化值A EFs,f和反馈控制计算的变化值△ EFs,B(t)，与当前时刻设定值EFs (t)相加，得到下一个时刻的推流能量设定值EFs(t+l); (4)将推流能量的实际值EF与设定 值EFs比较，根据下式判断是否启动生成新的编组new config，或者维持现状不变 unchanged，或者严重报警warning:
[0020] 式中a是中间参数，可为负值。
[0021] 所述步骤(1)中，混合能量设定值的前馈变化量△ EFs,f计算公式如下：
[0022] Δ EFs,F(t) = lookup( Δ Qin，sign( Δ Qin)，t)in Table Function，
[0023] Δ QIN(t)=QiN(t)-QiN(t_l)，
[0024] 式中，AQIN为进水水量的变化量，AQIN(t)为t时刻进水水量的变化量，单位m3/ hr; sign(x)表示X的正负符号，-1或+1; t为采样时间，单位min; Δ EFs,f为t时刻混合能量设 定值的前馈变化值，单位W/m3。
[0025]所述步骤(2)中，混合能量设定值的反馈变化量△ EFs,b