精确化间歇曝气控制系统

摘要

本申请公开了精确化间歇曝气控制系统，用于精确化控制生化池内间歇曝气，控制系统包括控制模块、鼓风机总控柜、阀组控制器、曝气管路；曝气管路包括均匀设于所述好氧池内的多个曝气网格，曝气网格将好氧池分隔为多个曝气子区域；所述曝气网格的节点上设有曝气器，每个曝气网格连接一个曝气支管，所有曝气支管汇总连接至曝气总管，曝气总管连接至鼓风机，每个曝气支管上均设有独立的气动蝶阀；所述控制模块控制连接阀组控制器和鼓风机总控柜，所述阀组控制器控制连接所有气动蝶阀，所述鼓风机总控柜控制连接所述鼓风机，所述气动蝶阀设有两种运行状态：开启状态、间歇开启状态。通过将气动蝶阀设置为间隙开启状态，可以减少能耗，提高生化池效益。

说明书

技术领域

本申请涉及精确化间歇曝气控制系统，涉及污水处理技术领域。

背景技术

污水处理厂作为地区环境治理的重要一环，电费是其最大的成本支出，可占到总支出成本的50％以上。

污水处理厂的核心处理单元是生化处理，其应用最广泛的方法为活性污泥法，活性污泥在不同的条件下进行不同的反应，一般而言，生化池的组成可分为厌氧池、缺氧池、好氧池三种，在实际应用中可根据进水条件灵活对三种池进行搭配。其中污水处理厂生化池的一种典型结构如图1所示，生化池包括依次连接的预缺氧池1、厌氧池2、缺氧池3和好氧池4，一般缺氧池3会设置一到两格，好氧池4会设置多格，好氧池4为实现供氧，会在好氧池4内布置供气管路。在污水处理厂的电耗组成中，供给好氧池4氧气的鼓风机占比最大，有甚者超过50％。因此，鼓风机的控制以及风量的合理分配直接影响了整个污水处理厂的运行成本。而对于污水处理厂曝气系统的控制上常存在以下问题：

1.好氧池曝气量与实际需求不匹配，当曝气量较小时，会使得好氧池中的生化反应完不成；而曝气量较大时，会造成污泥过氧化，并造成大量的电耗。

2.常见的活性污泥法都是利用通过将完成硝化反应的硝化液与进水在缺氧环境下进行反硝化反应进行脱氮，但过度曝气会对其它池的缺氧环境进行破坏，影响反硝化效果，进而影响总氮的去除效果。

3.大部分污水处理厂对于曝气的控制停留在根据曝气池末端溶解氧来控制风机的频率，这种控制方式对溶解氧的检测有一定的滞后性，同时曝气量反馈到溶解氧也有一定的滞后性，难以达到精确曝气满意的效果，也会造成大量的能耗浪费。

4.污水处理厂的实际负荷较设计负荷偏差大且变化剧烈，大量污水处理厂存在缺碳、高氮磷的现象。

5.部分污水处理厂现在使用鼓风机间歇运行的方法在节约能耗的同时强化脱氮，但这种人为的控制方法不够准确，并且存在局限性。

发明内容

本申请要解决的技术问题是如何在保持生化池污水处理效率的基础上进行好氧池的间歇曝气、降低电耗，以解决目前生化池曝气量与实际需求不匹配，过度曝气造成的高溶解氧对缺氧效果的破坏，曝气系统的粗犷控制导致的能源浪费，实际负荷较设计负荷偏差大且变化剧烈，常规间歇曝气存在局限性的问题。

为了解决上述技术问题，本申请的技术方案是提供了精确化间歇曝气控制系统，用于精确化控制生化池内间歇曝气，所述生化池包括依次连接的预缺氧池、厌氧池、缺氧池和好氧池，还包括从好氧池连接至缺氧池的内回流管道以及自外部沉淀区连接至预缺氧池的外回流管道，其特征在于，控制系统包括控制模块、鼓风机总控柜、阀组控制器、曝气管路；曝气管路包括均匀设于所述好氧池内的多个曝气网格，曝气网格将好氧池分隔为多个曝气子区域；所述曝气网格的节点上设有曝气器，每个曝气网格连接一个曝气支管，所有曝气支管汇总连接至曝气总管，曝气总管连接至鼓风机，每个曝气支管上均设有独立的气动蝶阀；所述控制模块控制连接阀组控制器和鼓风机总控柜，所述阀组控制器控制连接所有气动蝶阀，所述鼓风机总控柜控制连接所述鼓风机，所述气动蝶阀设有两种运行状态：开启状态、间歇开启状态。

具体的，间歇开启状态设为：气动蝶阀处于关闭状态，阀组控制器周期性启闭气动蝶阀，向池内发射单股脉冲模式的气流。

优选的，所述控制系统还包括采集模块，采集模块包括：设于所述好氧池中段用于测定所处断面的氨氮数据A的氨氮仪表，设于好氧池进水点、氨氮仪表安装处、好氧池回流点分别用于测定所处断面的溶解氧值D1，D2，D3的溶氧仪，设于好氧池进水点、好氧池回流点分别用于测定所处断面的硝氮值X1，X2的硝氮仪表，设于所述生化池进水处用于测定生化池进水流量Q1的进水流量计，设于所述内回流管道上用于测量硝化液回流流量Q2的硝化液回流流量计，设于所述外回流管道上用于测量污泥回流流量Q3的污泥回流流量计；所述采集模块连接至所述控制模块。

采用上述控制系统，可以通过人工判断污水处理情况，将气动蝶阀设置为间隙开启状态，可以减少能耗，提高生化池效益。

当然也可以通过算法对每个曝气子区域的间歇曝气状态进行判断，并进行风量的精准调控，具体步骤如下：

步骤一、根据水流方向，对各个曝气支管控制的曝气子区域进行编号，分别记作B1、B2……Bn，并对曝气支管上的阀门进行编号，分别记作1、2……n。

步骤二、计算出单个曝气子区域的实时停留时间T：

式中：V—单个曝气子区域的有效容积；

曝气实际停留时间T

步骤三、计算氨氮仪表前曝气区域的氨氮去除速率v：

式中：A1—设定的好氧池进水氨氮值；

n1—氨氮仪表前处于曝气状态的曝气子区域数量；

步骤四、计算各曝气子区域需要开启曝气的临界值An：

An＝βvT(n-n1)

式中：An—第n个阀门所控制的曝气子区域的开启临界值；

β—修订参数，由现场硝化实验的斜率变化确定；

步骤五、对气动蝶阀的运行状态进行判断：

当A0＞An，所代表的曝气子区域的气动蝶阀处于开启状态；

当A0≤An，所代表的曝气子区域的气动蝶阀处于间歇开启状态；

式中，A0为参考值；

步骤六、计算缺氧池的硝氮去除速率v缺：

式中：V缺—缺氧池有效容积；

步骤七、判断好氧池在当前运行状态下能否完成硝化反应；

判断当前的反硝化反应是否尚未完成；

以上两点有一点不满足，则氨氮仪表前的所有气动蝶阀全部设为开启状态；

以上两点均满足，根据硝氮去除速率v缺，好氧进水点硝氮值X1，单个曝气子区域的实时停留时间T，计算出进行间歇开启的阀门数量n2

具体的，所述步骤七中，判断好氧池在当前运行状态下能否完成硝化反应的判断标准为：当氨氮仪表后端的所有阀门至少有一个处于间歇运行状态时，即可判断在当前状态下已经完成硝化反应；判断当前的反硝化反应是否尚未完成的判断标准为：人工输入参考值X，当X1＞X，判断当前的反硝化反应尚未完成。

优选的，还包括精准控制鼓风机输出风量的步骤八：

根据气动蝶阀设为开启状态的数量、氨氮仪表以及溶氧仪的测值，对鼓风机进行控制，具体步骤如下：

8.1统计目前气动蝶阀处于开启状态的曝气子区域数量，记作m；

8.2设定一个平衡风量值记作C；

8.3在平衡风量C的基础上，利用当前氨氮值A和内控出水氨氮指标之间的差值，当高于内控值时调大风量，反之调小风量，系统调节比例可达±100％，得到粗调风量D；

8.4在粗调风量D的基础上，根据氨氮值变化速率对气量进行细调，氨氮值变化速率范围为[-100％,+100％]，细调风量调节比例为[-30％，+30％]，风量与系统调节比例进行形成线性关系，对风量进行系细调得到细调风量E；

8.5在细调风量E的基础上，根据溶解氧D2的当前值对细调气量进行精调，设置一标准溶解氧值，根据实际溶解氧D2值与标准溶解氧值的偏差幅度对气量进行精调，精调风量调节比例为[-10％，+10％]，得到精调风量F；

8.6在精调风量F的基础上，根据后m值对F进行调整，根据阀门开启数量对比标准值进行整体放大或缩小，最终得到输出风量G。

其中，所述步骤8.2中，平衡风量值C来源于手工输入或以下计算公式：

C＝γQ1

式中：γ—月均气水比。

附图说明

图1为生化池典型结构示意图；

图2为实施例中提供的曝气管路结构示意图；

图3为精确化间歇曝气控制系统结构图。

具体实施方式

为使本申请更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。

实施例

本实施例提供了精确化间歇曝气控制系统，图1所示为某污水处理厂生化池结构，生化池包括依次连接的预缺氧池1、厌氧池2、缺氧池3和好氧池4，缺氧池3设置有两格，好氧池4设置有五格，还包括自好氧池4连接至缺氧池3的内回流管道以及自外部沉淀区连接至预缺氧池1的外回流管道；

为实现精确化间歇曝气控制，需要在上述生化池结构基础上增加：

设置在好氧池4中段的氨氮仪表131，用于测定仪表所处断面的氨氮数据A；氨氮仪表131具体位置按下式进行计算：

式中：W—仪表距好氧进水与好氧区总长度的百分比，％；

a—修订参数，由现场硝化实验的斜率变化确定；

K—污水处理厂设计系数；

C设—设计出水氨氮数值与COD(化学需氧量)数值的乘积；

C内—内控出水氨氮数值与COD数值的乘积；

η—70％进水污染负荷及以下的天数占全年天数的百分比。

设置在好氧池进水点，氨氮仪表131安装处，好氧池回流点的三个DO仪表(溶解氧仪表)：第一溶氧仪111、第二溶氧仪112、第三溶氧仪113，分别用来测定所处断面的溶解氧值，记作D1，D2，D3。

设置在好氧池进水点，好氧池回流点的两个硝氮仪表：第一硝氮仪121、第二硝氮仪122，分别用来测定所处断面的硝氮值，记作X1，X2。

设置在生化池进水处的进水流量计101，测量生化池进水流量，记为Q1。

设置在内回流管道上的硝化液回流流量计102，用来测量硝化液回流流量，记为Q2。

设置在外回流管道上的污泥回流流量计103，用来测量污泥回流流量，记为Q3。

在好氧池4内按照面积均匀设置曝气网格，曝气网格的节点上设置曝气器，曝气支管连接各个曝气网格，每根曝气支管所控制的曝气面积、曝气器数量相同或近，以图1、2为例，在五个好氧池4中共设置了18个曝气网格，一共18个曝气支管，每个曝气支管上均安装有一个气动蝶阀401～4018，并根据水流方向进行编号；

气动蝶阀共分为两种运行状态：开启状态、间歇开启状态；

开启状态：阀门处于开启状态；

间歇开启状态：阀门处于关闭状态，阀组控制器周期性启闭阀门，向曝气网格发送单股脉冲模式的气流(约占总气量的3％到4％)；在间歇开启状态阀门周期性的进行启闭，具体启闭周期可设定，在本实施例中设定为关闭30min，开启2min；

每个好氧池4内的气动蝶阀由一个阀组控制器控制，五个好氧池4对应五个阀组控制器，具体的，第一阀组控制器301控制对应于第一好氧池的第一气动蝶阀401、第二气动蝶阀402、第三气动蝶阀403、第四气动蝶阀404、第五气动蝶阀405，第二阀组控制器302、第三阀组控制器303、第四阀组控制器304、第五阀组控制器305分别控制对应好氧池内的气动蝶阀；

所有曝气支管汇总至曝气总管，曝气总管的供气由鼓风机供气，鼓风机可以设置多个以便满足供气量要求，本实施例中采用了三个鼓风机，分别为第一鼓风机411、第二鼓风机412、第三鼓风机413，三个鼓风机均为磁悬浮风机由鼓风机总控柜311进行控制；曝气总管的总曝气量由设置在曝气总管上的气体流量计141测量，记为q。

控制模块，用于执行控制方法、发出控制指令。

综上，阀组控制器接收来自于控制模块传递的信号，根据信号对气动蝶阀进行具体控制；鼓风机总控柜311接收来自控制模块传递的风量信号，根据风量信号对鼓风机的频率进行调节以提供所需风量；具体的，鼓风机总控柜可以采用PID调节根据风量信号控制鼓风机频率。

控制模块读取所有仪表的测量数据，根据内部的控制方法进行计算，得到计算结果后将控制指令传递至阀组控制器或鼓风机总控柜311，进行具体调控。

控制方法具体如下：

步骤一、根据水流方向，对各个曝气支管控制的曝气子区域进行编号，分别记作B1、B2……Bn，并对曝气支管上的阀门进行编号，分别记作1、2……n。

步骤二、计算出单个曝气子区域的实时停留时间T：

式中：T—单个曝气子区域的实时停留时间(h)；

V—单个曝气子区域的有效容积(m3)；

曝气实际停留时间T

步骤三、根据设定的进水信息、氨氮仪表131的读值以及停留时间T计算出氨氮仪表131前曝气区域的氨氮去除速率v：

式中：v—氨氮仪表131前曝气区域的氨氮去除速率(mg/min)；

A1—设定的好氧池进水氨氮值(mg/L)；

A—氨氮仪表131的读值；

n1—氨氮仪表131前处于曝气状态的曝气子区域数量。

步骤四、根据氨氮去除速率v以及自氨氮仪表131至后段各阀门处的停留时间计算出各曝气子区域需要开启曝气的临界值An：

An＝βvT(n-n1)

式中：An—第n个阀门所控制的曝气子区域的开启临界值(mg/L)；

β—修订参数，由现场硝化实验的斜率变化确定。

步骤五、对气动蝶阀的运行状态进行判断：

当A0＞An，所代表的曝气子区域的气动蝶阀处于开启状态；

当A0≤An，所代表的曝气子区域的气动蝶阀处于间歇开启状态；

此处的A0为参考值，表示实时处在曝气子区域的水一段时间前在氨氮仪表处的测值。

步骤六、根据缺氧池有效容积V缺(m3)、好氧回流点硝氮值X2、综合流量计算出缺氧池的硝氮去除速率v缺(mg/min)：

步骤七、判断好氧池在当前运行状态下能否完成硝化反应，判断当前的反硝化反应是否尚未完成；

具体的，当氨氮仪表后端的所有阀门至少有一个处于间歇运行状态时，即可判断在当前状态下已经完成硝化反应；

对于反硝化反应，可以人工输入参考值X＝1.0mg/L，当X1＞X，判断当前的反硝化反应尚未完成；

以上两点有一点不满足，即硝化反应未完成或反硝化反应已完成，则氨氮仪表131前的所有气动蝶阀全部开启；

以上两点均满足，即硝化反应已完成并反硝化反应尚未完成。根据硝氮去除速率v缺，好氧进水点硝氮值X1，单个曝气子区域的实时停留时间T，计算出可进行间歇开启的阀门数量n2。

根据上述步骤，可以根据生化池的实时状态，调整处于开启状态的气动蝶阀的数量以及处于间歇开启状态的气动蝶阀的数量，自适应进行间歇曝气；为了更精准控制鼓风机的输出风量，可采用以下方法：

步骤八、结合气动蝶阀处于开启状态的数量，根据氨氮仪表131以及DO仪表的测值，对鼓风机进行控制，具体方法如下：

8.1统计目前气动蝶阀处于开启状态的曝气子区域数量，记作m；

8.2设定一个平衡风量值记作C，该数值可以来源于手动输入和计算，根据各厂情况不同可灵活进行；具体的，C值算法根据各厂站情况的不同计算方式也不同，本实施例提出一种简单的计算公式：

C＝γQ1

式中：C—平衡风量；

γ—月均气水比；

本实施例中C取6000m3/h。

8.3在平衡风量C的基础上，利用当前氨氮值A和内控出水氨氮指标之间的差值，当高于内控值时调大风量，反之调小风量，系统调节比例可达±100％，得到粗调风量D。

8.4在粗调风量D的基础上，根据氨氮值变化速率对粗调气量进行细调，氨氮值变化速率范围为[-100％,+100％]，细调风量调节比例为[-30％，+30％]，风量与系统调节比例进行形成线性关系，对风量进行系细调得到细调风量E。

8.5在细调风量E的基础上，根据溶解氧D2的当前值对细调气量进行精调，设置一标准溶解氧值(本实施例采用0.75)，根据实际溶解氧D2值与标准值的偏差幅度对气量进行精调，精调风量调节比例为[-10％，+10％]，得到精调风量F。

8.6在精调风量F的基础上，根据m值对F进行调整，根据阀门开启数量对比阀门标准开启值进行整体放大或缩小，最终得到输出风量G。

在本实施例中，阀门共计18个，设置阀门标准开启值为9个，可据下式得输出风量G：

式中：n3—当前处于开启状态的阀门数量；

最后由鼓风机、总控柜、气体流量计三者之间的PID逻辑根据输出风量G对风机的频率进行调节，使得鼓风机输出风量G。