申请日2005.08.12
公开(公告)日2007.06.06
IPC分类号C02F3/02
摘要
一种生物处理污水工艺中在线控制曝气量的方法，其特点是在曝气控制系统中的溶解氧测量仪与气体流量调节阀门之间加入作为生化池处理过程模型模块的仿真数学模型和曝气流量计算模块。用曝气流量计算模块计算的曝气流量设定值和鼓风机设定压力值控制气体流量调节阀门的开度和鼓风机的压力。其中仿真数学模型中包括实际运行过程中的相关干扰量，使得本发明的方法具有更高的可靠性和更强的适应性。用本发明的方法能够在线控制曝气的流量，使得污水处理池中溶解氧的波动限制在设定的范围内，能够限制在±0.2mg/l的范围内。并同时减少总的曝气量，获得节能的效果。
权利要求书
1.一种生物处理污水工艺中在线控制曝气量的方法，将曝气控制系统 中的溶解氧测量仪置放在生化反应池内测量其生化反应池内的溶解氧，将带 有行程控制机构的气体流量调节阀门置放在通入生化反应池内的曝气管道 上用于控制曝气流量，其特征在于在气体流量调节阀门输出端的曝气管道上 安装气体流量计检查设定的曝气流量和实际的曝气流量;在溶解氧测量仪与 带有行程控制机构的气体流量调节阀门之间加入生化池处理过程模型模块 和曝气流量计算模块;用曝气流量计算模块计算的曝气流量设定值和鼓风机 设定压力值控制气体流量调节阀门的开度和鼓风机的压力;
所述的生化池处理过程模型模块是采用仿真数学模型;
所述的曝气流量计算模块中的计算步骤是：
(1)首先将控制变量以分段恒定的方式离散，即按照运行时间等间隔地 划分区间，在每一区间内，取控制变量的值恒定;
(2)设定包括曝气量和溶解氧波动量在内的目标函数;
(3)求解仿真数学模型及其对偶方程;
(4)依据上述步骤求解的结果，计算目标函数相对于控制变量的一阶导 数值;
(5)依据上述步骤的导数值，采用数值优化方法，计算出控制变量值;
(6)上述步骤计算出的控制变量值，如果迭代过程收敛，则输出该控制 变量值;否则，重复上述迭代过程。
2.根据权利要求1的生物处理污水工艺中在线控制曝气量的方法，其 特征在于所述的采用的仿真数学模型是仿真氧扩散过程，或是仿真微生物呼 吸过程，或是仿真有机碳的吸附过程，或是仿真氨氮反硝化过程，或是仿真 污泥的回流过程，或是仿真水力学过程的数学模型。
3.根据权利要求1的生物处理污水工艺中在线控制曝气量的方法，其 特征在于所述的仿真数学模型中包括实际运行过程中的相关干扰量。
4.根据权利要求1的生物处理污水工艺中在线控制曝气量的方法，其 特征在于所述的采用的数值优化方法是最速下降法，或是牛顿法，或是置信 区间法。
5.根据权利要求1的生物处理污水工艺中在线控制曝气量的方法，其 特征在于所述的生化池处理过程模型模块和曝气流量计算模块为利用可编 程逻辑语言将其固化在曝气控制系统中。
说明书
生物处理污水工艺中在线控制曝气量的方法
技术领域
本发明涉及一种控制曝气量的方法，特别是涉及一种生物处理污水工艺中 在线控制曝气量的方法。
背景技术
采用生物处理污水的处理工艺中，经过曝气，将污水中的一部分有机物经 过微生物呼吸作用转化为二氧化碳和水，而一部分有机物被微生物吸收或吸附 到污泥中。我们通常希望更多的有机物转移到污泥中，不仅因为污泥的处理成 本较低，而且意味着消耗更少的溶解氧。如果溶解氧(DO)浓度值过高，其结 果是更多的有机物转化为二氧化碳和水，即经由污泥的呼吸作用而消耗。但这 个过程要消耗大量的氧，造成曝气的浪费，而且污泥容易老化。如果DO值过 低，则影响到了微生物的呼吸和吸附有机物的过程，造成出水有机物含量过高。 所以，如何精确地控制生化反应池中的DO值，一方面使得污水处理达到既定 的标准，另一方面又能节约能源，具有十分重要的意义。
在先技术中，大多数污水厂的曝气系统采用了两类简单的控制回路来自动 或人工地控制曝气。一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。如图1所示，当生化反应池1内的DO值大于某一个设定值时，关闭电动 蝶阀3;当DO值小于某一个设定值时则打开电动蝶阀3。二是采用了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。上述在先技术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;二是实际运行中存在大量的干扰，上述的方法不能及时根据实际变化及 时调节曝气量;三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，保持了过大的余度而造成浪费;四是过大的波动 会使得池内的生物环境不稳定，干扰生物系统的工作。
发明内容
本发明的一个目的在于，改进上述在先技术的曝气控制系统，使得曝气系 统能够根据生化反应池的需要提供曝气量。本发明的另外一个目在于，在改进 了的曝气控制系统和精确确定曝气流量的方法基础上，使得出水达到既定的污 水排放标准的情况下，能适当降低曝气量，从而减少耗电量、节约运营成本。
为了达到上述的目的，本发明所采取的技术方案是在线控制曝气流量。其 方法是：将曝气控制系统中的溶解氧测量仪置放在生化反应池内测量其生化反 应池内的溶解氧;将带有行程控制机构的气体流量调节阀门置放在通入生化反 应池内的曝气管道上用于控制曝气流量;在气体流量调节阀门输出端的曝气管 道上安装气体流量计检查设定的曝气流量和实际和实际的曝气流量;在溶解氧 测量仪与带有行程控制机构的气体流量调节阀门之间加入生化池处理过程模型 模块和曝气流量计算模块;用曝气流量计算模块计算的曝气流量设定值和鼓风 机设定压力值控制气体流量调节阀门的开度和鼓风机的压力。
如上述本发明的方法主要特征是在曝气控制系统中添加生化池处理过程模 型模块和曝气流量计算模块。所述的生化池处理过程模型模块采用仿真数学模 型。所采用的仿真数学模型是仿真氧扩散过程，或是仿真微生物呼吸过程，或 是仿真有机碳的吸附过程，或是仿真氨氮反硝化过程，或是仿真污泥的回流过 程，或是仿真水力学过程的数学模型。也就是说，在生化池处理过程模型模块 中，可建立氧扩散过程、微生物呼吸过程、有机碳的吸附过程、氨氮反硝化过 程、污泥的回流过程、水力学过程等的仿真数学模型。一般说来，这些过程的 仿真数学模型为相互耦合的、具有一定刚性的非线性常微分方程组(ODEs)。 在这些数学模型的基础上，曝气流量计算模块的功能在于以最优化控制的方式 计算曝气流量，并以此为依据对阀门开度的进行控制。
上述仿真数学模型可简单地采用国际水污染研究与控制协会(IAWPRC) 所提出的第一模型(ASM1)或第二模型(ASM2)，但这些模型没有包括在实 际运行过程中可能出现的干扰因素(包括：污水流量、进水COD(化学需氧量)、 BOD(生物需氧量)、PH值、污泥回流比、温度)。为弥补这一不足之处，在 本实施例中，一方面进一步考虑这些可能存在的干扰因素，同时考虑可将各个 变量的初始值设定为相应变量在某一实际运行时段内的统计平均值。从而使得 本发明的生物处理污水工艺中在线控制曝气量的方法具有更高的可靠性和更强 的适应性。
可利用可编程逻辑语言(PLC)或其它方式将上述两个模块固化至曝气控 制系统中。
本发明的在线控制曝气量的方法效果显著。因为本发明的方法是以曝气流 量计算模块计算出的曝气流量设定值和鼓风机的设定压力值来实时控制气体流 量调节阀门的开度和鼓风机压力;而不是像在先技术中，当溶解氧(DO)浓度 值高了，关闭气体流量调节阀门;当溶解氧(DO)浓度值低了，再开启气体流 量调节阀门。因此，本发明的方法不仅实现了在线控制曝气流量，而且能够精 确地控制曝气流量。由于能够精确地控制曝气的流量，所以，使得污水处理池 中溶解氧的波动能够限制在设定的范围内。通常可以限制在±0.2mg/L的波动范 围内。并同时减少了总的曝气量。即达到了减少耗电量，节约运营成本的目的。
本发明的仿真数学模型中包括实际运行过程中的相关干扰量，使得本的方 法具有更高的可靠性和更强的适应性。
本发明另外一个显著的特点在于开始设计时，就可以设定比较低的溶解氧 设定值，这就能够减少曝气量。由于在先技术中的控制方法溶解氧波动过大， 生化处理系统在设计阶段会为溶解氧设定值留有较大的余度。而使用本发明在 线控制曝气量的方法，可以将溶解氧波动限制在±0.2mg/L的波动范围内(在先 技术方法的溶解氧波动范围在±1-2mg/L范围内)。随着溶解氧波动的减少，便 能够降低溶解氧设定值，从而带来更大的节能空间。