[发明专利]生物池工艺优化及运行控制系统及其控制方法

摘要

本发明公开了生物池工艺优化及运行控制系统，包括生物工艺智能优化及过程动态控制系统，负责对污水厂进水及微生物活性的动态、非线性变化特征实现在线过程控制，并实时将上述动态优化的工艺运行参数作为目标控制值提供给生物池控制系统；SCADA/DCS系统，SCADA/DCS系统用于将监测数据发送给生物工艺智能优化及过程动态控制系统，并接收生物工艺智能优化及过程动态控制系统计算处理后的数据，最终对执行机构进行控制；执行机构，执行机构用于将检测到的数据传送给生物工艺智能优化及过程动态控制系统，并执行通过SCADA/DCS系统发来的工艺运行参数指令；本发明从工艺优化运行角度出发，对污水厂生物池运行控制实现智能化精确自动控制，达到节能减排的目的。

主权项

1.生物池工艺优化及运行控制系统的控制方法，其特征在于，所述控制方法包括动态溶解氧DO控制和内回流IRQ控制；其中动态溶解氧DO控制可实现单点或多点控制，控制点位不受限制；所述动态溶解氧DO控制的方法如下：(1)在满足出水氨氮设定值前提下，使动态溶解氧DO设定值最小化；根据污染物负荷在推流生物反应器中的递减分布规律，各好氧控制区的动态溶解氧DO设定值和气量也呈递减分布；根据实时的污水厂进水负荷，数学模型计算最优的动态溶解氧DO设定值，进而计算满足动态溶解氧DO设定值所需的最小需气量；对于推流式生物反应池，如果反应池没有进行物理性分隔，采用以下公式划分好氧反应区数量：其中，N为好氧反应区的数量；L‑好氧区的长度；Q‑生物反应池进水流量；IRQ‑内回流量；RAS‑外回流量；W‑好氧区的宽度；H‑好氧区的有效水深；好氧反应区的氨氮浓度变化公式为：其中，为氨氮转换速率；T_i为某好氧反应区反应时间；μ_A‑自养菌最大比增长速率；μ_H‑异养菌最大比增长速率；S_NH‑溶解性氨氮的质量浓度；S_O‑溶解氧浓度；S_COD‑快速可生物降解基质浓度；S_PO4‑溶解性磷酸盐浓度；S_ALK‑重碳酸盐碱度；K_NH‑自养菌的氨半饱和系数，K_COD‑快速可生物降解基质的半饱和系数；K_O,A‑自养菌的氧半饱和系数；K_O,H‑异养菌的氧半饱和系数；K_P‑磷的饱和系数；K_ALK‑碱度的饱和系数；X_B,A‑自养菌浓度；X_B,H‑异养菌浓度；V_i‑某好氧控制区的体积；f‑水力短流系数；Q‑生物反应池进水流量；IRQ‑内回流量；RAS‑外回流量；(2)生物工艺智能优化及过程动态控制系统采集污水处理工艺相关的大量数据，并对所有这些数据进行预处理，包括噪声过滤、缺失值处理、合理化验算，使采集的信息符合实际工况，数据可靠准确；设定动态溶解氧DO的最大值、最小值，以及计算步长；先将生物池各好氧控制区的上一周期动态溶解氧DO设定值赋值给本周期的动态溶解氧DO设定值，生物池工艺优化及运行控制系统采集流量、温度、生物池缺氧区末端的氨氮、生物池污泥浓度的实时在线仪表数据，获取混合液回流量、污泥回流量以及实验室相关检测数据，通过公式1.1至1.3解ODEs方程，预测每个好氧控制区的氨氮浓度；根据好氧区末端的氨氮预测值和好氧区末端的氨氮实际测量值进行加权计算，其最终计算值与生物池出水氨氮的目标设定值进行比较；与目标设定值相比，若超出或低于，需提高或降低动态溶解氧DO设定值一个步长；继续执行程序(1)，直至两者差异在允许误差范围内；完成动态溶解氧DO设定值的计算；(3)基于氧传递速率OTR和耗氧速率OUR等值原理，实现溶解氧DO设定值与需气量的转化；生物池好氧反应过程中，动态溶解氧DO浓度是供氧与耗氧；其中采用氧传递速率(OTR)用于测量从气态氧传递到液态氧的速率，即供氧量；采用耗氧速率(OUR)用于测量细菌消耗的溶氧量；为了维持动态溶解氧DO设定点，OUR与OTR需相等，即溶解氧的供给与消耗相当；OTR＝αK_La(20)[βρC_S(T)‑c]1.024^(T‑20)(1.5)其中，OUR为耗氧速率；OTR为氧传递速率；Y_H‑异养菌产率系数；Y_A‑自养菌产率系数；μ_A‑自养菌最大比增长速率；μ_H‑异养菌最大比增长速率；S_NH‑溶解性氨氮的质量浓度；S_O‑溶解氧浓度；S_COD‑快速可生物降解基质浓度；K_NH‑自养菌的氨半饱和系数，K_COD‑快速可生物降解基质的半饱和系数；K_O,A‑自养菌的氧半饱和系数；K_O,H‑异养菌的氧半饱和系数；X_B,A‑自养菌浓度；X_B,H‑异养菌浓度；α‑污染物负荷系数；β‑修正系数；ρ‑压力修正系数；K_La(20)‑水温为20℃时的氧总转移系数；T‑水温；C_S(T)‑T℃水温条件下，饱和溶解氧浓度；C‑液相溶解氧浓度；生物工艺智能优化及过程动态控制系统根据进水负荷、水温、MLSS计算耗氧速率OUR；由于维持动态溶解氧DO值需要和耗氧速率OUR相等的氧传递速率OTR，控制系统实时计算OTR气量，同时又综合了实时气量消耗和溶解氧变化速率进行反馈，复核模型的计算；将每个控制区的气量设定值进行加和，发送总需气量设定值至鼓风机系统；在执行步骤中，通过鼓风机总协调控制柜，达到按实际所需供应空气的目的；调节生物池内各个曝气支管上电动调节阀的开启度，使通过阀门的空气流量满足流量设定值的要求；为尽量减少设备频繁动作，一般生物工艺智能优化及过程动态控制系统的控制周期设在15min，即15分钟给出一组设定参数，后一周期的设定值均会对于之前周期历史数据进行不间断地模拟计算和复核，做到当前设定值的最优化；所述内回流IRQ控制的方法如下：(1)根据内回流泵现场配备情况，设定内回流IRQ的最大值、最小值，以及计算步长；先将内回流IRQ设定为最小值，采集缺氧区末端和好氧区末端的硝酸盐浓度数据、进水流量、温度、生物池污泥浓度的在线仪表数据，获取污泥回流量、实验室相关检测数据，通过公式2.1和2.2解ODEs方程，预测每个缺氧区的硝酸盐浓度，从而获取缺氧末端的硝酸盐浓度；具体公式为：其中，为硝酸盐转换速率；T_i为某缺氧反应区反应时间；μ_H‑异养菌最大比增长速率；S_NO3‑溶解性硝酸盐的质量浓度；S_O‑溶解氧浓度；S_COD‑快速可生物降解基质浓度；S_PO4‑溶解性磷酸盐浓度；S_ALK‑重碳酸盐碱度；K_COD‑快速可生物降解基质的半饱和系数；K_O,H‑氧半饱和系数；K_P‑磷的饱和系数；K_ALK‑碱度的饱和系数；K_NO3‑硝酸盐半饱和系数，X_B,H‑异养菌浓度；η_g‑异养菌缺氧生长的校正因数；V_i‑某缺氧反应区的体积；f‑水力短流系数；Q‑生物反应池进水流量；IRQ‑内回流量；RAS‑外回流量；(2)生物工艺智能优化及过程动态控制系统采集污水处理工艺相关的大量数据，并对所有这些数据进行预处理，包括噪声过滤、缺失值处理、合理化验算，使采集的信息符合实际工况，数据可靠准确；根据缺氧区末端的在线氨氮测量值，从历史数据库获取NH4/TKN,TKN/TCOD,SCOD/TCOD进水组分比值，计算缺氧区进水SCOD浓度；根据缺氧区末端的硝酸盐预测值和缺氧区末端的硝酸盐实际测量值进行加权计算，其最终计算值与生物池缺氧区硝酸盐的目标设定值进行比较；与目标设定值相比，若超出目标设定值，需提高IRQ一个步长；反之，降低IRQ一个步长；继续执行程序(1)，直至两者差异在允许误差范围内；同时，核定生物工艺智能优化及过程动态控制系统IRQ计算值是否在最大和最小范围内；将计算完成的动态IRQ设定值，传递给SCADA/DCS系统；再由SCADA/DCS系统传达指令给内回流泵就地控制柜，通过变频器调节或者调整内回流泵开启台数，使之满足内回流IRQ的计算流量。