專利名稱：：分段進水a(chǎn)/o工藝溶解氧和碳源投加模糊控制裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本實用新型涉及一種污水的生物脫氮工藝模糊控制裝置，屬于活性污泥法污水處理系統(tǒng)自動控制的理論、方法與
技術(shù)領(lǐng)域：
，適用于含氮工業(yè)廢水處理和城鎮(zhèn)生活污水生物處理。
背景技術(shù)：
：富營養(yǎng)化問題是當(dāng)今世界各國面臨的最主要的水污染問題之一，而氮、磷的超標(biāo)排放則是引起富營養(yǎng)化的主要原因。為解決日益嚴重的水污染問題，我國在2002年新頒布的《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中增加了總氮、總磷最高允許排放濃度，同時也對出水氨氮提出了更嚴格的要求，可見污水處理的主要矛盾已逐漸由有機污染物的去除轉(zhuǎn)變?yōu)榈孜廴疚锏娜コ?。目前所有的新建污水處理廠均必須設(shè)置必要的處理設(shè)施以滿足脫氮除磷的需求。同時，越來越高的污水排放指標(biāo)是的新建的水廠必須考慮采用先進的過程控制技術(shù)，以降低運行成本，提高出水水質(zhì)。生物脫氮過程主要分為兩部分，即通過硝化作用將氨氮轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，再通過反硝化作用將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化為氮氣從水中逸出，從而達到氮的去除。連續(xù)流分段進水A/O生物脫氮工藝是在傳統(tǒng)的A/O工藝基礎(chǔ)上經(jīng)過適當(dāng)改進而提出的。它具有脫氮效率高，無需設(shè)置硝化液內(nèi)回流設(shè)施、節(jié)省藥劑投量等優(yōu)點。但該工藝較傳統(tǒng)的A/O工藝相對復(fù)雜，因此，尋求合適的分段進水生物脫氮的過程控制方式一直是一個難題。采用傳統(tǒng)的過程控制須對反應(yīng)過程建立精確的數(shù)學(xué)模型。而污水生物處理系統(tǒng)是典型的多變量、非線性、多處理目標(biāo)的動態(tài)系統(tǒng)，加之多段進水A/0工藝的復(fù)雜性，很難建立其反應(yīng)過程的數(shù)學(xué)模型，因此，若采用傳統(tǒng)的過程控制對系統(tǒng)進行控制，在系統(tǒng)出現(xiàn)異常的情況下，很難保證出水效果。而模糊控制是智能控制的一個重要分支，它主要是模仿人的經(jīng)驗而不是依賴于控制對象的數(shù)學(xué)模型，實現(xiàn)人的某些智能，適用于復(fù)雜的動態(tài)系統(tǒng)的控制。目前，模糊控制在污水生物處理中已有一定的應(yīng)用，但多數(shù)應(yīng)用于序批式(SBR)活性污泥處理工藝過程中，連續(xù)流工藝過程應(yīng)用較少。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是提供一種保證連續(xù)流多段進水A/O生物脫氮硝化和反硝化效果的模糊控制裝置和方法。采用該模糊控制裝置和方法后，系統(tǒng)可以根據(jù)出水氨氮和硝酸鹽氮濃度的實時變化，及時調(diào)整好氧區(qū)的曝氣量和缺氧區(qū)反硝化的碳源投加量，從而保證硝化和反硝化完全。釆用該模糊控制方法后，①避免傳統(tǒng)恒曝氣量控制，在進水氨氮負荷低時，曝氣能耗大，浪費能量，而進水氨氮負荷高時，不能滿足出水要求的問題。②實時控制碳源的投加量，針對出水端剩余的硝酸鹽氮投加碳源，避免碳源浪費。③比傳統(tǒng)過程控制更容易實現(xiàn)和操作，且控制精度更高。本實用新型的技術(shù)原理連續(xù)流多段進水A/O溶解氧和碳源投加模糊控制原理，其特征在于在線采集系統(tǒng)出水端DO和硝酸鹽氮濃度的數(shù)字信號，來反映進水水質(zhì)的變化，并將數(shù)字信號輸入到模糊控制器，經(jīng)模糊控制器處理后，輸出直接作用于曝氣系統(tǒng)和外碳源投加系統(tǒng)，調(diào)整硝化過程的最重要控制參數(shù)——溶解氧(DO)濃度和反硝化過程的重要控制參數(shù)——碳源量，從而保證硝化效果和反硝化效果。具體原理如下(1)在生物脫氮的硝化過程中，DO是最重要的控制參數(shù)，當(dāng)進水氨氮負荷高時，好氧區(qū)DO濃度會相應(yīng)降低，此時，需提高好氧區(qū)的曝氣量，以保證硝化效果，使出水氨氮滿足要求；而在生物脫氮的反硝化過程中，有機碳源的供給量則是最重要的控制參數(shù)。通常，脫氮系統(tǒng)都希望盡可能利用原污水中的碳有機物為反硝化提供碳源，但原水中的碳源通常不足，這就需要投加外碳源，以完成反硝化，從而將硝酸鹽氮轉(zhuǎn)化成氮氣從系統(tǒng)逸出。(2)當(dāng)進水氨氮負荷變化時，由于曝氣量過高或不足，好氧區(qū)出水DO濃度會降低或升高。此時，可以根據(jù)在線采集的DO濃度實測值和預(yù)先給定DO設(shè)定值之間的偏差e和偏差e的變化量Ae這兩者的綜合信息，來判斷系統(tǒng)所經(jīng)受的負荷擾動，給出合理的曝氣量增量Au，從而控制好氧區(qū)的DO濃度，保證硝化。當(dāng)進水氨氮和COD負荷變化時，由于碳源投加不足或過量，缺氧區(qū)出水硝酸鹽氮濃度會升高或降低。此時，根據(jù)在線采集的硝酸鹽濃度實測值和預(yù)先給定的硝酸鹽濃度設(shè)定值之間的偏差E和偏差E的變化量厶E的綜合信息，可以判定系統(tǒng)所經(jīng)受的進水負荷擾動，給出合理的外碳源投加變化量AU。本實用新型提供的多段進水A/O溶解氧和碳源投加模糊控制裝置，污水貯水箱1由進水管和反應(yīng)器2連接，反應(yīng)器2經(jīng)出水管和和沉淀池3連接，沉淀池污泥經(jīng)污泥回流泵4回流到反應(yīng)器進口端，采用空壓機5為反應(yīng)器的好氧區(qū)供氧。其特征在于，反應(yīng)器分為I、II、III三段，每一段包括一個缺氧區(qū)和兩個好氧區(qū)，第I段包括第I段缺氧區(qū)6，第I段前好氧區(qū)7、第I段后好氧區(qū)8;第II段包括第II段缺氧區(qū)9、第II段前缺氧區(qū)10、第II段后好氧區(qū)11;第III段包括第m段缺氧區(qū)12、第ni段前好氧區(qū)13、第ni段后好氧區(qū)14;第m段缺氧區(qū)i2內(nèi)安裝硝酸鹽氮在線傳感器15，采集的數(shù)據(jù)信號經(jīng)硝酸鹽氮信號輸入接口16輸入到碳源投加模糊控制器17，執(zhí)行模糊規(guī)則和算法處理后，輸出變量經(jīng)外碳源投加量信號輸出接口18，作用于外碳源投加計量泵19;在第III段的后好氧區(qū)安裝DO在線傳感器20，采集的在線DO數(shù)據(jù)信號經(jīng)溶解氧信號輸入接口21輸入到恒DO模糊控制器22，實行模糊規(guī)則和算法處理后，輸出變量經(jīng)曝氣量輸出接口輸出23，作用于變頻器24，調(diào)整空壓機5的輸出風(fēng)量，在空壓機出口管路上安裝空氣流量測定儀25。本實用新型的多段進水A/O生物脫氮工藝及溶解氧和外碳源投加模糊控制方法，溶解氧模糊控制采用恒DO模糊控制器控制好氧區(qū)的溶解氧濃度。在反應(yīng)器第III段的后好氧區(qū)14安裝DO在線傳感器20，通過DO濃度的變化來反映進水氨氮濃度的變化。當(dāng)DO濃度升高時，表明進水中氨氮負荷降低，此時需降低好氧區(qū)的曝氣量，避免浪費曝氣能耗；當(dāng)DO濃度降低時，表明進水氨氮負荷升高，需加大好氧區(qū)的曝氣量，以保證硝化效果。本實用新型采用恒DO模糊控制器控制系統(tǒng)的曝氣量，后好氧區(qū)DO濃度設(shè)定值取1.5mg/L，第m段后好氧區(qū)14內(nèi)的DO在線傳感器20采集的DO濃度實測值和DO設(shè)定值的偏差e和偏差e的變化量Ae作為恒DO模糊控制器的輸入變量，輸入變量經(jīng)模糊化處理，給出控制規(guī)則，以曝氣量增量Au作為模糊輸出，輸出的模糊量再經(jīng)去模糊化過程，得出確定的控制量，作用于空壓機變頻器24，控制曝氣系統(tǒng)的曝氣量。外碳源投加模糊控制采用外碳源投加模糊控制器控制出水缺氧區(qū)出水的硝酸鹽氮濃度。在反應(yīng)器第III段的缺氧區(qū)12安裝硝酸鹽氮在線傳感器15，通過硝酸鹽氮的變化來指示進水負荷的變化和系統(tǒng)的反硝化效果。當(dāng)硝酸鹽氮升高時，說明系統(tǒng)反硝化效果變差，此時，需增大外碳源的投加量來強化反硝化效果；而當(dāng)硝酸鹽氮濃度低時，則降低外碳源的投加量，以節(jié)省碳源，降低運行成本。本實用新型釆用外碳源投機模糊控制器來控制系統(tǒng)的外碳源投加量，缺氧區(qū)出水硝酸鹽氮的設(shè)定值取5mg/L，第III段缺氧區(qū)12內(nèi)的硝酸鹽氮在線傳感器采集的硝酸鹽氮實測值和硝酸鹽氮設(shè)定值的偏差E和偏差E的變化量AE作為外碳源投加模糊控制器的輸入變量，輸入變量經(jīng)模糊化處理，給出控制規(guī)則，以外碳源投加量的增量AU作為模糊輸出，模糊輸出量再經(jīng)去模糊化過程，得出確定的控制量，作用于外碳源投加計量泵19，控制外碳源的投加量，從而控制系統(tǒng)缺氧區(qū)出水的硝酸鹽氮。本實用新型的有益效果本實用新型在最后一段好氧區(qū)設(shè)置DO在線傳感器，采集DO濃度值，當(dāng)進水氨氮符合增高時，硝化反應(yīng)消耗的溶解氧增大，DO在線濃度降低；當(dāng)系統(tǒng)進水氨氮濃度降低時，硝化反應(yīng)消耗的溶解氧降低，DO在線濃度升高。根據(jù)這一規(guī)律，以及運行經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)，設(shè)計恒DO模糊控制器，控制系統(tǒng)的曝氣量。該模糊控制器可以根據(jù)實時DO濃度的變化來判斷進水氨氮負荷的變化，實時調(diào)整曝氣量，保證硝化效果。在最后一段缺氧區(qū)設(shè)置硝酸鹽在線傳感器，采集硝酸鹽氮濃度值，此硝酸鹽氮濃度值是系統(tǒng)前面幾段共同累積的硝酸鹽氮總量，據(jù)此投加外碳源，既可以節(jié)省碳源，又可以保證出水水質(zhì)。本實用新型設(shè)計的多段進水A/0工藝溶解氧和外碳源投加模糊控制裝置和方法與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點-(1)脫氮效果好，出水氨氮小于5mg/L，總氮小于10mg/L。2002年國家頒布的排污標(biāo)準(zhǔn)中，對城鎮(zhèn)污水最嚴格的排放標(biāo)準(zhǔn)為氨氮小于5mg/L，總氮小于15mg/L，本實用新型設(shè)計的出水氨氮和總氮可滿足和低于國家頒布的排污標(biāo)準(zhǔn)。(2)在線測量裝置較少，降低控制系統(tǒng)投資。本實用新型設(shè)計中，恒DO模糊控制器只需要一個DO濃度在線傳感器，其價格遠低于在線營養(yǎng)物傳感器。而對于外碳源投加模糊控制器，只采用一個硝酸鹽在線傳感器?？纱蟠蠼档涂刂葡到y(tǒng)的投資，并降低控制系統(tǒng)的復(fù)雜程度，易于管理。(3)本實用新型裝置實時采集DO濃度值作為進水氨氮負荷變化的信號，并通過恒DO模糊控制器實時調(diào)整曝氣量，因此，系統(tǒng)抵抗進水沖擊負荷的能力大大增強。(4)本實用新型裝置在最后一段的缺氧區(qū)設(shè)置硝酸鹽傳感器，釆集的硝酸鹽氮是整個系統(tǒng)累積的硝酸鹽氮的總量，據(jù)此投加外碳源，可以最大程度的節(jié)省外碳源的投加量，降低運行成本，且處理效果可靠。本實用新型的多段進水A/O溶解氧和外碳源投加控制方法，可廣泛應(yīng)用于采用連續(xù)流多段進水A/0工藝的大、中、小城市生活污水、工業(yè)廢水的處理，尤其適用于低C/N生活污水的處理，處理效果好，運行費用低。圖1是分段進水A/0工藝溶解氧和碳源投加模糊控制裝置結(jié)構(gòu)示意圖圖1中，1-污水貯存池、2-多段進水A/0反應(yīng)器、3-沉淀池、4-污泥回流泵、5-空壓機、6-第I段缺氧區(qū)、7-第I段前好氧區(qū)、8-第I段后好氧區(qū)、9-第n段缺氧區(qū)、io-第n段前好氧區(qū)、ii-第n段后好氧區(qū)、12-第m段缺氧區(qū)、13-第m段前好氧區(qū)、14-第m段后好氧區(qū)、15-硝酸鹽氮在線傳感器、16-硝酸鹽氮信號輸入接口、17-碳源投加模糊控制器、18-外碳源投加量信號輸出接口、19-外碳源投加計量泵、20-DO在線傳感器，21-溶解氧信號輸入接口、22-恒DO模糊控制器、23-曝氣量輸出接口、24-變頻器、25-空氣流量測定儀。圖2:實施恒DO模糊控制后1天內(nèi)進水氨氮和出水氨氮濃度變化圖圖3:實施外碳源投加模糊控制后1天內(nèi)的出水硝酸鹽氮和總氮濃度變化圖具體實施方式結(jié)合實施例，本實用新型工藝的運行操作過程為以某大學(xué)家屬區(qū)排放的實際生活污水作為實驗對象(COD=160290mg/L,TN-3580mg/L)。所采用的多段進水A/O生物脫氮反應(yīng)器溶解300L，分為3段，每段容積100L。系統(tǒng)設(shè)置1臺空壓機，最大出風(fēng)量為8m3/h，最小出風(fēng)量為0。反應(yīng)器首先進行污泥培養(yǎng)馴化，馴化結(jié)束后各段的污泥濃度為第I段為55.5g/L，第II段為44.5mg/L,第m段位2.83.2mg/L。反應(yīng)器日處理水量900L，第I段進水量lL2L/h，第II段進水15L/h，第III段進水為11.2L/h。反應(yīng)溫度為2(TC。系統(tǒng)運行初，將空壓機的出口曝氣量調(diào)整為3m3/h，進水COD濃度為180200mg/L，氨氮濃度為5055mg/L。第III段后好氧區(qū)采集的DO濃度信號均在2.53.5mg/L范圍內(nèi)，在此穩(wěn)定濃度的進水條件下，讓系統(tǒng)穩(wěn)定運行7d，然后開始實時改變進水負荷，并開啟過程控制系統(tǒng)，對溶解氧和外碳源投加量進行模糊控制。模擬生活污水的水質(zhì)變化規(guī)律，以1天內(nèi)水質(zhì)變化和相應(yīng)的出水來說明恒DO模糊控制器和外碳源投加模糊控制器的工作情況溶解氧模糊控制:在反應(yīng)器第III段的后好氧區(qū)14安裝DO在線傳感器20，采集DO濃度的實測值，通過實測值和DO設(shè)定值(1.5mg/L)的差值e和差值的變化厶e來反映進水氨氮濃度的變化。本例中，由于進水負荷不斷變化，DO濃度實測值不斷變化，DO濃度實測值和DO設(shè)定值的偏差e和偏差e的變化量不斷變化，并被輸入到恒DO模糊控制器，輸入變量經(jīng)模糊化處理，采用7個模糊語言變量并對模糊語言變量進行賦值，以曝氣量增量Au作為模糊輸出，再采用加權(quán)平均將輸出的模糊量清晰化，得出確定的曝氣控制量11*，作用于空壓機變頻器，調(diào)整空壓機轉(zhuǎn)速，從而調(diào)整曝氣系統(tǒng)的曝氣量。圖2為進行恒DO模糊控制后的進水氨氮、出水氨氮濃度圖。圖中可以看出，進水氨氮變化較大，而出水氨氮均小于3mg/L。外碳源投加模糊控制在反應(yīng)器第m段的缺氧區(qū)12安裝硝酸鹽氮在線傳感器15，通過硝酸鹽氮的變化來指示進水負荷的變化和系統(tǒng)的反硝化效果。缺氧區(qū)出水硝酸鹽氮的設(shè)定值取5mg/L，第III段缺氧區(qū)12內(nèi)的硝酸鹽氮在線傳感器采集的硝酸鹽氮實測值和硝酸鹽氮設(shè)定值的偏差E和偏差E的變化量AE作為外碳源投加模糊控制器的輸入變量，輸入變量經(jīng)模糊化處理，E采用8個模糊語言變量，AE和AU采用7個語言變量，并分別對語言變量賦值，以外碳源投加量的增量AU作為模糊輸出，模糊輸出量再經(jīng)加權(quán)平均去模糊化，得出清晰控制量，作用于外碳源投加計量泵19，控制外碳源的投加量，從而控制系統(tǒng)缺氧區(qū)出水的硝酸鹽氮。外碳源投加模糊控制器對系統(tǒng)的控制效果如圖3示。從圖可以看出，經(jīng)外碳源模糊控制器控制之后，缺氧區(qū)出水硝酸鹽氮的濃度可保持在設(shè)定值5mg/L之內(nèi)。本實用新型的溶解氧和外碳源投加模糊控制裝置實施例參見圖1。具體的，多段進水A/0工藝恒DO模糊控制過程，(1)采用二維控制器，以在線采集的DO濃度值和DO設(shè)定值的偏差e和偏差e的變化量Ae這兩者的綜合信息作為恒DO模糊控制器的輸入變量，以曝氣量增量Au作為輸出變量。(2)將輸入清晰變量經(jīng)模糊化處理變?yōu)槟：兞俊］斎胱兞縠、Ae、輸出變量Au的語言值變量均定義為7個NB-負大，NM-負中，NS-負小，O-零，PS-正小，PM-正中，PB-正大。根據(jù)運行經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)，偏差e的語言變量的離散論域取[-1.5，1.5]，Ae的語言變量的離散論域取[-0.3,0.3]，輸出曝氣增量Au的離散論域取[-6，6]。則模糊控制器輸入變量e，Ae和模糊輸出變量:△11的語言變量的賦值如表l，表2和表3示。表l偏差e的語言變量賦值表-1.5-l-0,500.511.5NB1000000醒0100000NS0010000O0001000PS0000100PM0000010PB0000001表2偏差A(yù)e的語言變il賦值表-0.3-0.2-0.100.10.20.3NB1000000腿0100000NS0010000O0001000PS0000100PM0000010PB0000001表3輸出變量Au的語言變量賦值表-6-5-4-3-2-10123456<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table>(3)采用加權(quán)平均法將模糊輸出變量Au清晰化，輸出清晰值u、經(jīng)論域反變換，得到曝氣量的精確控制量。具體的，多段進水A/0工藝外碳源投加模糊控制過程，(1)釆用二維控制器，以在線采集的硝酸鹽氮濃度值和硝酸鹽濃度設(shè)定值的偏差E和偏差E的變化量AE這兩者的綜合信息作為外碳源投加模糊控制器的輸入變量，以外碳源投加量的增量AU作為模糊輸出變量。(2)將輸入清晰變量經(jīng)模糊化處理變?yōu)槟：兞?。輸入變量E采用8個模糊語言變量NB-負大，NM-負中，NS-負小，NO-負零，PO-正零，PS-正小，PM-正中，PB-正大；AE、輸出變量AU的語言值變量均定義為7個NB-負大，NM-負中，NS-負小，O-零，PS-正小，PM-正中，PB-正大。根據(jù)運行經(jīng)驗和試驗數(shù)據(jù)，偏差E的語言變量的離散論域取[-5，5]，AE的語言變量的離散論域取[-l，l]，輸出外碳源投加量的增量AU的離散論域取[-12，12]。則模糊控制器輸入變量E，AE和模糊輸出變量AU的語言變量的賦值如表4，表5和表6示。表4偏差E的語言變量賦值表<table>tableseeoriginaldocumentpage10</column></row><table><table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>(3)采用加權(quán)平均法將模糊輸出變量AU清晰化，輸出清晰值U、經(jīng)論域反變換，得到精確的外碳源投加量。利用恒DO模糊控制器和外碳源投加模糊控制器，最終出水氨氮小于3mg/L，總氮小于8mg/L，遠低于國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)所要求的氨氮濃度(S5mg/L)和總氮濃度G15mg/L)。權(quán)利要求1、分段進水A/O工藝溶解氧和碳源投加模糊控制裝置，污水貯水箱(1)由進水管和反應(yīng)器(2)連接，反應(yīng)器(2)經(jīng)出水管和和沉淀池(3)連接，沉淀池污泥經(jīng)污泥回流泵(4)回流到反應(yīng)器進口端，采用空壓機(5)為反應(yīng)器的好氧區(qū)供氧；其特征在于，反應(yīng)器分為I、II、III三段，每一段包括一個缺氧區(qū)和兩個好氧區(qū)，第I段包括第I段缺氧區(qū)(6)，第I段前好氧區(qū)(7)、第I段后好氧區(qū)(8)；第II段包括第II段缺氧區(qū)(9)、第II段前缺氧區(qū)(10)、第II段后好氧區(qū)(11)；第III段包括第III段缺氧區(qū)(12)、第III段前好氧區(qū)(13)、第III段后好氧區(qū)(14)；第III段缺氧區(qū)(12)內(nèi)安裝硝酸鹽氮在線傳感器(15)，采集的數(shù)據(jù)信號經(jīng)硝酸鹽氮信號輸入接口(16)輸入到碳源投加模糊控制器(17)，執(zhí)行模糊規(guī)則和算法處理后，輸出變量經(jīng)外碳源投加量信號輸出接口(18)，作用于外碳源投加計量泵(19)；在第III段的后好氧區(qū)安裝DO在線傳感器(20)，采集的在線DO數(shù)據(jù)信號經(jīng)溶解氧信號輸入接口(21)輸入到恒DO模糊控制器(22)，實行模糊規(guī)則和算法處理后，輸出變量經(jīng)曝氣量輸出接口輸出(23)，作用于變頻器(24)，調(diào)整空壓機(5)的輸出風(fēng)量，在空壓機出口管路上安裝空氣流量測定儀(25)。專利摘要分段進水A/O工藝溶解氧和碳源投加模糊控制裝置屬于污水生物處理領(lǐng)域。該裝置包括多段進水A/O生物脫氮反應(yīng)器和溶解氧、外碳源投加模糊控制裝置一套。多段進水A/O生物反應(yīng)器配有微孔曝氣器、電動攪拌機、可移動隔板、進水泵、鼓風(fēng)機、沉淀池、污泥回流泵、原水貯存箱。模糊控制系統(tǒng)包括氨氮在線傳感器、硝酸鹽在線傳感器、計算機主機、顯示器、模糊控制執(zhí)行機構(gòu)。該裝置采用污水處理新工藝及智能控制方法，可以很好的體現(xiàn)溶解氧控制及外碳源投加控制對多段進水A/O生物脫氮過程硝化和反硝化過程的影響。文檔編號C02F3/30GK201016100SQ20072010347公開日2008年2月6日申請日期2007年2月6日優(yōu)先權(quán)日2007年2月6日發(fā)明者彭永臻,偉王,王淑瑩申請人:北京工業(yè)大學(xué)