CN101182069B - 基于入水变化的氧化沟智能控制系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了属于环境保护中水污染控制技术领域的一种基于入水变化的氧化沟智能控制系统。包括入水监测系统、运行决策支持系统、控制系统、工艺在线监测系统组成。该系统针对入水的动态变化，适时对其进行监测并将动态数据信息收集到决策支持系统，通过决策支持系统的模拟分析，产生对应的工艺适宜运行条件和控制策略，确定系统的运行状态，再通过控制系统对工艺运行过程实施调控，并由工艺在线监测设备对系统运行参数进行监测，将参数反馈到控制系统和运行决策系统，对系统运行策略进行反馈验证和决策修正，保障氧化沟工艺同步硝化反硝化的成功应用。既保证污水处理过程先进技术的应用，还实现较大幅度的节能降耗，挖掘出水厂更大的处理潜力。
Description
技术领域
本发明属于环境保护中水污染控制技术领域。特别涉及已建氧化沟工艺的升级改造，优化工艺运行控制策略，提升控制系统性能和新建的氧化沟工艺的优化设计，提升氧化沟工艺污水处理效果和运行稳定性，同时可实现大幅度节能降耗的一种基于入水变化的氧化沟智能控制系统。
背景技术
目前我国的环境污染问题严峻，水体的富营养化问题日趋严重，同时，随着我国经济的快速发展，能源的需求也与日俱增，环境与能源已经成为目前制约我国经济发展和影响人们生活质量的的重要因素。城市污水处理是能源密集的行业之一，常规的城市污水处理厂的运行成本中(包括折旧费等)，电费约占三分之一多，其中的曝气电耗占污水处理厂全厂电耗的40％～50％。既能够提高污水处理厂处理效果，同时还能实现节能降耗的关键技术，对于缓解我国当前能源紧缺的现状具有重要的意义。
在现行的污水处理中，入水的时变化、日变化对污水处理工艺运行的严重影响是普遍存在的问题。一般城市污水处理厂的入水都是呈现出较大的波动幅度，流量和水质浓度都会呈现出一定的规律性变化特点，每日的最高流量会是最低流量的3-4倍，水质浓度同样也呈现出类似的变化特点，而且高负荷和低负荷都会持续比较长的时段，这就导致污水处理厂的入水水量水质浓度会在一天的范围出现较大的幅度变化。目前已建的水厂大多采用较大的设计安全系数，以防止入水负荷的波动对水厂运行造成较大的影响，这也使得水厂的建筑成本以及运行能耗增加，造成很大的浪费。同时目前水厂应用的控制系统也多采用的是以PLC为基础的IPC和PLC集散型控制系统，系统一般只能执行固定的欲设运行策略，不具备针对入水适时变化的智能响应功能。
自20世纪90年代中期，氧化沟工艺因其良好的脱氮效果且无需初次沉淀池开始被推广，我国也兴建了大量的采用氧化沟工艺的污水处理厂。同时今年随着我国污染形势的严峻和能源匮乏问题的突出，污水处理厂污水排放标准逐渐提高的同时还提出污水处理厂要降低能耗的要求，这就使得已建或者新建的氧化沟工艺需要引进同步硝化反硝化等先进的技术。而入水的波动会对这些新技术在氧化沟工艺的应用产生很大的影响，必须要针对入水的变化实施不同的控制条件，这就导致原有的水厂控制系统不能满足新技术的应用要求。
IPC和PLC系统运行可靠性高，能实现中心控制室、现场监控子站和就地控制的分级控制，并具有模块化结构，扩展灵活，结构开放，组网力强的优越性，同时随着现场总线技术的发展，可以将专用的CPU置入传统的测控仪表，使它们各自都具有了数字计算和通信能力，把多个现场级测控仪表连接成网络，现场测控仪表之间及其与远程监控计算机之间实现数据传输与信息交换，即可形成多种适应实际需要的控制系统；此外，活性污泥模型(ASM1，ASM2，ASM2D，ASM3)和二沉池模型的研究工作近些年取得了较大的突破，这使得以此为基础的模拟不同污水处理过程的模拟软件也获得较大的进步，国外先后出现了BioWin(www.envirosim.com)、GPS-X(www.hydromantis.com)、WEST(www.hemmiswest.com)等软件系统，国内也出现了由清华大学开发的ODSS模拟软件系统。模型模拟技术以及网络传输通讯技术的发展，再有PLC系统的原有功能优势，为实现污水处理厂智能控制系统提供了技术可能。
综上所述，城市污水处理厂入水的动态变化，对氧化沟工艺过程同步硝化反硝化等先进处理技术的应用造成较大的影响，但也为污水处理厂的节能降耗提供了较大的潜力空间，利用目前已有的工作基础和模型模拟和总线控制等技术的发展优势，构建污水处理厂智能控制系统，既可以保证污水处理过程先进技术的应用，还可以实现较大幅度的节能降耗，挖掘出水厂更大的处理潜力。
发明内容
本发明的目的是针对我国不同城市污水水质的水质特点及日变化规律，建立一套实现氧化沟高效稳定同步硝化反硝化过程的一种基于入水变化的氧化沟智能控制系统。该系统针对入水的动态变化，适时对其进行监测并将动态数据信息收集到决策支持系统，通过决策支持系统的模拟分析，产生对应的工艺适宜运行条件和控制策略，确定系统的运行状态，再通过控制系统对工艺运行过程实施调控，并由工艺在线监测设备对系统运行参数进行监测，将参数反馈到控制系统和运行决策系统，对系统运行策略进行反馈验证和决策修正，最终保障氧化沟工艺同步硝化反硝化等先进技术的成功应用。
该系统的组成，该系统主要包括入水监测系统、运行决策支持系统、控制系统、工艺在线监测系统组成；
入水监测系统，主要监测污水处理厂入水的水量、水质变化情况；包括仪器设备为污水水质在线监测仪、入水水量监测设备-设在水厂集水井前的流量计或者是设于集水井上的水位计和数据在线采集系统；其中污水水质在线监测仪包括入水COD、氨氮和磷酸盐浓度的监测设备，入水水量监测设备，以及仪器在线传输和计算机在线读取软件系统；所述水质检测仪包括多参数水质在线监测仪、氨氮在线分析仪、磷酸盐在线分析仪。
运行决策支持系统，主要是针对在线监测设备获得的污水厂入水数据信息，利用活性污泥模型模拟系统对其进行分析，确定适宜目前入水条件的污水处理厂的运行状态，为水厂的自动控制系统提供运行策略。该系统主要提供两种职能，一种是根据近期水厂的进水规律，通过系统模拟分析过程，得出指导水厂运行的运行策略；另外一种职能则是根据适时监测的入水数据及系统参数变化，对目前运行的策略进行检验校核，确认目前正在运行的策略是能够适应目前的进水特征；
控制系统，对污水处理厂原有的PLC控制系统进行升级，在控制部分添加工艺运行的状态控制策略模块；控制系统读取入水监测数据，根据控制指令模块提供的条件范围，经过简单的验证运算，确定目前执行的运行状态，并向下一级系统过程实施控制指令，执行运行策略；
工艺监测系统，包括水厂配备的常规监测仪器：溶解氧仪、泥位计、污泥浓度、二沉池泥位、ORP、污泥回流流量计和排泥流量计，以及与决策支持系统和控制系统间进行数据共享的参数在线传输系统；该工艺监测系统将监测系统获得的数据信息传输到控制系统，监控系统的运行状态；同时也传输到决策支持系统，通过系统模拟分析，验证系统的运行状态是否符合预定的状态条件。
所述污水水质在线监测仪为STIP-SCAN多合一的在线监测仪，该设备主要监测入水的COD浓度变化，该测量装置是分析光谱的范围在190-720nm的光谱分析仪；传感器直接将待测水样吸入测量室，无需任何样品预处理装置。该测量装置还可以同时进行监测的污水水质参数包括：硝氮、SAC254、TOC、总固体、污泥沉降比和污泥指数。
基于入水变化的氧化沟智能控制系统的智能控制流程：首先控制系统读取进水数据，根据得到的监测数据计算NCOD值或NNH3值，判断NCOD、NNH3值是否在指令模块提供的正常运行状态条件范围内，如果是，则继续运行此状态；如果不是，则调整回流比，降低污泥浓度，使达到正常运行状态，或则补充回流污泥，调整回流比，提高污泥浓度，使达到正常运行状态；控制系统根据入水监测系统、工艺监测系统提供的数据和运行决策支持系统根据入水监测系统、工艺监测系统提供的数据作出的控制指令，控制指令模块提供的条件范围，经过简单的验证运算，确定目前执行的运行状态，并向氧化沟装置和二沉池实施控制指令，执行运行策略。
本发明的有益效果是根据城市污水处理厂入水的动态变化，对氧化沟的同步硝化反硝化工艺过程进行智能控制，为污水处理厂的节能降耗提供了较大的潜力空间，利用目前已有的工作基础和模型模拟和总线控制等技术的发展优势，构建污水处理厂智能控制系统，既可以保证污水处理过程先进技术的应用，还可以实现较大幅度的节能降耗，挖掘出水厂更大的处理潜力。
附图说明
图1为系统集成示意图。
图2控制系统执行控制指令示意图
具体实施方式
本发明的目的是针对我国不同城市污水水质的水质特点及日变化规律，建立一套实现氧化沟高效稳定同步硝化反硝化过程的一种基于入水变化的氧化沟智能控制系统。
目前在运行的污水处理厂基本都配备比较完备的PLC控制系统，系统内可以实现污水处理厂工艺流程中各个构筑单元在线监测设备的监测数据收集，不同控制单元的控制策略的实施等。主要包括预处理控制、曝气及推流控制、回流污泥和排泥控制和污泥处理单元控制等，如果增加辅助化学除磷单元还要包括除磷药剂自动控制单元。该系统针对入水的动态变化，适时对其进行监测并将动态数据信息收集到决策支持系统，通过决策支持系统的模拟分析，产生对应的工艺适宜运行条件和控制策略，确定系统的运行状态，再通过控制系统对工艺运行过程实施调控，并由工艺在线监测设备对系统运行参数进行监测，将参数反馈到控制系统和运行决策系统，对系统运行策略进行反馈验证和决策修正，最终保障氧化沟工艺同步硝化反硝化等先进技术的成功应用。
图1所示为系统集成示意图。整个氧化沟污水处理系统是入水从进水装置1进入氧化沟8，在氧化沟内反应处理后进入二沉池7，经过二次沉淀后，比较清的水由出水装置6排出；上述工艺过程由氧化沟智能控制系统进行控制。智能控制系统包括获取城市污水水质数据及日变化规律的入水监测系统2和实时监测氧化沟8、二沉池7的污水处理工艺参数的工艺监测系统5、根据入水监测系统2，工艺监测系统5提供的数据作出决策的运行决策支持系统3和实施控制的控制系统4。下面对各部分予以说明。
1.入水监测系统，主要监测污水处理厂入水的水量、水质变化情况；包括仪器设备为入水COD、氨氮和磷酸盐浓度的污水水质在线监测仪、入水水量监测设备-设在水厂集水井前的流量计或者是设于集水井上的水位计和数据在线采集系统；
所述污水水质在线监测仪为STIP-SCAN多合一的在线监测仪，该设备主要监测入水的COD浓度变化，该测量装置是分析光谱的范围在190-720nm的光谱分析仪；传感器直接将待测水样吸入测量室，无需任何样品预处理装置。该测量装置还可以同时进行监测的污水水质参数包括：硝氮、SAC254、TOC、总固体、污泥沉降比和污泥指数。ISCO/STIP浮标型氨氮分析仪，如后面表1.主要水质在线监测仪性能指标所示。
该设备主要可以监测入水氨氮浓度变化。该分析仪的检测原理是氨气敏电极。在碱性介质中，铵离子(NH4+)转换为氨气。氨气分子可以通过气体选择性透过膜并产生pH变化，检测pH的变化就可以反映氨根离子的浓度。氨氮分析仪通过直接放入曝气池或最终水渠在线测量氨氮。测量仪灌注和排空通过水的静压以及气压实现，节省了污水泵。所有阀门只接触空气、试剂和校准标样，从而保证了测量的高度可靠性。氨氮测量仪前端装有净化单元，使污水在进入反应单元前，与污泥及其它固体物质分离。在氨氮测量时，控制在需要的pH值，以保证在低试剂耗量时的测量精度。测量仪每天利用标准添加法自动校准，同时补偿污水情况的变化。包括：
ISCO/STIP浮标型磷酸盐分析仪
SPECTRON(PO4yellow)是测量污水中磷酸盐含量的准连续分析仪。样品中的磷酸盐与加入的特制试剂反应，生成一种明黄色的物质，其浓度吸收波长为380～480nm。分析仪内装配有二极管阵列分光光度计，其测量波长范围是380～780nm。分析仪每天用二个标准样品自动校准。SPECTRON分析仪的蠕动泵将样品通过旁路引入测量单元。在测量单元内样品和试剂混合，并形成黄色物质，该物质的吸收波长为380～480nm。
入水流量监测仪器
入水流量的监测设备采用常规的水厂应用的设备即可，一般水厂在入水口处均会设有相应的电磁流量计或者集水井上的水位监测计，这些设备均可以作为入水流量的监测设备。
数据采集系统
该部分主要是获得各在线仪器的适时监测数据。一般上述在线监测仪器均带有数据在线读取的模块，只需将模块与计算进行连接，同时在计算机内安装好相应的数据提取程序，即可实现所有设备监测数据的收集。该系统对指导我国污水处理厂的设计、运行具有非常的重要作用。
2.运行决策支持系统
该部分主要是针对在线监测设备获得的污水厂入水数据信息，利用活性污泥模型模拟系统对其进行分析，确定适宜目前入水条件的污水处理厂的运
行状态，为水厂的自动控制系统提供运行策略。该系统主要提供两种职能，一种是根据近期水厂的进水规律，通过系统模拟分析过程，得出指导水厂运行的运行策略；另外一种职能则是根据适时监测的入水数据及系统参数变化，对目前运行的策略进行检验校核，确认目前正在运行的策略是能够适应目前的进水特征。根据系统负荷要求，经过如上的分析决策过程，直接指导控制系统需要的具体实施控制参数，该策略将系统运行过程分为几个简单的运行阶段，每个阶段执行不同的曝气和回流条件，条件之间的转化过程均不复杂，很容易在实际设备上实现控制。该策略指令以不同入水水质参数的负荷形式给出，作为下一级控制指令实施的标准条件。
该部分主要是由污水处理厂运行决策支持系统(ODSS)完成。运行决策
支持系统(ODSS)为清华大学环境模拟和污染控制国家重点联合实验室开发的活性污泥模拟软件TH-ASSS的升级中文软件系统，该软件首先以国际水质协会(IAWQ)课题组提出的活性污泥过程模型(ASM1、ASM2/ASM2d和ASM3)为基础以及二沉池的一维模型，对污水处理过程进行模拟分析的系统软件，该软件系统可以实现氧化沟、A2O等不同工艺过程的模拟，该系统对指导我国污水处理厂的设计、运行具有非常的重要作用。
所述运行决策支持系统由污水处理厂运行决策支持系统(ODSS)完成。运行决策支持系统(ODSS)为清华大学环境模拟和污染控制国家重点联合实验室开发的活性污泥模拟软件TH-ASSS的升级中文软件系统，该软件首先以国际水质协会(IAWQ)课题组提出的活性污泥过程模型(ASM1、ASM2/ASM2d和ASM3)为基础以及二沉池的一维模型，对污水处理过程进行模拟分析的系统软件，该软件系统可以实现氧化沟、A2O等不同工艺过程的模拟，
3.控制系统
该部分需要对污水处理厂原有的PLC控制系统进行升级，主要是控制部分添加工艺运行的状态控制策略模块，表达并且执行运行决策系统部分产生运行策略，为控制实施过程提供各个不同运行参数的控制条件。
表1.主要水质在线监测仪性能指标
目前在运行的污水处理厂基本都配备比较完备的PLC控制系统，系统内可以实现污水处理厂工艺流程中各个构筑单元在线监测设备的监测数据收集，不同控制单元的控制策略的实施等。主要包括预处理控制、曝气及推流控制、回流污泥和排泥控制和污泥处理单元控制等，如果增加辅助化学除磷单元还要包括除磷药剂自动控制单元。
图2为控制系统执行控制指令示意图。首先控制系统读取进水数据，根据得到的监测数据计算NCOD值或NNH3值，判断NCOD、NNH3值是否在指令模块提供的正常运行状态条件范围内，如果是，则继续运行此状态；如果不是，则调整回流比，降低污泥浓度，使达到正常运行状态，或则补充回流污泥，调整回流比，提高污泥浓度，使达到正常运行状态；控制系统根据入水监测系统、工艺监测系统提供的数据和运行决策支持系统根据入水监测系统、工艺监测系统提供的数据作出的控制指令，控制指令模块提供的条件范围，经过简单的验证运算，确定目前执行的运行状态，并向氧化沟装置和二沉池实施控制指令，执行运行策略。
4.工艺监测系统
该部分主要采用水厂配备的常规监测仪器即可。主要包括溶解氧仪、泥位计、污泥回流流量计、排泥流量计等。监测系统获得的数据信息传输到控制系统，监控系统的运行状态；同时也传输到决策支持系统，通过系统模拟分析，验证系统的运行状态是否符合预定的状态条件。
Claims (5)
1.一种基于入水变化的氧化沟智能控制系统，其特征在于，该系统由入水监测系统、运行决策支持系统、控制系统和工艺在线监测系统组成；
入水监测系统包括入水COD、氨氮和磷酸盐浓度的污水水质在线监测仪、入水水量监测设备-设在水厂集水井前的流量计或者是设于集水井上的水位计和数据在线采集系统；
运行决策支持系统是主要针对在线监测设备获得的污水厂入水数据信息，利用活性污泥模型模拟系统对其进行分析，通过系统模拟分析过程，得出指导水厂运行的运行策略；另外根据适时监测的入水数据及系统参数变化，对目前运行的策略进行检验校核，确认目前正在运行的策略是能够适应目前的进水特征；
控制系统，对污水处理厂原有的PLC控制系统进行升级，在控制部分添加工艺运行的状态控制策略模块；控制系统读取入水监测数据，根据控制指令模块提供的条件范围，经过简单的验证运算，确定目前执行的运行状态，并向下一级系统过程实施控制指令，执行运行策略；
工艺监测系统，包括水厂配备的常规监测仪器：溶解氧仪、泥位计、污泥回流流量计和排泥流量计；该工艺监测系统将监测系统获得的数据信息传输到控制系统，监控系统的运行状态；同时也传输到决策支持系统，通过系统模拟分析，验证系统的运行状态是否符合预定的状态条件。
2.根据权利要求1所述基于入水变化的氧化沟智能控制系统，其特征在于，所述污水水质在线监测仪为STIP-SCAN多合一的在线监测仪，该设备监测入水的COD浓度变化，该测量装置是分析光谱的范围在190-720nm的光谱分析仪；传感器直接将待测水样吸入测量室，无需任何样品预处理装置；该测量装置进行监测的污水水质参数包括：硝氮、SAC254、TOC、总固体、污泥沉降比和污泥指数。
3.根据权利要求2所述基于入水变化的氧化沟智能控制系统，其特征在于，所述污水水质在线监测仪包括入水COD、氨氮和磷酸盐浓度的监测设备，入水水量监测设备，以及仪器在线传输和计算机在线读取软件系统；所述水质监测仪包括多参数水质在线监测仪、氨氮在线分析仪、磷酸盐在线分析仪。
4.根据权利要求1所述基于入水变化的氧化沟智能控制系统，其特征在于，所述工艺在线监测系统包括溶解氧、污泥浓度、二沉池泥位、ORP、污泥回流量和排泥量的监测设备，以及与决策支持系统和控制系统间进行数据共享的参数在线传输系统。
5.权利要求1所述基于入水变化的氧化沟智能控制系统的智能控制方法，其特征在于，智能控制系统的智能控制流程为：首先控制系统读取进水数据，根据得到的监测数据计算NCOD值或NNH3值，判断NCOD、NNH3值是否在指令模块提供的正常运行状态条件范围内，如果是，则继续运行此状态；如果不是，则调整回流比，降低污泥浓度，使达到正常运行状态，或者补充回流污泥，调整回流比，提高污泥浓度，使达到正常运行状态；控制系统根据入水监测系统、工艺监测系统提供的数据和运行决策支持系统根据入水监测系统、工艺监测系统提供的数据作出的控制指令，控制指令模块提供的条件范围，经过简单的验证运算，确定目前执行的运行状态，并向氧化沟装置和二沉池实施控制指令，执行运行策略。
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