一种基于间歇曝气与双闭环智能控制的污水处理曝气节能方法及系统与流程

本发明属于污水处理曝气控制，具体为一种基于间歇曝气与双闭环智能控制的污水处理曝气节能方法及系统。

背景技术：

1、污水生化处理通常通过鼓风机和曝气器向生化反应池供气，以维持有机物降解和硝化反应所需的溶解氧条件；现有曝气控制主要包括定时曝气、恒定溶解氧控制以及根据溶解氧、氨氮或氧化还原电位进行阶段切换的间歇曝气控制；恒定溶解氧控制通常根据溶解氧偏差调节鼓风机频率，间歇曝气控制则在曝气阶段与停曝阶段之间周期性切换，以减少连续供气造成的能耗。

2、在实际运行中，进水氨氮负荷、微生物活性和池内氧化还原状态随时间变化；采用固定曝气周期时，曝气阶段和停曝阶段难以与当前生化反应进程保持一致，低负荷时容易出现曝气持续时间过长，高负荷时又可能因复曝不及时影响氨氮处理；采用单一水质参数作为切换依据时，检测值的短时波动容易引起运行阶段频繁切换；同时采用多种水质参数时，各参数的响应速度和变化方向存在差异，若缺少阶段运行时间的约束，仍难以形成稳定的阶段切换边界。

3、间歇曝气由曝气阶段切换至停曝阶段后，鼓风机停止供气，但池内微生物仍会消耗溶解氧，溶解氧偏差随之增大；若控制器在停曝期间继续累积该偏差，重新曝气时可能产生过大的频率输出；若停曝时直接清除积分状态，则停曝前形成的控制状态无法延续；重新曝气时，控制器计算频率与鼓风机停机状态之间还可能存在较大差值，直接按照计算频率启动容易造成鼓风机频率突变、曝气管路压力波动和溶解氧响应超调。

4、因此，现有间歇曝气控制中，运行阶段判断、停曝期间控制状态保持、复曝频率确定以及鼓风机启动后与实时溶解氧调节的衔接相互分离，难以同时兼顾阶段切换稳定性、氨氮处理需求和鼓风机运行平稳性。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于间歇曝气与双闭环智能控制的污水处理曝气节能方法及系统，解决污水处理生化反应池交替执行曝气阶段和停曝阶段时，运行阶段切换与水质变化不匹配，以及停曝期间的比例积分微分控制状态无法与复曝阶段的鼓风机启动过程连续衔接的问题。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案。

3、本发明提供的污水处理曝气节能方法应用于交替执行曝气阶段和停曝阶段的污水处理生化反应池；运行过程中，分别采集生化反应池中的溶解氧参数、氧化还原电位参数和氨氮参数，同时记录当前运行阶段的持续时间；曝气阶段与停曝阶段发生切换时，终止对切换前运行阶段的计时，并重新开始记录切换后运行阶段的持续时间。

4、根据溶解氧参数、氧化还原电位参数、氨氮参数和当前运行阶段的持续时间执行外环阶段控制；处于停曝阶段时，仅判断是否满足曝气启动条件；处于曝气阶段时，仅判断是否满足停曝条件；当对应运行阶段的切换条件未满足时，维持当前运行阶段。

5、曝气启动条件包括以下任一种情况：停曝阶段的持续时间达到最小停曝时间，且溶解氧参数低于溶解氧下限；停曝阶段的持续时间达到最小停曝时间，且氨氮参数高于氨氮启动值；或者停曝阶段的持续时间达到最大停曝时间。

6、停曝条件为：曝气阶段的持续时间达到最小曝气时间，并且溶解氧参数高于溶解氧上限、氨氮参数低于目标氨氮值、氧化还原电位参数低于氧化还原电位阈值；上述条件同时满足时，由曝气阶段切换至停曝阶段。

7、在曝气阶段，读取预先存储的溶解氧目标值，将实时采集的溶解氧参数与溶解氧目标值之间的差值确定为溶解氧偏差；内环比例积分微分控制根据溶解氧偏差生成鼓风机目标频率，鼓风机目标频率被限制在鼓风机允许频率范围内，变频器按照鼓风机目标频率调节鼓风机的运行频率，使鼓风机通过曝气管路向设置在生化反应池内的曝气器供气。

8、外环阶段控制输出停曝信号时，先读取并保存该时刻内环比例积分微分控制中的积分项，将所保存的积分项确定为冻结积分项，再通过变频器停止鼓风机；停曝阶段内，不再根据溶解氧偏差更新积分项，冻结积分项保持为输出停曝信号时的数值。

9、外环阶段控制输出曝气启动信号时，将冻结积分项与恢复系数相乘，得到恢复积分项；恢复系数大于零且不大于一；当恢复系数等于一时，恢复积分项与冻结积分项相同；当恢复系数小于一时，恢复积分项为冻结积分项的衰减值。

10、内环比例积分微分控制设置有积分项下限和积分项上限；恢复积分项低于积分项下限时，以积分项下限作为载入值；恢复积分项高于积分项上限时，以积分项上限作为载入值；恢复积分项位于积分项下限与积分项上限之间时，以恢复积分项作为载入值。

11、将经过上下限处理的恢复积分项载入内环比例积分微分控制，并以输出曝气启动信号时的溶解氧偏差作为当前输入，执行一次比例积分微分运算；将该次运算生成的频率输出确定为本次复曝过程的复曝目标频率；复曝目标频率低于鼓风机允许频率下限时，以鼓风机允许频率下限作为复曝目标频率；复曝目标频率高于鼓风机允许频率上限时，以鼓风机允许频率上限作为复曝目标频率。

12、在鼓风机允许频率范围内选取不高于复曝目标频率的频率作为初始频率；变频器控制鼓风机由初始频率逐步升高至复曝目标频率；在本次逐步升频过程中，复曝目标频率保持为输出曝气启动信号时确定的数值，不随逐步升频期间采集的溶解氧参数变化而改变。

13、鼓风机频率达到复曝目标频率后，结束逐步升频，将复曝目标频率作为内环比例积分微分控制恢复实时运行时的输出初值；此后，内环比例积分微分控制根据后续实时采集的溶解氧参数与溶解氧目标值之间的差值，连续更新鼓风机目标频率。

14、溶解氧下限为0.3～1.5毫克每升，溶解氧上限为1.5～4.0毫克每升，并且溶解氧下限小于溶解氧上限；氨氮启动值为3～15毫克每升，目标氨氮值为0.5～5毫克每升，并且目标氨氮值低于氨氮启动值；氧化还原电位阈值为负150～正100毫伏。

15、最小曝气时间为10～60分钟，最小停曝时间为10～60分钟，最大停曝时间为20～180分钟，并且最小停曝时间小于最大停曝时间。

16、内环比例积分微分控制的比例系数为0.5～10，积分系数为0.001～1.0，微分系数为0～2.0；恢复系数为0.1～1.0，优选为0.3～0.8；鼓风机允许频率范围为15～60赫兹。

17、逐步升频采用线性升频方式或者阶梯升频方式。

18、采用线性升频方式时，从15～35赫兹范围内选取不高于复曝目标频率的频率作为初始频率，变频器按照0.05～1.0赫兹每秒的升频斜率控制鼓风机连续升高至复曝目标频率。

19、采用阶梯升频方式时，复曝目标频率不低于20赫兹，从20～30赫兹范围内选取不高于复曝目标频率的频率作为初始频率，变频器每间隔10～60秒将鼓风机频率提高1～5赫兹，直至鼓风机频率达到复曝目标频率。

20、当连续10分钟内采集的氨氮参数均高于15毫克每升时，进入高负荷控制状态；进入高负荷控制状态时，存储当前采用的溶解氧上限、氨氮启动值、最小曝气时间和最大停曝时间，并将溶解氧上限调整为3.0毫克每升，将氨氮启动值调整为6毫克每升，将最小曝气时间调整为40分钟，将最大停曝时间调整为45分钟。

21、一个运行周期由依次执行的一个曝气阶段和一个停曝阶段构成；当连续两个以上运行周期结束时所采集的氨氮参数均低于目标氨氮值时，退出高负荷控制状态，并调用进入高负荷控制状态时存储的溶解氧上限、氨氮启动值、最小曝气时间和最大停曝时间。

22、本发明还提供一种基于间歇曝气与双闭环智能控制的污水处理曝气节能系统，包括生化反应池、曝气器、鼓风机、变频器、溶解氧在线检测仪、氧化还原电位在线检测仪、氨氮在线检测仪和可编程逻辑控制器。

23、曝气器设置在生化反应池内，鼓风机通过曝气管路与曝气器连接，变频器与鼓风机连接；溶解氧在线检测仪、氧化还原电位在线检测仪和氨氮在线检测仪的检测端分别设置在执行交替曝气的生化反应区域内，并分别与可编程逻辑控制器通信连接；可编程逻辑控制器与变频器通信连接。

24、可编程逻辑控制器存储溶解氧目标值、溶解氧下限、溶解氧上限、氨氮启动值、目标氨氮值、氧化还原电位阈值、最小曝气时间、最小停曝时间、最大停曝时间、恢复系数、积分项下限、积分项上限和鼓风机允许频率范围。

25、可编程逻辑控制器接收各在线检测仪采集的检测参数，记录当前运行阶段的持续时间，并根据检测参数和当前运行阶段的持续时间执行外环阶段控制；可编程逻辑控制器通过变频器控制鼓风机启动、停止和调节运行频率。

26、曝气阶段内，可编程逻辑控制器执行内环比例积分微分控制；由曝气阶段切换至停曝阶段时，可编程逻辑控制器保存冻结积分项并停止更新积分项；由停曝阶段切换至曝气阶段时，可编程逻辑控制器确定恢复积分项和复曝目标频率，并通过变频器控制鼓风机逐步升高至复曝目标频率；达到复曝目标频率后，可编程逻辑控制器恢复根据实时溶解氧偏差更新鼓风机目标频率。

27、本发明的有益效果如下：

28、1、本发明通过将溶解氧参数、氧化还原电位参数、氨氮参数与当前运行阶段的持续时间共同用于曝气阶段和停曝阶段的切换判断，并在达到最小运行时间后再执行水质条件判断，达到使运行阶段与生化反应状态相适应的效果；该控制方式能够减少单一检测参数短时波动引起的频繁切换，并通过最大停曝时间限制避免低溶解氧或氨氮负荷变化时长期不复曝，从而兼顾低负荷工况下减少不必要曝气与高负荷工况下及时恢复供氧的需要。

29、2、本发明通过在输出停曝信号时保存内环比例积分微分控制的当前积分项，并在停曝阶段停止更新积分项，达到避免停曝期间溶解氧自然下降所形成的偏差继续累积至积分项中的效果；在复曝时，根据恢复系数对冻结积分项进行恢复，并通过积分项上下限对恢复结果进行约束，使停曝前形成的控制状态能够保留至复曝阶段，又能够避免恢复积分项过大导致复曝频率输出突增，从而改善直接累计积分或者直接清除积分所造成的控制状态失配。

30、3、本发明通过将恢复积分项与复曝时的溶解氧偏差共同用于确定复曝目标频率，并以复曝目标频率作为鼓风机逐步升频的终点以及内环比例积分微分控制恢复实时运行时的输出初值，达到使积分状态恢复、鼓风机复曝启动和后续溶解氧反馈调节连续衔接的效果；鼓风机由初始频率按照线性升频方式或阶梯升频方式逐步达到复曝目标频率，能够减小停机频率与控制目标频率之间的突变，降低复曝过程中鼓风机频率、曝气管路压力及池内溶解氧的短时波动，在满足氨氮处理需求的同时减少无效曝气运行。