一種汙水處理汙泥物料平衡的控制系統的製作方法

2023-08-06 19:46:11

本實用新型屬於汙水處理領域，尤其是涉及一種汙汙水處理汙泥物料平衡的控制系統。

背景技術：

近年以來，城市汙水處理廠汙泥處理逐漸成為行業內和市場的熱點方向。汙泥的全過程控制的研究也逐步深入，各種減量化、資源化方案不斷被設計、應用。但是，針對汙泥的產生環節，即汙水處理廠現有工藝的過程優化基本還是需要依靠人工幹預控制。汙泥產生和處理的各個工藝段中普遍存在以下部分或全部問題：

(1)生物汙泥齡、食微比的控制依靠人工經驗，控制排泥時間，沒有實現自動化。汙水廠在運行中，需要根據不同季節、進水水質變化下的經驗進行調整，其變化過程直接影響生物群落變化，對出水指標、汙泥減量具有長時間持續性影響。

(2)濃縮水解池一般受生物處理工藝的影響需要經常改變排泥量，需要人工控制。其濃度、流量變化會造成濃縮和水解發酵效果不穩定，培養和維持困難。排泥量的不均衡間接對初沉池運行控制提出更高要求。

(3)除臭系統沒有實現自動化的精確最小化排泥。人工操作較多；濃度不穩定，影響脫水機效率；過度排泥，耗能。

(4)汙泥消化控制依賴人工經驗控制，消化系統進泥一般為混合汙泥，其濃度、成分等性質的不斷變化使得投配量需要動態調整。

(5)深度處理工藝中的化學汙泥，一般存在鋁鹽或鐵鹽，在與其他汙泥混 合脫水過程中，如果不規則的排放混合，會造成脫水效果的不穩定，加大絮凝劑的消耗量。

(6)脫水系統需泥量和供泥量不平衡，需要大量人工操作，供泥過多容易造成高濃度汙泥回流，影響預處理區功能；過少造成生物處理系統運行異常。

綜上，在汙泥處理的各個工藝段中，需要在包括生物泥齡控制、濃縮水解池運行控制、除臭汙泥量控制、汙泥消化泥量控制、脫水機泥量供給控制等方面綜合考慮，做到精確的、自動化的物料平衡控制，改變目前靠經驗、人工操作的工作模式。

技術實現要素：

有鑑於此，本實用新型旨在提出一種汙水處理汙泥物料平衡的控制系統，以提供一種易於改造、節能、穩定性高，自動化程度強的汙水處理汙泥物料平衡的控制系統。

為達到上述目的，本實用新型的技術方案是這樣實現的：

一種汙水處理汙泥物料平衡的控制系統，包括人工幹預層、智能控制層和現場調整層，所述人工幹預層包括人機界面，所述現場調整層包括物料平衡控制系統，所述智能控制層包括數據伺服器和智能控制主機，所述智能控制主機信號連接至所述人機界面、所述物料平衡控制系統和所述數據伺服器，所述物料平衡控制系統的主控制器為物料平衡控制PLC。

進一步的，所述物料平衡控制系統包括分別獨立設置的生物池系統、除臭系統和汙泥處理區系統，

所述生物池系統包括生物池PLC、溫度計、剩餘汙泥變頻泵、汙泥濃度計、溶氧儀和進水流量計，所述生物池PLC分別信號連接至所述物料平衡控制PLC、所述溫度計、所述剩餘汙泥變頻泵、所述汙泥濃度計、所述溶氧儀和所述進水流量計；

所述除臭系統包括除臭PLC、濁度計、H2S濃度計、電動調節閥、變頻泵和汙泥流量計,所述除臭PLC分別信號連接至所述物料平衡控制PLC、所述濁度計、所述H2S濃度計、所述電動調節閥、所述變頻泵和所述汙泥流量計；

所述汙泥處理系統包括汙泥處理PLC、化學汙泥流量計、濃縮汙泥流量計、消化汙泥流量計和脫水汙泥流量計，所述汙泥處理PLC分別信號連接至所述物料平衡控制PLC、所述化學汙泥流量計、所述濃縮汙泥流量計、所述消化汙泥流量計和所述脫水汙泥流量計。

進一步的，所述生物池PLC、所述除臭PLC和所述汙泥處理PLC信號連接的方式可為有線連接或無線連接。

進一步的，所述生物池PLC、所述除臭PLC和所述汙泥處理PLC輸出電流信號的範圍均為4-20mA。

進一步的，所述智能控制主機和所述人機界面通過乙太網信號連接。

相對於現有技術，本實用新型所述的汙水處理汙泥物料平衡的控制系統具有以下優勢：

(1)本實用新型所述的汙水處理汙泥物料平衡的控制系統，易於改造，現有汙水廠通過增加相關的傳感器、智能控制設備，即可以實現，方便簡單，推廣性強。

本實用新型的另一目的在於提出一種汙水處理汙泥物料平衡的控制方法，以解決目前汙泥處理過程中依靠經驗進行人工操作，造成工作效率低下、控制精度不夠的問題。

為達到上述目的，本實用新型的技術方案是這樣實現的：

一種汙水處理汙泥物料平衡的控制方法，包括

步驟一：通過現場調整層精確控制各工藝段汙泥的排放量；

步驟二：所述現場調整層將數據上傳至智能控制層，所述智能控制層根據數據計算智能策略、確定各工藝段的流量限值、發出預警信號，控制控制全廠汙泥的動態平衡；

步驟三：所述智能控制層將信息通過人工幹預層的人機界面顯示，方便工作人員進行數據和參數的調整，以及修正所述智能策略。

進一步的，所述現場調整層控制的工藝段包括控制剩餘汙泥量、汙泥濃縮水解量、除臭汙泥量、消化汙泥量、化學汙泥量和脫水汙泥量，所述現場調整層包括若干安裝在現場的儀表。

進一步的，所述剩餘汙泥量的控制方式為模型控制，所述模型控制通過所述現場調整層的儀表採集進水量、進出水的懸浮物、進出水的COD、進出水的氨氮、汙泥濃度、水溫、歷史剩餘汙泥有效汙泥排放量及剩餘汙泥濃度的數據，且數據值均為日均值，所述模型控制採用五日動態泥齡控制法，

其中，泥齡公式為：

上式中θc為泥齡；V為曝氣池體積；；X為汙泥濃度；Qd為日進水量；S0為進水BOD；

Se為出水BOD，X0為進水懸浮物；Qs為剩餘汙泥排放量，Xs為剩餘汙泥濃度，n為天數，n為大於4的整數；

第n+1天的泥齡可以通過上述公式得出，當泥齡為定值時，進而推導出第n+1天的剩餘汙泥排放量為：

當在線數據出現較大波動、造成日排泥量變化較大時，可增加累積泥齡時間 段到4天以上；

泥齡的微調則根據所述SVI的值和所述進出水的氨氮值計算，計算公式為：

θc(n+1)＝θc(n)*KSVI*KNH3

其中，KSVI為汙泥指數係數，為模糊控制經驗參數值，KSVI的範圍為0.5-1；

KNH3為氨氮係數，為模糊控制經驗參數值，KNH3的範圍為1-1.2。

進一步的，所述汙泥濃縮水解量和所述消化汙泥量的控制方式均為負荷控制,

負荷控制的計算公式為：

實際進泥負荷率＝Q進*(1-P進含水)/[Q設計進*(1-P設計進含水)]

實際出泥負荷率＝Q出*(1-P出含水)/[Q設計進*(1-P設計出含水)]

採用負荷控制方式時，第n+1天的進泥量為：

其中：Q進為進泥量，Q出為出泥量，P進含水為進泥含水率，P出含水為出泥含水率。

進一步的，所述除臭汙泥量的控制通過PID、模糊控制和神經網絡算法結合實現按需供給。

相對於現有技術，本實用新型所述的汙水處理汙泥物料平衡的控制方法具有以下優勢：

(1)本實用新型所述的汙水處理汙泥物料平衡的控制方法，改變靠經驗、人工操作的工作模式，提升了汙水處理的穩定性和控制精度，降低了工作強度，節約了汙水處理成本。

(2)本實用新型所述的汙水處理汙泥物料平衡的控制方法，自動化程度高，實現了汙泥處理全過程的按需供給，避免了過度排泥，節約資源和能源。

附圖說明

構成本實用新型的一部分的附圖用來提供對本實用新型的進一步理解，本實用新型的示意性實施例及其說明用於解釋本實用新型，並不構成對本實用新型的不當限定。在附圖中：

圖1為本實用新型實施例所述的汙水處理汙泥物料平衡的控制系統結構框圖；

圖2為本實用新型實施例所述的除臭系統控制框圖；

圖3為本實用新型實施例所述的除臭系統除臭汙泥流量控制框圖；

圖4為本實用新型實施例所述的除臭系統除臭進泥流量控制框圖。

具體實施方式

需要說明的是，在不衝突的情況下，本實用新型中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。

在本實用新型的描述中，需要理解的是，術語「中心」、「縱向」、「橫向」、「上」、「下」、「前」、「後」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「頂」、「底」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本實用新型和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本實用新型的限制。此外，術語「第一」、「第二」等僅用於描述目的，而不能理解為指示或暗示相對重要性或者隱含指明所指示的技術特徵的數量。由此，限定有「第一」、「第二」等的特徵可以明示 或者隱含地包括一個或者更多個該特徵。在本實用新型的描述中，除非另有說明，「多個」的含義是兩個或兩個以上。

在本實用新型的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以通過具體情況理解上述術語在本實用新型中的具體含義。

下面將參考附圖並結合實施例來詳細說明本實用新型。

一種汙水處理汙泥物料平衡的控制系統，如圖1至圖4所示，包括人工幹預層、智能控制層和現場調整層，所述人工幹預層包括人機界面，所述現場調整層包括物料平衡控制系統，所述智能控制層包括數據伺服器和智能控制主機，所述智能控制主機信號連接至所述人機界面、所述物料平衡控制系統和所述數據伺服器，所述物料平衡控制系統的主控制器為物料平衡控制PLC，

所述智能控制主機負責全廠汙泥的動態平衡控制，主要方法包括：採集所述數據伺服器中保存的歷史數據(包括化驗數據和在線儀表數據)，建立各個工藝段的公式模型，計算各個工藝段日總汙泥量，根據各個工藝段的汙泥量計算排泥時間；達到的功能包括：平衡濃縮水解池和消化池汙泥負荷，控制消化混合汙泥比例，控制化學汙泥與脫水汙泥的混合比例；在脫水機故障期間自動降低各工藝段汙泥量。

所述物料平衡控制系統包括分別獨立設置的生物池系統、除臭系統和汙泥處理區系統，

所述生物池系統包括生物池PLC、溫度計、剩餘汙泥變頻泵、汙泥濃度 計、溶氧儀和進水流量計，所述生物池PLC分別信號連接至所述物料平衡控制PLC、所述溫度計、所述剩餘汙泥變頻泵、所述汙泥濃度計、所述溶氧儀和所述進水流量計，接收所述物料平衡控制PLC的控制信號，並控制所述剩餘汙泥變頻泵的頻率，達到設定的汙泥處理量，所述生物池系統採集生物池進水量、進出水的懸浮物、進出水的COD、進出水的氨氮、MLSS、MLVSS、SVI、水溫、歷史剩餘汙泥有效汙泥排放量及汙泥濃度的數據，通過模型計算實現剩餘汙泥量的精確排放；其中進出水的懸浮物、進出水的COD、進出水的氨氮、MLSS、MLVSS、SVI為存儲在數據伺服器中的每日常規化驗室的數據；

所述除臭系統包括除臭PLC、濁度計、H2S濃度計、電動調節閥、變頻泵和汙泥流量計,所述除臭PLC分別信號連接至所述物料平衡控制PLC、所述濁度計、所述H2S濃度計、所述電動調節閥、所述變頻泵和所述汙泥流量計，接收所述物料平衡控制PLC的控制信號，並控制所述電動調節閥的開度，達到設定的汙泥處理量，通過對除臭汙泥的進泥、投配流量、汙泥濃度進行控制實現臭氣的穩定控制；

所述汙泥處理系統包括汙泥處理PLC、化學汙泥流量計、濃縮汙泥流量計、消化汙泥流量計和脫水汙泥流量計，所述汙泥處理PLC分別信號連接至所述物料平衡控制PLC、所述化學汙泥流量計、所述濃縮汙泥流量計、所述消化汙泥流量計和所述脫水汙泥流量計，所述汙泥處理系統通過模型控制和匹配剩餘汙泥、化學汙泥、濃縮汙泥、消化汙泥和脫水汙泥的流量，實現各類型工況下的汙泥排放穩定控制；

所述物料平衡控制PLC負責全廠汙泥的動態平衡控制，主要接收現場儀表設備參數和所述智能控制主機的控制信號，控制所述生物池PLC、所述除臭PLC和所述汙泥處理PLC的汙泥處理量；平衡下屬設備的臺時；在所述智能控制主機離線時，按照設定的基本流量參數和負荷算法進行汙泥物料分配。

所述生物池PLC、所述除臭PLC和所述汙泥處理PLC信號連接的方式可為有線連接或無線連接。

所述生物池PLC、所述除臭PLC和所述汙泥處理PLC輸出電流信號的範圍均為4-20mA。

所述智能控制主機和所述人機界面通過乙太網信號連接。

所述智能控制層中接收上述分布控制區域的相關儀表的數據及所述數據伺服器中的化驗室手工電子數據，由所述智能控制主機判斷數據準確性、根據不同工藝段的模型控制算法和專家系統邏輯實現智能策略的計算、分區域流量給定、發出預報警信息。

所述人工幹預層負責對運行策略進行修正、對所述智能控制層提供控制要求，由所述人機界面對超出範圍的工藝參數進行調整。

一種汙水處理汙泥物料平衡的控制系統的工作過程為：

本實施例的城市汙水廠汙泥物料平衡控制系統，應用於汙水處理廠汙泥產生與處理過程中，其主要實現了精準化、智能化的汙泥排放與處理。

生物池PLC分別採集溫度計、剩餘汙泥變頻泵、汙泥濃度計、溶氧儀和進水流量計的值並傳遞給物料平衡控制PLC，並接收物料平衡控制PLC的控制；除臭PLC分別採集濁度計、H2S濃度計、電動調節閥、變頻泵和汙泥流量計的值並傳遞給物料平衡控制PLC，並接收物料平衡控制PLC的控制；汙泥處理PLC分別採集化學汙泥流量計、濃縮汙泥流量計、消化汙泥流量計和脫水汙泥流量計的值並傳遞給物料平衡控制PLC，並接收物料平衡控制PLC的控制。物料平衡控制PLC將採集到的數據傳遞給智能控制主機，智能控制主機根據數據對物料平衡控制PLC控制，並將數據儲存到數據伺服器。

系統運行中，根據各個工藝段的汙泥量計算排泥時間、平衡濃縮水解池 和消化池汙泥負荷，控制消化混合汙泥比例，控制化學汙泥與脫水汙泥的混合比例；在脫水機故障期間自動降低各工藝段汙泥量。

除臭進泥進入除臭汙泥培養池，進泥量由後續除臭汙泥投加量的30分鐘累積量確定，其流量調節為PID閉環控制，經過填料培養或活性恢復培養的除臭汙泥經過管道平均分配到除臭投加點進行充分混合，其投加量由伺服器神經網絡算法和除臭PLC設定的模糊控制程序根據H2S濃度程序確定，並通過調節變頻汙泥泵的頻率進行控制，其流量調節為PID閉環控制。

流量調節為PID閉環控制，智能控制層部分採用了神經網絡算法，物料平衡控制PLC部分採用了模糊控制程序。在實際操作中，人機界面負責將控制範圍、控制經驗數據進行輸入，制定初始化的模糊控制參數，物料平衡控制系統調節汙泥量，伺服器經過一段時間正確的數據積累和神經網絡算法的計算，對模糊控制參數進行自修正，同時也對PID閉環調節參數的快速修正功能，加快調節速度，減少對電動調節閥的調節頻次。

一種汙水處理汙泥物料平衡的控制方法，包括

步驟一：通過現場調整層精確控制各工藝段汙泥的排放量；

步驟二：所述現場調整層將數據上傳至智能控制層，所述智能控制層根據數據計算智能策略、確定各工藝段的流量限值、發出預警信號，控制全廠汙泥的動態平衡；

步驟三：所述智能控制層將信息通過人工幹預層的人機界面顯示，方便工作人員進行數據和參數的調整，以及修正所述智能策略。

所述現場調整層控制的工藝段包括控制剩餘汙泥量、汙泥濃縮水解量、除臭汙泥量、消化汙泥量、化學汙泥量和脫水汙泥量，所述現場調整層包括若干安裝在現場的儀表。

所述剩餘汙泥量的控制方式為模型控制，所述模型控制通過所述現場調整層設置的儀表採集進水量、進出水的懸浮物、進出水的COD、進出水的氨氮、汙泥濃度、水溫、歷史剩餘汙泥有效汙泥排放量及剩餘汙泥濃度的數據，且數據值均為日均值，所述智能控制層對數據進行分析判斷，並進行數據儲存，同時取準確值作為計算變量參數，通過對泥齡的動態控制實現剩餘汙泥物料平衡；

傳統的泥齡控制公式為:

其中θc為泥齡；V為曝氣池體積；；X為汙泥濃度；Qd為日進水量；Y為汙泥產率；S0為進水BOD；Se為出水BOD。

其中汙泥產率:

上式中Y為汙泥產率；X0為進水懸浮物；T為水溫。

傳統公式中，汙泥產率存在經驗常數範圍過寬，實際排泥量不易控制，造成泥齡和汙泥負荷的波動較大的缺點；

根據所述現場調整層的儀表數據值及歷史日均數據優化後的泥齡公式為：

上式中Qs為剩餘汙泥排放量，Xs為剩餘汙泥濃度，n為天數，n為大於4的整數；

第n+1天的泥齡可以通過上述公式得出，當泥齡為定值時，進而推導出第n+1天的剩餘汙泥排放量為：

上述泥齡控制方式簡單歸納為五日動態泥齡控制法；當在線數據出現較大波動、造成日排泥量變化較大時，可增加累積泥齡時間段到4天以上；

泥齡的微調則根據所述SVI的值和所述進出水的氨氮值計算，計算公式為：

θc(n+1)＝θc(n)*KSVI*KNH3

其中，KSVI為汙泥指數係數，為模糊控制經驗參數值，KSVI的範圍為0.5-1；

KNH3為氨氮係數，為模糊控制經驗參數值，KNH3的範圍為1-1.2。

所述汙泥濃縮水解量和所述消化汙泥量的控制方式均為負荷控制,過程中用到的數據主要為濃縮水解汙泥進泥量、出泥量和進泥含水率，消化汙泥進泥量和進泥含水率、出泥含水率，上述數值均為時均值；通過上述數據計算負荷控制進泥量，其中流量計數據來自所述現場調整層的儀表，含水率數據來自現所述現場調整層的儀表或所述智能控制層的化驗室分析數據，當來自化驗室數據時，以日均含水率計算；

負荷控制的計算公式為：

實際進泥負荷率＝Q進*(1-P進含水)/[Q設計進*(1-P設計進含水)]

實際出泥負荷率＝Q出*(1-P出含水)/[Q設計進*(1-P設計出含水)]

採用負荷控制方式時，第n+1天的進泥量為：

其中：Q進為進泥量，Q出為出泥量，P進含水為進泥含水率，P出含水為出泥含水率。

所述除臭汙泥量的控制通過PID、模糊控制和神經網絡算法結合實現按需供給；其中PID實現了定量投加功能，模糊控制實現了臭氣濃度大幅度不規則變化時的迅速響應，神經網絡算法以硫化氫濃度、汙泥濃度和除臭汙泥量為輸入層，模糊控制參數閾值為輸出層，實現模糊控制參數的自整定。

以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。