申請日2017.09.29
公開(公告)日2018.02.13
IPC分類號C02F3/00
摘要
本發(fā)明公開了一種基于SBR反應器的污水處理方法及系統(tǒng)，包括以下步驟：(1)實時監(jiān)測SBR反應器的工藝參數(shù)，并通過模型預測出水水質(zhì);(2)如預測出水水質(zhì)不達標，則通過數(shù)據(jù)庫分析所有導致出水水質(zhì)不達標的因素;(3)將所有的因素按概率進行排序，按概率從大到小逐個排查，所述排查為將所述因素對應的工藝參數(shù)以模型初始值為中心，在一定變化范圍內(nèi)調(diào)整工藝參數(shù)值，輸入模型，得到最佳工藝參數(shù);(4)通過執(zhí)行機構將SBR反應器中對應的工藝參數(shù)調(diào)整至所述最佳工藝參數(shù)。本發(fā)明解決了污水處理廠運行生化裝置依靠操作人員的經(jīng)驗進行判斷并操作，往往因不合理運行，導致生化工藝去除效率低，甚至導致系統(tǒng)崩潰，水質(zhì)不能達到標準等問題。
權利要求書
1.一種基于SBR反應器的污水處理方法，其特征在于，包括以下步驟：
(1)實時監(jiān)測SBR反應器的工藝運行參數(shù)及水質(zhì)指標，并通過模型處理單元預測出水水質(zhì);
(2)如預測出水水質(zhì)不達標，首先通過專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫定性診斷，獲取所有可能導致SBR反應器出水不達標的水質(zhì)原因;
(3)將所有的水質(zhì)原因按概率進行排序，按概率從大到小逐個排查，所述排查為將所述水質(zhì)原因?qū)墓に囘\行參數(shù)或模型組分分別以系統(tǒng)運行初始值或者模型組分初始值為中心，在一定變化范圍內(nèi)調(diào)整工藝參數(shù)值，輸入到模型處理單元，比較污染物去除率，得到最佳工藝參數(shù);
(4)通過執(zhí)行機構將SBR反應器中對應的工藝運行參數(shù)或模型組分調(diào)整至所述最佳工藝參數(shù)。
2.如權利要求1所述的污水處理方法，其特征在于，所述的變化范圍為±100%。
3.如權利要求1所述的污水處理方法，其特征在于，所述的工藝運行參數(shù)包括：pH、溶解氧、溫度、排泥量和排水量。
4.如權利要求1所述的污水處理方法，其特征在于，所述出水水質(zhì)的指標包括：COD、NH4-N濃度、PO4-P濃度和TN濃度。
5.如權利要求1所述的污水處理方法，其特征在于，如對專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供的水質(zhì)原因進行排查無法使出水水質(zhì)達標，則模型處理單元排查剩余的模型組分。
6.如權利要求1所述的污水處理方法，其特征在于，如得到最佳工藝參數(shù)，則計入對應因素概率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
7.一種基于SBR反應器的污水處理系統(tǒng)，其特征在于，包括：
實時監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測SBR反應器的工藝運行參數(shù);
模型預測單元，根據(jù)所述的工藝參數(shù)，預測出水水質(zhì);如預測出水水質(zhì)不合格，則按照水質(zhì)原因發(fā)生的概率由大到小，對各個因素對應的工藝參數(shù)進行在以初始值為中心的一定范圍內(nèi)的調(diào)整，直至獲得最佳工藝參數(shù);
專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，如出水水質(zhì)不達標，則調(diào)取導致出水水質(zhì)不達標的因素及相應的概率;
執(zhí)行機構，將SBR反應器中對應的工藝參數(shù)調(diào)整至所述最佳工藝參數(shù)。
8.如權利要求1所述的污水處理系統(tǒng)，其特征在于，所述的變化范圍為±100%。
9.如權利要求1所述的污水處理系統(tǒng)，其特征在于，所述的工藝運行參數(shù)包括：pH、溶解氧、溫度、排泥量和排水量。
10.如權利要求1所述的污水處理系統(tǒng)，其特征在于，所述出水水質(zhì)的指標包括：COD、NH4-N濃度、PO4-P濃度和TN濃度。
說明書
一種基于SBR反應器的污水處理方法及系統(tǒng)
技術領域
本發(fā)明涉及一種SBR污水處理系統(tǒng)的定性定量耦合診斷系統(tǒng)，屬于環(huán)境工程技術領域。
背景技術
SBR工藝具有占地小、流程短、可控性好、耐沖擊負荷強等優(yōu)點,目前，中國大部分污水處理廠，根據(jù)個人經(jīng)驗解決水質(zhì)不達標及控制運行條件，雖然容易掌握，簡單控制，但是，造成大量能源浪費，甚至影響出水水質(zhì)問題，導致去除效率低或污泥膨脹等問題。然而，根據(jù)模型計算，基于直接參數(shù)即通過在線COD、氨氮、磷酸鹽、硝酸鹽等傳感器直接檢測污染物濃度的變化，當污染物濃度降低到設定的范圍時進行階段轉換，從而實現(xiàn) SBR工藝的優(yōu)化運行。相對傳統(tǒng)的定時策略，基于直接參數(shù)的實時控制策略提高了氮、磷等污染物的去除率，節(jié)約了能耗。但是，污染物傳感器的價格昂貴、維護復雜，調(diào)控存在滯后性。
因此，開發(fā)一種可以實現(xiàn)對中國城鎮(zhèn)污水處理過程，遇到水質(zhì)問題，進行實時的診斷、控制方法來解決生化處理問題及優(yōu)化污水處理工藝至關重要。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種基于SBR反應器的污水處理系統(tǒng)及方法，目的解決污水處理廠運行生化裝置依靠操作人員的經(jīng)驗進行判斷并操作，往往因不合理運行，導致生化工藝去除效率低，甚至導致系統(tǒng)崩潰，水質(zhì)不能達到標準等問題。
一種基于SBR反應器的污水處理方法，包括以下步驟：
(1)實時監(jiān)測SBR反應器的工藝運行參數(shù)及水質(zhì)指標，并通過模型處理單元預測出水水質(zhì);
(2)如預測出水水質(zhì)不達標，首先通過專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫定性診斷，獲取所有可能導致SBR反應器出水不達標的水質(zhì)原因;
(3)將所有的水質(zhì)原因按概率進行排序，按概率從大到小逐個排查，所述排查為將所述水質(zhì)原因?qū)墓に囘\行參數(shù)或模型組分以系統(tǒng)運行初始值或者模型組分初始值為中心，在一定變化范圍內(nèi)調(diào)整工藝參數(shù)值，輸入到模型處理單元，比較污染物去除率(COD、NH4-N濃度、PO4-P濃度和TN濃度)，得到最佳工藝參數(shù);
(4)通過執(zhí)行機構將SBR反應器中對應的工藝運行參數(shù)或模型組分調(diào)整至所述最佳工藝參數(shù)。
優(yōu)選地，所述的變化范圍為±100%。
優(yōu)選地，所述的工藝運行參數(shù)包括：pH、溶解氧(DO)、溫度(T)、排泥量(SRT)和排水量(HRT)等。
優(yōu)選地，所述水質(zhì)原因用FCASM3機理模型的31個模型組分(見表1) 表示及系統(tǒng)運行工藝參數(shù)表示。
表1模型組分
優(yōu)選地，所述出水水質(zhì)的指標包括：COD、NH4-N濃度、PO4-P濃度和TN濃度。
優(yōu)選地，如對專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫提供的水質(zhì)原因進行排查無法使出水水質(zhì)達標，則模型處理單元排查剩余的模型組分。
優(yōu)選地，如得到最佳工藝參數(shù)，則計入對應因素概率的統(tǒng)計數(shù)據(jù)。
本發(fā)明還提供一種基于SBR反應器的污水處理系統(tǒng)，包括：
實時監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測SBR反應器的工藝參數(shù);
模型預測單元，根據(jù)所述的工藝參數(shù)，預測出水水質(zhì);如預測出水水質(zhì)不合格，則按照概率大小，對各個因素對應的工藝參數(shù)進行在以初始值為中心的一定范圍內(nèi)的調(diào)整，直至獲得最佳工藝參數(shù)。
專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，如出水水質(zhì)不達標，則調(diào)取導致出水水質(zhì)不達標的因素及相應的概率;
執(zhí)行機構，將SBR反應器中對應的工藝參數(shù)調(diào)整至所述最佳工藝參數(shù)。
SBR反應器為常規(guī)SBR反應器，為雙層夾套式結構，配有流量計、磁力攪拌器、砂頭曝氣、pH計和溶解氧探頭，并裝有電磁閥進出水。
實時在線監(jiān)測系統(tǒng)是在線COD自動監(jiān)測分析儀、在線氨氮、總氮、硝酸鹽氮、亞硝酸鹽氮自動監(jiān)測分析儀和在線磷酸鹽自動監(jiān)測分析儀的集合，用于檢測出水中常見的水質(zhì)指標，并將檢測數(shù)據(jù)同時輸送給專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫和模型預測單元。
實時在線監(jiān)測系統(tǒng)對氮、磷水質(zhì)指標在15min內(nèi)監(jiān)測一次，COD水質(zhì)指標在1-2h監(jiān)測一次。該系統(tǒng)可以對進水水質(zhì)進行在線監(jiān)測，同時，可以對工藝全周期內(nèi)生化過程中污染物的去除情況進行在線監(jiān)測，并且可以存儲在線監(jiān)測儀表獲取的原始數(shù)據(jù)、離線數(shù)據(jù)等。監(jiān)測設備均為市售產(chǎn)品，可通過市購途徑獲得。
專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫包括三個部分：水質(zhì)問題，水質(zhì)原因，故障頻率。
水質(zhì)問題根據(jù)出水COD、NH4-N、PO4-P、TN濃度劃分，以國家一級A標出水水質(zhì)標準為參考，劃分水質(zhì)是否正常。
水質(zhì)原因包括兩部分：第一：系統(tǒng)組分濃度偏低或偏高，導致的系統(tǒng)中微生物活性降低，出水水質(zhì)不達標;第二：系統(tǒng)環(huán)境條件及工藝參數(shù)不適合微生物生長代謝，導致出水水質(zhì)不達標。并在水質(zhì)原因中用H表示此時系統(tǒng)組分或者工藝參數(shù)偏高，用L表示此時系統(tǒng)組分或者工藝參數(shù)偏低，用N表示此時系統(tǒng)組分或者工藝參數(shù)偏低或偏高。
水質(zhì)原因評判標準：專家知識系統(tǒng)中顯示的水質(zhì)原因是針對該系統(tǒng)特定的特有的發(fā)生故障頻率最高的原因。工藝參數(shù)及環(huán)境條件根據(jù)正交實驗確定的最佳參數(shù)或工藝運行初始值為模型處理單元枚舉法的初始值，在上下100%范圍內(nèi)尋找。
故障頻率表示系統(tǒng)中出現(xiàn)水質(zhì)問題時，每種水質(zhì)原因發(fā)生的頻率。
故障頻率的評判標準：由于每個系統(tǒng)存在不同的進水水質(zhì)水量條件及運行條件，微生物的種類和數(shù)量也不相同。所以，故障頻率的大小判斷依據(jù)根據(jù)去過一年的歷史數(shù)據(jù)的分析總結，系統(tǒng)常常發(fā)生的原因，結合查閱文獻得到的系統(tǒng)可能發(fā)生的原因，對系統(tǒng)進行綜合評估，為每種水質(zhì)原因定初始故障頻率。系統(tǒng)出現(xiàn)工況故障，一般與系統(tǒng)微生物數(shù)量、工藝參數(shù)、環(huán)境條件等有關，本發(fā)明專利為了更好的讓專利知識系統(tǒng)定性診斷與模型處理單元定量診斷相輔相成，專家知識系統(tǒng)的故障原因采用模型組分表示，模型處理單元可以更好的獲取專家知識系統(tǒng)獲取的定性診斷結果。專家知識系統(tǒng)部分示例詳見表2。
表2專家知識系統(tǒng)
專家診斷的結果以系統(tǒng)運行界面彈出對話窗的形式呈現(xiàn)，并存儲診斷污水處理廠常見的水質(zhì)及污泥等運行中碰到的問題，根據(jù)系統(tǒng)中存在的問題，提供對應的解決對策方法，專家診斷結果以word形式查看，并可根據(jù)實際運行中積累的解決策略，進行補充和完善。
專家知識系統(tǒng)診斷的結果以系統(tǒng)運行界面彈出對話窗的形式呈現(xiàn)，并解決方法以word的形式查看。專家知識庫可根據(jù)實際運行中遇到的問題，進行補充和完善。
模型處理單元是通過MATLAB軟件建立SBR污水處理工藝的全耦合活性污泥(FCASMs)機理模型。該模型本身為現(xiàn)有技術，例如可參照可參見孫培德，王如意發(fā)表的“全耦合活性污泥模型(FCASM3)Ⅰ建模機理及數(shù)學表征”，《環(huán)境科學學報》，2008，28(12)：2404-2419。模型預測單元基于全耦合機理模型對系統(tǒng)運行條件，微生物的生長情況、有機碳及氨氮氧化等情況進行模擬預測，實現(xiàn)對系統(tǒng)實時的定量診斷。該單元讀取在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時校核模型模擬情況，提高模擬的精確度。
專家系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫對模型處理單元：水質(zhì)不達標可能發(fā)生的原因很多種，但是根據(jù)不同的系統(tǒng)特性，特定的系統(tǒng)，常常發(fā)生的原因較為有限。專家知識系統(tǒng)可以呈現(xiàn)系統(tǒng)中發(fā)生故障頻率較高的水質(zhì)原因，確定系統(tǒng)中發(fā)生的水質(zhì)問題確定范圍，并且專家知識系統(tǒng)中的水質(zhì)原因創(chuàng)新性的采用模型組分表示方法，這種方式模型處理單元可以直接讀取并利用，有利于模型排查SBR系統(tǒng)發(fā)生的水質(zhì)問題，確定最佳工藝參數(shù)，實現(xiàn)專家知識系統(tǒng)與模型處理單元的相輔相成，共同診斷。
模型處理單元對專家知識系統(tǒng)：模型處理單元讀取專家知識系統(tǒng)中的水質(zhì)原因，采用枚舉方法在一定范圍內(nèi)進行定量診斷，篩選出最佳的水質(zhì)原因及系統(tǒng)運行的條件。
篩選標準：模型處理單元根據(jù)專家知識系統(tǒng)中的故障頻率：將所有的因素按概率進行排序，按概率從大到小逐個排查，作為模型處理單元定量分析的篩選優(yōu)化的順序標準。
模型處理單元篩選算法：專家知識系統(tǒng)中H表示模型處理單元診斷范圍為初始值的+100%篩選。L表示模型處理單元診斷范圍為初始值的
-100%篩選。N表示模型處理單元±100%范圍篩選。篩選過程采用枚舉法，通過模型對系統(tǒng)水質(zhì)指標的預測，從以上篩選過程中不同的工藝參數(shù)及模型組分濃度中，選出最佳、最好的有機污染物的去除率，定為系統(tǒng)的故障原因，再通過模型處理單元將診斷結果傳輸?shù)綀?zhí)行處理單元，調(diào)整系統(tǒng)的運行工況。這就是模型處理單元的定量診斷。傳輸過程部分示例見表2：
表3模型處理單元的定量診斷結果
模型處理單元根據(jù)專家知識系統(tǒng)確當?shù)闹饕|(zhì)原因范圍進行定量分析，得到系統(tǒng)發(fā)生的最相關原因，對系統(tǒng)工藝參數(shù)進行控制。模型處理單元根據(jù)專家知識系統(tǒng)的水質(zhì)原因診斷，如果系統(tǒng)出水達標則，在故障頻率加上1。如果系統(tǒng)出水依然沒有達標，模型處理單元將會擴大范圍，將對FCASM3機理模型其余的模型組分進行篩選診斷，篩選排查范圍為± 100%，從中找到最好的有機污染物的最佳去除率，定為系統(tǒng)最相關原因，并通過調(diào)整工藝參數(shù)，對系統(tǒng)進行控制。并將這次診斷結果包括：模型組分貯存在水質(zhì)原因，并記為“N”。水質(zhì)頻率記為1。具體流程圖如2所示。
所述執(zhí)行機構包括pH調(diào)節(jié)裝置、溫度調(diào)節(jié)裝置、曝氣裝置、加碳源裝置及其他與所述反應參數(shù)對應的調(diào)節(jié)機構(表4)。這些裝置本身均為本領域常用設備。
表4執(zhí)行機構
本發(fā)明中，在線監(jiān)測機構將水質(zhì)的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)同時傳輸給專家系統(tǒng)診斷模塊和動態(tài)模型處理模塊，專家系統(tǒng)診斷模塊即為對應數(shù)據(jù)的存儲庫，專家知識系統(tǒng)的診斷情況，與反應器的運行工況，保持同步運行，實現(xiàn)動態(tài)監(jiān)測反應器碰到的狀況，遇到水質(zhì)出現(xiàn)問題時，專家診斷的結果以系統(tǒng)運行界面彈出對話窗的形式呈現(xiàn)，并存儲診斷污水處理廠常見的水質(zhì)等運行中碰到的問題，進行相應的定性診斷，篩選出系統(tǒng)中問題的主要原因，專家診斷結果以word形式查看，并可根據(jù)實際運行中積累的解決策略，進行直接補充和完善，大大加大了針對系統(tǒng)中的問題，提出解決方案的應對策略的效率，為工程師排查問題，提供一定的方案和參考依據(jù)。
模型處理單元建立SBR污水處理工藝的全耦合活性污泥模型，該單元與SBR系統(tǒng)耦合在一起，實現(xiàn)實時反饋系統(tǒng)中微生物的數(shù)量、活性及水質(zhì)組分濃度等，并與在線監(jiān)測系統(tǒng)電性連接，動態(tài)讀取在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，實時校核模型模擬情況，提高模擬的精確度，準確模擬模型組分濃度變化，硝化速率，微生物活性等，對于系統(tǒng)中存在的問題，經(jīng)過專家知識系統(tǒng)的定性診斷后，再經(jīng)過模型處理單元中的組分分析，微生物的生長，衰減等，定量的判斷系統(tǒng)發(fā)生問題的原因，對系統(tǒng)進行定量的診斷分析，針對性的提出相對應的方案，從根本上解決系統(tǒng)中存在的水質(zhì)不達標問題，并且經(jīng)過模型處理單元的數(shù)據(jù)分析后，通過控制執(zhí)行系統(tǒng)對SBR系統(tǒng)進行控制，在實現(xiàn)系統(tǒng)達標的情況下，降低能耗，提高工藝的運行性能等。
本發(fā)明的智能化診斷系統(tǒng)是專家知識庫定性分析和模型模擬的定量診斷相結合，專家知識系統(tǒng)快速診斷系統(tǒng)中存在的運行問題及水質(zhì)達不到的原因，快速提供問題存在的主要原因，定性的對系統(tǒng)進行初步診斷，快速有效的為工程師提供應急對策，再經(jīng)過模型處理單元的定量分析，從模型中反饋的微生物的情況及水質(zhì)組分的比例，具體的有針對性的分析系統(tǒng)存在的具體的問題，從專家知識庫定性診斷出的主要原因中，篩選出真正的具體的原因，并通過模型的定量的判斷，確定詳細的定量的解決方案，改變系統(tǒng)運行的工藝條件或工藝參數(shù)，保證污水處理廠在異常運行條件下提供有效詳細的應對控制策略，從而優(yōu)化污水處理廠工藝參數(shù)，保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達標。
與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有如下有益效果：
本發(fā)明將專家知識庫定性分析和模型模擬的定量診斷相結合，保證污水處理廠在異常運行條件下提供應對控制策略，從而優(yōu)化污水處理廠工藝參數(shù)，完成對污水廠生化過程的智能化精確自動控制，進而在保證出水水質(zhì)穩(wěn)定達標的前提下，充分挖掘生化系統(tǒng)處理污染物潛力，達到節(jié)能減排的目的，避免了單一專家知識庫分析的不確定性，無法應對復雜水質(zhì)條件下的操作不合理，也解決了單一模型模擬的費時費力，維修成本昂貴，模擬精確度不高等問題。
