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用于污水處理設施的調節設備和方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510680012.8

申請日:

2015.10.19

公開號:

CN105540829A

公開日:

2016.05.04

當前法律狀態:

授權

有效性:

有權

法律詳情: 授權|||實質審查的生效IPC(主分類):C02F 3/12申請日:20151019|||公開
IPC分類號: C02F3/12 主分類號: C02F3/12
申請人: 西門子公司
發明人: 丹尼爾·拉比施; 貝恩德-馬庫斯·普費菲爾; 安德烈亞斯·皮爾辛
地址: 德國慕尼黑
優先權: 2014.10.23 EP 14190126.4
專利代理機構: 北京康信知識產權代理有限責任公司 11240 代理人: 余剛;李慧
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510680012.8

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.11.13|||2016.06.01|||2016.05.04

法律狀態類型:

授權|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及一種用于污水處理設施的調節設備和方法。在污水處理設施中,在活化池(1)中將廢水經由可控制的通風裝置(5)通過間歇性的通風來硝化和脫硝,其中測量廢水的銨含量,并且當所測量的銨含量低于閾值(9)時,通過切斷通風來結束硝化階段。為了改進硝化的調節,在硝化階段的開始和結束之間的持續時間期間根據廢水的當前測量的銨含量和閾值(9)調節通風裝置(5)的功率。優選地,以基于模型預測的方式且沿著對于銨含量的預設的理論值變化曲線進行調節(10),其中在對硝化階段結束的預設時間,理論值變化曲線低于預設的閾值(9)。此外,優選廢水到活化池(1)中的注入量(19)對于調節而言作為干擾參量接入。

權利要求書

1.一種用于污水處理設施的調節設備,在所述污水處理設施中,在活
化池(1)中將廢水經由能控制的通風裝置(5)通過間歇性的通風
來硝化和脫硝,所述調節裝置具有用于測量所述廢水的銨含量的探
針(7),其中所述調節設備構成用于:當所測量的所述銨含量低于
閾值(9)時,通過切斷通風來結束硝化階段,其特征在于,所述調
節設備具有調節器(10),所述調節器構成用于:在所述硝化階段
的開始和結束之間的持續時間期間,根據所述廢水的當前測量的所
述銨含量和所述閾值(9)產生調節參量(u),借助所述調節參量
調節所述通風裝置(5)的功率。
2.根據權利要求1所述的調節設備,其特征在于,所述調節器(10)
構成為具有所述污水處理設施的路線模型(12)和預測器(13)的
模型預測的調節器,以便根據當前產生的所述調節參量(u)和所述
廢水的當前測量的所述銨含量在沒有調節干預的情況下為所述銨含
量的未來的變化曲線計算預測(y0(k)),并且根據所述預測(y0
(k))和所述銨含量的理論值變化曲線(w(k))執行調節參量
改變(Δu)形式的調節干預。
3.根據權利要求2所述的調節設備,其特征在于,所述調節器(10)
包含理論值過濾器(14),所述理論值過濾器計算所述廢水的所述
銨含量的理論值變化曲線(w(k)),其中所述理論值變化曲線(w
(k))在對于所述硝化階段結束的預設時間低于預設的所述閾值
(9)。
4.根據權利要求2或3所述的調節設備,其特征在于,所述調節器(10)
包含另一預測器(15)和優化器(16),以便在沒有調節干預的情
況下從所述銨含量的理論值變化曲線(w(k))和所述銨含量的所
述預測(y0(k))之間的偏差(e0(k))中計算未來的調節參量
改變(Δu(k)),將所述未來的調節參量改變的各當前的調節參
量改變(Δu)用于當前的調節干預。
5.根據前述權利要求中任一項所述的調節設備,其特征在于,為所述
調節器(10)接入所述廢水到所述活化池(1)中的注入量(19)作
為調節參量。
6.一種用于污水處理設施的調節方法,在所述污水處理設施中,在活
化池(1)中將廢水經由能控制的通風裝置(5)通過間歇性的通風
來硝化和脫硝,其中測量所述廢水的所述銨含量,并且當所測量的
所述銨含量低于閾值(9)時,通過切斷通風來結束硝化階段,其特
征在于,在所述硝化階段的開始和結束之間的持續時間期間,根據
所述廢水的當前測量的所述銨含量和所述閾值(9)調節所述通風裝
置(5)的功率。
7.根據權利要求6所述的調節方法,其特征在于,所述調節實施為模
型預測的調節,其中根據用于調節所述通風裝置(5)的功率的當前
產生的調節參量(u)和所述廢水的當前測量的所述銨含量,在沒有
調節干預的情況下計算對所述銨含量的未來變化曲線的預測(y0
(k)),并且根據所述預測(y0(k))和所述銨含量的理論值變
化曲線(w(k))執行調節參量改變(Δu)形式的調節干預。
8.根據權利要求6或7所述的調節方法,其特征在于,所述調節沿著
所述廢水的所述銨含量的理論值變化曲線(w(k))進行,其中在
為所述硝化階段結束的預設時間,所述理論值變化曲線(w(k))
低于預設的閾值(9)。
9.根據權利要求6、7或8所述的調節方法,其特征在于,為所述調節
將所述廢水到所述活化池(1)中的注入量(19)作為調節參量接入。

說明書

用于污水處理設施的調節設備和方法

技術領域

本發明涉及一種調節設備。

本發明還涉及一種調節方法。

背景技術

在根據活性污泥法或活化法的生物廢水清潔中,廢水通過物質代謝活
性從需氧的微生物、所謂的活性污泥中去除有機污染物。在此,通過硝化
和脫硝分解氮。在硝化期間需氧條件必須占優,以便能夠通過自養的微生
物進行硝酸鹽(NO3)中的銨(NH4)。在隨后的脫硝期間將硝酸鹽轉換
成氮(N2)。對此,必須存在缺氧的條件,以便異養的微生物使用硝酸鹽
氧用于呼吸并且能夠執行轉換成氮。

為了能夠在僅一個活化池中執行硝化和脫硝,池子被時間交替地(間
歇性地)通風和不通風。在壓縮空氣通風的情況下,通過壓縮機或鼓風機
的接通和斷開和轉速調節進行對通風功率的調節,其中當由一個壓縮機供
應多個池子時,壓縮的空氣經由可控制的氣門導入到池子中。

在現代自動化設計中,根據銨和硝酸鹽含量在硝化和脫硝之間切換,
所述銨和硝酸鹽含量借助于NH4/NO3組合探針測量(US2012/006414A1,
US2014/263041A1,US7416669B1)。一旦銨充分地分解,即銨氮
(NH4-N)的濃度下降到例如0.5mg/l的閾值之下,就結束硝化階段進而
結束通風。一旦硝酸鹽充分地分解,即硝酸鹽氮(NO3)的濃度下降到例
如8mg/l的閾值之下,就結束脫硝階段。

也已知的是:通過測量活化池中溶解的氧的濃度并且經由PID調節器
確保例如1至2mg/l的盡可能恒定的氧濃度的方式,在硝化階段期間調節
通風的功率。如果由一個鼓風機供應多個池子(US2014/0263041Al),那
么或者經由鼓風機轉速或者氣門的位置來進行調節干預。

在污染物的量和/或濃度方面的注入波動表現了對于污水處理設施的
運營商的高要求,因為必須在全部情況下遵守對于污水清潔設施流出到流
動水中的法律極限值,其中所述污染物例如通過所連接的用戶(家用或工
業企業)的行為模式或惡劣的天氣來產生。如今的自動化設計最早當活化
池中的濃度改變時才能夠對變化的注入條件作出反應。然而在大多數情況
下沒有自動化反應進行。

另一問題時:在間歇性運行中,對氧調節的困難的設定,因為實際上
通常硝化階段的時間上的持續時間不足,以便實現清潔地處理(sauberes
Einschwingen)氧調節。

發明內容

本發明所基于的目的是:改進污水處理設施中的硝化的調節。

根據本發明,該目的通過一種調節設備或調節方法來實現。

本發明基于如下知識:在硝化階段中,氧濃度僅表示用于為微生物的
需氧的物質代謝提供的適當環境條件的輔助調節參量。在較長時間恒定的
養濃度并不能夠容易地實現,并且出于方法技術和生物方面的觀點是不需
要的。

根據本發明,在硝化階段中的通風的功率調節、即氣門的位置或鼓風
機轉速的調節直接地針對主要感興趣的過程參量,即針對銨濃度。因為為
了在間歇性運行中檢測切換條件總歸提出使用適當的探針、例如NH4/NO3
組合探針,所以已經提供了銨測量值。

因此在常規的通風調節中吹入與需要用于達到氧理論值那么多的空
氣,更確切地說與為了分解污染物是否需要那么多的氧完全無關地,在此
期間,通過將調節設計轉化到銨作為主調節參量的方式,僅還需要吹入一
些空氣,這些空氣如實際需要那么多,以便用于為微生物充分地提供用于
期望地分解銨的氧。因為鼓風機的能量消耗隨著轉速的三次方提高,所以
根據本發明能夠顯著地節約能量。

調節優選實現為模型預測的調節,這為本發明提供如下優點或改進可
行性:

-通過自動地驗證學習數據中的過程模型和在當前的運行中使用預測
的過程性,能簡單地匹配于具有大的延遲時間或甚至死時間的困難的路徑
動態(Streckendynamik),

-借助于集成的參考參量過濾器低耗費地實現作為匹配情況的時間變
化曲線的理論值軌道,和

-低耗費地、完全工具輔助地實現基于模型的動態的干擾參量接入。

因此,優選沿著對于廢水的按含量預設的理論值變化進行調節,其中
理論值變化在對于硝化階段結束的預設時間低于預設的閾值。因此,銨濃
度應當在從測量到的啟動值到硝化階段開始的預設時間下降到預設的目
標值上。只要上述內容達成,吹入的空氣量就是足夠的。

銨濃度的下降的期望的時間變化曲線能夠經由有利地集成在基于模
型的預測的調節器中的參考參量過濾器來預設。
在內部,調節器以未來的理論值變化曲線工作,所述理論值變化曲線與調
節參量的預測的運動相比較。在沒有參考參量過濾器的情況下認為:當前
的理論值也在未來不變地在預測范圍內是有效的。在理論值突變的情況下
這表示:也在較近的未來中已經全數地需要新的理論值,盡管過程完全不
能夠實現。借助參考參量過濾器或理論值過濾器,計算從當前實際值到所
需要的理論值的漸進的理論值軌跡,使得在給定時間達到所需要的理論
值。在此,目標理論值勉強低于用于切換以結束硝化階段的閾值之下,使
得可靠地低于閾值并且進行到脫硝的切換。特別地,在硝化開始時通過平
緩地根據軌跡啟動鼓風機能夠顯著地節約能量。

此外,優選地實現到活化池(Belebungsbecken)中的注入量的干擾參
量接入以便能夠預先地對波動做出反應。干
擾參量接入能夠在沒有附加組件的情況下,通過為考慮由于注入波動產生
的影響用于校正預測的時間變化曲線的方式來直接地借助基于模型的預
測的調節器實現。

附圖說明

為了進一步闡述本發明,下面參考所附的附圖;詳細地

圖1示出具有用于通風調節的調節設備的污水處理設施的一個實例,

圖2示出根據本發明的調節設備的一個實例,

圖3示出根據本發明的調節方法的仿真結果,和

圖4為了比較示出已知的調節中的結果。

具體實施方式

在圖1中示出具有活化池1的污水處理設施的極其簡化示意的視圖,
所述活化池經由入口2獲得來自沉砂池的且要清潔的廢水。在活化池1中
將廢水通過間歇性的硝化和脫硝進行生物清潔。污泥水混合物經由出口3
到達到污水再處理池4中,在那里活性污泥從被清潔的廢水中分離出,并
且作為返回污泥輸送回到活化池1中。

在硝化階段期間,在活化池1中包含的、由廢水和活性污泥構成的混
合物經由通風裝置5以壓力的方式通風。通風裝置5能夠根據要求具有一
個或多個鼓風機6或壓縮機,所述鼓風機或壓縮機能夠被接通或斷開,并
且至少在鼓風機的情況下能夠關于其轉速進行調節。如果經由氣門將空氣
輸送到活性池1中,那么也能夠調節該空氣輸送。

在活性池1中,借助于適當的探針7、例如NH4/NO3組合探針測量
污泥水混合物的銨和硝酸鹽含量。借助于另外的探針8能夠測量其他的參
數、如溶解的氧含量、氧化還原電勢或pH值。一旦銨氮濃度下降到例如
0.5mg/l的閾值9之下,就將硝化階段進而通氣結束。在硝化期間,如下
面還詳細闡述的那樣,借助于調節器10根據測量的銨氮濃度調節鼓風機
轉速或氣門位置。一旦硝酸鹽-氮濃度下降到例如8mg/l的閾值之下,就結
束緊隨硝化階段的脫硝階段。

圖2同樣以極其簡化示意的視圖示出基于模型的預測的調節器形式
(預測調節器)的調節器10的實例。調節路線(Regelstrecke)11、即污
水處理設施或在其中運行的過程的調節路線接入到路線模型
(Streckenmodell)12中。鼓風機6的作為調節參量u輸送給調節路線11
和路線模型12的轉速(和可能的其他調節參量)、作為主調節參量y的借
助探針7檢測的銨濃度(和可能的其他測量值、如氧含量、氧化還原電勢、
pH值、溫度)以及測量的調節參量y和由模型12估算的調節參量y^之間
的差d^被輸送給第一預測器13,所述第一預測器計算銨濃度的未來的變
化曲線的預測y0(k)。參考參量過濾器或理論值過濾器14獲得閾值9,
在低于所述閾值的情況下應當結束硝化階段或通風階段,并且計算在硝化
階段期間的、呈從銨含量的當前實際值y到所需要的理論值的漸進的理論
值軌跡(一階)形式的、銨濃度下降的期望的時間變化曲線w(k)。在
此,具有例如0.4mg/l的目標理論值勉強低于閾值9,以便確保在硝化階
段結束時不僅達到而且超過0.5mg/l的閾值9并且切換到脫硝階段上。例
如,0.5mg/l的閾值9應在100分鐘內達到。現在,第二預測器15從銨濃
度的理論值變化曲線w(k)和所述預測y0(k)之間的偏差e0(k)中,
在沒有調節干預的情況下以及在沒有計劃的未來的調節參量改變Δu(k)
的情況下,計算未來的調節偏差e(k)的變化曲線。優化器16由于未來
的調節偏差e(k)和根據優化條件和副條件17確定調節參量改變Δu(k)
的未來需要的變化,從中分別將當前的調節參量改變Δu輸送給積分器18
以產生絕對調節參量u。

為了能夠預測地對廢水的注入量的波動做出反應,設有在入口2中測
量的注入量19的干擾參量接入裝置。對此,在計算單元20中借助于用于
過程識別的方法根據歷史測量數據估計注入量19的波動對銨濃度的影響。
因此,干擾參量接入裝置能夠在沒有附加構件的情況下直接地在預測調節
器10中通過將來自注入波動的影響考慮用于校正預測的時間變化曲線的
方式來實現。功能塊21說明注入量19對活化池1中的銨濃度的干擾作用。

圖3示出在根據銨含量對通風裝置的功率進行根據本發明的調節時從
上向下對下述內容的仿真結果:注入19、鼓風機轉速22、電能量消耗23、
活化池1中的硝酸鹽含量24、污水再處理池4的出口中的硝酸鹽含量25、
活化池1中的銨含量26、污水再處理池4的出口中的銨含量27,和活化
池1中的氧濃度28。

為了比較,圖4示出在根據氧含量對通風裝置的功率進行已知的調節
時的相同的注入19、鼓風機轉速22’、電能量消耗23’、活化池1中的硝
酸鹽含量24’、污水再處理池4的出口中的硝酸鹽含量25’、活化池1中的
銨含量26’、污水再處理池4的出口中的銨含量27’,和活化池1中的氧濃
度28’。

通過根據本發明的調節,與已知的調節相比(在仿真中)能夠達到顯
著的能量節約(10至40%),尤其是在具有小的或強的波動的注入量的
時間時達到。在此,污水處理設施的清潔功率不改變,因為在這兩個變型
形式中在污水再處理池之后的銨和硝酸鹽弄濃度是相同的。顯然可見的
是:根據本發明調節直接地對注入波動做出反應。

在到活化池1的入口2中(圖1)能夠裝入用于濃度測量的另外的傳
感器。所獲得的濃度測量值能夠用作為用于干擾參量接入裝置的另外的變
量29。這尤其在廢水通道網絡中是重要的,在所述廢水通道網絡中,在集
水區中的污染物導入的局部波動達到污水處理設施之前,使其不通過在通
道網絡中混合盡可能等同。

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用于 污水處理 設施 調節 設備 方法
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