[发明专利]前置反硝化污水处理过程的优化控制方法

说明书

技术领域

本发明利用基于分工策略粒子群算法的优化技术，综合考虑出水水质、曝气能耗和泵送能耗，动态优化底层控制器的好氧区溶解氧浓度和缺氧区硝酸氮浓度的设定值，实现前置反硝化污水处理过程的优化控制。污水处理过程的优化控制作为污水处理的重要环节，是先进制造技术领域的重要分支，既属于水处理领域，又属于控制领域。

背景技术

随着国民经济的增长和公众环保意识的增强，污水处理自动化技术迎来了前所未有的发展机遇。国家中长期科技发展规划中提出要研究并推广高效、低能耗的污水处理新技术。因此，本发明的研究成果具有广阔的应用前景。

前置反硝化活性污泥污水处理工艺又称A/O工艺，是目前应用最广泛的一种脱氮工艺之一。A/O工艺在曝气池前增加全混合的缺氧反应池，经过预处理的污水先进入缺氧池，并与回流污泥充分混合，然后再进入曝气池进行曝气，整个流程分为缺氧区和好氧区两部分。在缺氧区，反硝化菌利用污水中的有机碳作为电子供体，以硝酸盐作为电子受体进行“无氧呼吸”，将回流液中硝酸氮还原成氮气释放出来，完成反硝化过程；在好氧区，硝化菌把污水中的氨氮氧化成硝酸盐，经过处理的污水流向沉淀池，硝酸盐回流给缺氧池进行反硝化处理。

在A/O工艺中，好氧区的DO(溶解氧)浓度和缺氧区的S_NO(硝酸氮)浓度是影响硝化反硝化进程的重要参数。好氧区中DO浓度过高，会导致进入缺氧区的DO增多，无法保证反硝化所需的缺氧环境，增大了缺氧区可快速降解有机碳的消耗，从而影响处理效果；另一方面，曝气耗费往往占污水处理厂总运行费用的50％以上，在实际生产运行中，实现DO浓度的优化控制，对污水处理效果与运行费用均非常有意义。同样，维持合适的缺氧区S_NO浓度，才能够高效利用缺氧区反硝化作用，同时避免过高的内循环回流量，提高脱氮去除率并减少动力消耗。因此根据入水水质水量的变化动态优化DO浓度和S_NO浓度的设定值，是提高污水处理系统处理效果、降低运行成本的一种可行性方法，也是当前亟待解决的问题。优良的控制技术可以节省污水处理运行费用，同时也是减少异常工况发生、保障污水处理过程正常运行的关键。此外，通过提高污水处理过程自动化水平，还可以有效地减少运行管理和操作人员，实现污水处理厂的节能运行。

发明内容

本发明获得一种基于粒子群算法的优化控制方法，综合考虑出水水质、曝气能耗和泵送能耗，动态优化控制底层PI(比例积分)控制器的DO浓度和S_NO浓度的设定值，保证污水出水水质达标的情况下实现污水处理过程节能降耗；解决污水处理厂能耗过高的问题，保障污水处理过程正常运行。本发明是基于分工策略粒子群算法的优化控制系统，其特征在于，包括以下步骤：

1.确定本发明的控制结构，采用层级式结构，上层为优化层、下层为本地控制层；

优化控制系统包含智能优化、溶解氧浓度PI控制器、硝酸氮浓度PI控制器和数据存储四个模块，如图1所示。上层采用基于分工策略的粒子群优化算法，根据物料平衡约束、执行器约束以及出水条件约束得到底层控制回路的设定值；下层是两个PI控制器，第一个是通过调节单元五的氧气转换系数K_La控制该单元溶解氧浓度，第二个是通过调节内回流量Q_a控制缺氧区单元二的硝酸氮浓度；采用优化控制策略动态调整两个控制回路的设定值——DO设定值S_O，SP和S_NO设定值S_NO，SP，可以有效的降低运行费用；

2.综合考虑运行费用和出水水质两个方面，构造优化问题，采用粒子群算法对这两个PI控制回路的设定值求最优解。

(1)建立活性污泥污水处理1号基准仿真模型，如图2所示。该基准仿真模型定义了一种污水处理的设备布局、相应的仿真模型、污水负荷、仿真步骤和仿真结果的评价标准，可以与各种自动控制方案相结合进行仿真模拟，并按照指定的评价标准来考察该方案的控制效果。这样既方便自动控制方案的调整，以得到较优的控制方案，也能够根据评价指标比较不同的控制方案。此基准仿真模型包括生化池和二沉池；生化池部分共包括5个单元，前两个单元是缺氧区，后三个单元是好氧区；

(2)优化问题的目标函数：