前置反硝化工艺外碳源投加串级控制策略研究_马勇

中国环境科学 2004,24(2)：214~218 China Environmental Science 前置反硝化工艺外碳源投加串级控制策略研究马勇1,彭永臻2＊,王淑莹2,王晓莲2(1.哈尔滨工业大学市政与环境工程学院,黑龙江哈尔滨 150090；2.北京工业大学北京市水质科学与水环境恢复工程重点实验室,北京 100022)摘要：反硝化反应需要以有机碳源为电子受体.由于污水厂的进水负荷时刻在变化,当进水碳氮比较低时,需要外投加碳源.为了有效地控制外碳源投加量,提出了由两个PI控制器组成的外碳源投加串级控制策略,可以控制出水硝酸氮浓度以及缺氧区末端硝酸氮浓度.由Matlab/Simulink模拟表明,该控制器具有良好的动态品质、抗冲击负荷强,可快速响应进水负荷的变化,能在降低出水硝酸氮和总氮浓度的同时,大大降低外碳源投量.关键词：前置反硝化工艺；外碳源投加；串级控制策略；Matlab/Simulink模型中图分类号：X703 文献标识码：A 文章编号：1000－6923(2004)02－0214－05Studies on external carbon addition cascade control strategy of predenitrification technology.MA Yong1, PENG Yong-zhen2, WANG Shu-ying1, WANG Xiao-lian2(1.College of Municipal and Environmental Engineering, Harbin University of Technology, Harbin 150090, China；2.Key Laboratory of Beijing for Water Quality Science and Water Environmental Recovery Engineering, Beijing University of Technology, Beijing 100022, China). China Environmental Science, 2004,24(2)：214~218Abstract：Denitrification needs organic carbon source as electroaceptor. Because the influent loading of slwage plant changes always, when the carbon/nitrogen is relatively low, the external carbon addition is necessary. For effective control of external carbon addition; its cascade control strategy composed of two PI controllers was proposed, which could control the nitrate nitrogen concentration in the effluent as well as in the end of anoxic area. The Matlab/Simulink simulation showed that the controller had good dynamic qualities and strong resistance to bleat loading, could respond quickly to influent loading could reduce the effluent nitrate nitrogen and total nitrogen concentration, and meanwhile lowered greatly external carbon addition amount.Key words：predenitrification technology；external carbon addition；cascade control strategy；Matlab/Simulink在污水处理过程中,生物脱氮需经硝化反应与反硝化反应两个步骤.其中,反硝化反应的顺利进行须有充足的碳源.由于污水厂的进水负荷时刻都在变化,当进水碳氮比过低时,需要补充外投碳源.碳源的投加要根据进水有机物的含量及系统的要求,加以在线控制,以保证出水硝酸氮和总氮浓度足够低,并使外碳源投量尽可能最低.为此,许多研究者对合理的外碳源投量进行了研究.如Lindberg等[1]认为,如果控制外碳源投量以保持缺氧区末端的硝酸氮浓度在给定的设定值,可以实现最少的外碳源投量并可以充分利用缺氧区的反硝化力.由于进水量及水质的变动,尤其当进水氨氮变化较大时,虽然可以保持缺氧区末端给定的硝酸氮浓度,但不能保证出水硝酸氮和总氮浓度足够低.Singman[2]通过建立两个控制器,其一是控制缺氧区的外碳源投量,其二是控制内循环回流量,以维持出水硝酸氮浓度恒定.研究表明其控制性能很好,但对如何确定2个控制器的设定值并没有好的建议.本实验通过对串级控制系统的分析提出了外碳源投加串级控制策略,可以确定系统所需外碳源投量,快速克服外界扰动,维持出水硝酸氮浓度处于选定的设定值.收稿日期：2003－07－15基金项目：国家“863”资助项目(2003AA601010); 北京市教委重点项目(KZ2003310005003)* 责任作者,教授, pyz@2期马勇等：前置反硝化工艺外碳源投加串级控制策略研究 2151 外碳源投加串级控制策略1.1串级控制系统串级控制系统如图1所示,由图1可见,串级控制系统在结构上有2个闭环.一个闭环在里面,称为副环或副回路,在控制中起“粗调”作用;一个闭环在外面,称为主环或主回路,用来完成“细调”任务,最终保证被控量满足工艺要求.主回路或副回路都有各自的被控对象、测量元件和控制器.作用于主回路和副回路内的扰动分别称为一次扰动和二次扰动.尽管系统中有2个控制器,但它们的作用各不相同.主控制器有自己独立的设定值,它的输出作为副控制器的设定值,而副控制器的输出信号则是送到调节阀去控制生产过程.串级系统和传统的反馈控制系统相比,仅增加了一个测量变送元件和一个控制器,但控制效果却有显著提高.串级系统的副环具有快速作用,能够有效地克服进入副环的二次干扰,加大主控制器的增益,提高系统的频率及自适应能力[3].1.2外碳源串级控制策略外碳源投加控制的主要目的为严格控制进水硝酸氮浓度,进而控制出水硝酸氮浓度.以前的控制策略是控制缺氧区末端的硝酸氮浓度而不是出水硝酸氮浓度,这样,当进水负荷有巨大变化时,就不能有效控制出水硝酸氮浓度;快速克服系统的外界扰动,保持系统的稳定性和可靠性.为了实现上述目的,可以通过测定缺氧区末端硝酸氮浓度,监测系统在没有对出水硝酸氮浓度产生影响前,采取投加外碳源克服外界扰动.由图2可见,串级控制系统具有这样的优势,即主控制器控制出水硝酸氮浓度,副控制器快速克服外界扰动.研究中假定,在二沉池没有发生任何反应,只是进行简单的泥水分离,可以用好氧区最后隔室出水硝酸氮浓度代替出水硝酸氮浓度.216 中 国 环 境 科 学 24卷图2中,以第5隔室的出水硝酸氮浓度测定值和系统出水硝酸氮浓度设定值的差作为主控制器的输入,以确定的第2隔室硝酸氮浓度设定值作为主控制器的输出,组成主回路.同时以主回路的输出和第2隔室的硝酸氮浓度测定值之间的差作为副控制器的输入,以外碳源的投量作为输出,组成副回路.由于PI 控制器以其原理简单、易于实现、鲁棒性强的优势,一直被广泛应用于常规工业控制系统中,所以选用PI 控制器来实现串级控制系统中主回路和副回路的控制. 基于活性污泥工艺具有动态性、不确定性和滞后性,控制策略必须具有很好的鲁棒性才能在实际应用中有意义.在克服外界扰动方面,前馈控制比反馈控制更有效.但是前馈控制需要准确的数学模型和较多的在线传感器,由于活性污泥工艺的复杂性,建立精确的数学模型是不可能的,往往需要对模型进行简化,这影响了它的效果.而本实验提出的串级控制策略,由于应用硝酸氮在线传感器,可快速获得缺氧区硝酸氮浓度信息,迅速指示进水负荷的变化及外界扰动的大小.另外,该串级控制策略仅需要2个硝酸氮在线传感器,降低了安装和维护费用. 2 控制策略2.1 实验方法实验模型采用欧洲COST 682工作组提供的基准(Benchmark).该标准以图2所示的实验装置为基础,即由5个隔室组成的前置反硝化工艺,前2个隔室缺氧运行(体积为2000m 3),后3个隔室好氧运行(体积为4000m 3).二沉池体积为6000m 3,采用IWA ASM1活性污泥数学模型[4]及Takas [5]提出的二沉池模型(详细内容见参考文献[6])进行实际污水处理厂的模拟.在本实验过程中,控制好氧区的DO 恒为2mg/L,内循环回流比为3,污泥排放量为300m 3/d,污泥回流比为1,外投碳源COD 浓度为1200g/L,其他工艺参数采用Benchmark 基准值.2.2 控制策略的可靠性为了考察外碳源串级控制策略的性能,应用基准的Constinfluent 进水负荷,研究了出水硝酸氮浓度设定值、进水氨氮浓度和进水量分别改变时,控制器的响应情况(图3).由图3可见,第5隔室硝酸氮浓度的设定值,无论从7.5mg/L 变为8.5mg/L,还是从7.5mg/L 变为6.5mg/L,外碳源串级控制策略均能快速地根据硝酸氮浓度设定值的变化动态来确定外碳源的投加量,使第5隔室的硝酸氮浓度快速维持在系统的设定值.另外,动态改变进水氨氮浓度(图4)和进水量(图5),通过该串级系统策略控制外碳源的投量,可维持出水硝酸氮浓度处于系统规定的设定值7mg/L.由此可见,外碳源串级控制策略具有很强的抗干扰性,动态响应品质强.2.3 控制策略的应用效果应用基准的Dryinfluent 进水负荷,研究了未采用和采用外碳源串级控制策略,系统对硝酸氮和总氮的去除情况.图6为系统的进水总氮负荷(平均值为54.4mg/L),图7为没有采用和采用控制策略时系统出水硝酸氮浓度,由图6,图7可知采用控制策略后,进水TN 负荷从33mg/L 变为84mg/L,使出水硝酸氮浓度维持在系统设定值7mg/L(平均值为7.08mg/L);而未采用控制策略,2期马勇等：前置反硝化工艺外碳源投加串级控制策略研究 217 系统出水硝酸氮浓度随进水TN的变化而变化(最大值达到14.2mg/L,平均值为11.84mg/L).图8为没有采用和采用控制策略系统出水总氮浓度,由图8可见,采用控制策略后,出水TN 浓度大大降低(平均值为12.78mg/L),无论进水TN负荷如何变化,出水TN浓度都低于基准制定的18mg/L;而未采用控制策略时,出水TN浓度平均值为17.10mg/L,出水TN浓度都高于基准制定的18mg/L.计算表明采用控制策略后,可使出水硝酸氮浓度平均降低40.2%,出水TN浓度平均降低25.3%,因而采用控制策略后可显著提高污水厂的脱氮效率.218 中国环境科学 24卷3结语生物脱氮过程中,当缺氧区反硝化反应碳源不足时,需要补充外碳源,然而实际进水负荷具有很大的动态性,所以需要对外碳源的投加进行实时在线控制.为了有效控制外碳源投加量,本实验由一般串级控制系统得出外碳源投加串级控制策略,通过Matlab/Simulink模拟表明,该控制策略可以迅速根据进水负荷以及出水硝酸氮浓度的设定值确定外碳源的投量,具有良好的动态品质、抗冲击负荷能力.在工业应用中,仅需2个硝酸氮在线传感器即可在污水处理厂中建立外碳源串级控制策略,降低系统出水硝酸氮和总氮浓度,提高污水处理厂的运行负荷.参考文献：[1] Lindberg C F, Carlsson B. Adaptive control of the external carbonflow rate in an activated sludge process [J]. Wat. Sci. Tec.,1996,34(3-4): 173－180.[2] Singman J. Efficient control of wastewater treatment plant-abenchmark study, MSc thesis [Z]. Sweden: Department of Earth Science, Uppsala University, 1999.20－25.[3] 刘宝坤.计算机过程控制系统 [M]. 北京:机械工业出版社,2001.20－27.[4] Henze M, Grady, Jr C P L, et al. Activated sludge model No.1,IAWQ Scientific and Technical report No.1 [Z], IAWQ, London: 1996.[5] Takacs I, Patry G G, Nolasco D. A dynamic model of theclarification thickening process [J]. Wat.Res., 1991,25(10):1263－1271.[6] Alex J, Beteau J F, Copp J B, et al. Benchmark for evaluatingcontrol strategies in wastewater treatment plants [M]. Karlsruhe: Europen control conference, 1999.作者简介：马勇(1976－),男,河北南宫人,哈尔滨工业大学市政环境工程学院在读博士生,主要从事污水处理系统工艺及其自动控制的研究.发表论文7篇.2003年夏季欧洲地面臭氧浓度创10年来最高2003年夏季大部分欧洲国家地面臭氧浓度是10年来最高的,特别在热浪袭击的8月.欧洲环境署(EEA)的初步评价表明,情况最严重的是德国西南部、法国北部和东北部、比利时、意大利北部和中部以及西班牙中部.EEA在其初步分析中说,除非采取措施减少臭氧前体物质氧化氮和挥发性有机化合物的排放,否则在今后夏季高温时类似情况还会出现.在31个向EEA报告监测结果的国家中,有23个国家地面臭氧浓度超过180µg/m3阈值,是指在4月和8月间一天或一天以上的一小时平均值.超过这一阈值,短期暴露会对小孩和敏感人群产生短期影响.欧盟(EU)法律规定超过180µg/m3时政府要向公众通报.2003年9月生效的欧盟法规将有健康危险的一小时平均值从360µg/m3修订为240µg/m3.而2003年夏季在曾4次超过360µg/m3的法国北部Sausset les Pins,在2003年8月曾达到417µg/m3. EU关于臭氧污染的法规建立于1992年(92/72/EEC),2003年9月被新法令2002/3/EC取代.江年摘自《Acid News》, December, 8 (2003)。