文献发布时间：2023-06-19 13:30:50

技术领域

本发明涉及一种厌氧反应器智能控制系统及控制方法。

背景技术

废水处理中的厌氧处理是指在厌氧条件下微生物将有机物转化为甲烷和二氧化碳的过程，由于其具有良好的COD去除效果，更高的反应速率，更重要是由于相对于好氧生物处理COD来说不需要为氧的传递提供大量的能耗，更低的污泥产量，同时能够产生具有经济效益的沼气，使得厌氧生物处理在废水处理行业中的应用十分广泛。

一般，厌氧处理分为三个阶段：水解酸化阶段、产乙酸阶段、产甲烷阶段，其中，VFA挥发性脂肪酸是三个阶段中的中间产物，也是厌氧反应器运行的重要指标。厌氧生物处理对环境和运行条件非常敏感，一旦VFA指标超过正常范围，说明厌氧反应器内正在发生酸化，需要及时采取措施，否则将会导致厌氧菌种全部死亡，需要重新接种，导致运行成本增加，而影响厌氧微生物VFA积累的原因有很多，包括温度、pH值、碱度、氧化还原电位、盐度、进水负荷、进水毒性等。因此能够快速监测指标是控制厌氧工艺运行的有效手段。

最近几年基于在线传感技术的自控系统越来越多应用于厌氧生物处理的控制领域，但在厌氧反应器实际运行中，配套的自控系统主要还是传统的功能：一是控制设备的启停，如进水泵，回流泵等，二是在线显示仪表的数值，比如进水量，pH值，温度，沼气量等，目前的自控系统无法通过监测数据对于厌氧反应器的运行提供指导性意见，如系统运行是否正常，进水负荷是否合理等，只能通过操作人员的运行经验去判断。但目前国内缺乏经验丰富的厌氧操作人员，而且厌氧反应器生化过程机理比较复杂，各运行参数之间的数据相互有影响，比如pH作为反应器酸化的指标较VFA滞后，有时pH正常但反应器可能已经有酸化发生，因此要将厌氧反应器稳定的运行，需要丰富的理论和实践经验，致使国内虽然厌氧反应器应用案例较多，但很多项目运行下来存在诸多问题。

同时，目前控制算法的种类越来越多，也越来越复杂，实施起来成本也较高，比如神经元网络，模糊专家系统等无法被大规模的应用。因此迫切需要根据厌氧反应器的实际运行情况及控制要求设计一套简单可靠的智能控制系统及控制方法，以有效控制厌氧反应器正常运行。

发明内容

针对上述存在的问题及为了达到上述的目的，本发明提供一种厌氧反应器智能控制系统及控制方法，该智能控制系统能以出水VAF和沼气量实时检测值敏感精确的响应厌氧反应器的状态波动，并能够自动预警，进而通过人工干预或自动控制的方式，保证厌氧反应器处于正常运行状态。具体技术方案如下：

首先，本发明提供一种厌氧反应器智能控制系统，包括厌氧反应器本体，设置在厌氧反应器本体上用于测定挥发性脂肪酸产生量的VFA监测仪表和用于测定沼气产生量的沼气流量仪表，以及系统控制中心；所述系统控制中心自动读取VFA监测仪表和沼气流量仪表的监测数据，并通过与预设的数值进行比较判断厌氧反应器是否正常运行，同时自动做出控制报警或调控动作。

前述的厌氧反应器智能控制系统，所述厌氧反应器本体上还设有进水流量仪表、回流量仪表、进水温度监测仪表、pH值检测仪表和污泥浓度检测仪表；所有仪表监测的数值均可被系统控制中心读取，并用于判断厌氧反应器的运行状态。

其次，本发明还提供一种厌氧反应器智能控制方法，包括如下步骤：

步骤1）预设限值：设定厌氧反应器的进水温度限值、出水VFA限值、沼气流量限值、进水负荷限值、pH值限值及污泥浓度限值；

步骤2）实时监测：通过厌氧反应器本体上的各仪表实时监测厌氧反应器的进水流量、回流量、沼气流量、进水温度、pH值、出水VFA值、污泥浓度的实时值；通过人工检测厌氧反应器的进水COD、出水COD的实时值；并根据进水COD实时值、进水流量瞬时值及厌氧反应器本体的容积计算厌氧反应器的进水负荷瞬时值；

步骤3）比较判断：将步骤2）中各仪表监测及计算的数值与步骤1）中对应的预设限值进行比较，判断厌氧反应器的运行状态；

步骤4）调控干预：根据步骤3）比较判断的结果采取对应的调控干预措施，维持厌氧反应器处于正常运行状态。

前述的厌氧反应器智能控制方法，步骤1）中所述设定限值优选设定如下：进水温度限值为33℃～40℃；出水VFA限值为600mg/L～1500mg/L；沼气流量限值为以每千克COD产沼气量最低值为0.3m3计算；进水负荷限值为设计进水负荷的1.3倍；pH值限值为6.5～7.5；污泥浓度限值为2～6g/L。

前述的厌氧反应器智能控制方法，步骤2）中所述进水负荷瞬时值计算所用的进水流量瞬时值为前十分钟实时进水流量的平均值。

前述的厌氧反应器智能控制方法，步骤3）中所述比较判断及步骤4）中的调控干预具体如下：

步骤A）较出水VFA值：首先比较出水VFA的瞬时值与其对应的预设限值，若VFA的瞬时值小于等于其对应的预设限值，则表示厌氧反应器系统正常运行；若VFA的瞬时值大于其对应的预设限值，则比较沼气流量值；

步骤B）较沼气流量值：比较沼气流量的瞬时值与其对应的预设限值，若沼气流量的瞬时值大于等于其对应的预设限值，则进一步比较进水负荷；若沼气流量的瞬时值小于其对应的预设限值则比较进水温度值、pH值及污泥浓度值；

步骤C）较进水负荷：比较进水负荷的瞬时值与其对应的预设限值，若进水负荷的瞬时值小于其对应的预设限值，则表示厌氧反应器系统正常运行，回到步骤A）；若进水负荷的瞬时值大于等于其对应的预设限值，则调整进水流量，降低进水流量，并再次比较进水负荷，直至进水负荷的瞬时值小于其对应的设预设限值；

步骤D）比较进水温度值：比较进水温度的实时监测值与其对应的预设限值，若进水温度的实时监测值处于其对应的预设限值范围内，则表示厌氧反应器系统正常运行，回到步骤A）；若进水温度的实时监测值不处于其对应的预设限值范围内，则进行温控调整，并再次比较进水温度值，直至进水温度的实时监测值处于其对应的预设限值范围内；

步骤E）比较pH值：比较pH的实时监测值与其对应的预设限值，若pH的实时监测值处于其对应的预设限值范围内，则表示厌氧反应器系统正常运行，回到步骤A）；若pH的实时监测值不处于其对应的预设限值范围内，则进行pH调整，并再次比较进pH值，直至进pH的实时监测值处于其对应的预设限值范围内；

步骤F）比较污泥浓度值：比较污泥浓度的实时监测值与其对应的预设限值，若污泥浓度的实时监测值处于其对应的预设限值范围内，则表示厌氧反应器系统正常运行，回到步骤A）；若污泥浓度的实时监测值不处于其对应的预设限值范围内，则进行污泥浓度调整，并再次比较进污泥浓度值，直至进污泥浓度的实时监测值处于其对应的预设限值范围内。

前述的厌氧反应器智能控制方法，还包括控制报警环节，当进水温度的实时监测值、pH的实时监测值或污泥浓度的实时监测值不处于其对应的设定值范围内时进行控制报警，由人工参与干预修正，保证厌氧反应器系统的正常运行。

优选的，前述的厌氧反应器智能控制方法，步骤A）中所述出水VFA的瞬时值和步骤B）中所述沼气流量的瞬时值均为设定时间段的平均值。

优选的，前述的厌氧反应器智能控制方法，所述设定时间段为1～3h。

前述的厌氧反应器智能控制方法，步骤C）中所述由智能控制系统自动调整进水泵降低进水流量；步骤D）中所述温控调整为通过智能控制系统自动控制进水温度；步骤E）中所述pH调整的措施是通过及时加碱和/或通过临时泵回流泵进行调控；步骤F）中所述污泥浓度调整为通过增大回流量补充污泥，恢复厌氧反应器的活性。

本发明方法的有益效果：

本发明厌氧反应器智能控制系统根据厌氧反应器的实际运行情况及控制要求通过各仪表现场实时监测，对各仪表监测数据读取分析，结合预设限值对厌氧反应器的运行情况进行确定，同时提供多种控制条件及控制方法，有效保证厌氧反应器的正常运行。本发明控制系统所运用的算法可靠，所采用的仪器简单，成本低，可大规模地投入使用，最重要的是其根据厌氧反应器的实际运行情况及控制要求设计，投入使用后能满足厌氧反应器的控制要求。

本发明控制方法通过对厌氧反应系统两个最关键最敏感的状态参数：VFA和沼气产生量进行监测，能更加准确反应厌氧反应器的酸度情况，通过控制报警及智能调节能及时对反应器的运行条件和参数进行干预调整，有效防止酸化，保证厌氧反应器的正常运行。

总体而言，本发明系统及方法运行稳定可靠，较人工及传统的自动化控制，本智能控制系统控制精度高、可靠性好、故障率低，提高了生产效率，显著地增加了经济效益。

附图说明

图1为本发明厌氧反应器智能控制系统结构示意图；

图2为本发明厌氧反应器智能控制方法流程示意图。

具体实施方式

下面将结合实施例及附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明较佳实施例，而不是全部的实施例，亦并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用所揭示的技术内容加以变更或改型等同变化。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

实施例1

本实施例是一种厌氧反应器智能控制系统及控制方法。所述厌氧反应器智能控制系统，如图1所示，包括厌氧反应器本体，设置在厌氧反应器本体上用于测定挥发性脂肪酸产生量的VFA监测仪表和用于测定沼气产生量的沼气流量仪表，以及系统控制中心；所述系统控制中心自动读取VFA监测仪表和沼气流量仪表的监测数据，并通过与预设的数值进行比较判断厌氧反应器是否正常运行，同时自动做出控制报警或调控动作。本发明控制方法通过对厌氧反应系统两个最关键最敏感的状态参数：VFA和沼气产生量进行监测，能更加准确反应厌氧反应器的酸度情况，通过控制报警及智能调节能及时对反应器的运行条件和参数进行干预调整，有效防止酸化，保证厌氧反应器的正常运行。

另外，本实施例中所述的厌氧反应器智能控制系统，厌氧反应器本体上还设有进水流量仪表、回流量仪表、进水温度监测仪表、pH值检测仪表和污泥浓度（MLSS）检测仪表；所有仪表监测的数值均可被系统控制中心读取，并用于判断厌氧反应器的运行状态。

本实施例通过上述厌氧反应器智能控制系统进行控制的方法，包括如下步骤：

步骤1）预设限值：设定厌氧反应器的进水温度限值、出水VFA限值、沼气流量限值、进水负荷限值、pH值限值及污泥浓度限值；

步骤2）实时监测：通过厌氧反应器本体上的各仪表实时监测厌氧反应器的进水流量、回流量、沼气流量、进水温度、pH值、出水VFA值、污泥浓度的实时值；通过人工检测厌氧反应器的进水COD、出水COD的实时值；并根据进水COD实时值、进水流量瞬时值及厌氧反应器本体的容积计算厌氧反应器的进水负荷瞬时值；

步骤3）比较判断：将步骤2）中各仪表监测及计算的数值与步骤1）中对应的预设限值进行比较，判断厌氧反应器的运行状态；

步骤4）调控干预：根据步骤3）比较判断的结果采取对应的调控干预措施，维持厌氧反应器处于正常运行状态。

其中，步骤1）中所述设定限值优选设定如下：进水温度限值为33℃～40℃；出水VFA限值为600mg/L～1500mg/L；沼气流量限值为以每千克COD产沼气量最低值为0.3m3计算；进水负荷限值为设计进水负荷的1.3倍；pH值限值为6.5～7.5；污泥浓度限值为2～6g/L。

步骤2）中所述进水负荷瞬时值计算所用的进水流量瞬时值为前十分钟实时进水流量的平均值。

步骤3）中所述比较判断及步骤4）中的调控干预具体如下：

步骤A）较出水VFA值：首先比较出水VFA的瞬时值与其对应的预设限值，若VFA的瞬时值小于等于其对应的预设限值，则表示厌氧反应器系统正常运行；若VFA的瞬时值大于其对应的预设限值，则比较沼气流量值；

步骤B）较沼气流量值：比较沼气流量的瞬时值与其对应的预设限值，若沼气流量的瞬时值大于等于其对应的预设限值，则进一步比较进水负荷；若沼气流量的瞬时值小于其对应的预设限值则比较进水温度值、pH值及污泥浓度值；

步骤C）较进水负荷：比较进水负荷的瞬时值与其对应的预设限值，若进水负荷的瞬时值小于其对应的预设限值，则表示厌氧反应器系统正常运行，回到步骤A）；若进水负荷的瞬时值大于等于其对应的预设限值，则调整进水流量，降低进水流量，并再次比较进水负荷，直至进水负荷的瞬时值小于其对应的设预设限值；

步骤D）比较进水温度值：比较进水温度的实时监测值与其对应的预设限值，若进水温度的实时监测值处于其对应的预设限值范围内，则表示厌氧反应器系统正常运行，回到步骤A）；若进水温度的实时监测值不处于其对应的预设限值范围内，则进行温控调整，并再次比较进水温度值，直至进水温度的实时监测值处于其对应的预设限值范围内；

步骤E）比较pH值：比较pH的实时监测值与其对应的预设限值，若pH的实时监测值处于其对应的预设限值范围内，则表示厌氧反应器系统正常运行，回到步骤A）；若pH的实时监测值不处于其对应的预设限值范围内，则进行pH调整，并再次比较进pH值，直至进pH的实时监测值处于其对应的预设限值范围内；

步骤F）比较污泥浓度值：比较污泥浓度的实时监测值与其对应的预设限值，若污泥浓度的实时监测值处于其对应的预设限值范围内，则表示厌氧反应器系统正常运行，回到步骤A）；若污泥浓度的实时监测值不处于其对应的预设限值范围内，则进行污泥浓度调整，并再次比较进污泥浓度值，直至进污泥浓度的实时监测值处于其对应的预设限值范围内。

本实施例所述的厌氧反应器智能控制方法，还包括控制报警环节，当进水温度的实时监测值、pH的实时监测值或污泥浓度的实时监测值不处于其对应的设定值范围内时进行控制报警，由人工参与干预修正，保证厌氧反应器系统的正常运行。步骤A）中所述出水VFA的瞬时值和步骤B）中所述沼气流量的瞬时值均为设定时间段的平均值；步骤C）中所述由智能控制系统自动调整进水泵降低进水流量；步骤D）中所述温控调整为通过智能控制系统自动控制进水温度；步骤E）中所述pH调整的措施是通过及时加碱和/或通过临时泵回流泵进行调控；步骤F）中所述污泥浓度调整为通过增大回流量补充污泥，恢复厌氧反应器的活性。

具体操作如下：首先确定本厌氧反应器智能控制系统所涉及的数值，包括：

1）固定值：厌氧反应器体积A1，m3

2）实时监测值：

进水流量，Q1，仪表实时检测值，m3/h；

回流量，Q2，仪表实时检测值，m3/h；

沼气流量，Q3，仪表实时检测值，m3/h；

进水温度，T1，仪表实时检测值，℃；

pH值，P1，仪表实时检测值，无量纲；

出水VFA值，V1，仪表实时检测值，mg/L；

污泥浓度，M1，仪表实时检测值，mg/L；

3）人工检测值：

进水COD，C1，人工检测值，mg/L；

出水COD，C2，人工检测值，mg/L；

4）计算值：

进水负荷F1：C1×Q1/1000A1 kg COD/m3·h；

进水COD C1（mg/L）为离线输入值；进水流量Q1（m3/h）为瞬时值，以前十分钟平均值计算；厌氧反应器体积A1（m3）为固定值；

5）预设限值：

进水温度限值：设定进水温度低限值为T2；高限值为T3（一般设定T2为33℃，T3为40℃）；

出水VFA限值：设定出水VFA高限值为V2（一般设定限值为600mg/L，根据实际运行情况考虑，一般不超过1500mg/L）；

沼气流量限值：设定沼气流量低限值为Q4（0.3C1×Q1/1000 m3/h，以每kg COD产沼气量最低值为0.3m3计算）；

进水负荷限值：设定进水负荷高限值为F2；（根据不同进水确定，最高为进水负荷F1的1.3倍）；

pH值：设定反应器pH值P2区间为6.5~7.5；

MLSS值：设定反应器MLSS低限值为M2（通常控制在2～3g/L）。

正常稳定运行的厌氧反应器受到的冲击主要包括：（1）进水负荷冲击；（2）温度冲击；（3）毒物冲击；如何监测出以上的冲击能够实时跟踪厌氧反应器的运行状况，但参数过多对控制系统不利，因此智能控制系统以出水VFA作为反馈值，进行监测控制。如图2所示，具体的控制步骤如下：

首先，监测出水VFA值V1，以及沼气流量Q3。

由于V1和Q3都为瞬时值，取设定时间段的平均值，一般2h判定一次；

当V1≤V2，无需判定Q3与Q4的值，表示系统正常运行。

当V1＞V2，且Q3≥Q4时，表示VFA累积，但产沼气量正常或增加，表示系统可能受到了负荷冲击；进行进水负荷判定。

当进水负荷F1＜1.3F2时，证明负荷冲击不明显，可继续观察；

当进水负荷F1≥1.3F2时，证明负荷冲击较强，建议降低进水量Q1可以由智能控制系统自动调整进水泵。

当V1＞V2，且Q3＜Q4时，表示VFA累积，但产沼气量也同时正常下降，表示系统可能受到了温度冲击或毒性冲击，产沼气过程被明显抑制，需要立刻判定原因及时处置。

进行进水温度、pH及MLSS判定：

进水温度T1∈（T2，T3），不考虑进水温度变化冲击；

反应器内pH值P1∈（6.5，7.5），不考虑pH值变化冲击；

反应器内污泥浓度M1≥M2，不考虑MLSS值变化冲击。

当进水温度T1小于T2或进水温度T1大于T3，考虑进水温度冲击，进行温控报警；也可以将加热系统与本智能控制系统进行联动，自动将进水温度控制在（T2，T3）；

当反应器内pH值反应器内pH值P1＞7.5或＜6.5，污泥浓度M1＜M2时考虑毒性冲击，需要报警及时人工干预，通过减少进水量Q1，增大回流量Q2，及时调节反应器内酸碱度，补充污泥等措施使反应器恢复活性。

实施例2

本实施例是实施例1所述的厌氧反应器智能控制系统及控制方法的实际应用案例。该案例为南通某工业产业园化工废水处理系统，其为厌氧反应系统，原处理流程为：气浮→水解酸化→厌氧→AO，然后达标排放，厌氧处理采用的是Φ6m*18.5m IC厌氧反应器，厌氧反应器设计进水流量为250m3/d，进水COD为8000mg/L，设计进水负荷4kg，沼气产量最低为28m3/h。在实际运行中，该厌氧反应系统经常受到进水冲击，导致反应器内微生物失去活性，处理效果较差，需要补充大量污泥，运行成本较高。

根据现场实际情况，在原厌氧反应器本体的顶部出水系统处增设一套VFA检测仪，厌氧智能控制系统将VFA限值V2设定为800mg/L，VFA检测仪每1h监测一次数据V1，即智能控制系统每1h自动判定一次。

当V1≤800mg/L时，系统继续运行；待下1h时，继续判定V1与V2，如此反复。

当V1＞800mg/L时，系统自动读取前1h 沼气流量值，取1h数据平均值。

当Q3≥28m3/h时，系统自动计算进水负荷，离线COD值为每次人工检测后输入值，2次/d，进水流量取前1h数据平均值，当计算的进水负荷F1小于5.2kg时，系统判定结束，待1h后重新判定V1和V2值；当计算的进水负荷F1不小于5.2kg时，系统自动调整进水流量，将进水负荷F1调整小于5.2kg。

当Q3＜28m3/h时，系统自动判定温度是否在合适的范围内（33℃～37℃），当温度不在设定区间内，系统做出温度控制报警；系统自动判定pH值是否在合适的范围内（6.5～7.5），当pH值不在设定区间内，系统自动做出pH控制报警；以上由于现场条件有限，全部为系统报警后人工参与修正，及时反应，避免反应器酸化。运行半年以来，现场共人工参与4次，通过及时加碱，临时泵回流泵等措施，反应器运行良好。

由此可见，本发明厌氧反应器智能控制系统通过对各仪表监测数据读取分析，结合预设限值对厌氧反应器的运行情况进行确定，有效保证厌氧反应器的正常运行。通过对厌氧反应系统两个最关键最敏感的状态参数：VFA和沼气产生量进行监测，能更加准确反应厌氧反应器的酸度情况，通过控制报警及智能调节能及时对反应器的运行条件和参数进行干预调整，有效防止酸化。另外，本发明控制系统所运用的算法及所采用的仪器简单，运行稳定可靠，成本低，可大规模地投入使用，最重要的是其根据厌氧反应器的实际运行情况及控制要求设计，投入使用后能满足厌氧反应器的控制要求。与人工及传统的自动化控制相比，本发明智能控制系统控制精度高、可靠性好、故障率低，提高了生产效率，显著地增加了经济效益。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的得同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。