CN101277905B - 膜生物反应器系统的动态控制 - Google Patents

膜生物反应器系统的动态控制 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种控制膜生物反应器系统的操作参数的方法，该方法包括如下步骤：基于在提供给膜生物反应器系统的流入液的参数值与系统最佳性能测量参数之间的关系确定控制算法；和使用确定的控制算法控制膜生物反应器系统的一个或多个操作参数。

Description

膜生物反应器系统的动态控制
技术领域
本发明涉及膜生物反应器系统，并且更具体地说，涉及用于这样的系统的操作的动态控制的方法。
背景技术
膜生物反应器(MBR)系统具有优于传统的活性淤泥系统的多个优点，如很小的印痕、较好的处理水质量及没有污泥膨胀。然而，这样的系统的确具有多个问题，如把氧供给到具有高混合液浓度的生物反应器的高能量消耗、难以处理大的流入液的流量变化及低生物除磷能力。
MBR是始终达不到稳定状态的动态系统。动态因素包括：
·流入液和混合液温度的全年季节变化。
·流入液流量的日、周及季节变化。
·污染物浓度的日、周及季节变化。
·在清洗之前和之后的膜渗透性。
发明内容
本发明寻求通过提供控制算法克服以上问题的至少一些，该控制算法寻求动态地优化MBR系统的操作参数，以便减小能量消耗、以成本有效的方式处理流入液的流量变化及提高生物除磷能力。
根据一个方面，本发明提供一种控制膜生物反应器系统的操作参数的方法，该方法包括如下步骤：
a)基于在提供给膜生物反应器系统的流入液的参数值与系统最佳性能测量参数之间的关系，确定控制算法；和
b)使用确定的控制算法控制膜生物反应器系统的一个或多个操作参数。
优选地，流入液的参数包括如下的一个或多个：流入液的温度、进入系统的流入液的流量及流入液的有机负荷量。
优选地，最佳性能参数包括如下的一个或多个：污泥停留时间或污泥龄(SRT)、混合液悬浮固体浓度(MLSS)、溶解氧(DO)、食物与微生物比(F/M)、硝化速率和除磷速率。
优先地，膜生物反应器的操作参数包括到系统的充气气流和混合液循环速率。
本发明也包括用来完成控制方法的设备。
附图说明
现在参照附图仅举例描述本发明的优选实施例，在附图中：
图1表示在一年期间上用于典型膜生物反应器系统的流入水温度、有氧SRT及氧供给成本变化的曲线图；
图2表示α因素相对于使用注入器和微细气泡充气的混合液悬浮固体的曲线图；
图3表示对于典型膜生物反应器系统在一年期间上的MLSS、膜循环比及循环泵送成本的曲线图；
图4a和4b分别表示在夏季和冬季操作的膜生物反应器系统的示意图，其中在冬季月份切断生物除磷；及
图5a和5b分别表示在夏季和冬季操作的膜生物反应器系统的另一个实施例的示意图，其中在冬季月份切断生物除磷。
具体实施方式
大多数生物反应速率对于水温非常敏感。例如，硝化细菌的特定生长率可描述成
μ＝μ20CAtemperature(温度)-20..............................(1)
其中A是温度校正系数。一般地讲，在10℃处的硝化速率只是在20℃处的一半或更小。
流入水温和混合液温度按季节变化。在北美洲、欧洲及亚洲的北部，在冬天里的流入温度可能非常冷，因而当计算混合液浓度、SRT及膜生物反应器的体积时，缓慢的硝化速率通常成为决定性因素。
尽管包括机械设备和生物反应器容积的膜生物反应器系统典型地基于最坏情形设计，但本发明寻求提供一种优化操作参数的动态控制系统，以减小操作成本和改进流出液质量。
在典型膜生物反应器系统中，假定流入液生物化学耗氧(BOD)＝200mg/l、总凯氏氮(Total Kjeldahl Nitrogen(TKN))＝45mg/l及总悬浮固体(TSS)＝150mg/l，将在10℃到27℃之间的季节流入液温度变化的影响表示在图1中。
为了完全硝化流入液，把操作参数设置在混合液悬浮固体(MLSS)＝10,000mg/l、有氧固体停留时间(SRTOX)＝14天及有氧水停留时间(HRTOX)＝6.1小时。在确定膜生物反应器的容积之后，平均水停留时间(HRTOX)不变。然而，使用生物模型，控制算法基于流入液温度计算优化的有氧SRTOX和MLSS浓度。在这个例子中，用于控制算法的支配公式如下：
有氧箱容积VOX＝Q*HRTOX＝Q*(S0-S)/(U*MLVSS)............(2)
其中
Q：废水流入流量
S0和S：在流入废水和处理流出液中的基质浓度
MLVSS：混合液挥发性悬浮固体浓度
U：基质利用因数并且
U＝(1/SRTOX+kd)/Y.....................................................(3)
其中kd和Y分别是最大产率系数和内在衰减系数。
SRTOX＝f/(μ-kd)......................................................(4)
其中f是安全因数。
根据公式(1)，当温度升高时，特定增长率μ增大。这导致实现硝化和BOD氧化需要的SRTOX的减小(公式4)。如果把固体停留时间(SRT)调整到较低值，则相应地，基质利用因数将增大(公式(3))。因为系统的设计基于最坏情况的场景(最低温度)并且箱体容积或水停留时间(HRT)是固定的，所以公式(2)表示对于较高利用因数U可减小MLVSS。因此，在较温暖的季节期间，使用本发明的这个实施例的动态控制可降低SRT和MLSS浓度。在生物反应器中的较低MLSS浓度降低空气供给要求、混合液循环速率及对于膜的过滤负载。这将在下面详细地描述。
本发明的实施例能够实现把氧转移到膜生物反应器所需要的能量消耗的减小。
作为高加载速率过程，膜生物反应器过程典型地使用微细气泡扩散器把氧转移到生物反应器中以保持有氧微生物的活性，所以可生物地氧化有机污染物和氨。生物过程鼓风机需要供给的包含气体(通常为空气)的氧量主要由系统的有机负荷量和氧质量转移系数确定。在混合液环境中的氧转移系数与在清洁水环境中的氧转移系数不同，并且在公式5中描述。
kLa＝α×kLa_clean_water.................................(5)
最近，已经发现在氧转移速率(α)与混合液悬浮固体(MLSS)之间的强烈相关，如图2中所示。
基于水温，控制算法计算优化的有氧固体停留时间(SRTOX)，并且指导系统操作人员逐渐增加或减少淤泥废物。因为MLSS浓度在较温暖月份中减小，所以α值和氧转移系数将增大，例如从在冬季月份中的0.46增大到在夏季月份中的0.79。随着氧转移系数增大，来自生物过程鼓风机的空气流动要求将降低，导致用来运行生物过程鼓风机的显著能量的节省。
也已经发现，通过增大氧转移系数的低空气流量本身提供另外的有益效果。当由生物过程鼓风机输送的空气流量减小时，微细气泡扩散器的每平方英尺的空气流量也减小。在这种情形下，出自微细气泡充气器的空气气泡尺寸减小，并且提供更大的表面面积以进一步增大氧转移系数。
对于大多数膜生物反应器系统而言，生物过程鼓风机是系统中的最大的设备，因而生物过程鼓风机的使用中的任何能量节省对于最终用户而言都可产生显著的经济效益。
由本发明的实施例提供的另一好处是膜循环泵的能量消耗的减小。
在生物反应器与膜箱(MT)之间的循环混合液的主要目的是减小在膜箱中的MLSS浓度，因为膜渗透物几乎不包含悬浮固体。如果膜循环比定义为进入膜箱中的流量除以平均日流量，则这个比值可基于膜箱的稳态固体质量平衡而计算，如公式6中所示(假定没有或忽略淤泥浪费)。
Mem _ Cir _ Ratio = Max _ MLSS _ MT Max _ MLSS _ MT - MLSS . . . ( 6 )
假定在膜箱中的最大MLSS浓度是12,000mg/l，控制算法基于在图3中所示的在一年的不同月份的MLSS浓度来计算膜循环比。假定可变流动驱动器(VFD)被用来驱动膜循环泵，该泵把混合液泵入到膜箱中，当流量减小时，泵送能量将减少。
当测量控制系统的效果时，把最小膜循环比值设置在190％处，因此从6月至10月的MLSS浓度仅6,544mg/l，相比而言，如果没有SRT/MLSS控制则为12,000mg/l。在膜箱中的低固体浓度也可以减小膜弄污危险，并且/或者有助于膜鼓风机的能量消耗的减少。
根据本发明的实施例的控制系统也可以用来增大生物除磷。生物除磷的机理是提供用于磷累积组织的希望环境并且增大淤泥废物量，从而最终去除在废物活性淤泥(WAS)流中的磷。当流入液温度较高时，根据本发明实施例的控制系统减小固体停留时间(SRT)。因此，它也将生物除磷。生物除磷对于流入液挥发性脂肪酸(VFA)浓度敏感，该浓度在大多数环境下不测量。在越温暖的月份，VFA浓度越高，因此希望减小SRT并且开始生物除磷。
其中生物除磷过程在全年期间依据季节条件接通和断开的一个过程实施例表示在图4a和4b中。在图4a和4b中例示的膜生物反应器包括三个区：脱气区5、缺氧区6、及有氧区7，有氧区7进给膜过滤器8。区串联连接，并且来自有氧区7的活性淤泥通过用来从混合物除去含氧气体的脱气区5反馈到系统。来自有氧区7的进料循环通过移出流出液的膜过滤器8。在较冷的月份中，如图4a中所示，流入液进入缺氧区6，并且在有氧区7中通过化学沉淀去除磷。在温暖的月份中，如图4b中所示，部分流入液进入脱气区5的第二部分使它成为厌氧区。如有必要，通过在有氧区7中的生物除磷和化学沉积来除磷。由于部分磷通过生物机理去除，所以即使化学沉积仍然必要，也减小了化学配料量和产生的化学淤泥。
图5a和5b表明其中混合液从膜过滤器8直接循环到脱气区5的另一个实施例。脱气区5有助于减少溶解氧(DO)并且促进在缺氧区6中的去硝化。
控制算法也可计入流入液的流量变化。当流入液的流量较低时，根据生物要求使用VFD(可变流动驱动器)减小空气供给和混合液循环速率。膜过滤也可设置为间歇模式。在停止时段期间，用来清洗膜的冲洗空气只需要在短时间段内使膜脉动，并且在图4中表示的实施例中不要求和在图5中表示的实施例中以减小的速率使混合液流动到膜过滤器8，以满足去硝化要求。
将认识到，诸如神经网络(Neural Network)算法之类的复杂的控制算法可以用来进一步改进所描述的控制算法。这样的算法可以用来基于天气预报数据预测流入液温度和流量。预测参数然后可被输入到控制算法以优化膜生物反应器系统的操作。
将认识到，在不脱离所描述的本发明的精神或范围的情况下，本发明的另外的实施例和举例是可能的。

Claims (5)

1.一种控制膜生物反应器系统的操作参数的方法，该方法包括如下步骤：
a)基于在提供给膜生物反应器系统的流入液的参数值与系统的最佳性能测量参数之间的关系，确定控制算法；和
b)使用所确定的控制算法控制膜生物反应器系统的充气气流和混合液循环速率操作参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，流入液的参数包括如下的一个或多个：流入液的温度、进入系统的流入液的流量及流入液的有机负荷量。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，最佳性能测量参数包括如下的一个或多个：污泥停留时间或污泥龄(SRT)、混合液悬浮固体浓度(MLSS)、溶解氧(DO)、食物与微生物比(F/M)、硝化速率和除磷速率。
4.根据权利要求1所述的方法，其中，使用预测算法确定流入液的参数值。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，预测算法基于天气预报数据确定流入液的参数值。
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