CN101306871B - 一种应用sbr工艺供氧节能优化控制装置进行优化控制方法 - Google Patents

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Abstract

SBR工艺供氧节能优化控制方法及其装置属于污水处理领域，用于含氮工业废水处理和城镇污水深度处理。现有鼓风机控制技术使用寿命短，维护、维修费用高。装置由SBR反应器(1)连进水管(2)、出水管(3)、碳源投加管(4)、曝气管(10)；进水管连进水泵(5)；曝气管连鼓风机(12)；反应器内有搅拌器(13)、DO传感器(14)；传感器连DO测定仪(15)；变频器(17)分别和鼓风机、计算机(16)连，计算机连过程控制器(20)，过程控制器的继电器分别与阀门、其他设备连。工艺包括进水、曝气、搅拌、沉淀、排水、闲置，特征通过采用频率f作为过程控制参数，实时控制SBR法脱氮过程的反应时间。本发明提高反应效率，减少反应时间，节约曝气能耗。

Description

一种应用SBR工艺供氧节能优化控制装置进行优化控制方法
技术领域
本发明涉及一种污水生物处理节能降耗控制方法和装置，尤其是能够进行深度脱氮和实时控制的SBR工艺及装置，适用于含氮工业废水处理和城镇污水深度处理。 
背景技术
随着我国经济的快速发展，能源的需求与日俱增，能源在国民经济中具有重要的战略地位。污水处理是能源密集的行业之一，在保证出水水质的条件下提高污水处理厂能源利用率，对于节能降耗具有重要意义。 
传统SBR工艺是间歇式活性污泥法污水处理工艺的简称，它的处理装置只有一个SBR反应池，进水、反应、沉淀、排水等步骤均在此反应池中进行，占地面积小，是一种常规的活性污泥法污水处理工艺。该工艺的绝大部分能耗集中于鼓风机进行曝气时产生的动力消耗，约占总消耗能量的60％-80％左右，因此，SBR工艺节能降耗的主要环节在于鼓风机的调节与优化控制。 
对鼓风机而言，输入的电能主要用于充氧、混合，但目前国内大多数SBR污水处理厂曝气充氧过程仍然采用不可调节的罗茨鼓风机或离心式鼓风机，曝气全过程满功率负荷运行，并未达到最佳能量的消耗水平。为了节约能耗，在SBR污水处理过程中，通常根据反应池内溶解氧的需要对风速、风量等指标进行控制和调节以适应运行工况。而目前常用的控制手段是调节风门、挡板开度的大小来调整风速风量。这样，不论供氧量需求大小，风机都要全速运转，而运行工况的变化则使得能量以风门、挡板的节流损失消耗掉了。不仅控制精度受到限制，而且还造成大量的能源浪费和设备损耗。从而导致生产成本增加，鼓风机使用寿命缩短，设备维护、维修费用高居不下。 
发明内容
本发明的目的是通过改变SBR法鼓风机的运行控制方式，来提高系统的供氧效率，并引入了鼓风机频率f作为SBR法反应过程的控制参数，合理分配反应时间，在保证深度脱氮效果的前提下，节省运行费用。在此基础上，开发出一种高效节能的SBR法节能装置和控制方法，即SBR工艺鼓风机节能供氧优化控制方法与装置。解决①传统生物脱氮技术存在的脱氮效果差的问题；②SBR法实时控制运行操作复杂的问题；③鼓风机供氧效率低，能耗高的问题。与恒定曝气量的控制方式相比，本发明提供的方法可节省40％左右的电耗。
本发明提供的SBR工艺供氧节能优化控制装置如图1，其特征在于：包括SBR反应器1连接进水管2、出水管3、碳源投加管4、曝气管10；进水管2和进水泵5之间设置进水阀门7；碳源投加管4和碳源投加泵6之间设置碳源投加管阀门9；出水管设置出水阀门8，曝气管10设置进气阀门11，曝气管进口处与鼓风机12相连；在SBR反应池内置有搅拌器13、溶解氧浓度DO传感器14，其特征在于： 
DO传感器14经导线与DO测定仪15连接后与计算机16的数据信号输入接口18连接，DO测定仪15与变频器17相连，变频器17同时与鼓风机12、计算机16的数据信号输入接口18连接，计算机的数据信号输出接口19经导线连接过程控制器20，过程控制器的进水继电器21、出水继电器22、曝气继电器23、碳源投加泵继电器24、搅拌机继电器25经信号输出接口19分别与进水阀门7、出水阀门8、曝气管进气阀门11、碳源投加泵6和搅拌器13相连接。控制界面可在显示器26上显示。 
本发明提供的SBR工艺供氧节能优化控制方法，其特征在于，包括以下步骤： 
I 进水  根据进水量确定进水时间，并通过过程控制器对计时器进行设定，系统启动后，启动进水泵将待处理的废水注入SBR反应器，当达到预先设定的时间后，关闭进水泵和进水阀门，进入第II道工序； 
II 曝气  打开进气阀门，启动鼓风机，对反应系统进行曝气；利用DO传感器采集DO信号，并通过过程控制器和变频器调节鼓风机的频率f；如果DO小于1.5mg/L，就增大鼓风机的频率f，即增大鼓风机的叶轮转速，加大风量；如果DO浓度大于1.5mg/L，就减小鼓风机的频率，即减小风量； 
同时采集频率f作为SBR法好氧硝化过程的实时控制参数；将频率f的数字信号输入过程控制器，滤波处理，求导计算，得到过程实时控制变量，并对得到的控制变量进行比较确定是否结束曝气，曝气过程结束条件为下列三个条件其中任意一条，即可停止曝气进行搅拌，①曝气时间t＞2h，频率f小于15Hz；②曝气时间t＞2h，频率f出现下降速度加快的变化点；③曝气时间t＞6h；当满足以上条件之一时，好氧曝气过程结束，系统内的氨氮被氧化 为硝态氮，执行机构关闭鼓风机及进气阀门，停止曝气，系统进入第III道工序； 
III 投加外碳源搅拌  为了将好氧阶段产生的硝态氮还原为氮气，根据经验确定需要投加碳源的量，设定碳源投加泵的开启时间，开启碳源投加管上的阀门和碳源投加泵，达到设定的时间后关闭碳源投加泵和碳源投加管上的阀门，投加碳源的同时开启搅拌器，设定搅拌时间为2小时。搅拌结束后，关闭搅拌器，进入第IV道工序； 
IV 沉淀  根据经验确定沉淀的时间，并通过过程控制器进行计时，当达到预先设定的沉淀时间后，进入第V道排水工序； 
V 排水  设定排水的时间，打开出水阀门，将处理后水经出水管排到反应器外；排水结束后，关闭出水管上的阀门； 
VI 闲置  排水结束到下一个周期开始定义为闲置期；根据经验设定闲置时间和排泥泵的运行时间，在过程控制器调节下，开启排泥泵，当达到预先设定的排泥时间后，关闭排泥泵；当达到预先设定的闲置时间后，系统读取预先设定的整个反应的循环次数设定值，若未达到预先设定的循环次数，则系统由过程控制器自动循环从工序I开始；当达到预先设定的整个反应的循环次数后，系统停止运行。 
控制策略的流程如图2所示。 
本发明的有益效果： 
本发明设计的SBR工艺鼓风机节能供氧优化控制方法与现有技术相比，具有下列优点： 
1)脱氮效果好，出水氨氮小于1mg/L、总氮小于5mg/L，2002年国家颁布的排污标准中，对城镇污水最严格的排放标准为出水氨氮小于5mg/L、总氮小于15mg/L，本发明的出水氨氮和总氮远低于国家颁布的排污标准。 
2)因变频器具有结构简单、性能可靠、节能显著的特点，且能实现溶解氧与鼓风量闭环自动控制，使鼓风量更能适应工艺要求，提高污水处理效果，降低鼓风机曝气能耗，与恒定曝气量的控制方式相比，本发明提供的方法可节省40％左右的电耗。 
3)以频率f作为控制参数建立的实时过程控制策略，可准确的控制生物脱氮过程中的好氧曝气时间，从根本上解决了曝气时间不足所引起的硝化不完全和曝气时间过长所带来的运行成本的提高和能源的浪费。并且能够根据 原水水质水量的变化实时控制各个生化反应所需的反应时间，实现具有智能化的控制，保证出水水质的前提下优化节能。 
本发明可广泛应用于中小城镇城市污水或有机物、氮素含量变化较大的工业废水的处理，特别适用于已采用SBR工艺的污水处理厂或准备采用SBR工艺的污水处理厂。 
附图说明
图1是本发明SBR工艺鼓风机节能供氧优化控制装置结构示意图 
图2是SBR工艺鼓风机节能供氧优化控制策略流程图 
图3是曝气阶段系统的控制参数变化规律与污染物去除效果； 
图1中，1-SBR反应器、2-进水管、3-出水管、4-碳源投加管、5-进水泵、6-碳源投加泵、7-进水阀门、8-出水阀门、9-碳源投加管阀门、10-曝气管、11-进气阀门、12-鼓风机、13-搅拌器、14-DO传感器、15-DO测定仪、16-计算机、17-变频器、18-信号输入接口、19-信号输出接口、20-过程控制器、21-进水继电器、22-出水继电器、23-曝气继电器、24-碳源投加泵继电器、25-搅拌器继电器、26-显示器。 
具体实施方式
结合实施例，如图2，图3所示，说明本发明工艺的运行操作工序： 
以某大学家属区排放的实际生活污水作为实验对象(pH＝6.5～7.8，COD＝260～350mg/L，TN＝75～80mg/L。所选择的SBR反应器有效容积150L，每周期进水量为100L，反应器内混合液的COD浓度维持在200～300mg/L，NH4 +-N浓度在55～60mg/L，反应器内初始的污泥浓度在3.5～4.0g.L-1，泥龄维持在15d左右，反应温度25℃。外加碳源采用浓度为95％乙醇。具体过程如下： 
I 进水  应用本发明所提供的SBR工艺鼓风机节能供氧优化控制装置，首先打开进水阀门，启动进水泵将待处理的废水注入SBR反应器，通过过程控制器设定进水时间为10分钟，进水泵的流量为10L/min，进水10分钟后进水100L，关闭进水泵和进水阀门，进入第II道工序。 
II 曝气  打开进气阀门，启动鼓风机，对反应系统进行曝气。利用DO传感器采集DO信号，并通过过程控制器和变频器调节鼓风机的频率f。如果DO小于1.5mg/L，就增大鼓风机的频率f，即增大鼓风机的叶轮转 速，加大风量；如果DO浓度大于1.5mg/L，就减小鼓风机的频率，即减小风量。 
同时采集频率f作为SBR法好氧硝化过程的实时控制参数。将频率f的数字信号输入过程控制器，滤波处理，求导计算，得到过程实时控制变量，并对得到的控制变量进行比较，曝气过程结束条件为下列三个条件其中任意一条，即可停止曝气进行搅拌，①曝气时间t＞2h，频率f小于15Hz；②曝气时间t＞2h，频率f出现下降速度加快的变化点；③曝气时间t＞6h。当满足以上条件之一时，好氧曝气过程结束，系统内的氨氮被氧化为硝态氮，执行机构关闭鼓风机及进气阀，停止曝气，系统将进入第III道工序； 
III投加外碳源搅拌  为了将好氧阶段产生的硝态氮还原为氮气，设定乙醇的投量为5ml，开启碳源投加管上的阀门和乙醇投加泵，投加的乙醇5ml后关闭碳源投加泵和碳源投加管上的阀门，投加碳源的同时开启搅拌器，设定搅拌时间为2小时。搅拌结束后，关闭搅拌器，进入第IV道工序； 
IV沉淀  通过过程控制器设定沉淀时间为1小时，此时进水阀门、进气阀门、排水阀门和排泥阀门均关闭。 
V排水  在过程控制器调节下，打开排水阀门，将处理后水经出水管排到反应器外。排水结束后，关闭出水管上的阀门。 
VI闲置  根据需要，设定闲置时间为2小时，排泥时间为5分钟，在过程控制器调节下，开启排泥泵，当达到预先设定的排泥时间后，关闭排泥泵。当达到预先设定的闲置时间2小时后，系统读取预先设定的整个反应的循环次数设定值，此次操作设定循环次数为1次，所以系统停止运行。 
利用SBR工艺鼓风机节能供氧优化控制方法和装置，最终出水中COD小于50mg/L、氨氮小于2mg/L，远低于国家一级排放标准所要求的总氮浓度。与恒定曝气量的控制方式相比，节省了40％左右的电耗。 
本发明的实时控制装置实施例参见图1，由SBR反应器1连接进水管2、出水管3、碳源投加管4、曝气管10；进水管2和进水泵5之间设置进水阀门7；碳源投加管4和碳源投加泵6之间设置碳源投加管阀门9；出水管设置出水阀门8，曝气管10设置进气阀门11，曝气管进口处与鼓风机12相连； 
在SBR反应池内置有搅拌器13、DO传感器14，DO传感器经导线与DO测定仪15连接后与计算机16的数据信号输入接口18连接，DO测定仪同时与变频器17相连，变频器17同时与鼓风机12、计算机16的信号输入接口18连接，计算机的信号输出接口19经导线连接过程控制器20，过程控制器的进水继电器21、出水继电器22、曝气继电器23、碳源投加泵继电器24、搅拌器继电器25经接口分别与进水阀门7、出水阀门8、进气阀门11、碳源投加泵6和搅拌器13相连接。控制界面可在显示器26上显示。 

Claims (1)

1.一种应用SBR工艺供氧节能优化控制装置进行优化控制方法，该装置包括SBR反应器(1)连接进水管(2)、出水管(3)、碳源投加管(4)、曝气管(10)；进水管(2)和进水泵(5)之间设置进水阀门(7)；碳源投加管(4)和碳源投加泵(6)之间设置碳源投加管阀门(9)；出水管设置出水阀门(8)，曝气管(10)设置进气阀门(11)，曝气管进口处与鼓风机(12)相连；在SBR反应池内置有搅拌器(13)、溶解氧浓度DO传感器(14)，
DO传感器(14)经导线与DO测定仪(15)连接后与计算机(16)的数据信号输入接口(18)连接，DO测定仪(15)与变频器(17)相连，变频器(17)同时与鼓风机(12)、计算机(16)的数据信号输入接口(18)连接，计算机的数据信号输出接口(19)经导线连接过程控制器(20)，过程控制器的进水继电器(21)、出水继电器(22)、曝气继电器(23)、碳源投加泵继电器(24)、搅拌机继电器(25)经信号输出接口(19)分别与进水阀门(7)、出水阀门(8)、曝气管进气阀门(11)、碳源投加泵(6)和搅拌器(13)相连接；
其特征在于，包括以下步骤：
I进水  根据进水量确定进水时间，并通过过程控制器对计时器进行设定，系统启动后，启动进水泵将待处理的废水注入SBR反应器，当达到预先设定的时间后，关闭进水泵和进水阀门，进入第II道工序；
II曝气  打开进气阀门，启动鼓风机，对反应系统进行曝气；利用DO传感器采集DO信号，并通过过程控制器和变频器调节鼓风机的频率f；如果DO小于1.5mg/L，就增大鼓风机的频率f，即增大鼓风机的叶轮转速，加大风量；如果DO浓度大于1.5mg/L，就减小鼓风机的频率，即减小风量；
同时采集频率f作为SBR法好氧硝化过程的实时控制参数；将频率f的数字信号输入过程控制器，滤波处理，求导计算，得到过程实时控制变量，并对得到的控制变量进行比较确定是否结束曝气，曝气过程结束条件为下列三个条件其中任意一条，即可停止曝气进行搅拌，①曝气时间t＞2h，频率f小于15Hz；②曝气时间t＞2h，频率f出现下降速度加快的变化点；③曝气时间t＞6h；当满足以上条件之一时，好氧曝气过程结束，系统内的氨氮被氧化为硝态氮，执行机构关闭鼓风机及进气阀门，停止曝气，系统进入第III道工序；
III投加外碳源搅拌
根据需要投加碳源的量设定碳源投加泵的开启时间，开启碳源投加管上的阀门和碳源投加泵，达到设定的时间后关闭碳源投加泵和碳源投加管上的阀门，投加碳源的同时开启搅拌器；搅拌结束后，关闭搅拌器，进入第IV道工序；
IV沉淀  设定沉淀的时间，并通过过程控制器进行计时，当达到预先设定的沉淀时间后，进入第V道排水工序；
V排水  设定排水的时间，打开出水阀门，将处理后水经出水管排到反应器外；排水结束后，关闭出水管上的阀门；
VI闲置  设定闲置时间和排泥泵的运行时间，在过程控制器调节下，开启排泥泵，当达到预先设定的排泥时间后，关闭排泥泵；当达到预先设定的闲置时间后，系统读取预先设定的整个反应的循环次数设定值，若未达到预先设定的循环次数，则系统由过程控制器自动循环从工序I开始；当达到预先设定的整个反应的循环次数后，系统停止运行。
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