CN102629134B - 城市污水处理Orbal氧化沟抗工业毒性污染物冲击的调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种城市污水处理Orbal氧化沟抗工业毒性污染物冲击的调控系统，涉及接纳高比例工业废水的Orbal氧化沟污水厂抗工业毒性污染物冲击、维持氧化沟污泥活性及处理效能的技术。本发明是基于毒性相关性分析结果选取pH和电导率作为综合毒性反映和预警的指标，在Orbal氧化沟活性污泥中毒试验分析的基础上确定毒性预警阈值，根据管网特点选取毒性监测点，建立工业毒性污染预警在线监控和无线远传系统。在此基础上建立与管网监控系统联动的Orbal氧化沟运行联动调控系统，通过调节进水流量、污泥回流比和曝气强度，增强Orbal氧化沟对工业毒性污染物冲击的抗性，维持沟内生物活性，保证污水的处理效能。

Description

城市污水处理Orbal氧化沟抗工业毒性污染物冲击的调控系统

技术领域

本发明属于污水处理、环境保护技术领域，具体涉及一种Orbal氧化沟城市污水处理厂抗工业毒性污染物冲击的调控系统。适用于接纳高比例工业废水的Orbal氧化沟污水处理厂(或处理站)的日常运行。

背景技术

城市排水管网中污水常含有对污水处理厂生物处理系统存在危害的毒性污染物，这些毒性污染物绝大多数来源于工业企业。2010年，工业废水排放量为237.5亿吨，占我国城市污水排放总量的38％。并且，由于工业企业涉及范围广泛，所排放废水性质千差万别，物质成分也较复杂，其生产废水中常含有重金属、有毒有机物等对生物处理系统造成威胁的污染物质。目前，我国针对工业废水排放的监测设施和监管制度尚不够完善，企业偷排、不达标排放现象时常出现，导致大量有毒物质经城市排水管网进入城市污水厂，常对城市污水处理厂污水生物处理系统正常功能的造成严重影响，导致活性污泥微生物活性降低、污水处理效果下降，出水无法达标、甚至生物处理系统崩溃，造成环境污染和生物处理系统重新启动带来的经济损失。Orbal氧化沟是我国当前城市污水处理厂常用的污水生物处理工艺，具有处理效果好、投资省、能耗少、运行管理简便等优点。然而，接纳高比例工业废水的Orbal氧化沟，往往面临工业毒性污染物的威胁，氧化沟处理效率下降，严重时甚至出现整个氧化沟活性污泥系统崩溃，大量城市污水不能处理而排放的严重运行事故。因此，开发针对接纳高比例工业废水污水厂Orbal氧化沟抗工业毒性污染物冲击的调控系统和方法，对保证Orbal氧化沟的正常运行、避免环境污染事故具有十分重要的现实意义。

目前已有关于城市污水毒性检测的相关报道，例如利用发光菌、pH或BOD等指标表征城市污水的毒性，但未有同时利用pH和电导率的在线监测来综合反映污水工业毒性的报道，而且国内外均未见关于城市排水管网中工业毒性污染物在线监控与污水厂抗工业毒性污染物冲击联动调控技术的相关报道，更无具体的应用实例。

发明内容

本发明涉及的城市污水处理Orbal氧化沟抗工业毒性污染物冲击的联动调控系统，是针对Orbal氧化沟污水处理厂受工业毒性污染物冲击危害出现运行问题而提出的，是污水厂自动规避工业毒性污染物冲击，保证污水厂正常运行、避免污染事故的成套系统。该系统的实施可实现Orbal氧化沟污水处理厂对工业毒性污染物的自动预警、决策和联动调控等问题，旨在避免工业废水毒性污染物对生物处理系统活性影响，保证Orbal氧化沟在受工业废水毒性污染物冲击时的处理效果。

本发明的技术方案如下：

本系统组成包括管网毒性监控系统、联动调控系统、厂内控制系统三部分；

所述管网毒性监控系统包括污水厂服务区排水管网内分布的工业毒性污染监测点、每个监测点安装的pH计和电导仪、以及无线数据远传设备；所述pH计和电导仪在线监测并表征管网内的酸碱、重金属以及有毒有机物等工业毒性污染物的排放和浓度情况，监测到的数据使用GPRS无线数据远传设备上传至联动调控系统服务器。

所述联动调控系统用于完成管网监控系统数据的接收、分析以及实施对厂内操控设备的自动控制。所述联动调控系统包括接收数据信号的远程无线收发控制器、联动调控决策软件及作为其运行平台的工控机以及实现厂内操控设备自动控制的可编程逻辑控制器PLC。

所述厂内控制系统指具体执行联动调控系统指令的Orbal氧化沟工况调节操控设备，包括安装在管网中的氧化沟进水流量调节电动闸阀、应急池、曝气机转刷及其转速调节变频器、污泥回流泵及污泥回流泵流量调节变频器，它们均由联动调控系统可编程逻辑控制器PLC控制。

所述三部分系统以基于联动调控规程的联动调控决策软件为核心，采用实现厂内操控设备自动控制的可编程逻辑控制器PLC来实现Orbal氧化沟抗工业毒性污染物冲击的自动优化运行调控功能。

本发明是将pH和电导率作为工业毒性的综合反映指标，在毒性阈值报警的基础上通过基于联动调控规程模块的联动调控系统自动调节进水流量、污泥回流比和曝气强度，在工业毒性污染物冲击时维持Orbal氧化沟生物活性和处理效能。

调控步骤如下：

首先，位于排水管网中的水质监测点将监测到的pH和电导率指标数据通过GPRS无线传输设备实时传输至污水厂控制中心的联动调控系统；

控制中心接收数据信号，以联动调控规程模块为核心的联动调控决策软件对数据进行分析，并对得到的结果进行判断：

如果监测指标达到报警阈值，则发出调控指令；

可编程逻辑控制器(PLC)接收指令，并实现对电动闸阀、曝气机变频器、回流泵变频器等设备的自动控制，使其达到调控规程中设定的工作状态，以应对工业毒性污染物对氧化沟的冲击；

如果接收到监测点处传回的数据显示监测点处pH和电导率指标逐渐恢复正常，并达到了调控规程中规定恢复正常操作的阈值范围，则发出恢复指令；

可编程逻辑控制器(PLC)接收恢复指令，并对电动闸阀、曝气机变频器、回流泵变频器等设备进行自动控制，使其恢复正常工作状态，结束调控。

所述联动调控规程是Orbal氧化沟应对工业毒性污染物冲击时的工况调节方法，作为程序写入联动调控决策软件，在联动调控系统中作为联动调控决策软件系统的核心模块。联动调控规程包含预设的4个部分，分别为：

a、调控启动条件，是联动调控启动的数据依据，启动条件由3部分组合而成，分别为控制指标pH和电导率的阈值、污水厂进水流量Q和响应时间t；

b、联动操控动作，其与调控启动条件逐一对应，是通过工况调节使Orbal氧化沟的工艺参数达到设定数值，包括污水厂进水流量、氧化沟内DO浓度、污泥回流比；

c、联动操控动作对应的控制参数，指为实现上述联动调控动作，污水处理设备所要达到的具体运行参数，包括污水厂进水闸阀开启程度、氧化沟曝气机变频器的频率、回流泵变频器的频率；

d、恢复正常操作的条件，其与调控启动条件相对应，是结束调控的条件，包括控制指标pH、电导率的恢复阈值及达到恢复阈值的持续时间。

根据监测点位置、受纳污水量特征，不同的监测点数据有不同的调控规程与之一一对应。

所述联动调控规程的运作流程参见图1：

首先对控制指标pH和电导率数值及当时的污水厂进水流量(Q)进行判断，看其是否达到某一启动条件(即启动条件中的3个组成部分同时得到满足)；

若达到，则进行t＝0min时对应的联动操控动作，并控制污水处理设备按照设定参数(即与启动条件对应的联动操控动作对应的控制参数)运行，完成联动操控动作；

此后，如调控启动条件组成部分中任一部分达到了新的范围，达到了新的启动条件，则控制调控污水处理设备按照新的设定参数(即与启动条件对应的联动操控动作对应的控制参数)运行，完成新的联动操控动作；

在某一调控启动条件已达到，并且与之对应的联动操控动作正在实施的过程中，若监测到控制指标(pH、电导率)数值恢复正常，并且控制指标的数据及其持续时间达到了此联动操控动作对应的恢复正常操作的条件，则停止联动调控操作，并使污水处理设备恢复正常运行。

本发明技术的优点：

①本发明采用pH和电导率作为管网工业毒性的综合反映和预警指标，所选取的管网工业毒性污染物综合反映指标具有易于实现在线监测、准确性高、受工业废水条件(例如色度、浊度)影响小以及日常运行维护费用低等优点。

②本发明的联动调控规程通过多种运行调控技术(进水量、回流比和曝气量的调节)的综合运用，能有效提高氧化沟内活性污泥的微生物量和微生物活性，从而应对工业废水中有毒物质的冲击影响。这一技术区别于对某种单一毒性的单一应对方法，因此可应对的工业废水的性质类别更为广泛。

③本发明的联动调控规程在不同预警阈值、流量和持续时间下规定了不同操控动作以及解除警报、恢复Orbal氧化沟正常运行的条件。使对氧化沟工况调节更为细致，较普通的事故应对工况调节更为准确和节能。

④本发明的联动调控规程的具体参数可以根据Orbal氧化沟处理规模、管网服务工业区的工业特点等进行调整，使本发明技术应用具有很强的灵活性。

④本发明的3个系统有机联系，具有快速决策、快速报警和快速自动反应的特点，尤其适用于应对工业企业偷排、漏排导致工业毒性污染物对污水厂冲击的等突发环境事件。

本发明是保障城市污水处理设施安全运行领域的一项技术突破。

附图说明

图1是联动调控规程运行流程图；

图2是本发明城市污水处理Orbal氧化沟抗工业毒性污染物冲击的调控系统的基本组成框图；

图3是本抗工业毒性污染物冲击调控系统的调控流程框图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明：

参见图2，具体的抗工业毒性污染物冲击的联动调控系统由管网监控系统、联动调控系统和厂内控制系统3部分组成，它们的具体实现如下：

①管网监控系统

管网监控系统包括污水厂服务区排水管网内分布的工业毒性污染监测点、在线监测仪(pH计和电导仪)和无线数据远传设备。技术核心是为以pH和电导作为工业毒性污染物的综合反映指标，表征管网内的酸碱、重金属以及有毒有机物等工业毒性污染物的排放和浓度情况。目前最常用的工业毒性表征方法采用生物检测，主要利用各类发光菌的发光强度，该方法的局限在于需要菌种的复苏及更换，难以实现在线监测，受工业废水条件(例如色度、浊度)影响大以及日常运行维护难度大等。本发明所采用的pH和电导同时表征工业毒性建立在管网污水毒性与pH/电导相关性基础上，具有易于实现在线监测、运行费用低等优势。其中pH主要表征废水的酸碱污染、pH+电导率表征重金属或有毒有机物污染。

监测点的选取根据管网布置和汇水区工业分布特征确定。管网监控系统在线监测数据使用GPRS无线传输模式，即可采用KL-N7000系列模块，将监测点现场的标准信号通过GPRS无线网络上传至服务器，从而实现无线监控的目的。该数据传输方式的特点是监控范围广，不受现场布线的限制，只要有GPRS信号的地方即可传输采样信号。KL-7000系列模块还具有短信报警功能，可将在线监测仪器采样数据通过短信的形式通知到相关管理人员。当KL-7000数据采集模块采集到的信号超过所设置的报警限值时就会将预设好的短信内容发送到指定的手机上。当设置短信报警功能时候，GPRS数据传输功能会在发短信阶段中断，在短信发送成功后GPRS通讯自动恢复。

②联动调控系统

联动调控系统指完成管网监控系统数据收发、分析和污水厂运行调控控制动作的相应软件及硬件系统。本发明开发了基于管网有毒有害工业污染物在线监测的厂区联动调控决策软件，软件在联动调控规程规定的指令下，可实现a.远程采样信号无线接收、分析和报警；b.厂内曝气机节能自动控制；c.厂内污泥回流优化自动控制；d.厂内及厂外溢流闸阀自动开闭。

联动调控系统的核心技术为联动调控规程。联动调控规程是Orbal氧化沟应对工业毒性污染物冲击时的工况调节方法，作为程序写入联动调控决策软件，在联动调控系统中作为联动调控决策软件系统的核心模块。联动调控规程包括在不同预警阈值、流量和持续时间下氧化沟抗工业毒性污染物冲击的操控动作(流量、回流比和曝气量的调节)以及解除警报、恢复Orbal氧化沟正常运行的条件。

联动调控规程的确定是建立在Orbal中试氧化沟模型实验研究的基础上，表1、表2、表3为一套具体的调控规程，3个调控规程表格分别对应3个监测点的监测数据。监测点检测到的pH和电导率、响应时间及污水厂进水流量做为启动调控的初始条件，初始条件根据污水厂服务区水质特点及Orbal中试氧化沟模型实验结果来确定。联动调控动作的确定建立在Orbal氧化沟受工业毒性冲击试验的实验研究基础上，能使Orbal氧化沟在毒性污染物冲击时增强沟内活性污泥的生物活性及生物总量，保障出水效果。联动调控动作对应的控制参数与联动操控动作一一对应，是通过对控制设备(进水电动闸阀、氧化沟曝气机变频器、回流泵变频器)的多次运行调试来确定。恢复正常操作条件与调控启动条件一一对应，同样根据Orbal氧化沟中试模型实验结果确定。调控规程中具体参数可以根据Orbal氧化沟处理规模、管网服务工业区的工业特点等进行调整。

③厂内控制系统

厂内控制系统指Orbal氧化沟在受工业毒性污染物冲击时完成其维持生物活性工况调节动作所涉及的厂内操控设备。具体包括氧化沟进水流量调节电动闸阀、应急池、曝气机转刷及其转速调节变频器、污泥回流泵及污泥回流泵流量调节变频器。

以上系统完成的Orbal氧化沟在受工业毒性污染物冲击联动调控动作的运行流程参见图3：

首先，位于排水管网中的水质监测点将监测到的pH和电导率指标数据通过GPRS无线传输设备实时传输至污水厂控制中心的联动调控系统；

控制中心接收数据信号，以联动调控规程模块为核心的联动调控决策软件对数据进行分析，并对得到的结果进行判断：

如果监测指标达到报警阈值，则发出调控指令；

可编程逻辑控制器(PLC)接收指令，并实现对电动闸阀、曝气机变频器、回流泵变频器等设备的自动控制，使其达到调控规程中设定的工作状态，以应对工业毒性污染物对氧化沟的冲击；

如果接收到监测点处传回的数据显示监测点处pH和电导率指标逐渐恢复正常，并达到了调控规程中规定恢复正常操作的阈值范围，则发出恢复指令；

可编程逻辑控制器(PLC)接收恢复指令，并对电动闸阀、曝气机变频器、回流泵变频器等设备进行自动控制，使其恢复正常工作状态，结束调控。

本发明“城市污水处理Orbal氧化沟抗工业毒性污染物冲击的调控系统”在重庆市城北Orbal氧化沟污水处理厂试用情况如下：

重庆市城北污水厂处理规模为4万m³/d，服务面积约10平方公里，服务人口约6万，处理渝北两路北部城区的生活污水和渝北空港工业园区100多家工业企业的工业排水。污水管网主干管总长约47km。污水厂总进水量中由空港工业园区排入的工业废水约占污水厂总进水量的30％～50％，该Orbal氧化沟污水厂经常遭受到来自空港工业园区偷排的工业废水的冲击，严重影响生物处理系统的处理效果，有时甚至出现氧化沟活性污泥系统的崩溃。

重庆市城北污水厂联动优化调控系统整体布置包括重庆市空港工业园区内排水管网监测系统、联动调控系统、污水厂内控制系统。管网监测系统中的监测点1、2、3分别设在污水厂进水总管及工业园区内两片区企业排水管网的汇聚点上。监测点检测到pH、电导率等数据通过GPRS远程传输实时传送至联动调控系统，做为联动调控系统报警及厂内控制系统动作的数据依据。

本发明的系统和方法2011年1月在重庆市城北污水厂建成试用，从2011年1月运行至今，通过排水管网在线监测设备对非正常工业废水排放的实时捕捉，污水厂调控系统的联动调控，成功消解了严重工业废水冲击负荷2次，普通冲击负荷6次，避免了污水厂因工业废水冲击而非正常排放。在发明的系统和方法实施以前，城北污水处理厂经常受到工业废水冲击，且常常导致活性污泥系统崩溃，致使污水厂出水水质恶化，成为该厂出水不能超标排放的主要原因。本项目之前，大小工业废水冲击影响平均每1月发生1次，发生后导致1-10天左右的出水水质不达标。本发明应用后有效避免了污水厂的不达标排放，保证处理出水水质达到《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)一级B标的要求。通过计算，每年可以有效削减污染物排放以COD计191吨，以NH₃-N计25吨。实现了示范区现有污染物排放量的基础上进一步削减20％以上。

表1.联动调控规程(1)-监测点1在线监测数据的响应规程

注：监测点1：代表总体水质，作为进水碱度总控制点。响应时间t指出现控制指标对应范围后持续的时间，以该时间确定响应联动操作的启动。控制指标范围为从第一次出现该阈值浓度起到响应时间时的指标均值。

表2.联动调控规程(2)-监测点2在线监测数据响应规程

注：监测点2：代表西工业片区水质，作为高碱度和有毒有机废水控制点。响应时间t指出现控制指标对应范围后持续的时间，以该时间确定响应联动操作的启动。控制指标范围为从第一次出现该阈值浓度起到响应时间时的指标均值。

表3.联动调控规程(3)-监测点3在线监测数据响应规程

注：监测点3：代表东工业水质，作为酸性废水、重金属和有毒有机物排放控制点。响应时间t指出现控制指标对应范围后持续的时间，以该时间确定响应联动操作的启动。控制指标范围为从第一次出现该阈值浓度起到响应时间时的指标均值。

Claims (1)

1.城市污水处理Orbal氧化沟抗工业毒性污染物冲击的调控系统，其包含管网毒性监控系统、联动调控系统、厂内控制系统三部分；其特征在于：

所述管网毒性监控系统包括污水厂服务区排水管网内分布的工业毒性污染监测点、每个监测点安装的pH计和电导仪、及无线数据远传设备；所述pH计和电导仪在线监测并表征管网内的酸碱、重金属以及有毒有机物这些工业毒性污染物的排放和浓度情况，监测到的数据使用GPRS无线数据远传设备传至联动调控系统服务器；

所述联动调控系统用于完成管网监控系统数据的接收、分析以及实施对厂内操控设备的自动控制；所述联动调控系统包括接收数据信号的远程无线收发控制器、联动调控决策软件及作为其运行平台的工控机以及实现厂内操控设备自动控制的可编程逻辑控制器PLC；

所述厂内控制系统指具体执行联动调控系统指令的Orbal氧化沟工况调节操控设备，包括安装在管网中的氧化沟进水流量调节电动闸阀、应急池、曝气机转刷及其转速调节变频器、污泥回流泵及污泥回流泵流量调节变频器，它们均由联动调控系统可编程逻辑控制器PLC控制；

所述三部分系统以基于联动调控规程的联动调控决策软件为核心，采用实现厂内操控设备自动控制的可编程逻辑控制器PLC来实现Orbal氧化沟抗工业毒性污染物冲击的自动优化运行调控功能；

所述调控系统将pH和电导率作为工业毒性的综合反映指标，通过pH和电导率的毒性报警阈值对氧化沟进行调控，所述调控的步骤如下：

首先，排水管网中的水质监测点将监测到的pH和电导率指标数据通过GPRS无线传输设备实时传输至污水厂控制中心；

控制中心联动调控系统工控机接收数据信号，联动调控决策软件对数据进行分析，并通过软件中联动调控规程模块对数据分析结果进行判断；

如果pH和电导率数据结果达到报警阈值，联动调控决策软件发出调控指令；

可编程逻辑控制器（PLC）接收指令，并实现对电动闸阀、曝气机变频器、回流泵变频器的自动控制，使其达到调控规程中设定的工作状态，以应对工业毒性污染物对氧化沟的冲击；

如果接收到监测点处传回的数据显示监测点处pH和电导率指标逐渐恢复正常，并达到了调控规程中规定恢复正常操作的阈值范围，则发出恢复指令；

可编程逻辑控制器（PLC）接收恢复指令，并对电动闸阀、曝气机变频器、回流泵变频器设备进行自动控制，使其恢复正常工作状态，结束调控；

所述调控规程是以调控规程模块的形式写入调控决策软件，所述调控规程包含预设的4个部分，分别为：

a、调控启动条件，是联动调控启动的数据依据，启动条件由3部分组合而成，分别为控制指标pH和电导率的阈值、污水厂进水流量Q和响应时间t ；

b、联动操控动作，其与调控启动条件逐一对应，是通过工况调节使Orbal氧化沟的工艺参数达到设定数值，包括污水厂进水流量、氧化沟内DO浓度、污泥回流比；

c、联动操控动作对应的控制参数，指为实现上述联动调控动作，污水处理设备所要达到的具体运行参数，包括污水厂进水闸阀开启程度、氧化沟曝气机变频器的频率、回流泵变频器的频率；

d、恢复正常操作的条件，其与调控启动条件相对应，是结束调控的条件，包括控制指标pH、电导率的恢复阈值及达到恢复阈值的持续时间。

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