CN103176483A - 用于控制膜池曝气量的方法及其系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于控制膜池曝气量的方法，依次为：根据实时采集的膜通量与跨膜压差的数据计算每个产水周期的渗透性、每天的渗透性以及当前渗透性的变化率；设置渗透性变化率参考值，并计算当前渗透性变化率与渗透性变化率参考值的比值；对当前渗透性变化率与渗透性变化率参考值的比值进行判断以调整曝气量。实施上述方法的系统，包括压力计、流量计、曝气流量控制装置、变频器、鼓风机与曝气管，压力计和流量计均是与曝气流量控制装置相连接，曝气流量控制装置依次与变频器、鼓风机以及曝气管相连接。本发明利用膜的渗透性的变化趋势作为控制参数调控膜池曝气所需的曝气量，以达到降低膜池曝气能耗的目的。

Description

用于控制膜池曝气量的方法及其系统

技术领域

本发明涉及水处理技术领域，尤其是一种用于控制膜池曝气量的方法及其系统。

背景技术

MBR污水处理技术是当今污水处理领域的前沿技术，正在逐步取代传统的活性污泥法。MBR技术将膜过滤过程和生化处理过程结合在一起，采用超滤/微滤膜对好氧池出水直接过滤，加速了微生物对污染物的降解，成倍地提高了污水处理效率。同时由于MBR技术利用膜的分离作用，使其以膜分离装置取代常规活性污泥工艺的二沉池、砂滤等单元，大大简化了工艺、节省了占地，消除了传统技术的不足。因而，MBR技术与传统的活性污泥法相比，具有高品质的出水水质、产生的剩余污泥量小、操作简单、占地面积小等优点。

然而，MBR在使用过程中的最主要的缺点是浸没式膜极易被污染，为了减缓膜的污染速度，需要对膜进行空气擦洗和化学清洗。目前，常规浸没式MBR运行能耗约为0.6-2kWh/m³，高能耗制约着此项技术的应用和推广。MBR使用过程中能耗的来源主要为：膜池膜擦洗曝气鼓风机、生化池曝气鼓风机、污泥回流泵、抽吸泵、进水提升泵和缺氧区搅拌器。在这些能耗中，膜池鼓风机的能耗占45%，生化池鼓风机的能耗占36%，出水自吸泵的能耗占13%，其他耗能设备的能耗占6%。

膜池曝气的主要功能是通过气体对膜表面沉积的固体颗粒物进行擦洗，以减轻膜污染，维持膜的通透性，并给生物质提供氧气。目前，很多膜厂家膜池的曝气方式为连续曝气，曝气量根据膜厂家的建议设定为一较大的固定值，以高曝气减缓膜污染，且在不同的处理工况下，例如不同的进水流量、进水水质下，曝气量均维持恒定。目前的曝气方式非常简单和有限，缺乏操作条件变化时的灵活性，且没有考虑到节能降耗。实际上，膜池曝气的目的是控制膜污染、维持膜的通透性，因而曝气方式和曝气量可以根据膜污染的实际情况进行调整。

CN200520145851.1公开了一种间歇曝气、间歇出水的膜生物反应器，通过在曝气管上串接继电器和电磁阀来控制曝气和间歇时间，人为地创造出一种好氧和厌氧或缺氧的条件，以提高整体的脱氮效果。在污泥浓度（MLSS）为3.5g/L时，曝气量为200L/h，曝气10min，间歇3min。

CN200710304282.4公开了一种间歇式曝气膜生物反应器，该反应器的操作步骤为：进水→搅拌1-2小时→曝气→静沉10-20分钟→吸出上清液，这些过程依次进行，在反应器内交替造成好氧和缺氧环境，使反应器达到较好的脱氮效果。

CN200720141486.6公开了一种脉冲曝气式膜生物反应器，其供气装置中每只供气主管分别与两套曝气装置相连，一套曝气装置对应一套膜组件及一套气动阀，每套曝气装置与其串联的气动阀连接，通过PLC控制器控制气动阀周期性开启和闭合，一个周期的时间为20秒到60秒，且在同一个周期中气动阀开启和闭合的时间相同。该设计通过气动阀周期性开启和闭合，实现了向各膜组件周期供气，减少了膜生物反应器的总曝气量。

上述现有专利技术的主要特征为以时间为控制变量，对膜组件进行周期性的曝气。而没有将膜的实际污染情况与曝气环节进行关联。

MBR操作过程中的许多参数相互关联并且共同影响操作效果。膜的产水速度决定了胶体和固体颗粒向膜表面的传质速度；产水过程导致了浓差极化（CP）和膜表面的滤饼层的累积。一般来说，产水速度越快，浓差极化和滤饼层的形成速度越快。而浓差极化和滤饼层会导致恒压操作方式下的膜通量的下降或恒膜通量操作方式下的跨膜压差（TMP）的增大。膜池曝气气流横向流过膜表面，使得存留在膜表面的胶体和固体颗粒物离开膜表面。从理论上讲，如果由产水引起的固体颗粒向膜表面的流动速度小于由于曝气引起的固体颗粒离开膜的速度，固体颗粒就不可能在膜表面沉积。因而，在一定范围内，提高擦洗曝气量对减小膜污染非常有效，但是当曝气量大于某一临界值后，再提高曝气量对滤饼层厚度的减小没有明显作用。

发明内容

本发明提供了一种根据膜的渗透性的变化趋势作为控制参数以调整膜池曝气量的方法及其系统。

本发明提供一种用于控制膜池曝气量的方法，包括以下步骤：

S1、根据实时采集的膜通量与跨膜压差数据计算每个产水周期的渗透性K_n、每天的渗透性K_d以及当前渗透性的变化率

S2、设置渗透性变化率参考值V_ref，并利用下式计算当前渗透性变化率与渗透性变化率参考值V_ref的比值R，其公式为：

$R=\left(\frac{d{K}_d}{\mathrm{dt}}\right)/V_{\mathrm{ref}};---\left(2\right)$

S3、对当前渗透性变化率与渗透性变化率参考值的比值R进行判断以调整曝气量。

进一步地，在步骤S1中，根据下式定义膜的渗透性K，

$K=\frac{J}{\mathrm{TMP}},---\left(1\right)$

其中：K为膜的渗透性，LMH/bar；J为膜通量，单位时间通过单位膜面积的产水量，LMH；TMP为跨膜压差，bar。

根据下式定义第n个产水周期膜的渗透性K_n，

$K_n=\frac{J_n}{\mathrm{TM}{P}_n},---\left(3\right)$

其中：K_n为第n个产水周期的膜的渗透性，J_n为第n个产水周期的膜通量的平均值，TMP_n为第n个产水周期的跨膜压差的几何平均值。

根据下式得出第n个产水周期的膜通量的平均值，

J_n=(J_s+J_e)÷2，    （4）

其中，J_s为产水期开始时的膜通量，J_e为产水期结束时的膜通量。

根据下式得出第n个产水周期的跨膜压差的几何平均值，

${\mathrm{TMP}}_n=\sqrt{{\mathrm{TMP}}_s\×{\mathrm{TMP}}_e},---\left(5\right)$

其中，TMP_s为产水期开始时的跨膜压差，TMP_e为产水期结束时的跨膜压差。

根据下式由每个产水周期膜的渗透性K_n计算每日的渗透性的平均值K_d，

$k_d=\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{K}_n\right)\÷N,---\left(6\right)$

其中：N表示每天共有N个产水周期。

进一步地，在步骤S3中，若渗透性变化率参考值V_ref<0，根据当前渗透性的变化率与渗透性变化率参考值的比值R确定曝气量，其中，若R<0.5，则曝气量为最小曝气量；若0.5≤R<1.5，则曝气量为中等曝气量；若R≥1.5，则曝气量为最大曝气量。

进一步地，在步骤S3中，若渗透性变化率参考值V_ref>0，根据当前渗透性的变化率与渗透性变化率参考值的相对大小以调整曝气量，其中，若当前渗透性的变化率小于0，则曝气量为最大曝气量；若当前渗透性的变化率大于0，且渗透性变化率参考值小于当前渗透性的变化率，则曝气量为最小曝气量；若当前渗透性的变化率大于0，且渗透性变化率参考值大于当前渗透性的变化率，则曝气量为最大曝气量。

本发明同时还提供一种用于控制膜池曝气量的系统，包括压力计、流量计、曝气流量控制装置、变频器、鼓风机与曝气管，所述压力计和所述流量计均是与所述曝气流量控制装置相连接，所述曝气流量控制装置依次与所述变频器、所述鼓风机以及所述曝气管相连接；所述曝气流量控制装置根据所述压力计和所述流量计的读数计算得出膜通量和跨膜压差的值，并根据膜的渗透性的变化趋势确定曝气量，确定变频器的输出频率，进而调整鼓风机的出风量，最终达到控制膜池曝气量的目的。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明提供一种用于控制膜池曝气量的方法，主要利用膜的渗透性的变化趋势作为控制参数调控膜池曝气所需的曝气量，以达到降低膜池曝气能耗的目的。

在实施上述方法的系统中，根据压力计和流量计的读数计算得出膜通量和跨膜压差的值，并根据膜的渗透性的变化趋势确定曝气量，以控制鼓风机的鼓风量。

附图说明

图1为本发明方法部分的流程图；

图2为本发明方法部分的逻辑计算框图；

图3为膜通量与跨膜压差在一个产水周期中的变化趋势图；

图4为本发明系统部分的结构图；

图5为本发明实施例的跨膜压差与膜的渗透性的变化趋势图；

图6为本发明实施例的实际曝气量图。

主要元件符号说明如下：

1-曝气流量控制装置     2-变频器          3-鼓风机

4-压力计               5-流量计          6-膜组件

7-产水泵               8-膜池            9-产水槽

10-产水管路a           11-产水管路b      12-曝气管

具体实施方式

如图1与图2所示，本发明提供一种用于控制膜池曝气量的方法，包括以下步骤：

S1、根据实时采集的膜通量与跨膜压差数据计算每个产水周期的渗透性K_n、每天的渗透性K_d以及当前渗透性的变化率

在步骤S1中，根据下式定义膜的渗透性K，

$K=\frac{J}{\mathrm{TMP}},---\left(1\right)$

其中：K为膜的渗透性，LMH/bar；J为膜通量，单位时间通过单位膜面积的产水量，LMH；TMP为跨膜压差，bar。

S2、设置渗透性变化率参考值V_ref，并利用下式计算当前渗透性变化率

与渗透性变化率参考值V_ref的比值R，其公式为：

$R=\left(\frac{d{K}_d}{\mathrm{dt}}\right)/V_{\mathrm{ref}};---\left(2\right)$

S3、对当前渗透性变化率与渗透性变化率参考值的比值R进行判断以调整曝气量。

图3所示为一个产水周期中，膜通量J和跨膜压差TMP的变化趋势。

第n个产水周期膜的渗透性K_n的计算方式如下：

$K_n=\frac{J_n}{\mathrm{TM}{P}_n}---\left(3\right)$

其中：K_n为第n个产水周期的膜的渗透性，J_n为第n个产水周期的膜通量的平均值，TMP_n为第n个产水周期的跨膜压差的几何平均值。

根据下式得出第n个产水周期的膜通量的平均值，

J_n=(J_s+J_e)÷2，    （4）

其中，J_s为产水期开始时的膜通量，J_e为产水期结束时的膜通量。

根据下式得出第n个产水周期的跨膜压差的几何平均值，

${\mathrm{TMP}}_n=\sqrt{{\mathrm{TMP}}_s\&times;{\mathrm{TMP}}_e},---\left(5\right)$

其中，TMP_s为产水期开始时的跨膜压差，TMP_e为产水期结束时的跨膜压差，将膜通量与跨膜压差的数据实时进行处理，计算每个产水周期的膜的渗透性。

根据下式由每个产水周期膜的渗透性K_n计算每日的渗透性的平均值K_d，

$k_d=\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_n\right)\&divide;N,---\left(6\right)$

其中：N表示每天共有N个产水周期。

随后，计算当前几天（例如3天、4天或5天）的日渗透性的变化率

将该变化率值与某参考值V_ref进行对比，比值为R，

该参考值的取值不应取一恒定值，而应随着膜的污染趋势的变化而变化。该参考值的取值可以参考污水处理厂的膜的特性，历史操作数据和工人的操作经验，取较长时期的例如10天、15天、或20天的膜的渗透性的变化率。同时，根据操作历史经验确定曝气量的最大值、最小值和中间值。随后根据当前渗透性变化率与渗透性变化率参考值的比值R以及渗透性变化率参考值V_ref确定曝气量。

具体地，若渗透性变化率参考值V_ref<0，根据当前渗透性的变化率与渗透性变化率参考值的比值R确定曝气量，

其中，若R<0.5，则曝气量为最小曝气量；

若0.5≤R<1.5，则曝气量为中等曝气量；

若R≥1.5，则曝气量为最大曝气量。

若渗透性变化率参考值V_ref>0，根据当前渗透性的变化率与渗透性变化率参考值的相对大小以调整曝气量，

其中，若当前渗透性的变化率小于0，则曝气量为最大曝气量；

若当前渗透性的变化率大于0，且渗透性变化率参考值小于当前渗透性的变化率，则曝气量为最小曝气量；

若当前渗透性的变化率大于0，且渗透性变化率参考值大于当前渗透性的变化率，则曝气量为最大曝气量。

如图4所示，本发明同时还提供一种用于控制膜池曝气量的系统，由曝气流量控制装置1、变频器2、鼓风机3、压力计4、流量计5、膜组件6、产水泵7、膜池8、产水槽9与曝气管12构成，其中，压力计4和流量计5的输出端均是与曝气流量控制装置1的输入端相连接，曝气流量控制装置1的输出端依次与变频器2以及鼓风机3的输入端相连接，鼓风机3的输出端通过管路与曝气管12相连通。

压力计4与流量计5安装在泵前产水管路a10上，用于读取跨膜压差和产水量的值，跨膜压差和产水量的数值输入到曝气流量控制装置1，该装置由曝气流量控制软件和计算机组成，曝气流量控制软件用于采集跨膜压差和产水量的数值，计算每个产水周期的膜的渗透性，每日的渗透性，并根据图2的逻辑框图，确定曝气量的大小，进而确定出所需的鼓风机变频器的输出频率。曝气流量控制装置1根据确定的变频器的输出频率，调整鼓风机的变频器，进而调整鼓风机的出风量，达到调整曝气量的目的。每日进行一次曝气量的计算，以确定次日的曝气量。

实施例1

将该控制策略用于一MBR污水处理厂，该厂采用了A²O+MBR的处理工艺，处理规模为20000m³/d。

膜池的相关设计参数为：

表1  实施例污水处理厂主要参数

该污水处理厂的MBR工艺，膜池采用了“连续曝气，间歇抽吸”的工作方式。每过滤10分钟，空曝气2分钟。曝气量的设计参数为60m³/m²/h，所需的总曝气量约为700m³/min。正常工作时，鼓风机设置6台，4用2备，每台鼓风机的设计流量为175m³/min。该厂鼓风机的实际额定流量为200m³/min，正常工作期间，四台鼓风机连续曝气。

在该厂连续监测膜通量和跨膜压差的变化，并根据膜的渗透性的变化趋势调整曝气量。

根据该厂的历史操作数据，本实验中将最大曝气量取为200m³/min，中等曝气量取为150m³/min，最小曝气量取为100m³/min，实验过程中为每台鼓风机添加一个变频器，以调节风量。同时根据该厂历史操作数据，本实验中将渗透性变化率参考值V_ref取为前10天的渗透性的变化率，而当前渗透性的变化率取前3天的渗透性的变化率。随后，根据图2的控制框图调整曝气量。

实验操作数据如下：

表2  曝气量调控实验结果数据表

由表3、图5、图6可以看出根据膜的渗透性可以对膜池擦洗鼓风机的风量进行有效控制，实验期间，共节省曝气量27.5%。而出水水质没有明显变化，达到稳定排放的标准。

惟以上所述者，仅为本发明的较佳实施例而已，举凡熟悉此项技艺的专业人士．在了解本发明的技术手段之后，自然能依据实际的需要，在本发明的教导下加以变化。因此凡依本发明申请专利范围所作的同等变化与修饰，曾应仍属本发明专利涵盖的范围内。

Claims (8)

1.一种用于控制膜池曝气量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、根据实时采集的膜通量与跨膜压差数据计算每个产水周期的渗透性K_n、每天的渗透性K_d以及当前渗透性的变化率

S2、设置渗透性变化率参考值V_ref，并利用下式计算当前渗透性变化率

与渗透性变化率参考值V_ref的比值R，其公式为：

$R=\left(\frac{d{K}_d}{\mathrm{dt}}\right)/V_{\mathrm{ref}};---\left(2\right)$

S3、对当前渗透性变化率与渗透性变化率参考值的比值R进行判断以调整曝气量。

2.根据权利要求1所述的用于控制膜池曝气量的方法，其特征在于，在步骤S3中，若渗透性变化率参考值V_ref<0，根据当前渗透性的变化率与渗透性变化率参考值的比值R确定曝气量，其中，

若R<0.5，则曝气量为最小曝气量；

若0.5≤R<1.5，则曝气量为中等曝气量；

若R≥1.5，则曝气量为最大曝气量。

3.根据权利要求1所述的用于控制膜池曝气量的方法，其特征在于，在步骤S3中，若渗透性变化率参考值V_ref>0，根据当前渗透性的变化率与渗透性变化率参考值的相对大小来调整曝气量，其中，若当前渗透性的变化率小于0，则曝气量为最大曝气量；

若当前渗透性的变化率大于0，且渗透性变化率参考值小于当前渗透性的变化率，则曝气量为最小曝气量；

若当前渗透性的变化率大于0，且渗透性变化率参考值大于当前渗透性的变化率，则曝气量为最大曝气量。

4.根据权利要求1所述的用于控制膜池曝气量的方法，其特征在于，根据下式定义第n个产水周期膜的渗透性K_n，

$K_n=\frac{J_n}{{\mathrm{TMP}}_n},---\left(3\right)$

其中：K_n为第n个产水周期的膜的渗透性，J_n为第n个产水周期的膜通量的平均值，TMP_n为第n个产水周期的跨膜压差的几何平均值。

5.根据权利要求4所述的用于控制膜池曝气量的方法，其特征在于，根据下式得出第n个产水周期的膜通量的平均值，

J_n=(J_s+J_e)÷2，    （4）

其中，J_s为产水期开始时的膜通量，J_e为产水期结束时的膜通量。

6.根据权利要求5所述的用于控制膜池曝气量的方法，其特征在于，根据下式得出第n个产水周期的跨膜压差的几何平均值，

${\mathrm{TMP}}_n=\sqrt{{\mathrm{TMP}}_s\&times;{\mathrm{TMP}}_e},---\left(5\right)$

其中，TMP_s为产水期开始时的跨膜压差，TMP_e为产水期结束时的跨膜压差。

7.根据权利要求6所述的用于控制膜池曝气量的方法，其特征在于，根据下式由每个产水周期的渗透性K_n计算每日的渗透性的平均值K_d，

$k_d=\left(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{K}_n\right)\&divide;N,---\left(6\right)$

其中：N表示每天共有N个产水周期。

8.一种实施权利要求1所述方法的系统，其特征在于，包括压力计、流量计、曝气流量控制装置、变频器、鼓风机与曝气管，所述压力计和所述流量计均是与所述曝气流量控制装置相连接，所述曝气流量控制装置依次与所述变频器、所述鼓风机以及所述曝气管相连接；所述曝气流量控制装置根据所述压力计和所述流量计的读数计算得出膜通量和跨膜压差的值，并根据膜的渗透性的变化趋势确定曝气量，再通过所述变频器调整所述鼓风机的鼓风量。

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