CN108191052B - 碳源智能投加系统及其在污水处理中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于污水处理装置及其应用，特别是指一种碳源智能投加系统及其在污水处理中的应用。控制装置采集反硝化池的进水、出水以及反硝化池内包括硝态氮、亚硝态氮、流量、COD、ORP的实时数据，依据实时检测数据计算并核准碳源投加总量，依据核准的碳源投加总量控制与碳源储罐连接的泵送装置实现向反硝化池内碳源分段精确投加。本发明有效解决了现有技术中存在的碳源投加量不能实现精确控制的技术难题，具有能够有效实现碳源投加的分段精确控制，易于实现自动化控制，安装及维护便利等优点。

Description

碳源智能投加系统及其在污水处理中的应用

技术领域

本发明属于污水处理装置及其应用，特别是指一种碳源智能投加系统及其在污水处理中的应用。

背景技术

反硝化反应是生物处理过程中对氮进行去除的重要环节，污水生物处理脱氮中，经过氨化的有机氮转变成氨氮，氨氮在硝化菌作用下生成硝酸盐氮和亚硝酸盐氮，该两种氮在反硝化菌的作用下，在缺氧环境中以有机物为电子受体，最终变为氮气释放到空气中。以甲醇为例，反应式如下：

目前，为保证反硝化反应的正常进行，满足日益严格的出水指标要求，大部分污水处理厂采用投加碳源的方式来提高反硝化效果，而碳源投加的方式通常为人工理论计算恒量投加。然而由于污水厂进水水量及水质波动较大，恒量投加时既不能根据微生物生长的实际需求投加碳源，并且检测设备大多在反硝化池的后端，使得数据反馈滞后，导致碳源超量投加，这样一是造成了药剂浪费，增加了运行成本，另一方面过量投加碳源又使出水COD存在超标风险，需要通过好氧反应对其进行消耗，增加了系统的曝气能耗。因此，通过数据分析及精确控制优化碳源投加量，提高投加系统的效率，实现碳源投加系统的自动控制对污水处理稳定达标运行、节约成本具有重要意义。

现有碳源投加系统主要依据对硝酸盐、溶氧等单一指标的检测，动态控制外加碳源的投加量，且投加时均以恒量投加或者一次性大量投加为投加方式，恒量投加导致不能依据水体中微生物生长的实际需要进行精确的碳源投加控制，使反应不充分，反应时间长，而且易出现投加过量。

申请人检索到的专利文献包括：

申请号为201410514016.4的专利申请中公开了一种碳源投加前馈-反馈控制装置及控制方法，仅靠硝态氮计算碳源，未考虑亚硝态氮等其他因素对碳源消耗的影响，会导致碳源投加量不足或计算误差大的问题；申请号为200710063592.1的专利申请中公开了一种多段进水A/O生物脱氮溶解氧和碳源投加控制装置及方法，申请号为200610200357.X的专利申请中公开了一种缺氧/好氧生物脱氮工艺运行优化控制系统及其在线控制方法，上述文献的主要技术解决手段是根据ORP、pH、DO中的一个或两个指标确定碳源，无法从ORP、pH、DO与碳源投加建立函数关系，无法精准计算碳源投加。上述专利文献存在的主要问题是控制参数单一。

申请号为201110161740.X的专利申请中公开了一种反硝化生物滤池工艺碳源投加优化控制装置与方法，应用该公式进行碳源投加的核算：碳源投加量＝2.86([NO₃-N]in-[NO₃--N]out)+1.71([NO₂-N]in-[NO₂-N]out)+[DO]in。该现有技术的缺陷是虽然引入DO值，但其公式中硝态氮、亚硝态氮和DO值前系数是理论值，未考虑现场实际情况对其的消耗误差。同时该投加量未考虑污水本身COD对碳源的贡献数值，导致结果偏差较大。

申请号为200810116032.2的专利申请中公开了一种脱氮序列间歇式活性污泥反应碳源投加方法，是“在厌氧阶段添加碳源，以氧化还原电位和或pH值为控制参数”；“对含氮废水开始厌氧时，添加碳源至氧化还原电位或pH值开始下降”。“根据单一变量ORP数值和或pH值是否开始下降为添加碳源的依据，添加碳源是以脉冲式碳源投加泵进行脉冲式投加，每次投加以恒量单泵投加方式进行机械式少量投加，在投加的同时进行继续以ORP和或pH值的单位时间变化值为判断依据，直至适量的外加碳源保证完全反硝化。”该现有技术存在的主要问题是只适于封闭水体的反硝化，而对于大部分连续进水出水的水厂不适用，脉冲投加仅适于少量投加，当处理的水量较大时不易满足。

发明内容

本发明的目的在于提供一种碳源智能投加系统及其在污水处理中的应用，通过对于反硝化池的进水、出水以及反硝化池内多个数据的实时检测，依据实时检测数据对碳源投加总量进行实时调整，控制装置依据实时调整的碳源投加总量，通过变频器控制与碳源储罐连接的泵送管路实现对碳源分段精确投加。

本发明的整体技术构思是：

碳源智能投加系统，包括控制装置、反硝化池，碳源投加装置，进水管与出水管分别与反硝化池的输入端及输出端对应连通，碳源投加装置在控制装置的控制下向反硝化池投加碳源；第一亚硝态氮监测仪、流量监测仪及第一硝态氮监测仪的信号采集端设于进水管路内，第二亚硝态氮监测仪、第二硝态氮监测仪及COD监测仪的信号采集端设于出水管路内，ORP在线监测仪的信号采集端接反硝化池，第一亚硝态氮监测仪、流量监测仪、第一硝态氮监测仪、第二亚硝态氮监测仪、第二硝态氮监测仪、COD监测仪及ORP在线监测仪的信号输出端接控制装置的信号输入，碳源投加装置包括碳源储罐以及与其相连并由相应变频器控制调速的泵送管路，泵送管路共有三路输出端，其第一路输出端接进水管路，第二路输出端接反硝化池的中段，第三路输出端接反硝化池的后段。

碳源智能投加系统在污水处理中的应用。

申请人需要说明的是，因亚硝态氮监测仪、硝态氮监测仪、流量监测仪、COD监测仪、ORP在线监测仪、变频器均为现有成熟技术并有相应的市售产品，申请人在此对其结构及详细工作原理不再赘述。

本发明的具体技术构思还有：

由于反硝化池体中沿流向硝态氮和亚硝态氮(主要为硝酸盐)浓度不同，其初始浓度较高，因而前端碳源投加比例高，其末端硝态氮和亚硝态氮浓度较低，投加少量碳源进行微调，符合池体内硝态氮和亚硝态氮浓度变化规律，同时分段投加避免了单点投入导致的碳源不均匀性，对碳源利用更为充分。因此泵送管路中的第一路投加至进水管内的碳源量较大；反硝化池中段需投加较精准的碳源，泵送管路中的第二路投加量次之；反硝化池后段主要是进行碳源投加的精确控制，所以泵送管路中的第三路投加量较少，通过少量投加，实时监测的方法，提高投加的准确性。

根据反硝化池内碳源浓度的变化以及微生物的生长需求，优选的技术方案是，第二路输出端接反硝化池的1/3-1/2处。

更进一步，第三路输出端接反硝化池的3/5-4/5处。

碳源智能投加系统在污水处理中的应用，是由控制装置采集反硝化池的进水、出水以及反硝化池内包括硝态氮、亚硝态氮、流量、COD、ORP的实时数据，通过实时检测数据计算并调校碳源投加总量，依据调校的碳源投加总量控制与碳源储罐连接的泵送装置实现向反硝化池碳源分段精确投加。

碳源智能投加系统在污水处理中的应用，包括如下步骤：

A、碳源投加总量的计算

在对水厂的数据分析并需要投加碳源时，启动碳源投加系统，由第一亚硝态氮监测仪、流量监测仪、第一硝态氮监测仪、第二亚硝态氮监测仪、第二硝态氮监测仪、COD监测仪及ORP在线监测仪检测相应数据，控制装置依据检测数据通过如下公式计算碳源投加总量：

碳源投加总量(kg/h)＝〔硝态氮系数×([NO₃—N]out-1.5)+亚硝态氮系数×[NO₂--N]out〕÷该碳源的COD当量×Q×k

其中：

[NO₃--N]out：出水硝态氮值，第二硝态氮监测仪读出的实时硝态氮数值，单位mg/L；

[NO₂--N]out：出水亚硝态氮值，第二亚硝态氮监测仪读出的实时亚硝态氮数值，单位mg/L；

Q：反硝化池的进水流量(m³/d)；

k：单位换算系数,k＝1/(24×10³)；

硝态氮系数、亚硝态氮系数与ORP在线监测仪测定的ORP读数的对应关系如下：

当ORP＜-100mv时，硝态氮系数为5，亚硝态氮系数为3；当-100mv≤ORP＜-50mv时，硝态氮系数为4，亚硝态氮系数为2.5；当-50mv≤ORP＜0mv时，硝态氮系数为3，亚硝态氮系数为2；当ORP≥0mv时，硝态氮系数为2，亚硝态氮系数为1.5；

B、依据实时核定碳源的投加量实现碳源的分段投加

控制装置依据第一亚硝态氮监测仪、流量监测仪、第一硝态氮监测仪、第二亚硝态氮监测仪、第二硝态氮监测仪、COD监测仪及ORP在线监测仪实时检测并输出的相应数据，结合ORP检测数据对应的硝态氮系数与亚硝态氮系数，由控制装置对碳源投加量实时调校；控制装置经变频器控制与碳源储罐相连的泵送管路的输送流量，泵送管路的第一路投加碳源至进水管路，第二路投加碳源至反硝化池的中段，碳源总量中的余量经泵送管路的第三路投加至反硝化池的后段；其中第一路投加碳源量为T1，碳源总量×55％≤T1＜碳源总量×65％，第二路投加碳源量为T2，碳源总量×25％≤T2＜碳源总量×35％；

C、停止碳源投加

当硝态氮+亚硝态氮≤设定值时，控制装置通过变频器中断止泵送管路对碳源的输送，完成碳源分段精确投加。设定值根据出水水质的不同要求可以自行设定。

为便于对于碳源投加总量进行实时核准，以确保分段投加的精确性，同时考虑工业化中相应设备及技术实现的可行性，优选的技术方案是，所述的步骤B中实时检测的频率为每1-5分钟检测一次。

申请人需要说明的是：

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第一路”、“第二路”、“第三路”仅是为了便于简明清楚描述本发明，而不是指示或暗示其重要性，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明中的公式来源于本行业《生物反硝化过程与动力学》的2-33公式，由于2-33公式计算的理论值计算中系数取值与实际情况有时差别较大，根据申请人的实践，并考虑到氧化还原电位(ORP)对碳源投加的影响因素后总结得到。

本发明所具备的实质性特点及取得的显著技术进步在于：

1、本发明中的碳源智能投加系统中各检测仪器、控制装置、变频器均可采用现有成熟的现有产品，其整体结构设计合理，便于与现有的反硝化池安装且维护方便。同时为碳源投加工艺实现提供了有效的设备保障。

2、本发明在数据采集中不仅包括亚硝态氮、硝态氮、流量、COD、ORP等，而且通过实验总结，明确了亚硝态氮系数、硝态氮系数与ORP之间的对应关系，为碳源投加量的准确计算奠定了基础。

3、根据各检测仪器对于实时采集的数据，可对碳源投加总量进行实时调校，在反应进行过程中有效保证了碳源投加总量动态调整的准确性。

4、根据反硝化池内微生物对于碳源的不同需求，合理界定碳源投加区域及投加量，在易于保证反应正常进行并满足微生物实际需要的前提下，易于实现碳源投加的精确控制。

附图说明

图1是本发明中智能碳源投加系统的整体结构示意图。

1、第一亚硝态氮监测仪；2、流量监测仪；3、第一硝态氮监测仪；4、第二亚硝态氮监测仪；5、第二硝态氮监测仪；6、COD监测仪；7、ORP在线监测仪；8、控制装置；9、碳源储罐；10、反硝化池。

图1中虚线箭头表示检测或控制信号走向，实线箭头表示水或碳源走向。

具体实施方式

以下结合实施例对本发明做进一步描述，但不应理解为对本发明的限定，本发明的保护范围以权利要求记载的内容为准，任何依据说明书所做出的等效技术手段替换，均不脱离本发明的保护范围。

本实施例中的碳源智能投加系统整体结构如图1所示，其中包括控制装置8、反硝化池10，碳源投加装置，进水管与出水管分别与反硝化池10的输入端及输出端对应连通，碳源投加装置在控制装置的控制下向反硝化池10投加碳源；第一亚硝态氮监测仪1、流量监测仪2及第一硝态氮监测仪3的信号采集端设于进水管路内，第二亚硝态氮监测仪4、第二硝态氮监测仪5及COD监测仪6的信号采集端设于出水管路内，ORP在线监测仪7的信号采集端接反硝化池10，第一亚硝态氮监测仪1、流量监测仪2、第一硝态氮监测仪3、第二亚硝态氮监测仪4、第二硝态氮监测仪5、COD监测仪6及ORP在线监测仪7的信号输出端接控制装置8的信号输入，碳源投加装置包括碳源储罐9以及与其相连并由相应变频器控制调速的泵送管路，泵送管路共有三路输出端，其第一路输出端接进水管路，第二路输出端接反硝化池10的中段，第三路输出端接反硝化池10的后段。

第二路输出端接反硝化池10的1/3-1/2处。

第三路输出端接反硝化池10的3/5-4/5处。

碳源智能投加系统在污水处理中的应用，是由控制装置采集反硝化池的进水、出水以及反硝化池内包括硝态氮、亚硝态氮、流量、COD、ORP的实时数据，通过实时检测数据计算并调校碳源投加总量，依据调校后的碳源投加总量控制与碳源储罐连接的泵送装置实现向反硝化池内碳源分段精确投加，具体包括如下步骤：

A、碳源投加总量的计算

在对水厂的数据分析并需要投加碳源时，启动碳源投加系统，由第一亚硝态氮监测仪1、流量监测仪2、第一硝态氮监测仪3、第二亚硝态氮监测仪4、第二硝态氮监测仪5、COD监测仪6及ORP在线监测仪7检测相应数据，控制装置8依据检测数据通过如下公式计算碳源投加总量：

碳源投加总量(kg/h)＝〔硝态氮系数×([NO₃—N]out-1.5)+亚硝态氮系数×[NO₂--N]out〕÷该碳源的COD当量×Q×k

其中：

[NO₃--N]out：出水硝态氮值，第二硝态氮监测仪5读出的实时硝态氮数值，单位mg/L；

[NO₂--N]out：出水亚硝态氮值，第二亚硝态氮监测仪4读出的实时亚硝态氮数值，单位mg/L；

Q：反硝化池的进水流量(m³/d)；

k：单位换算系数,k＝1/(24×10³)；

硝态氮系数、亚硝态氮系数与ORP在线监测仪测定的ORP读数的对应关系如下：

当ORP＜-100mv时，硝态氮系数为5，亚硝态氮系数为3；当-100mv≤ORP＜-50mv时，硝态氮系数为4，亚硝态氮系数为2.5；当-50mv≤ORP＜0mv时，硝态氮系数为3，亚硝态氮系数为2；当ORP≥0mv时，硝态氮系数为2，亚硝态氮系数为1.5；

B、依据实时核定碳源的投加量实现碳源的分段投加

控制装置依据第一亚硝态氮监测仪1、流量监测仪2、第一硝态氮监测仪3、第二亚硝态氮监测仪4、第二硝态氮监测仪5、COD监测仪6及ORP在线监测仪7实时检测并输出的相应数据，结合ORP检测数据对应的硝态氮系数与亚硝态氮系数对碳源投加总量实时调校；控制装置8经变频器控制与碳源储罐相连的泵送管路的输送流量，泵送管路的第一路投加碳源至进水管路，第二路投加碳源至反硝化池的中段，碳源总量中的余量经泵送管路的第三路投加至反硝化池的后段；其中第一路投加碳源量为T1，碳源总量×55％≤T1＜碳源总量×65％，第二路投加碳源量为T2，碳源总量×25％≤T2＜碳源总量×35％；

C、停止碳源投加

当硝态氮+亚硝态氮≤设定值时，控制装置8通过变频器中断泵送管路对碳源的输送，完成碳源分段精确投加。

本实施例中的设定值选用10mg/L。

所述的步骤B中实时检测的频率为每1-5分钟检测一次。

为验证本发明实施例的效果，申请人进行了如下试验：

以某城市污水处理厂排放的实际二级处理出水作为实施对象，所选择的反硝化池处理规模3.5m³/d，外加碳源选用乙酸钠，出水硝酸盐氮要求小于10mg/L。

通过控制装置8将第一亚硝态氮监测仪1、流量监测仪2、第一硝态氮监测仪3、第二亚硝态氮监测仪4、第二硝态氮监测仪5、COD监测仪6及ORP在线监测仪7传来的检测数据进行拟合计算，先进行判断(出水硝态氮+出水亚硝态氮)是否大于设定值(本实施例设定为10mg/L)，若出水硝态氮+出水亚硝态氮≤10mg/L，则停止该碳源投加智能优化系统；若出水硝态氮+出水亚硝态氮＞10mg/L，则控制装置核算碳源投加量，执行公式程序，分别按照泵送管路的第一路投加碳源总量的60％至进水管路，第二路投加碳源总量的30％至反硝化池的中段，碳源总量中的10％经第三路投加至反硝化池的后段，实现碳源的分段精确投加。

根据第二硝态氮监测仪5检测的数据(10mg/L)、第二亚硝态氮监测仪检测的数据(3mg/L)、ORP在线监测仪检测的数据(-60mv)数据，确定碳源投加量公式中修正因子取硝态氮系数为4，亚硝态氮系数为2.5；

碳源投加总量(kg/h)＝〔硝态氮系数×([NO₃—N]out-1.5)+亚硝态氮系数×[NO₂--N]out〕÷该碳源的COD当量×Q×k

＝〔4×(10-1.5)+2.5×3〕÷0.78×3.5×10³×1/(24×10³)

＝7.76kg/h

25％的乙酸钠的量＝7.76/0.25＝31.04(kg/h)

按照反硝化池的前段(泵送管路中的第一路)、中段(泵送管路中的第二路)、后段(泵送管路中的第三路)投加碳源分别占投加总量的60％、30％、10％，以及投加的25％乙酸钠核算，分别为前段是18.624kg/h，中段是9.312kg/h，后段是3.104kg/h。在过程中实时监测硝态氮、亚硝态氮出水指标，当硝态氮、亚硝态氮之和低于10mg/L时，停止投加碳源。

经过48小时的试运行，本实施例的反硝化池的运行均正常，通过自动控制碳源投加量，保证反硝化池出水硝酸盐稳定达标。

经检测本实施例运行过程中的出水水质保持为：

COD小于30mg/L，NO3--N低于10mg/L，TN低于15mg/L，TP低于0.2mg/L，SS低于5mg/L，水质达到地表Ⅳ类水质标准。

25％的乙酸钠一天的投加量＝31.04×24＝744.96(kg/d)

表一 不同碳源通过本实施例中的系统投加碳源效果对比结果

表二 本发明实施例与现有衡量投加碳源的对比结果

结论，从表一及表二可以看出，本发明碳源投加智能系统投加碳源可节省3％-10％的碳源投加，并保证出水总氮指标达到地表Ⅳ类水质标准(北京DB11/890-2012 B标准)；与常规技术(单因素，恒量投加)比较，具有节省碳源投加，出水指标好的优点。

Claims (3)

1.碳源智能投加系统在污水处理中的应用，碳源智能投加系统包括控制装置(8)、反硝化池(10)，碳源投加装置，进水管与出水管分别与反硝化池(10)的输入端及输出端对应连通，碳源投加装置在控制装置的控制下向反硝化池(10)投加碳源；其特征在于第一亚硝态氮监测仪(1)、流量监测仪(2)及第一硝态氮监测仪(3)的信号采集端设于进水管路内，第二亚硝态氮监测仪(4)、第二硝态氮监测仪(5)及COD监测仪(6)的信号采集端设于出水管路内，ORP在线监测仪(7)的信号采集端接反硝化池(10)，第一亚硝态氮监测仪(1)、流量监测仪(2)、第一硝态氮监测仪(3)、第二亚硝态氮监测仪(4)、第二硝态氮监测仪(5)、COD监测仪(6)及ORP在线监测仪(7)的信号输出端接控制装置(8)的信号输入，碳源投加装置包括碳源储罐(9)以及与其相连并由相应变频器控制调速的泵送管路，泵送管路共有三路输出端，其第一路输出端接进水管路，第二路输出端接反硝化池(10)的中段，第三路输出端接反硝化池(10)的后段，第二路输出端接反硝化池(10)的1/3-1/2处，第三路输出端接反硝化池(10)的3/5-4/5处；控制装置采集反硝化池的进水、出水以及反硝化池内包括硝态氮、亚硝态氮、流量、COD、ORP的实时数据，通过实时检测数据计算并核准碳源投加总量，依据核准的碳源投加总量控制与碳源储罐连接的泵送装置实现向反硝化池内碳源分段精确投加。

2.根据权利要求1所述的应用，其特征在于包括如下步骤：

A、碳源投加总量的计算

在对水厂的数据分析并需要投加碳源时，启动碳源投加系统，由第一亚硝态氮监测仪(1)、流量监测仪(2)、第一硝态氮监测仪(3)、第二亚硝态氮监测仪(4)、第二硝态氮监测仪(5)、COD监测仪(6)及ORP在线监测仪(7)检测相应数据，控制装置(8)依据检测数据通过如下公式计算碳源投加总量：

碳源投加总量(kg/h)＝〔硝态氮系数×([NO₃—N]out-1.5)+亚硝态氮系数×[NO₂--N]out〕÷该碳源的COD当量×Q×k

其中：

[NO₃--N]out：出水硝态氮值，第二硝态氮监测仪(5)读出的实时硝态氮数值，单位mg/L；

[NO₂--N]out：出水亚硝态氮值，第二亚硝态氮监测仪(4)读出的实时亚硝态氮数值，单位mg/L；

Q：反硝化池的进水流量(m³/d)；

k：单位换算系数,k＝1/(24×10³)；

硝态氮系数、亚硝态氮系数与ORP在线监测仪测定的ORP读数的对应关系如下：

当ORP＜-100mv时，硝态氮系数为5，亚硝态氮系数为3；当-100mv≤ORP＜-50mv时，硝态氮系数为4，亚硝态氮系数为2.5；当-50mv≤ORP＜0mv时，硝态氮系数为3，亚硝态氮系数为2；当ORP≥0mv时，硝态氮系数为2，亚硝态氮系数为1.5；

B、依据实时调校碳源的投加量实现碳源的分段投加

控制装置根据第一亚硝态氮监测仪(1)、流量监测仪(2)、第一硝态氮监测仪(3)、第二亚硝态氮监测仪(4)、第二硝态氮监测仪(5)、COD监测仪(6)及ORP在线监测仪(7)实时检测并输出的数据，结合ORP检测数据对应的硝态氮系数与亚硝态氮系数对碳源投加量实时调校；控制装置(8)经变频器控制与碳源储罐相连的泵送管路的输送流量，泵送管路的第一路投加碳源至进水管路，第二路投加碳源至反硝化池的中段，碳源总量中的余量经泵送管路的第三路投加至反硝化池的后段；其中第一路投加碳源量为T1，碳源总量×55％≤T1＜碳源总量×65％，第二路投加碳源量为T2，碳源总量×25％≤T2＜碳源总量×35％；

C、停止碳源投加

当硝态氮+亚硝态氮≤设定值时，控制装置(8)通过变频器中断泵送管路对碳源的输送，完成碳源分段精确投加。

3.根据权利要求2所述的应用，其特征在于所述的步骤B中实时检测的频率为每1-5分钟检测一次。

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