CN110422928A - 一种缺氧池精细化碳源投加控制系统及运行控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种缺氧池精细化碳源投加控制系统及运行控制方法，属于污水处理技术领域。本发明改变传统缺氧池碳源投加控制系统设计思路，主要通过缺氧区分区设计、第一缺氧区末端设置在线硝氮仪、第二缺氧区进口设置碳源投加点等的精细化设计和碳源投加量计算公式的科学确定，可解决现有缺氧池碳源投加控制系统缺乏精细化设计导致的碳源过量投加、碳源利用率低、碳源投加成本高、挤占好氧池池容、出水超标风险大、增加曝气能耗等运行问题。与现有碳源投加控制系统相比，本发明具有建设投资低、运行控制方法简单、进水碳源利用率高、外碳源无损耗、碳源投加量精确、碳源投加成本低、出水超标风险低、不受进水水质波动影响等优点。
Description
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，具体涉及一种缺氧池精细化碳源投加控制系统及运行控制方法。
背景技术
自2007年太湖蓝藻事件爆发，我国城镇污水处理厂执行国家一级A排放标准(GB18918-2002)逐渐由太湖流域向全国范围发展，其对出水TN(Total Nitrogen)的要求较为严苛(TN浓度限值为15mg/L)，近年来，为进一步控制水污染，北京、天津、合肥等地相继颁布并实施了比国家一级A标准更为严格的地方排放标准，如天津地标A标准(DB12/599-2015)，其TN浓度限值为10mg/L。但我国大多高排放标准城镇污水处理厂普遍存在进水碳源不足的运行问题，为确保出水TN稳定达标，通常采取缺氧池外加碳源强化脱氮的技术措施。
目前我国城镇污水处理厂缺氧池碳源投加控制方式主要有两种：一种为人工控制方式，运行管理人员主要根据生物系统出水TN浓度变化趋势或进水水质(COD、BOD、TN、碳氮比)变化，对碳源投加量进行人工调控，通常碳源投加量在一段时间内恒定，如当生物系统出水TN浓度呈增加趋势时，增加碳源投加量；当雨季进水水质变淡时，在确保出水TN稳定达标的前提下，减小碳源投加量；另一种为基于前馈-反馈的碳源投加控制方式，主要通过设置进水水质相关指标(COD、TN、氨氮等)的在线测定仪表、总出水水质相关指标(硝氮、总氮等)的在线测定仪表等，采用前馈与反馈相结合，通过PLC控制器自动控制碳源投加量。
对于人工碳源投加控制方式，由于受到进水水质水量波动的影响，通常易造成碳源投加过量或不足，碳源投加不足会导致出水TN不能稳定达标，碳源投加量过量会导致碳源浪费、碳源投加成本高、曝气量增加、挤占好氧池池容、出水氨氮超标风险增加等一系列问题。以海河流域某高排放标准污水处理厂为例，其采用人工控制碳源投加方式，由于缺氧池碳源过量投加，不但导致碳源投加浪费和曝气能耗增加，还导致后续好氧池五分之一左右的池容被挤占，进而增加系统出水氨氮超标风险。
对于基于前馈-反馈的碳源投加控制方式，其碳源投加量的确定主要以进水相关水质指标(COD、TN、氨氮等)为依据，由于进水可生化性B/C比的波动变化，基于一定时间内的B/C比确定的进水可利用碳源量并不准确，再加上反馈具有一定的滞后性，导致其确定的碳源投加量并不精确，进而导致缺氧池碳源投加过量或不足问题，并且其碳源投加控制系统运行控制方法较为复杂，不利于高排放标准城镇污水处理厂的稳定达标与节能降耗。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供了一种缺氧池精细化碳源投加控制系统及其运行控制方法。本发明缺氧池精细化碳源投加控制系统的精细化设计主要体现在：①缺氧区分区设计，缺氧区分为第一缺氧区(设计HRT为3-5h)和第二缺氧区(设计HRT为1-2h)，第一缺氧区利用进水碳源进行反硝化脱氮，第二缺氧区主要利用外碳源进行强化脱氮；②碳源投加点设置在第二缺氧区的进口端，第一缺氧区末端设置在线硝氮仪，其显示的实时硝氮浓度输入碳源精确投加控制器，作为第二缺氧区外碳源投加量确定的关键参数；③二沉池出水端设置在线总氮仪，并将二沉池出水实时总氮浓度与设定的总氮控制值的差值纳入实时碳源投加量计算公式；④确定的碳源投加量计算公式不涉及进水水质指标，不受进水水质波动影响。因此，本发明可解决现有缺氧池碳源投加控制系统导致的碳源过量投加、碳源利用率低、碳源投加成本高、挤占好氧池池容、出水超标风险大、增加曝气能耗等实际运行问题。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种缺氧池精细化碳源投加控制系统及其运行控制方法，其特征在于，该碳源投加控制系统及其运行控制方法具有以下特征：
一种缺氧池精细化碳源投加控制系统，包括第一缺氧区、第二缺氧区、好氧区、二沉池，第一缺氧区的出口与第二缺氧区的进口连接，第二缺氧区的出口与好氧区的进口连接，好氧区的出口和二沉池的进口连接，还包括碳源精确投加控制器，所述第一缺氧区的进口端和出口端分别设置有混合液内回流系统和在线硝氮仪，第二缺氧区进口端设置有碳源投加系统，二沉池的底部和出水端分别设置有污泥回流系统和在线总氮仪，所述碳源精确投加控制器通过信号线分别与在线硝氮仪、在线总氮仪、生物系统进水在线流量计、混合液内回流系统的在线流量计、污泥回流系统的在线流量计及碳源投加系统的碳源投加泵连接。
所述第一缺氧区和第二缺氧区的水力停留时间分别为3～5h和1～2h，其中第一缺氧区利用进水碳源进行反硝化脱氮，第二缺氧区主要利用外碳源进行强化脱氮。
所述第一缺氧区出口端设置的在线硝氮仪显示的实时硝氮浓度是确定碳源投加系统碳源投加量的关键参数。
所述第一缺氧区与第二缺氧区的池型为环沟型、推流型或完全混合型。
所述混合液内回流系统的内回流点仅设置在第一缺氧区的进口端。
所述混合液内回流系统与污泥回流系统均采用变频泵，碳源投加系统的碳源投加泵采用变频隔膜计量泵。
所述碳源投加系统投加的碳源为乙酸钠和/或乙酸。
所述缺氧池精细化碳源投加控制系统的运行控制方法，包括以下步骤：
(1)根据所要执行的排放标准设定二沉池的出水总氮控制值为ATN mg/L，并且ATN小于执行标准的总氮浓度限值；
(2)确定用于碳源精确投加控制器计算缺氧池实时碳源投加量的碳源投加量计算公式：
当CTN<ATN时，缺氧池强化脱氮所需的实时碳源投加量S＝4*△TN＝4*[C硝氮*(r+R+1)－(ATN-CTN)]mg/L COD；
当CTN≥ATN时，缺氧池强化脱氮所需的实时碳源投加量S＝4*△TN＝4*C硝氮*(r+R+1)mg/L COD；
其中△TN为缺氧池实际所需的强化脱氮量；C硝氮为第一缺氧区末端设置的在线硝氮仪显示的实时硝氮浓度；r为内回流比，即混合液内回流系统设置的在线流量计显示的实时内回流量Qr与生物系统进水在线流量计显示的实时进水量Q进水的比值Qr/Q进水；R为外回流比，即污泥回流系统设置的在线流量计显示的实时外回流量QR与生物系统进水在线流量计显示的实时进水量Q进水的比值QR/Q进水；CTN为二沉池出水端设置的在线总氮仪显示的实时二沉池出水总氮浓度；
(3)步骤(2)中的C硝氮、Q进水、Qr、QR和CTN通过信号线实时输入碳源精确投加控制器，其根据设定的碳源投加量计算公式对实时碳源投加量S进行计算确定；
(4)碳源精确投加控制器根据实时碳源投加量S的计算结果，并结合实时输入的生物系统进水量Q进水，通过信号线指令碳源投加系统的碳源投加泵调控碳源投加流量。
所述外回流比R为50％～100％，所述内回流比r为100％～300％。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1.本发明通过缺氧区分区设计(分为第一缺氧区和第二缺氧区)、第一缺氧区末端设置在线硝氮仪、第二缺氧区进口设置碳源投加点、二沉池出水端设置在线总氮仪等精细化设计和实时碳源投加量的科学确定，可解决当前高排放标准污水处理厂缺氧池碳源投加系统缺乏精细化设计导致的碳源过量投加、碳源利用率低、碳源投加成本高、挤占好氧池池容、出水超标风险大、增加曝气能耗等实际运行问题。与现有碳源投加系统相比，本发明具有建设投资低、运行控制方法简单、进水碳源利用率高、外碳源无损耗、碳源投加量精确、碳源投加成本降低显著、出水超标风险低、不受进水水质波动影响等优点。
2.通过缺氧区分区设计，并在第一缺氧区末端设置在线硝氮仪表，将其显示的实时硝氮浓度作为第二缺氧池碳源投加量确定的关键参数，同时结合二沉池出水实时总氮浓度与设定总氮控制值的差值，可科学确定缺氧池实时碳源投加量，有效避免碳源过量投加问题，进而在保障高排放标准污水处理厂出水稳定达标的同时，显著降低外碳源投加量与投加成本。
3.通过缺氧区分区设计，其中第一缺氧区利用进水碳源进行反硝化，第二缺氧区主要利用外加碳源进行强化脱氮，并仅在第一缺氧区设置混合液内回流点，既有利于进水碳源的充分利用，又可避免混合液内回流携带的溶解氧导致缺氧池外加碳源无效损耗问题。
4.通过第一缺氧区末端设置在线硝氮仪，既可为快速科学确定缺氧池强化脱氮量及碳源投加量提供关键参数支持，又可结合二沉池出水在线总氮仪与设定的总氮控制值的差值大小，指导混合液内回流系统回流量的实时调控，以降低内回流系统动力消耗。
5.基于精细化设计确定的实时碳源投加量计算公式不涉及生物池进水水质参数(COD、BOD、TN等)，主要涉及第一缺氧区末端硝氮浓度、二沉池出水总氮浓度、内回流比、外回流比，碳源投加量计算公式不受进水水质波动影响，有利于出水的稳定达标与污水处理系统的节能降耗。
综上所述，本发明针对性、实用性和可操作性强，可为我国高排放标准下城镇污水处理厂的精细化设计和运行提供借鉴，对低碳氮比、高排放标准污水处理厂的稳定达标和节能降耗具有重要现实意义。
附图说明
图1本发明缺氧池精细化碳源投加控制系统的结构示意图。
附图标记说明：1-第一缺氧区；2-第二缺氧区；3-好氧区；4-二沉池；5-混合液内回流系统；6-混合液内回流系统设置的在线流量计；7-第一缺氧区末端设置的在线硝氮仪；8-碳源投加系统；9-碳源投加泵；10-污泥回流系统；11-污泥回流系统设置的在线流量计；12-二沉池出水端设置的在线总氮仪；13-生物系统进水流量计；14-碳源精确投加控制器。
具体实施方式
如图1所示，一种缺氧池精细化碳源投加控制系统，包括第一缺氧区1、第二缺氧区2、好氧区3、二沉池4，第一缺氧区1的出口与第二缺氧区2的进口连接，第二缺氧区2的出口与好氧区3的进口连接，好氧区3的出口和二沉池4的进口连接，还包括碳源精确投加控制器14，所述第一缺氧区1的进口端和出口端分别设置有混合液内回流系统5和在线硝氮仪7，第二缺氧区2进口端设置有碳源投加系统8，二沉池4的底部和出水端分别设置有污泥回流系统10和在线总氮仪12，所述碳源精确投加控制器14通过信号线分别与在线硝氮仪7、在线总氮仪12、生物系统进水在线流量计13、混合液内回流系统5的在线流量计6、污泥回流系统10的在线流量计11及碳源投加系统8的碳源投加泵9连接。
所述第一缺氧区1和第二缺氧区2的设计水力停留时间分别为3～5h和1～2h，其中第一缺氧区1利用进水碳源进行反硝化脱氮，第二缺氧区2主要利用外碳源进行强化脱氮。
所述第一缺氧区1出口端设置的在线硝氮仪7显示的实时硝氮浓度是确定碳源投加系统8碳源投加量的关键参数。
所述第一缺氧区1与第二缺氧区2的池型为环沟型、推流型或完全混合型。
所述的混合液内回流系统5的内回流点仅设置在第一缺氧区1的进口端。
所述混合液内回流系统5与污泥回流系统10均采用变频泵，碳源投加系统8的碳源投加泵9采用变频隔膜计量泵，便于回流量与碳源投加量的实时调控。
所述碳源投加系统8投加的碳源为乙酸钠和/或乙酸。
实施例1
一种缺氧池精细化碳源投加控制系统的运行控制方法，主要包括以下步骤：
a、海河流域某污水处理厂出水执行天津市地标A标准(TN浓度限值为10mg/L)，设定其二沉池出水总氮控制值ATN为9mg/L；并且其环沟型第一缺氧区和第二缺氧区设计水力停留时间分别为5h和2h，投加碳源为乙酸钠溶液；
b、确定用于碳源精确投加控制器计算缺氧池实时碳源投加量的碳源投加量计算公式：
当CTN<ATN时，缺氧池强化脱氮所需的实时碳源投加量S的计算公式为S＝4*△TN＝4*[C硝氮*(r+R+1)-(ATN-CTN)]mg/L COD；
当CTN≥ATN时，缺氧池强化脱氮所需的实时碳源投加量S的计算公式为S＝4*△TN＝4*C硝氮*(r+R+1)mg/L COD；
其中△TN为缺氧池实际所需的强化脱氮量；C硝氮为第一缺氧区末端设置的在线硝氮仪显示的实时硝氮浓度；r为内回流比，即混合液内回流系统设置的在线流量计显示的实时内回流量Qr与生物系统进水在线流量计显示的实时进水量Q进水的比值Qr/Q进水；R为外回流比，即污泥回流系统设置的在线流量计显示的实时外回流量QR与生物系统进水在线流量计显示的实时进水量Q进水的比值QR/Q进水；CTN为二沉池出水端设置的在线总氮仪显示的实时二沉池出水总氮浓度；
(3)步骤(2)中的C硝氮、Q进水、Qr、QR和CTN通过信号线实时输入碳源精确投加控制器，根据设定的碳源投加量计算公式，由于CTN<ATN，计算实时碳源投加量S＝4*△TN＝4*[C硝氮*(r+R+1)－(ATN－CTN)]＝4×[1.5×(200％+100％+1)－(9－8)]＝20mg/L COD；
d、碳源精确投加控制器根据实时碳源投加量S的计算结果，并结合实时输入的生物系统进水量Q进水，通过信号线指令碳源投加系统的碳源投加泵调控碳源投加流量。
实施例2
一种缺氧池精细化碳源投加控制系统的运行控制方法，主要包括以下步骤：
a、海河流域某污水处理厂出水执行天津市地标A标准(TN浓度限值为10mg/L)，设定其二沉池出水总氮控制值ATN为8mg/L；并且其推流型第一缺氧区和第二缺氧区设计水力停留时间分别为4h和1.5h，投加碳源为乙酸钠溶液；
b、确定用于碳源精确投加控制器计算缺氧池实时碳源投加量的碳源投加量计算公式：
当CTN<ATN时，缺氧池强化脱氮所需的实时碳源投加量S＝4*△TN＝4*[C硝氮*(r+R+1)－(ATN－CTN)]mg/L COD；
当CTN≥ATN时，缺氧池强化脱氮所需的实时碳源投加量S＝4*△TN＝4*C硝氮*(r+R+1)mg/L COD；
其中△TN为缺氧池实际所需的强化脱氮量；C硝氮为第一缺氧区末端设置的在线硝氮仪显示的实时硝氮浓度；r为内回流比，即混合液内回流系统设置的在线流量计显示的实时内回流量Qr与生物系统进水在线流量计显示的实时进水量Q进水的比值Qr/Q进水；R为外回流比，即污泥回流系统设置的在线流量计显示的实时外回流量QR与生物系统进水在线流量计显示的实时进水量Q进水的比值QR/Q进水；CTN为二沉池出水端设置的在线总氮仪显示的实时二沉池出水总氮浓度；
c、步骤(2)中的C硝氮、Q进水、Qr、QR和CTN通过信号线实时输入碳源精确投加控制器，根据设定的碳源投加量计算公式，由于CTN≥ATN，计算实时碳源投加量S＝4*△TN＝4*C硝氮*(r+R+1)＝4×2×(150％+100％+1)＝28mg/L COD；
d、碳源精确投加控制器根据实时碳源投加量S的计算结果，并结合实时输入的生物系统进水量Q进水，通过信号线指令碳源投加系统的碳源投加泵调控碳源投加流量。
实施例3
一种缺氧池精细化碳源投加控制系统的运行控制方法，主要包括以下步骤：
a、太湖流域某污水处理厂出水执行国家一级A标准(TN浓度限值为15mg/L)，设定其二沉池出水总氮控制值ATN为13mg/L；并且其环沟型第一缺氧区和第二缺氧区设计水力停留时间分别为3h和1h，投加碳源为乙酸溶液；
b、确定用于碳源精确投加控制器计算缺氧池实时碳源投加量的碳源投加量计算公式：
当CTN<ATN时，缺氧池强化脱氮所需的实时碳源投加量S的计算公式为S＝4*△TN＝4*[C硝氮*(r+R+1)－(ATN－CTN)]mg/L COD；
当CTN≥ATN时，缺氧池强化脱氮所需的实时碳源投加量S的计算公式为S＝4*△TN＝4*C硝氮*(r+R+1)mg/L COD；
其中△TN为缺氧池实际所需的强化脱氮量；C硝氮为第一缺氧区末端设置的在线硝氮仪显示的实时硝氮浓度；r为内回流比，即混合液内回流系统设置的在线流量计显示的实时内回流量Qr与生物系统进水在线流量计显示的实时进水量Q进水的比值Qr/Q进水；R为外回流比，即污泥回流系统设置的在线流量计显示的实时外回流量QR与生物系统进水在线流量计显示的实时进水量Q进水的比值QR/Q进水；CTN为二沉池出水端设置的在线总氮仪显示的实时二沉池出水总氮浓度；
c、步骤(2)中的C硝氮、Q进水、Qr、QR和CTN通过信号线实时输入碳源精确投加控制器，根据设定的碳源投加量计算公式，由于CTN<ATN，计算实时碳源投加量S＝4*△TN＝4*[C硝氮*(r+R+1)－(ATN－CTN)]＝4×[1.25×(100％+100％+1)－(13－11)]＝7mg/L COD；
d、碳源精确投加控制器根据实时碳源投加量S的计算结果，并结合实时输入的生物系统进水量Q进水，通过信号线指令碳源投加系统的碳源投加泵调控碳源投加流量。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何限制。凡是根据本发明实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效变化，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。
Claims (9)
1.一种缺氧池精细化碳源投加控制系统，包括第一缺氧区(1)、第二缺氧区(2)、好氧区(3)、二沉池(4)，第一缺氧区(1)的出口与第二缺氧区(2)的进口连接，第二缺氧区(2)的出口与好氧区(3)的进口连接，好氧区(3)的出口和二沉池(4)的进口连接，其特征在于，还包括碳源精确投加控制器(14)，所述第一缺氧区(1)的进口端和出口端分别设置有混合液内回流系统(5)和在线硝氮仪(7)，第二缺氧区(2)进口端设置有碳源投加系统(8)，二沉池(4)的底部和出水端分别设置有污泥回流系统(10)和在线总氮仪(12)，所述碳源精确投加控制器(14)通过信号线分别与在线硝氮仪(7)、在线总氮仪(12)、生物系统进水在线流量计(13)、混合液内回流系统(5)的在线流量计(6)、污泥回流系统(10)的在线流量计(11)及碳源投加系统(8)的碳源投加泵(9)连接。
2.根据权利要求1所述的缺氧池精细化碳源投加控制系统，其特征在于，所述第一缺氧区(1)和第二缺氧区(2)的设计水力停留时间分别为3～5h和1～2h，其中第一缺氧区(1)利用进水碳源进行反硝化脱氮，第二缺氧区(2)主要利用外碳源进行强化脱氮。
3.根据权利要求1所述的缺氧池精细化碳源投加控制系统，其特征在于，所述第一缺氧区(1)出口端设置的在线硝氮仪(7)显示的实时硝氮浓度是确定碳源投加系统(8)碳源投加量的关键参数。
4.根据权利要求1所述的缺氧池精细化碳源投加控制系统，其特征在于，所述第一缺氧区(1)与第二缺氧区(2)的池型为环沟型、推流型或完全混合型。
5.根据权利要求1所述的缺氧池精细化碳源投加控制系统，其特征在于，所述混合液内回流系统(5)的内回流点仅设置在第一缺氧区(1)的进口端。
6.根据权利要求1所述的缺氧池精细化碳源投加控制系统，其特征在于，所述混合液内回流系统(5)与污泥回流系统(10)均采用变频泵，碳源投加系统(8)的碳源投加泵(9)采用变频隔膜计量泵。
7.根据权利要求1所述的缺氧池精细化碳源投加控制系统，其特征在于，所述碳源投加系统(8)投加的碳源为乙酸钠和/或乙酸。
8.权利要求1所述的缺氧池精细化碳源投加控制系统的运行控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)根据所要执行的排放标准设定二沉池的出水总氮控制值为ATN mg/L，并且ATN小于执行标准的总氮浓度限值；
(2)确定用于碳源精确投加控制器计算缺氧池实时碳源投加量的碳源投加量计算公式：
当CTN<ATN时，缺氧池强化脱氮所需的实时碳源投加量S＝4*△TN＝4*[C硝氮*(r+R+1)－(ATN-CTN)]mg/L COD；
当CTN≥ATN时，缺氧池强化脱氮所需的实时碳源投加量S＝4*△TN＝4*C硝氮*(r+R+1)mg/LCOD；
其中△TN为缺氧池实际所需的强化脱氮量；C硝氮为第一缺氧区末端设置的在线硝氮仪显示的实时硝氮浓度；r为内回流比，即混合液内回流系统设置的在线流量计显示的实时内回流量Qr与生物系统进水在线流量计显示的实时进水量Q进水的比值Qr/Q进水；R为外回流比，即污泥回流系统设置的在线流量计显示的实时外回流量QR与生物系统进水在线流量计显示的实时进水量Q进水的比值QR/Q进水；CTN为二沉池出水端设置的在线总氮仪显示的实时二沉池出水总氮浓度；
(3)步骤(2)中的C硝氮、Q进水、Qr、QR和CTN通过信号线实时输入碳源精确投加控制器，其根据设定的碳源投加量计算公式对实时碳源投加量S进行计算确定；
(4)碳源精确投加控制器根据实时碳源投加量S的计算结果，并结合实时输入的生物系统进水量Q进水，通过信号线指令碳源投加系统的碳源投加泵调控碳源投加流量。
9.根据权利要求8所述的缺氧池精细化碳源投加控制系统的运行控制方法，其特征在于，所述外回流比R为50％～100％，所述内回流比r为100％～300％。
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