CN111072131B - 一种基于进水碳氮比在线计算碳源投加量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于进水碳氮比在线计算碳源投加量的方法，该方法包括根据进水COD浓度和总氮浓度计算进水碳氮比，然后根据进水碳氮比对进水中碳源是充足，不足还是过量进行判定，对不同的碳源水平采用不同的公式计算得到碳源投加修正量，再根据碳源投加修正量计算得到当前时刻需要的碳源投加量。使用该方法计算得到的碳源投加量能够响应进水碳氮比的波动，给出合适的碳源投加量，避免碳源投加量不足造成的水质不达标，或碳源投加量过多造成药剂浪费和二次污染。

Description

一种基于进水碳氮比在线计算碳源投加量的方法
技术领域
本发明属于污水处理领域，具体涉及一种基于进水碳氮比在线计算碳源投加量的方法。
背景技术
目前，大多数污水处理厂均会采用外加碳源(通常是乙酸钠，甲醇等有机物)的方式来保证反硝化过程的正常运行，以保障出水总氮达标，满足排放要求。
碳源投加不足会造成反硝化不充分，影响出水总氮的达标排放；而碳源投加过量一方面会造成药剂浪费，提升运行成本，另一方面会导致污水中有机物增多，出水COD超标的风险升高，加重了处理COD的负担，由此还会消耗额外的曝气量，进一步提高系统的能耗和运行成本。因此如果能根据进水碳氮比的变化实时计算真实的碳源需求量，并进而作为碳源投加的依据，将会有助于提高碳源投加的精细化控制水平，对促进污水厂的稳定达标排放和运行成本节约有着积极的意义。
但是现有的碳源投加量往往是基于人工理论计算的结果，未能充分考虑到进水水质等负荷的波动对碳源需求量的影响，普遍存在碳源投加不足或者过量的问题。进水碳氮比是实时变化的，因此缺氧池对外加碳源的需求也是随之变化的，过量时应减少外加碳源或停止投加，不足时应增加外加碳源。传统的碳源投加技术，对碳源投加量缺乏精细化的计量和预测，一般是根据进水碳氮比的变化，按设定的比例来调整碳源投加量，并没有充分考虑到碳氮比变化幅度大小、碳源充足与否对碳源投加量的影响，因此在计算精度上有所欠缺，容易导致碳源不足或者过量的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于进水碳氮比在线计算碳源投加量的方法，根据污水处理反硝化处理过程中进水中碳氮比变化，在线计算碳源的投加量，避免碳源投加量过多或过少。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于进水碳氮比在线计算碳源投加量的方法，其特征在于，包括：
S1：在污水处理厂进水端COD安装在线监测仪表和总氮在线监测仪表安装，在碳源投加管路上安装流量计，所述COD在线监测仪表、总氮在线监测仪表、流量计分别和控制器相连；
S2：所述控制器采集不同时刻的进水COD浓度、总氮浓度和碳源投加量数据，对采集的数据进行阈值判断、去跳等预处理，剔除异常值；
S3：根据采集到的数据计算进水碳氮比，所述进水碳氮比与碳氮比上下限进行比较，将进水中碳源水平界定为碳源充足、碳源不足和碳源过量；
S4：根据上述进水中碳源水平的不同，分别采用不同的公式计算碳源投加修正量；
S5：根据上述碳源投加修正量计算当前时刻需要的碳源投加量；
所述进水中碳源充足的判断依据为：CNLowLimit≤CN≤CNHighLimit，碳源充足时碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)按下列数学表达式计算：
Figure BDA0002352159920000021
式中：
ΔDosageFlow(t)：碳源投加修正量，单位L/h；
CNLowLimit：碳氮比下限，单位gCOD/gN；
CNHighLimit：碳氮比上限，单位gCOD/gN；
CN(t)：当前时刻的碳氮比，单位gCOD/gN；
CN(t-dt)：上一时刻的碳氮比，单位gCOD/gN；
dt：数据采样时间间隔，单位s；
μmax：碳氮比-加药量修正系数,单位L/h；
Ksat：饱和动态修正系数，单位gCOD/gN；
KInh：抑制动态修正系数，单位gCOD/gN；
所述进水中碳源不足的判断依据为：CN<CN_LowLimit，碳源不足时碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)按下列数学表达式计算：
Figure BDA0002352159920000031
式中：
ΔDosageFlow(t)：碳源投加修正量，单位L/h；
CNLowLimit：碳氮比下限，单位gCOD/gN；
CN(t)：当前时刻的碳氮比，单位gCOD/gN；
μmax：碳氮比-加药量修正系数,单位L/h；
Ksat：饱和动态修正系数，单位gCOD/gN；
KInh：抑制动态修正系数，单位gCOD/gN；
所述进水中碳源过量的判断依据为：CN>CN_HighLimit，碳源过量时碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)按下列数学表达式计算：
Figure BDA0002352159920000032
式中：
ΔDosageFlow(t)：碳源投加修正量，单位L/h；
CNHighLimit：碳氮比上限，单位gCOD/gN；
CN(t)：当前时刻的碳氮比，单位gCOD/gN；
μmax：碳氮比-加药量修正系数,单位L/h；
Ksat：饱和动态修正系数，单位gCOD/gN；
KInh：抑制动态修正系数，单位gCOD/gN。
优选的，所述总氮在线监测仪表可用氨氮在线监测仪表替换。
优选的，所述碳氮比仅考虑进水水质的影响，计算公式如下：
Figure BDA0002352159920000033
式中：
CN(t)：t时刻的进水碳氮比，单位gCOD/gN；
CODIn(t)：t时刻的进水COD浓度，单位mg/L；
NitrogenIn(t)：t时刻的进水总氮浓度，单位mg/L。
优选的，所述根据碳源投加量的修正值计算当前时刻需要的碳源投加量的计算公式为：
DosageFlow(t)＝DosageFlow(t-dt)+ADosageFlow(t)
式中：
DosageFlow(t)：当前时刻碳源投加量，单位L/h；
DosageFlow(t-dt)：上一时刻碳源投加量，单位L/h；
ΔDosageFlow(t)：碳源投加修正量，单位L/h。
优选的，所述碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)数学表达式中涉及的参数取值范围如下：
符号 参数名称 取值范围
CN<sub>LowLimit</sub> 碳氮比下限 0～8.0
CN<sub>HighLimit</sub> 碳氮比上限 10.0～20.0
dt 采样时间间隔 5.0～10.0
μ<sub>max</sub> 碳氮比-加药量修正系数 50～100
K<sub>sat</sub> 饱和动态修正系数 1.0～10.0
K<sub>Inh</sub> 抑制动态修正系数 0～1.0
本发明的技术方案中：
本发明的计算方法需要基于上一时刻碳源投加量DosageFlow(t-dt)来计算当前时刻的碳源投加量DosageFlow(t)。因此需要指定计算开始时刻(t＝0)的碳源投加量作为计算的初始值，一般是用该时刻采集到的实时碳源投加量作为初始值，这样才能计算出后续的碳源投加量。然后在此基础上，基于在线实时计算出的进水中的碳氮比计算出碳源投加修正量，然后根据碳源投加修正量和上一时刻的碳源投加量，计算出当前时刻的碳源投加量，当前时刻的碳源投加量是基于碳氮比的实时变化得到的，反映了进水水质对外加碳源的真实需求量的影响。
本发明的有益效果：
本发明根据污水处理反硝化过程中进水中碳氮比实时计算所需的碳源投加量，以适应污水处理反硝化过程对碳源消耗的真实需求。针对碳源不足、碳源过量和碳源充足三种情况，分别采用不同的公式计算碳源投加量，以适应不同进水碳氮比下的碳源需求量，保障出水水质达标，同时避免碳源投加量过多造成的药剂浪费和二次污染。
采用本发明所述计算方法得到的碳源投加量，能满足进水碳氮比变化对需药量的影响，跟传统计算方法相比，在满足水质达标的前提下，消耗更少的碳源。
附图说明
图1是本发明实施例中两种不同计算方法得出的碳源投加量对比图。
图2是本发明实施例中基于进水碳氮比计算的碳源投加量。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步说明。
以某污水厂为试点，该厂有两条平行的生化处理工艺流程，进水水质相同，具有相同的碳氮比。选择其中一条工艺流程，采用本发明所述的方法来计算碳源投加量；另一条仍采用传统方式，仅根据碳氮比的变化量按设定比例调节碳源投加量，然后对比两者的效果。
按照本发明所述的方法计算碳源投加量的步骤如下：
S1：在污水处理厂进水端COD安装在线监测仪表和总氮在线监测仪表安装，在碳源投加管路上安装流量计，所述COD在线监测仪表、总氮在线监测仪表、流量计分别和控制器相连；
S2：所述控制器分别采集不同时刻的进水COD浓度、氮浓度和碳源投加量数据，对采集的数据进行阈值判断、去跳等预处理，剔除异常值；
S3：根据采集到的数据计算进水碳氮比，进水碳氮比与碳氮比上下限进行比较，将进水中碳源水平界定为碳源充足、碳源不足和碳源过量；
S4：根据上述进水中碳源水平的不同，分别采用不同的公式计算碳源投加修正量；
S5：根据上述碳源投加修正量计算当前时刻需要的碳源投加量；
在本发明的计算方法中，根据碳源水平的不同，分别采用不同的计算公式来计算碳源投加修正量，计算公式如下：
碳源充足时碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)按下列公式计算：
Figure BDA0002352159920000061
碳源不足时碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)按下列公式计算：
Figure BDA0002352159920000062
碳源过量时碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)按下列公式计算：
Figure BDA0002352159920000063
式中：
ΔDosageFlow(t)：碳源投加修正量，单位L/h；
CNLowLimit：碳氮比下限，单位gCOD/gN；
CNHighLimit：碳氮比上限，单位gCOD/gN；
CN(t)：当前时刻的碳氮比，单位gCOD/gN；
CN(t-dt)：上一时刻的碳氮比，单位gCOD/gN；
dt：数据采样时间间隔，单位s；
μmax：碳氮比-加药量修正系数，单位L/h；
Ksat：饱和动态修正系数，单位gCOD/gN；
KInh：抑制动态修正系数，单位gCOD/gN；
本实施例中，碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)数学表达式中涉及的参数取值如下：
Figure BDA0002352159920000064
Figure BDA0002352159920000071
如图1所示，是两种不同的计算方法得出的碳源投加量及相应的效果：根据图示可知缺氧池硝态氮浓度的对比，两条工艺流程经碳源投加后，缺氧池中硝态氮的浓度很接近，也就是利用两种不同计算方法计算出来的碳源投加量达到了相同的效果，但是采用本发明的方法计算得到碳源投加量总体上要少于采用传统方法的碳源投加量。经过连续运行48小时后统计，采用传统方法的平均碳源投加量约297L/h，而采用本发明方法的平均碳源投加量约284L/h，碳源投加量节省约4.37％，也就证明了根据本发明所述方法计算的碳源投加量具有更高的费效比，在达到同样处理目标的前提下节省了药耗，避免了药剂的浪费。
图2是运行72小时按照本发明所述计算方法根据进水碳氮比计算出来的碳源投加量。

Claims (5)

1.一种基于进水碳氮比在线计算碳源投加量的方法，其特征在于，包括：
S1：在污水处理厂进水端安装COD在线监测仪表和总氮在线监测仪表，在碳源投加管路上安装流量计，所述COD在线监测仪表、总氮在线监测仪表、流量计分别和控制器相连；
S2：所述控制器分别采集不同时刻的进水COD浓度、总氮浓度和碳源投加量数据，对采集的数据进行阈值判断、去跳预处理，剔除异常值；
S3：根据采集到的数据计算进水碳氮比，所述进水碳氮比与碳氮比上下限进行比较，将进水中碳源水平界定为碳源充足、碳源不足和碳源过量；
S4：根据进水中碳源水平的不同，分别采用不同的公式计算碳源投加修正量；
S5：根据上述碳源投加修正量计算当前时刻需要的碳源投加量；
所述进水中碳源充足的判断依据为：CNLowLimit≤CN≤CNHighLimit，碳源充足时碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)按下列数学表达式计算：
Figure FDA0003295057920000011
式中：
ΔDosageFlow(t)：碳源投加修正量，单位L/h；
CNLowLimit：碳氮比下限，单位gCOD/gN；
CNHighLimit：碳氮比上限，单位gCOD/gN；
CN(t)：当前时刻的碳氮比，单位gCOD/gN；
CN(t-dt)：上一时刻的碳氮比，单位gCOD/gN；
dt：数据采样时间间隔，单位s；
μmax：碳氮比-加药量修正系数，单位L/h；
Ksat：饱和动态修正系数，单位gCOD/gN；
KInh：抑制动态修正系数，单位gCOD/gN；
所述进水中碳源不足的判断依据为：CN<CNLowLimit，碳源不足时碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)按下列数学表达式计算：
Figure FDA0003295057920000021
式中：
ΔDosageFlow(t)：碳源投加修正量，单位L/h；
CNLowLimit：碳氮比下限，单位gCOD/gN；
CN(t)：当前时刻的碳氮比，单位gCOD/gN；
μmax：碳氮比-加药量修正系数，单位L/h；
Ksat：饱和动态修正系数，单位gCOD/gN；
KInh：抑制动态修正系数，单位gCOD/gN；
所述进水中碳源过量的判断依据为：CN>CN_HighLimit，碳源过量时碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)按下列数学表达式计算：
Figure FDA0003295057920000022
式中：
ΔDosageFlow(t)：碳源投加修正量，单位L/h；
CNHighLimit：碳氮比上限，单位gCOD/gN；
CN(t)：当前时刻的碳氮比，单位gCOD/gN；
μmax：碳氮比-加药量修正系数，单位L/h；
Ksat：饱和动态修正系数，单位gCOD/gN；
KInh：抑制动态修正系数，单位gCOD/gN。
2.根据权利要求1所述的基于进水碳氮比在线计算碳源投加量的方法，其特征在于，所述总氮在线监测仪表可用氨氮在线监测仪表替换。
3.根据权利要求1所述的基于进水碳氮比在线计算碳源投加量的方法，其特征在于，所述碳氮比仅考虑进水水质的影响，计算公式如下：
Figure FDA0003295057920000023
式中：
CN(t)：t时刻的进水碳氮比，单位gCOD/gN；
CODIn(t)：t时刻的进水COD浓度，单位mg/L；
NitrogenIn(t)：t时刻的进水总氮浓度，单位mg/L。
4.根据权利要求1所述的基于进水碳氮比在线计算碳源投加量的方法，其特征在于，当前时刻需要的碳源投加量的计算公式为：
DosageFlow(t)＝DosageFlow(t-dt)+ΔDosageFlow(t)
式中：
DosageFlow(t)：当前时刻的碳源投加量，单位L/h；
DosageFlow(t-dt)：上一时刻的碳源投加量，单位L/h；
ΔDosageFlow(t)：碳源投加修正量，单位L/h。
5.根据权利要求1所述的基于进水碳氮比在线计算碳源投加量的方法，其特征在于，所述碳源投加修正量ΔDosageFlow(t)数学表达式中涉及的参数取值范围如下：
符号 参数名称 取值范围 CN<sub>LowLimit</sub> 碳氮比下限 0 ～8.0 CN<sub>HighLimit</sub> 碳氮比上限 10.0 ～20.0 dt 采样时间间隔 5.0 ～10.0 μ<sub>max</sub> 碳氮比-加药量修正系数 50 ～100 K<sub>sat</sub> 饱和动态修正系数 1.0 ～10.0 K<sub>Inh</sub> 抑制动态修正系数 0 ～1.0
。
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