CN111087073A - 一种基于同步硝化反硝化机制的污水处理生化需氧控制系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于同步硝化反硝化机制的污水处理生化需氧控制系统及方法，本发明主要应用于低进水负荷、连续流市政污水处理工艺，控制系统包括：在线监测系统、曝气系统以及PLC控制系统。通过采集进水数据作为前馈参数和生化沿程的过程参数，利用神经网络算法的同步硝化反硝化生化反应模型，得到最优的硝化‑反硝化状态的控制策略。该系统及方法可适用于低进水负荷下降低电耗和低C/N下降低碳源投加的物耗，整体实现系统节能降耗，同时保障COD、NH3‑N达标和TN去除，本发明适用范围大，操作简单易行，适用于各种规模的污水处理厂；改造难度小，节能降耗效果明显，可依据水厂自控条件，通过小幅的改造即获得较大的节能降耗收益。
Description
技术领域
本发明涉及低碳市政污水处理和节能降耗控制领域，具体是一种基于同步硝化反硝化机制的污水处理生化需氧控制系统及方法，特别涉及连续流处理工艺下的污水处理节能降耗控制。
背景技术
水和能源是现代社会的两大基础资源，污水处理是实现水资源循环利用的重要手段。但城市污水处理是高能耗的行业，其耗能主要包括电耗、药耗等多个方面，其中电耗约占总能耗的70％～90％。现阶段污水处理的建设、市政管网建设及后续提标改造工程往往都无法相对准确预估进水水量和水质的构成及其变化，导致设计负荷大运行负荷小、后期工艺调整难、运行能耗高等问题。在日益严格的排放标准要求下，污水处理厂采用了多种方式提高运行水平和管控能力。但限于各种监管和运行管理水平参差不齐的问题，目前还大量采用比较简单粗放的方式来实现出水水质达标。例如，对于出水COD、NH3-N达标，一般简单采用增大曝气风量的方式，有时可能影响反硝化过程或造成碳源不足导致出水TN比较高或不达标。为了TN的达标，一般都在生化段投加碳源(乙酸钠、葡萄糖、复合碳源等)，增加了大量的药剂成本。这些问题，迫切需要采用系统诊断和治理的思路，从生物脱氮除磷的整体环节来考虑优化运行条件。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于同步硝化反硝化机制的污水处理生化需氧控制系统及方法，针对进水低负荷连续流污水处理厂，利用数据模拟分析评估污水厂工艺参数和设备状态，建立“氨氮-硝酸盐氮”与生化需气量之间的高效曝气控制策略，以及工艺运行的控制系统。旨在为生物处理提供曝气过程的精准化控制，实现按需供气。
本发明的目的通过以下技术方案予以实现：
一种基于同步硝化反硝化机制的污水处理生化需氧控制系统，其特征在于，包括在线监测系统、曝气系统以及PLC控制系统，其中：
在线监测系统包括COD分析仪、NH3-N分析仪、NO3-N分析仪、DO测量仪、pH测量仪、温度测量仪、MLSS分析仪和进水流量测量仪；其中，COD分析仪、NH3-N分析仪分别布置在生化系统进水端、好氧池前、中以及末端，NH3-N分析仪、NO3-N分析仪、DO测量仪分别布置在好氧池前、中以及末端；pH测量仪、温度测量仪以及MLSS分析仪布置在好氧池中段；进水流量测量仪布置在进水端；在线监测系统的各个仪表与PLC控制系统通过电气连接；
曝气系统包括鼓风机、曝气管路和曝气自动控制阀；鼓风机与曝气管路相连接，在曝气支管末端设置有曝气自动控制阀，鼓风机和曝气自动控制阀门与PLC控制系统电气连接；
所述的鼓风机选用变频鼓风机；所述的内回流泵、外回流泵选用变频泵；
本发明还提供一种基于同步硝化反硝化机制的污水处理生化需氧控制方法，其特征在于：基于同步硝化反硝化生化反应进行开发的污水处理系统生化需氧量(DO)预测模型，利用神经网络算法，采用进水COD分析仪、NH3-N分析仪以及进水流量(Q)测量仪在线监测数据作为前馈参数，计算公式：
式中：Q、COD、NH3-N分别为进水流量、COD浓度以及NH3-N浓度，A1至A3，B1至B3，C1至C3为生化反应动力学系数，分别对应：溶菌和衰减的速率常数、基于基质的最大生长速率、易生物降解基质的生长饱和/抑制系数、异养菌产率系数、异养菌衰减系数、硝化菌最大比增长速率、聚磷菌最大比生长速率、自养菌的最大生长率、氨氮的自养菌饱和系数，各级反应参数根据生化池内的pH、MLSS以及温度调整。
进一步地，基于同步硝化反硝化生化反应进行开发的污水处理系统生化需氧量(DO)预测模型，采用好氧区沿程COD分析仪、NH3-N分析仪、NO3-N分析仪以及DO测量仪在线监测数据作为过程参数；对f0(DO)所得的生化需氧量进行修正，得到f(DO)。
进一步地，根据修正后的生化需氧f(DO)与曝气风机供氧量(N，最低频供氧量)，通过PLC控制系统调节鼓风机的启停或频率，或曝气自动控制阀的开度，对生化好氧池内的溶氧状态进行时间或空间上的交替调控，其优化策略如下：
生化好氧池内的溶氧状态分为硝化态和反硝化态，其中硝化态期间好氧池内溶氧控制在1～1.5mg/L，反硝化态期间好氧池内溶氧控制在<0.3mg/L。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：(1)好氧池低DO硝化状态运行，其好氧池内均值溶解氧应控制在0.5～1mg/L，当这种溶氧环境达到平衡时(硝化反应产生的硝酸盐和亚硝酸盐恰好能在缺氧环境被反硝化利用)，曝气电耗降低>30％。(2)可发挥内碳源反硝化作用，大分子有机污染物吸附在细胞表面经胞外酶水解作用转化为可传递到胞内的溶解性有机物，这些有机污染物作为内碳源为反硝化反应提供了能源和碳源，外加碳源可减少50～80％。(3)本发明适用范围大，操作简单易行，适用于各种规模的污水处理厂；改造难度小，节能降耗效益较高，可依据水厂自控条件，通过小幅的改造即获得较大的节能降耗收益。
附图说明
图1为本发明实施例提供的曝气控制系统示意图。
图中：1、COD分析仪，2、一台NH3-N分析仪，3、NO3-N分析仪，4、DO测量仪，5、pH测量仪，6、温度测量仪，7、MLSS分析仪，8、曝气自动控制阀，9、进水流量测量仪，10、鼓风机，11、曝气管路，12、外回流管路，13、内回流管路，14、外回流泵，15、内回流泵，16、PLC控制系统。
具体实施方式
下文将结合说明书附图和实施例详细说明本发明的实施方案。
本实施例提供一种曝气控制系统和方法，所应用的工艺运行情况为：某城镇污水处理厂，处理规模1万吨每天，核心工艺采用改良A2/O工艺，要求出水达到国家排放标准一级A标准；生化系统分为两个系列，每个系列好氧池分为两个曝气廊道。
如图1所示，一种曝气控制系统，其上设置有在线监测系统。在生化系统进水处，设有一台COD分析仪(1)、一台NH3-N分析仪(2)、进水流量测量仪(9)。生化好氧池沿程前、中、末端分别设有COD分析仪(1)、NH3-N分析仪(2)、NO3-N分析仪(3)、DO测量仪(4)，记录沿程水质数据；同时好氧池中端设有pH测量仪(5)、温度测量仪(6)、MLSS分析仪(7)，记录生化系统内的污泥和生化反应状态。在线监测系统的各仪表均与PLC控制系统(16)电气连接。
一种曝气控制系统，其上设置有曝气系统包括：鼓风机(10)、曝气管路(11)和曝气自动控制阀(8)，曝气自动控制阀(8)安装在曝气管路(11)上，鼓风机(10)和曝气自动控制阀(8)与PLC控制系统(16)电气连接。
一种曝气控制系统，其上设置有回流系统包括：内回流系统和外回流系统；内回流系统包括：内回流泵(14)和内回流管路(13)；外回流系统包括：外回流泵(15)和外回流管路(12)；内回流泵(14)和外回流泵(15)与PLC控制系统(16)通过电气连接，用于控制硝化液回流量和污泥回流量。
基于同步硝化反硝化生化反应进行开发的污水处理系统生化需氧量(DO)预测模型，利用神经网络算法，以生化系统进水处COD分析仪(1)、NH3-N分析仪(2)、进水流量测量仪(9)采集的数据作为前馈信息，传输至PLC控制系统(18)数据处理单元进行解析，得到前馈生化需氧量f0(DO)。再根据生化好氧池(17)沿程前、中、末端分别设置的COD分析仪(1)、NH3-N分析仪(2)、NO3-N分析仪(3)、DO测量仪(4)采集的沿程数据作为过程参数，传输至PLC控制系统(16)数据处理单元，对f0(DO)所得的生化需氧量进行修正，得到f(DO)。pH测量仪(5)、温度测量仪(6)、MLSS分析仪(7)采集的数据作为模型矩阵反应系数调整的依据。
根据修正后的生化需氧量f(DO)以及对应的优化控制策略，通过PLC控制系统调节鼓风机(10)开闭和曝气自动控制阀(8)切换，对生化好氧池内的溶氧状态进行时间上的交替调控，分为硝化态和反硝化态，硝化态与反硝化态时间间隔为4h，即硝化态4h后，开启反硝化态4h；其中硝化态期间好氧池内溶氧控制在1～1.5mg/L，反硝化态期间好氧池内溶氧控制在<0.3mg/L。
由PLC控制系统(16)收集进水水质信息分析，经过2个月高效曝气实施，其出水水质COD从19.2mg/L降到18.7mg/L，NH3-N基本稳定保持在0.53～0.59mg/L，TN从15.3mg/L降到12.5mg/L；对比实施前、后各二个月时间范围内吨水均值能耗，从0.62kWh/t水降低到0.53kWh/t水，下降了14.5％。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (6)
1.一种基于同步硝化反硝化机制的污水处理生化需氧控制系统，其特征在于，包括在线监测系统、曝气系统以及PLC控制系统，其中：
在线监测系统包括COD分析仪、NH3-N分析仪、NO3-N分析仪、DO测量仪、pH测量仪、温度测量仪、MLSS分析仪和进水流量测量仪；其中，COD分析仪、NH3-N分析仪分别布置在生化系统进水端、好氧池前、中以及末端，NH3-N分析仪、NO3-N分析仪、DO测量仪分别布置在好氧池前、中以及末端；pH测量仪、温度测量仪以及MLSS分析仪布置在好氧池中段；进水流量测量仪布置在进水端；在线监测系统的各个仪表与PLC控制系统通过电气连接；
曝气系统包括鼓风机、曝气管路和曝气自动控制阀；鼓风机与曝气管路相连接，在曝气支管末端设置有曝气自动控制阀，鼓风机和曝气自动控制阀门与PLC控制系统电气连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于同步硝化反硝化机制的污水处理生化需氧控制系统，其特征在于，鼓风机选用变频鼓风机。
3.根据权利要求1所述的一种基于同步硝化反硝化机制的污水处理生化需氧控制系统，其特征在于，所述的内回流泵、外回流泵选用变频泵。
4.一种基于同步硝化反硝化机制的污水处理生化需氧控制方法，其特征在于：基于同步硝化反硝化生化反应进行开发的污水处理系统生化需氧量(DO)预测模型，利用神经网络算法，采用进水COD分析仪、NH3-N分析仪以及进水流量(Q)测量仪在线监测数据作为前馈参数，计算公式：
式中：Q、COD、NH3-N分别为进水流量、COD浓度以及NH3-N浓度，A1至A3，B1至B3，C1至C3为生化反应动力学系数，分别对应：溶菌和衰减的速率常数、基于基质的最大生长速率、易生物降解基质的生长饱和/抑制系数、异养菌产率系数、异养菌衰减系数、硝化菌最大比增长速率、聚磷菌最大比生长速率、自养菌的最大生长率、氨氮的自养菌饱和系数，各级反应参数根据生化池内的pH、MLSS以及温度调整。
5.根据权利要求4所述的一种基于同步硝化反硝化机制的污水处理生化需氧控制方法，其特征在于：基于同步硝化反硝化生化反应进行开发的污水处理系统生化需氧量(DO)预测模型，采用好氧区沿程COD分析仪、NH3-N分析仪、NO3-N分析仪以及DO测量仪在线监测数据作为过程参数；对f0(DO)所得的生化需氧量进行修正，得到f(DO)。
6.根据权利要求4所述的一种基于同步硝化反硝化机制的污水处理生化需氧控制方法，其特征在于：根据修正后的生化需氧f(DO)与曝气风机供氧量，N为最低频供氧量，通过PLC控制系统调节鼓风机的启停或频率，或曝气自动控制阀的开度，对生化好氧池内的溶氧状态进行时间或空间上的交替调控，其优化策略如下：
生化好氧池内的溶氧状态分为硝化态和反硝化态，其中硝化态期间好氧池内溶氧控制在1～1.5mg/L，反硝化态期间好氧池内溶氧控制在<0.3mg/L。
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