CN111732187A - 一种基于污泥回流比的污水治理水质智能控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明给出一种基于污泥回流比的污水治理水质智能控制方法，该方法首先根据曝气池每日污泥净增量以及剩余污泥浓度循环与排出剩余污泥比值，智能控制污泥回流泵和剩余污泥泵，维持CASS池主反应区内的活性污泥浓度，不仅保证CASS池主反应区相对稳定的运行状态，而且可有效避免因曝气不足，溶解氧浓度过低引发污泥膨胀等现象。其次结合污水入水流量及水质调节污泥回流比与排水控制出水水质，引入最大剩余污泥浓度计算最小污泥回流比，根据污泥回流比与最小污泥回流比的大小设计分段模糊控制器，实时调控污泥回流量，提高污水总磷、总氮的去除率，提高了污水治理水质。

Description

一种基于污泥回流比的污水治理水质智能控制方法
技术领域
本发明提出的连续进水条件下一种基于污泥回流比的污水治理水质智能控制方法，在维持CASS池主反应区相对稳定的运行状态下实现对污水水质的控制。研究不同污泥回流比对污水处理出水总磷TP和总氮TN的影响，稳定CASS池主反应区的污泥浓度X。实现了通过污泥回流比控制出水水质。该发明属于智能控制研究领域。
背景技术
随着生活与经济的快速发展，环境水污染问题日益突出，大量未经处理的污水排放严重影响生态环境，大大超过环境容量。工业废水，生活污水排放的磷，氮严重超标，对生态环境造成了一定的危害，污水处理技术革新迫在眉睫。
污水处理针对不同污水含磷，含氮浓度，往往采用确定的污泥回流比。同时常规的污水处理通常有3种方法，通过控制鼓风机曝气时长来控制溶解氧浓度，G-BAF池加药以及调节污泥回流比。鼓风机曝气难以掌握曝气量大小以及曝气时长，容易造成为水质达标而过度曝气引起的能源消耗；污水处理过程具有时滞性的特点G-BAF池加药不能够及时改变污水的出水水质造成阶段性水质不达标排放的问题；常规的污泥回流比调节在改变回流比的同时无法保证剩余污泥的浓度，CASS池内的稳定性被破坏，污水出水水质并不能达到预期的效果。现阶段污水处理出水水质总磷在0.8mg/L左右，总氮在13mg/L左右。
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中的不足，提供基于连续进水条件下基于污泥回流比控制出水水质的方法，获得相对准确的系统参数，可以满足不同入水水质条件下控制出水水质中总磷，总氮的浓度。
为实现上述技术效果，本发明技术方案如下：
以每1小时流入CASS池的流量作为污水入水流量，对即将进入CASS池生物选择区的污水成分总氮TN，总磷TP的浓度进行测定，取CASS池进水每1小时内TN，TP浓度的均值作为此次需处理污水的指标。依据CASS池入水水质，设定总磷设定值3mg/L，总氮设定值35mg/L，根据两种入水指标与设定值大小的关系，计算并选择与之相对应工况下的四种污泥回流比R＝20％，R＝25％，R＝50％，R＝100％，获得相对效率较高的去除率。污泥回流比大小改变的同时又会改变CASS池主反应区污泥浓度X的大小进而改变主反应区的运行状态。依据设定值调节污泥回流比，控制污泥回流泵以及剩余污泥泵。进而控制出水水质中总磷，总氮的含量。
所述的污泥回流比控制方法，依据选定的污泥回流比R，结合CASS池主反应区物料平衡方程式，
Qr*Xr＝(Qin+Qr)*X (1)
其中Qr为污泥回流量，Qin为进入主反应区的水量，Xr为回流污泥的浓度，X为CASS池主反应区污泥浓度。
Figure BSA0000212381560000021
通过系统选择的污泥回流比大小R可以得出回流污泥浓度Xr
Figure BSA0000212381560000022
计算最大污泥回流浓度Xr(max)，
Figure BSA0000212381560000023
其中SVI为污泥体积指数，r为相关系数取值1.5左右。再依据公式(3)和公式(4)计算最小污泥回流比Rmin。
Figure BSA0000212381560000024
其中Rmin为最小回流污泥回流比，SV为污泥沉降比，r为相关系数取值1.5左右。
所述的污泥回流比控制方法，依据污水水质不同确定相应污泥回流比。污泥回流比对COD、氨氮去除率影响不大，改变污泥回流比，出水水质稳定。
所述的污泥回流比控制方法，污泥回流比对总氮TN、总磷TP影响大。回流比由20％提高到50％，总氮TN去除率显著提高。回流比达到20％时有较好的除磷效果。当污泥回流比为100％表现出良好的脱氮除磷效果。当回流比达到150％时除磷效率下降，但是脱氮效率提高。当污泥回流比为25％时，不仅可以保证高效的脱氮除磷效果同时也经济适用。
所述的污泥回流比控制方法，根据污泥回流比对总氮TN，总磷TP影响较大的特性，对进入CASS池生物选择区之前的污水总氮TN，总磷TP浓度进行测定。针对正常污水水质选择污泥回流比R＝25％，有着较好的处理效果。但是一旦总磷TP或者总氮TN超出正常水质范围，继续沿用25％的污泥回流比会造成出水水质超标，所以当污水总磷TP或者总氮TN超标情况下则应选择适当的污泥回流比R。
所述的污泥回流比控制方法，维持CASS池主反应区稳定运行的状态。更改污泥回流比控制出水水质的同时也会造成CASS池主反应区污泥浓度X的变化，因此对污水进行处理的同时依然是出水水质变化的不定因素。为此，需要稳定CASS池主反应区的污泥浓度X。
所述的污泥回流比控制方法，污泥回流比R越小，CASS池主反应区污泥浓度X不变，回流污泥浓度Xr越大。污泥回流比R越大，CASS池主反应区污泥浓度X不变，回流污泥浓度Xr越小。
所述的污泥回流比控制方法，Rmin为最小回流污泥回流比，当R＜Rmin时，控制回流污泥的浓度Xr＝Xr(max)，随着污泥回流比R减小，主反应区污泥浓度X越小。当R＞Rmin时，改变污泥回流量以保持CASS池主反应区污泥浓度X不变。
所述的污泥回流比控制方法，计算出的污泥回流量Qr，
情况1：R≥Rmin
当R≥Rmin时，采用分段模糊控制，eTP＝检测值TP-设定值TPset，将偏差eTP范围分为：-3，-2，-1，0，1，2，3共7个等级对应模糊集为：负大NB，负中NM，负小NS，零Z，正小PS，正中PM，正大PB；eTN＝检测值TN-设定值TNset，将偏差eTN范围分为：-30，-20，-10，0，10，20，30共7个等级对应模糊集为：负大NB，负中NM，负小NS，零Z，正小PS，正中PM，正大PB；根据偏差eTP和eTN的变化范围将控制量UR分为4个模糊集：零Z，正小PS，正中PM，正大PB分别对应R＝25％，R＝20％，R＝50％，R＝100％，得到模糊表如下表所示：
Figure BSA0000212381560000041
表1模糊控制规则表
If总磷TP≥限定值TPset&总氮TN＜限定值TNset Then UR＝PS，选定控制的污泥回流比R＝20％，计算污泥回流量Qr＝0.2*Qin；
If总磷TP＜限定值TPset&总氮TN≤限定值TNset Then UR＝Z，选定控制的污泥回流比R＝25％，计算污泥回流量Qr＝0.25*Qin；
If总磷TP≤限定值TPset&总氮TN＞限定值TNset Then UR＝PM，选定控制的污泥回流比R＝50％，计算污泥回流量Qr＝0.5*Qin；
If总磷TP＞限定值TPset&总氮TN≥限定值TNset Then UR＝PB，选定控制的污泥回流比R＝100％，计算污泥回流量Qr＝1*Qin；
情况2：R＜Rmin
回流污泥的浓度Xr＝Xr(max)，随着污泥回流比R减小，主反应区污泥浓度X越小。保持主反应区浓度不改变应适当增大回流污泥量使得
Figure BSA0000212381560000042
所述的污泥回流比控制方法，计算活性污泥微生物在曝气池内每日的净增长量，以及需要控制剩余污泥泵排出污泥Qw。
ΔX＝aQin(Si-Se)-bVXv (7)
其中ΔX为每日污泥增长量，Qin为每日处理废水量，Si为进水BOD5浓度，Se为出水BOD5浓度，经验值a＝0.5～0.65，经验值b＝0.05～0.1。
所述的污泥回流比控制方法，依据计算数值，利用PLC调节污泥回流泵控制污泥回流比，调节剩余污泥泵保持CASS池主反应区稳定运行状态。
本发明的有益效果
本发明设计的一种连续进水条件下基于污泥回流比控制出水水质的方法是考虑污水入水总磷、总氮浓度的基础上产生。针对不同入水总磷、总氮浓度区分为四种工况，系统自动识别工况，选取合适的污泥回流比。考虑污泥回流比改变CASS池内剩余污泥浓度大小改变，为稳定CASS池主反应区稳定，利用PLC控制污泥回流泵以及剩余污泥泵调节污泥循环量，维持CASS池主反应区剩余污泥浓度。由此可以保持调节污泥回流比的同时，不改变CASS池运行的稳定性。本控制方法可以减少CASS池鼓风机的过度曝气，减少能源消耗，不易发生污泥膨胀。本发明控制所需要的设备数量与种类较少，控制系统简单，运行安全可靠，性能稳定，出水水质含磷，含氮量显著降低。TN值由以前的13mg/L降至10mg/L，TP值由以前的0.8mg/L降至0.3mg/L，而且自动化程度得到了提高，降低了人工劳动强度，提高了污水出水水质。
附图说明
图1是本发明的PLC控制系统图
图2是本发明的CASS池变量测量图
图3是本发明的CASS池控制流程图
图4是本发明的CASS池污水停留时间图
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不限于此：
一种连续进水条件下基于污泥回流比控制出水水质的方法，本发明包括污泥回流比选定、CASS池主反应区污泥浓度维稳和剩余污泥泵、回流泵的PLC控制三部分组成。
以秦安污水处理厂为例：秦安污水处理厂采用CASS池工艺，整个CASS池分四个处理区，标号为1号CASS池，2号CASS池，3号CASS池，4号CASS池。设计处理能力为日处理污水设计流量15000m3。日平均处理污水量为10000m3。取1号CASS池正常污水处理系统运行6小时的数据。
1号CASS池入水时间 入水总磷TP均值 入水总氮TN均值
07：00-08：00 4.7mg/L 33.5mg/L
08：00-09：00 4.2mg/L 33.5mg/L
09：00-10：00 5.1mg/L 42.7mg/L
10：00-11：00 6.2mg/L 55.4mg/L
11：00-12：00 6.2mg/L 56.8mg/L
12：00-13：00 5.6mg/L 40.3mg/L
表2 1号CASS池入水水质数据
(1)污水进入粗、细格栅滤去呈悬浮状的固体污染物，后流入CASS池进行后续的处理过程。
(2)由电磁流量计采集每小时流入1号CASS池进入主反应区的水量Qin＝200m3/h，换算时间单位则Qin＝4800m3/d。利用COD分析仪器测定每小时流入CASS池主反应区总氮TN，总磷TP的平均浓度。由上表可知每小时内流入污水总磷、总氮平均浓度。
(3)设定总磷限定值TPset为3mg/L，设定总氮限定值TNset为35mg/L。设定值的设定为调整污泥回流比的设定值提供依据。
(4)CASS池入水是连续状态进水，入水流量选取入水浓度平均值作为计算值。污泥回流量Qr则每1小时进行一次换算。
(5)由表1可知，7时至8时，总磷TP＜3mg/L，总氮TN＜35mg/L，仪表将采集的数据传送给PLC，PLC将数据与设定值进行比较，自动选定控制的污泥回流比R＝25％。计算污泥回流量Qr＝0.25*Q＝1200m3/d，PLC控制污泥回流泵开始污泥回流，污泥回流依据入水流量改变。
(6)由表1可知，8时至9时，总磷TP＞3mg/L，总氮TN＜35mg/L，仪表将采集的数据传送给PLC，PLC将数据与设定值进行比较，自动选定控制的污泥回流比R＝20％。计算污泥回流量Qr＝0.2*Q＝960m3/d，PLC控制污泥回流泵开始污泥回流，污泥回流依据入水流量改变。
(7)由表1可知，10时至13时，总磷TP＞3mg/L，总氮TN＞35mg/L，仪表将采集的数据传送给PLC，PLC将数据与设定值进行比较，自动选定控制的污泥回流比R＝100％。计算污泥回流量Qr＝1*Q＝4800m3/d，，PLC控制污泥回流泵开始污泥回流，污泥回流依据入水流量改变。
(8)本发明以CASS池10时至13时的入水数据为例进行进一步说明。
(9)更改污泥回流比控制出水水质的同时也会造成CASS池主反应区污泥浓度X的变化，因此对污水进行处理的同时依然是出水水质变化的不定因素。为此，需要稳定CASS池主反应区的污泥浓度X。
(10)依据CASS池主反应区物料平衡方程式，计算CASS池回流污泥的浓度Xr，10时至13时污泥回流比R＝100％，浓度检测仪反馈CASS池主反应区活性污泥浓度X＝3200mg/L。数据反馈回PC端，根据计算公式
Figure BSA0000212381560000071
可得回流污泥浓度Xr＝6400mg/L。
(11)变换平衡方程式，可知污泥回流比R越小，CASS池主反应区污泥浓度X不变，回流污泥浓度Xr越大。污泥回流比R越大，CASS池主反应区污泥浓度X不变，回流污泥浓度Xr越小。
(12)计算最大污泥回流浓度Xr(max)，经过仪表检测反馈，污泥体积指数为
Figure BSA0000212381560000072
计算
Figure BSA0000212381560000073
同时测量到污泥沉降比达到30％，则最小污泥回流比
Figure BSA0000212381560000074
r取常数值1.5。为后续进行CASS池内剩余污泥调节提供计算依据。
(13)此时污泥回流比R＝100％大于Rmin＝25％，改变污泥回流量以保持CASS池主反应区污泥浓度X不变则控制污泥回流泵回流污泥量Qr的取值等于计算值4800m3/d。
(14)计算活性污泥微生物在曝气池内每日的净增长量ΔX＝aQ(Si-Se)-bVXv＝1030kg/d，为保持CASS池主反应区污泥浓度X不变，控制剩余污泥泵排出污泥Qw，使得ΔX＝Qw*Xr则Qw＝161m3/d。PLC控制剩余污泥泵排出污泥。
(15)污泥回流比的控制，减少了污水处理曝气阶段的能源消耗。出水水质TN值由以前的13mg/L降至10mg/L，TP值由以前的0.8mg/L降至0.3mg/L，而且自动化程度得到了提高，降低了人工劳动强度。
1号CASS池出水时间 出水总磷TP均值 出水总氮TN均值
12：00-13：00 0.35mg/L 9.5mg/L
13：00-14：00 0.29mg/L 9.5mg/L
14：00-15：00 0.29mg/L 10.3mg/L
15：00-16：00 0.33mg/L 12.6mg/L
16：00-17：00 0.39mg/L 13.2mg/L
17：00-18：00 0.32mg/L 10.3mg/L
表3 1号CASS池出水水质数据

Claims (5)

1.一种基于污泥回流比的污水治理水质智能控制方法，其特征在于：污水入水经粗、细格栅流入CASS池；在CASS池入水口安装电磁流量计，以每1小时流入CASS池的流量作为污水入水流量Qin；CASS池入水口安装COD分析仪测量污水入水总磷、总氮浓度，以每1小时总磷、总氮浓度均值作为污水水质指标；依据CASS池入水水质，设定总磷设定值3mg/L，总氮设定值35mg/L，根据两种污水水质指标与设定值大小的比较，计算相应工况下的污泥回流比，根据污泥回流比调节控制污泥回流量。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：依据选定的污泥回流比R，结合CASS池主反应区物料平衡方程式，
Qr*Xr＝(Qin+Qr)*X (1)
其中Qr为污泥回流量，Qin为进入主反应区的水量，Xr为回流污泥的浓度，X为CASS池主反应区污泥浓度，污泥回流比R定义为
Figure FSA0000212381550000011
通过系统选择的污泥回流比大小R可以得出回流污泥浓度Xr
Figure FSA0000212381550000012
计算最大污泥回流浓度Xr(max)
Figure FSA0000212381550000013
其中SVI为污泥体积指数，r为相关系数取值1.5左右，再依据公式(3)和公式(4)计算最小污泥回流比Rmin
Figure FSA0000212381550000014
其中Rmin为最小回流污泥回流比，SV为污泥沉降比，r为相关系数取值1.5左右。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：比较选定污泥回流比R与最小污泥回流比Rmin，依据不同工况计算污泥回流量Qr；
情况1：R≥Rmin
当R≥Rmin时，采用分段模糊控制，eTP＝检测值TP-设定值TPset，将偏差eTP范围分为：-3，-2，-1，0，1，2，3共7个等级对应模糊集为：负大NB，负中NM，负小NS，零Z，正小PS，正中PM，正大PB；eTN＝检测值TN-设定值TNset，将偏差eTN范围分为：-30，-20，-10，0，10，20，30共7个等级对应模糊集为：负大NB，负中NM，负小NS，零Z，正小PS，正中PM，正大PB；根据偏差eTP和eTN的变化范围将控制量UR分为4个模糊集：零Z，正小PS，正中PM，正大PB分别对应R＝25％，R＝20％，R＝50％，R＝100％，得到模糊表如下表所示：
Figure FSA0000212381550000021
表1模糊控制规则表
If总磷TP≥限定值TPset&总氮TN＜限定值TNset Then UR＝PS，选定控制的污泥回流比R＝20％，计算污泥回流量Qr＝0.2*Qin；
If总磷TP＜限定值TPset&总氮TN≤限定值TNset Then UR＝Z，选定控制的污泥回流比R＝25％，计算污泥回流量Qr＝0.25*Qin；
If总磷TP≤限定值TPset&总氮TN＞限定值TNset Then UR＝PM，选定控制的污泥回流比R＝50％，计算污泥回流量Qr＝0.5*Qin；
If总磷TP＞限定值TPset&总氮TN≥限定值TNset Then UR＝PB，选定控制的污泥回流比R＝100％，计算污泥回流量Qr＝1*Qin；
情况2：R＜Rmin
回流污泥的浓度Xr＝Xr(max)，随着污泥回流比R减小，主反应区污泥浓度X越小，为了保持主反应区浓度不改变，按照下式控制回流污泥量Qr：
Figure FSA0000212381550000031
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：COD测量进水BOD5浓度，出水BOD5浓度，依据活性污泥微生物在曝气池内每日的净增长量计算公式，得出每日污泥增长量ΔX
ΔX＝aQin(Si-Se)-bVXv (7)
其中ΔX为每日污泥增长量，Qin为每日处理废水量，Si为进水BOD5浓度，Se为出水BOD5浓度，经验值a＝0.5～0.65，经验值b＝0.05～0.1。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：依据每日污泥增长量ΔX，回流污泥浓度Xr，计算剩余污泥泵需要排出的剩余污泥量
Figure FSA0000212381550000032
依据计算值控制污泥回流泵以及剩余污泥泵。
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