CN114409084A - A/o和mcr工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统 - Google Patents

A/o和mcr工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统 Download PDF

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CN114409084A
CN114409084A CN202210165093.8A CN202210165093A CN114409084A CN 114409084 A CN114409084 A CN 114409084A CN 202210165093 A CN202210165093 A CN 202210165093A CN 114409084 A CN114409084 A CN 114409084A
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黄建元
尹志凯
钱虹洲
朱红卫
王蒋镔
王毅
冉令慧
孙士恩
祁志福
赵汉成
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Ili Xintian Coal Chemical Co ltd
Zhejiang Energy Group Research Institute Co Ltd
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Ili Xintian Coal Chemical Co ltd
Zhejiang Energy Group Research Institute Co Ltd
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/006—Regulation methods for biological treatment
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F3/00—Biological treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F3/30—Aerobic and anaerobic processes

Abstract

本发明涉及一种A/O+MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统，包括：用于采集废水水质数据及各设备的运行参数的数据采集模块；用于控制废水进水流量的废水进水流量控制模块；用于控制碳源投加量的碳源投加控制模块；用于控制好氧区的总进气量、控制好氧区和MCR池的溶解氧浓度的曝气系统控制模块。本发明的有益效果是：节能控制系统内设置与各实时控制系统模块之间进行配合操作的数据采集模块，可监测处理前后的水质。还设有在数据不合格情况下启动的废水进水泵、变频鼓风机、污泥回流泵、排泥泵、加药泵及各电动阀门。能有效提高曝气装置的利用效率，降低了各水处理设备的能源消耗，可节约系统能耗30％左右，减少了不必要的浪费。

Description

A/O和MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统
技术领域
本发明属于煤制气废水处理技术领域，尤其涉及一种A/O和MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统。
背景技术
随着国家对废水零排放的要求进一步提高，煤制气废水处理也成为了一大难题，其存在的问题如下：
(1)煤制气废水的水质极其复杂，含有大量酚类、长链烷烃类、芳香烃类、杂环类、氰、氨氮等有毒有害物质，是一种典型的高浓度难生物降解的工业废水。(2)产生的废水中含有大量的焦油，若对焦油处理不净，则焦油一方面进入生化系统，使系统中的活性污泥失去活性，更严重会造成生化系统的崩溃；另一方面会对后期的回用系统造成影响，造成超滤的膜丝断裂，膜丝污堵，产水量下降等问题，减短膜组件的使用寿命。(3)由于煤气化负荷的变化，气化产生的废水水量不稳定，会给生化处理系统的水质稳定带来很大冲击，有可能造成生化系统瘫痪。(4)尽管在煤制气废水处理过程中的前期预处理降低了废水的毒性和污染物浓度，但其仍对水处理微生物的威胁较大，尤其是好氧微生物。
目前常用的处理煤化工废水的好氧生化工艺为A/O工艺，该系统主要包括缺氧区、好氧区和泥水分离区。拥有这类工艺的废水处理厂迫切需要解决能耗高的问题，多数废水处理厂的能耗过高多表现在好氧曝气装置利用效率低，由于煤制气废水的可生化性较低，微生物对溶解氧的需求较高，曝气装置的控制在该系统中是至关重要的。
浸没式超滤系统(MCR)可用做生化后端沉淀池，可通过膜过滤技术拦截生化未降解的大分子有机物从而保证出水污染物浓度下降。但大多数煤制气废水厂急需解决MCR工艺常出现膜污堵以及浓缩液累积等问题，该问题不仅会提高废水厂膜的更换成本，还会导致生化系统逐步恶化。
A/O和MCR组合工艺中各工艺段相互依存，也相互制约。目前，污水处理厂的运行大多是依靠经验以人工操作为主，无法通过实时检测并控制各工艺段运行设备参数；在当前的污水处理厂中，鼓风机、回流泵、排泥泵、加药泵等都是具有节能潜力的设备，但只能做到一些简单的控制，无法做到量化控制，因此会导致废水处理厂部分水处理设备无法充分利用电能，造成整体系统的能源浪费情况严重。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种A/O和MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统。
这种A/O和MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统，包括：
用于采集废水水质数据及各设备的运行参数的数据采集模块；
用于控制废水进水流量的废水进水流量控制模块；
用于控制碳源投加量的碳源投加控制模块；
用于控制好氧区的总进气量、控制好氧区和MCR池的溶解氧浓度的曝气系统控制模块；
用于控制内回流比和外回流比的回流实时控制模块；回流实时控制模块包括控制A/O-MCR 组合系统中好氧区至缺氧区的内回流系统，以及由MCR池至缺氧区的外回流系统；
用于获取系统当前进水流量Q、进水CODin和好氧区总污泥浓度MLSSo，并计算当前好氧池污泥负荷Ns的好氧池排泥泵实时控制模块；好氧池排泥管道上设有好氧池排泥泵和电动阀门；
用于调整MCR池泥水排放量的MCR池泥水排放实时控制模块。
作为优选，数据采集模块设有原废水进水流量计、生化池液位计、BOD监测装置、COD监测装置、氨氮浓度监测装置、硝酸盐浓度监测装置、碳源投加流量监测装置、溶解氧监测装置和污泥浓度监测装置。
作为优选，缺氧池作为缺氧区，好氧池作为好氧区。
作为优选，数据采集模块采集的废水水质数据包括进水BOD浓度、进水COD浓度、进水氨氮浓度、好氧池溶解氧浓度、好氧池污泥浓度、好氧池出水COD浓度、好氧池出水氨氮浓度、好氧池出水硝酸盐浓度、MCR池溶解氧浓度、MCR池污泥浓度、MCR池COD浓度、节能控制系统出水COD浓度和节能控制系统出水氨氮浓度；数据采集模块采集的各设备的运行参数包括缺氧池进水流量、水力停留时间(HRT)、好氧池回流比和MCR回流比。
这种A/O和MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统的工作方法：
控制器实时获取数据采集模块所采集到的数据，再根据得到的数据计算得出结果后，向工艺段装置发出信号，控制废水进水流量控制模块、碳源投加控制模块、曝气系统控制模块、回流实时控制模块、好氧池排泥泵实时控制模块和MCR池泥水排放实时控制模块运行；
废水进水流量控制模块获取当前废水进水流量Q和生化池液位高度H(单位为m)；若Q1 ≤Q≤Q2且满足生化池预设液位高度范围H1≤H≤H2，则保持当前废水进水流量Q作为进水；否则根据废水流量、水力停留时间和各工艺段的池体容积来控制废水进水流量：
Q＝V/HRT
上式中，Q表示废水进水流量；V表示各工艺段的池体容积之和，单位为m3；HRT表示水力停留时间；当生化池液位高于预设范围的液位上限时，减少系统进水流量；Q1表示废水进水流量下限阈值，Q2表示废水进水流量上限阈值；H1表示生化池预设液位高度下限，H2表示生化池预设液位高度上限；
碳源投加控制模块获取进水BOD和COD，计算出B/C比、好氧池出水CODo和系统出水CODout；若A1≤(B/C)≤A2、CODout≤C1且CODo≤C2，则碳源投加模块以当前投加量向缺氧区投加碳源；否则调整碳源投加量：若B/C不在A1至A2范围内或CODout＞C1，则减少碳源投加量；若CODout≤C1且CODo＞C2，则提高碳源投加量；其中BOD表示生化需氧量，即废水中可生物降解的有机物的需氧量；COD表示化学需氧量，主要为废水中能被强氧化剂氧化的有机物的化学需氧量；A1表示B/C比的下限，A2表示B/C比的上限；C1表示系统出水上限值，C2表示好氧池出水上限值；
曝气系统控制模块根据对好氧区各区域的设定溶解氧浓度以及MCR池内的设定溶解氧浓度，计算各部分所需气量；然后调节各曝气支管的阀门来控制溶解氧；若各个曝气支管曝气气量之和超过鼓风机所提供的总气量，则曝气系统控制模块调整鼓风机的频率或导叶开度，增加鼓风机所提供的总气量直至达到目标供气量D；相反的，若各曝气支管气量之和超过鼓风机所提供的总气量，且各个区域的溶解氧未达到设定值，则降低鼓风机的总气量；
若Nx的范围为N1≤Nx≤N2，则回流实时控制模块按照当前回流量进行回流；否则回流实时控制模块根据好氧区出水硝酸盐浓度Nx、好氧区出水CODo和好氧池混合液污泥浓度，通过调节回流泵或电动阀门来控制内回流比和外回流比，进而调整回流量；
好氧池排泥泵实时控制模块通过调节好氧池排泥泵和电动阀门来控制好氧区的排泥量，好氧区污泥浓度为
MLSSo＝MLSSx+MLSSs
上式中，MLSSo代表好氧区总污泥浓度，MLSSx代表好氧区悬浮混合液中的污泥浓度， MLSSs代表好氧区载体上固定的污泥全部脱落至好氧区混合液中的污泥浓度；若好氧区总污泥浓度稳定在M1≤MLSSo≤M2的范围内，则计算得出好氧池污泥负荷：
Ns＝(Q×CODin)/(Vo×MLSSo)
上式中，Q代表废水进水流量；CODin代表进水COD浓度；Vo代表好氧池容积；MLSSo代表好氧区总污泥浓度；若好氧池污泥负荷Ns满足B1≤Ns≤B2，则按照当前好氧区的排泥量进行排泥，否则调整好氧区的排泥量；回流管道和外回流管道上均设置有回流泵和电动阀门； B1、B2分别表示好氧池污泥负荷Ns的上限和下限；
MCR池泥水排放实时控制模块获取当前泥MCR池内的污泥浓度MLSSm、MCR池混合液浓度 CODm和MCR池内溶解氧浓度DO4，若好氧池总污泥浓度稳定在M1≤MLSSo≤M2的范围内、CODm ≤C3且M3≤MLSSm≤M4，则将当前泥水排放量作为MCR池的泥水排放量，否则调整MCR池的泥水排放量；其中M1、M2分别为好氧池总污泥浓度的下限值和上限值；C3为MCR池混合液浓度CODm的上限值；M3、M4分别为MCR池内的污泥浓度MLSSm的下限值和上限值。
作为优选，B/C＝BOD/COD；HRT的取值范围为100～300h；A1的取值为0.35～0.5，A2的取值为0.5～0.6，C1的取值范围为80～180mg/L，C2的取值为200～280mg/L；内回流比范围为150％～400％，外回流比范围为50％～200％；M1的取值范围为1800～4000mg/L，M2的取值范围为4000～8000mg/L；B1的取值范围为0.10～0.15kgCOD/(kg污泥/d)，B2的取值范围为0.15～0.25kgCOD/(kg污泥/d)；M3的取值范围为3000～4000mg/L，M4的取值范围为4000～ 5500mg/L；C3的取值范围为300～550mg/L。
作为优选，好氧池包括高负荷区域、中负荷区域和低负荷区域，每个区域的走向与废水的流向一致。
作为优选，曝气系统控制模块以(DO1-D0)值控制高负荷区域溶解氧浓度DO1的范围，令DO1-D0≤2，其中D0的取值范围为1～2.5mg/L；中负荷区域溶解氧浓度DO2的范围为D1≤ DO2≤D2，其中D1的取值范围为2～2.5mg/L，D2的取值范围为2.5～4mg/L；以(DO3-D3)值控制低负荷区域溶解氧浓度DO3的范围，使DO3-D3≤1，其中D3的取值范围为0.5～2mg/L；MCR池溶解氧浓度DO4的范围为D4≤DO4≤D5，其中D4的取值范围为1.5～2mg/L，D5的取值范围为2～3mg/L。
作为优选，好氧池装设有悬挂型生物填料。
本发明的有益效果是：
本发明采用A/O和MCR工艺处理煤制气废水，通过前段A/O工艺微生物作用降解废水中大量的氨氮和COD；后续通过膜分离技术进一步截留大分子生物难降解有机物，实现出水污染物浓度的降低；本发明能有效去除煤制气废水中难降解部分COD，去除率可达95％以上；为废水零直排奠定基础；本发明使传统A/O和MCR工艺在处理难降解煤制气废水时各工艺段能够与整体废水处理系统融合，降低能耗；
本发明通过外源投加碳源，提高进水可生化性，微生物在BOD充足的情况下能够快速繁殖，增强其氧化污染物的能力；通过自动化控制MCR浓缩液的排放，可以有效减少系统内有毒物质的循环积累，提高微生物活性及污染物去除效果；采用合适的HRT，使生化系统进水 B/C能保证微生物的基本生长繁殖，减少污泥为生物因营养不足而死亡分解；调整合适的内回流、外回流比，能有效减少BOD在缺氧池内被过度消耗从而影响好氧池微生物活性；增强系统前段A/O出水污染物去除效果(整体系统中的A/O工艺对COD的去除效果可以提升至90％以上)后，出水中可溶性污染物质浓度降低，污染物去除较为充分；去除污染物的出水进入 MCR系统后，能够降低MCR装置膜的污堵，延长膜的使用寿命。
本发明节能控制系统内设置与各实时控制系统模块之间进行配合操作的数据采集模块，数据采集模块用于监测处理前后的水质。数据采集模块还用于将数据传输给控制模块，控制模块用于分析判断数据是否合格；还设有在数据不合格情况下启动的废水进水泵、变频鼓风机、污泥回流泵、排泥泵、加药泵及各电动阀门。本发明能有效提高曝气装置的利用效率，降低了各水处理设备的能源消耗，可节约系统能耗30％左右，减少了不必要的浪费。
附图说明
图1为本发明的A/O和MCR组合工艺的废水处理流程图；
图2为本发明的A/O和MCR组合工艺智能控制系统示意图。
附图标记说明：加药装置1、加药泵2、电动阀门3、加药管4、缺氧池进水管5、缺氧池6、搅拌机7、缺氧池出水管8、好氧池9、悬挂式生物填料10、微孔曝气头11、混合液回流管道12、好氧池出水管13、回流泵14、曝气主管道15、曝气支管16、中间水池17、中间水池出水管18、MCR池19、膜组件20、外回流管道21、MCR产水管22、泥水排放管道23、气量计24、变频鼓风机25、进水泵26、废水提升泵27、好氧池排泥管道28、好氧池排泥泵 29、MCR回流泵30、MCR排泥泵31。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
实施例一
本申请实施例一提供了一种如图2所示A/O和MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统，包括：
用于采集废水水质数据及各设备的运行参数的数据采集模块；
用于控制废水进水流量的废水进水流量控制模块；
用于控制碳源投加量的碳源投加控制模块；
用于控制好氧区的总进气量、控制好氧区和MCR池的溶解氧浓度的曝气系统控制模块；
用于控制内回流比和外回流比的回流实时控制模块；回流实时控制模块包括控制A/O-MCR 组合系统中好氧区至缺氧区的内回流系统，以及由MCR池至缺氧区的外回流系统；
用于获取系统当前进水流量Q、进水CODin和好氧区总污泥浓度MLSSo，并计算当前好氧池污泥负荷Ns的好氧池排泥泵实时控制模块；好氧池排泥管道上设有好氧池排泥泵和电动阀门；
用于调整MCR池泥水排放量的MCR池泥水排放实时控制模块。
实施例二
在实施例一的基础上，本申请实施例二提供了实施例一中A/O和MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统的在采用A/0和MCR工艺的煤化工废水处理厂中的应用：
废水处理厂至少设置有缺氧区、好氧区、过渡区和泥水分离区。
图1为本发明的A/O和MCR组合工艺的废水处理流程工艺图，本实施例根据图1说明该生物处理组合系统中各设备的连接方式和运行原理。
在本实施例中，缺氧区可以具体设置为缺氧池6，类似的，好氧区可设置为好氧池9，过渡区可设置为中间水池17，泥水分离区可设施为MCR池19，为便于说明，本实施例以依次连同缺氧池、好氧池、中间水池和MCR池为例说明本实施例的技术方案。
进一步地，缺氧池、好氧池、中间水池和MCR池均可以为常规设置。
在本实施例中，缺氧池包括缺氧池进水管5、缺氧池出水管8和搅拌机7。缺氧池进水管上设有用于调节原废水进水流量的进水泵26和电动阀门3，可以通过进水泵或阀门调节原废水进水流量；搅拌机用于将缺氧池内的废水与活性污泥微生物充分接触混合，达到高效的生物处理效果。
在本实施例中，缺氧池进水口设置有加药装置1，通过加药管4向缺氧池内投加碳源，加药管上设置有用于调节投加量和投加速率的加药泵2和电动阀门。
在本实施例中，好氧池包括好氧池进水管8和好氧池出水管13。好氧池进水管与缺氧池出水管相连通，废水通过溢流的方式进入好氧池。
在本实施例中，好氧池底端设置有用于向好氧池废水中供氧的微孔曝气装置。微孔曝气装置由微孔曝气头11、曝气主管道15、曝气支管16、气量计24、电动阀门和变频鼓风机25。
在本实施例中，好氧池至少分为三个区域，每个区域的走向与废水的流向一致；在本实施例中，以好氧池水流方向，在池内各点布置COD监测装置，以COD突变处为分界点将好氧池分为三个区域，从好氧池进水端至第一个COD数据突变处划分为高负荷区，此区域COD浓度较高，微生物对溶解氧的需求也较高，两个COD数据突变处之间划分为中负荷区，第二个 COD数据突变处至好氧池出水端划分为低负荷区。
在本实施例中，好氧池内设置有用于将好氧池硝化混合液回流至缺氧池的内回流系统。内回流系统包括混合液回流管道12、回流泵14和电动阀门。
在本实施例中，好氧池内增设悬挂式生物填料10，用于好氧活性污泥微生物的附着生长，提高好氧池污泥浓度。
在本实施例中，好氧池出水管连接至用于控制MCR进水量和水位的中间水池17。中间水池包括中间水池进水管13、中间水池出水管18和搅拌机。中间水池进水管与好氧池出水管相连，管道上设置有电动阀门3；中间水池出水管连接至MCR池，管道上设置废水提升泵27 和电动阀门。
在本实施例中，MCR池包括MCR进水管18和MCR产水管22。MCR进水管与中间水池出水管相连；MCR产水管用于废水经MCR膜处理后流至至后续深度处理。
在本实施例中，MCR池内设置有用于废水中难降解有机物去除的膜组件20；
在本实施例中，MCR池内同样设置有微孔曝气系统。曝气系统包括微孔曝气头11、曝气支管16，MCR曝气支管上设置有电动阀门，并连接至曝气主管道15和变频鼓风机25。
在本实施例中，MCR池污泥回流系统设有用于将MCR泥水混合液回流至缺氧池的外回流管道21。外回流管道上设置有MCR回流泵30和电动阀门。
在本实施例中，好氧池排泥系统设置有用于排掉好氧池多余污泥的好氧池排泥管道28。好氧池排泥管到上设置有排泥泵29和电动阀门。
在本实施例中，MCR泥水排放系统设置有用于排掉MCR多于污泥和膜浓缩液的泥水排放管道23。泥水排放管道上设置排泥泵31和电动阀门。
图2为A/O和MCR组合工艺处理煤制气废水的智能控制系统的废水处理流程示意图，本实施例将结合以上场景及图2说明本申请所提供的煤制气废水智能控制系统的工作原理。
本申请提供的A/O和MCR组合工艺处理煤制气废水的智能控制系统包括数据采集模块、废水进水流量控制模块、碳源投加控制模块、曝气系统控制模块、回流实时控制模块、好氧池排泥泵实时控制模块和MCR池泥水排放实时控制模块。
废水处理智能控制系统基于控制器实现对上述各模块的综合控制，各模块之间相互关联，通过协同配合的方式使系统达成提高煤制气生物难降解废水处理效果的目的，同时使系统运行更加稳定，能耗降低、膜材料使用寿命增加。
数据采集模块用于采集废水水质数据及各设备的运行参数，其中废水水质数据包括进水 BOD浓度、进水COD浓度、进水氨氮浓度、好氧池溶解氧浓度、好氧池污泥浓度、好氧池出水COD浓度、好氧池出水氨氮浓度、好氧池出水硝酸盐浓度、MCR池溶解氧浓度、MCR池污泥浓度、MCR池COD浓度、系统出水COD浓度和系统出水氨氮浓度；各设备运行参数包括缺氧池进水流量、水力停留时间、好氧池回流比和MCR回流比。
数据采集模块包括原废水进水流量计、生化池液位计、BOD监测装置、COD监测装置、氨氮浓度监测装置、硝酸盐浓度监测装置、碳源投加流量监测装置、溶解氧监测装置、污泥浓度监测装置。
原废水进水流量计设置在缺氧池进水口，用于测量通过管道流入缺氧池的原废水进水流量。
生化池液位计设置在系统各生化池中，用于监测生化池中的液位高度。
BOD监测装置设置在缺氧池进水口处，用于监测原废水的进水BOD浓度。
COD监测装置包括原废水COD监测装置、好氧池出水COD监测装置、MCR池COD监测装置和系统出水COD监测装置；其中，原废水COD监测装置设置在缺氧池进水口，用于监测原废水进水CODin；好氧池出水COD监测装置设置在好氧池出水口，用于监测好氧池出水CODo；MCR池COD监测装置设置在MCR池内，用于监测MCR池混合液的CODm；系统出水COD监测装置设置在MCR产水口，用于监测系统出水CODout值。
氨氮浓度监测装置包括原废水氨氮浓度监测装置和系统出水氨氮浓度监测装置；其中，原废水氨氮浓度监测装置设置在缺氧池进水口，用于监测原废水进水氨氮浓度；系统出水氨氮浓度监测装置设置在MCR产水口，用于监测废水经系统处理后的氨氮浓度。
硝酸盐浓度监测装置设置在好氧池出水口，用于监测好氧池出水所含硝酸盐浓度Nx。
碳源投加流量监测装置设置在加药管上，用于监测碳源投加的流量。
溶解氧监测装置包括高负荷区溶解氧监测装置、中负荷区溶解氧监测装置、低负荷区溶解氧检测装置和MCR溶解氧监测装置，上述溶解氧监测装置均设置在各区域的末端，分别用于监测各区域的溶解氧浓度，具体可以描述为高负荷区溶解氧监测装置监测高负荷区溶解氧浓度DO1，中负荷区溶解氧监测装置监测中负荷区溶解氧浓度DO2，低负荷区溶解氧检测装置监测低负荷区溶解氧浓度DO3，MCR溶解氧监测装置监测MCR池内溶解氧浓度DO4。
污泥浓度监测装置包括好氧池污泥浓度监测装置和MCR污泥浓度监测装置；其中，好氧池污泥浓度监测装置设置在好氧池中氧区域，用于监测好氧池的污泥浓度MLSSo；MCR污泥浓度监测装置设置在MCR池的中心位置，用于监测MCR池内的污泥浓度MLSSm。
废水水质数据均可以通过上述各装置进行监测和数据采集。
控制器通过实时获取数据采集模块所采集到的数据，再根据得到的数据或根据所得数据进行计算得出结果后向工艺段装置发出信号，以达到控制各装置运行的目的。
在本实施例中，废水进水流量控制模块根据废水流量、水力停留时间HRT和各工艺段的池体容积Vm3)控制原废水进水流量。
废水进水流量的范围通过公式(1)进行计算；
Q＝V/HRT (1)
其中，V表示各工艺段池体容积之和；
HRT表示水力停留时间。
废水进水流量控制模块获取生化池液位高度H单位m，生化池预设液位高度范围为H1≤H ≤H2；当生化池液位高度在预设范围内，则系统保持当前流量进水，若生化池液位高于液位上限，则系统减少进水流量。
原废水进水流量也需维持在预设范围内，进水流量Q的预设范围为Q1≤Q≤Q2。
HRT作为煤制气废水处理厂生化工艺段的关键参数，影响着生化系统的抗负荷能力和污染物处理效果见下表1。具体地，如果HRT过短则会增加系统污泥负荷，煤制气废水中的有毒物质会对活性污泥微生物造成不可逆的伤害，出水水质会急剧恶化，而HRT过长则会导致进水营养物质的不足，无法满足活性污泥微生物的生长繁殖需求，其活性同样会降低，该现象在A/O工艺段较明显；此外，不适宜的HRT所导致的系统中污染物质增多还会引发MCR池膜污堵和使用寿命减少等情况。
表1不同HRT下煤制气废水经系统处理前后的COD变化情况表
HRTh 300 200 150
进水CODmg/L) 2465 2430 2440
好氧池出水CODmg/L 365 357 237
系统出水CODmg/L 138 134 103
H1和H2、Q1和Q2的取值与煤制气废水处理厂的规模有关，因此对于不同处理规模的废水处理厂，H1和H2、Q1和Q2的取值也不同。以煤制气废水处理厂规模为28800吨/天为例，HRT的取值可为150h，则H1的取值可以为5m，H2的取值可以为6m；Q1的取值可以为800m3/h， Q2的取值可以为1100m3/h。
在本实施例中，可以通过调节原废水进水泵来控制原废水进水流量Q。
本实施例中，碳源投加控制模块根据进水BOD和COD所计算出的B/C比、好氧池出水CODo、系统出水CODout来控制碳源投加量。
在本实施例中碳源投加量对系统去除氨氮的影响不明显，但其能够直接影响A/O出水 CODo以及系统出水CODout见下表2。具体地，进水BOD的增加有利于微生物生长繁殖，系统中能够降解煤制气废水中难降解有机物及毒性污染物的微生物大多为异养型微生物，它们主要依靠易吸收的碳源作为营养物质进行细胞增殖，投加适量碳源能够增加系统中新生污泥的数量，提高系统对有毒物质的抗负荷能力和污染物去除能力。
本实施例中，若碳源投加量过少，会导致微生物细胞生长过慢，老化污泥增多，细胞在负荷冲击下易破碎分解，好氧池出水中难降解有机物浓度上升，同时会对造成后续MCR的膜污染、降低了膜的使用寿命；但碳源投加量过多时，相当于增加了系统的处理负荷，当进水 COD超过了系统的处理能力时，会导致污染物降解不完全，许多易降解的小分子有机物还会从膜的孔隙中透过，影响系统出水水质。
因此在本实施例中，碳源投加控制模块获取当前进水BOD和COD并计算当前B/C比，B/C 比的范围为A1≤B/C≤A2，A1的取值可以为0.4，A2的取值可以为0.55；好氧池出水CODo和系统出水CODout用于判断碳源投加量是否合适，其中系统出水CODout的范围为CODout≤C1，好氧池出水CODo的范围为CODo≤C2，C1的取值可以为150mg/L，C2的取值可以为250mg/L；在系统设定的B/C比范围内，若CODout＞150mg/L，则需要减少碳源投加量，若CODout≤150mg/L，CODo＞250mg/L，则需要提高碳源投加量。
表2不同进水B/C比下煤制气废水经系统处理前后的COD变化情况表
B/C 0.3 0.4 0.5 0.6
进水CODmg/L) 2230 2115 2344 2570
好氧池出水CODmg/L) 326 288 235 198
系统出水CODmg/L) 135 128 126 97
在本实施例中，曝气系统控制模块根据好氧区溶解氧浓度控制好氧区的总进气量，其主要控制着A/O工艺好氧池和MCR池的溶解氧浓度。
本实施例中，好氧池中各个区域以及MCR池内均装有溶解氧在线监测装置，用于实时监测各区域和MCR池内的溶解氧浓度。
本实施例中，好氧池曝气装置和MCR曝气装置共用一根曝气总管；好氧池底设置有微孔曝气器，并在各区域内分布均匀，且每个区域设置有单独的曝气支管用于向该区域曝气，各个支管上设置有自动调节曝气量的电动阀门；MCR池底也均匀部有微孔曝气器，并由一根单独的曝气支管连接，曝气支管上同样设置有自动调节曝气量的电动阀门；好氧池各区域的曝气支管和MCR池的曝气支管连接至曝气总管上，曝气总管连接至变频鼓风机。
曝气系统控制模块主要是根据对好氧池各区域的设定溶解氧浓度以及MCR池内的设定溶解氧浓度，计算各部分所需气量，然后通过调节各曝气支管的阀门来达到控制溶解氧的目的。具体地，若各个曝气支管曝气气量之和超过鼓风机所提供的总气量，则曝气系统控制模块会调整鼓风机的频率或导叶开度，增加鼓风机所提供的总气量达到目标供气量D；相反的，若各曝气支管气量之和超过鼓风机所提供的总气量，且各个区域的溶解氧未达到设定值，则降低鼓风机的总气量。
其中好氧池各区域溶解氧的设定主要根据好氧池水流方向的COD浓度数据来确定。
由于在好氧池进水口，废水是由缺氧池流入，废水中所含COD等污染物浓度较高，在正常曝气量情况下，该区域的溶解氧浓度较低，一般低于2mg/L，但在好氧池前段高负荷区的微生物需要更多的溶解氧来降解煤制气废水中的污染物质。此外，好氧池末端溶解氧浓度不宜过高，否则经硝化液回流后，废水中的溶解氧会优先将易降解的碳源氧化，不仅会影响系统反硝化作用，还会导致微生物因营养物质的不足而难以去除废水中的其他污染物质。以煤制气废水为例，高负荷区溶解氧浓度由DO1-D0控制，使DO1-D0≤2，其中，D0的取值范围为1～ 2.5mg/L；后沿着废水在好氧池内的推流方向，废水中的COD等污染物质逐渐减少，微生物对溶解氧的需求也逐渐降低，可继续将好氧池分为中负荷区和低负荷区；其中，中负荷区溶解氧浓度DO2的范围为D1≤DO2≤D2，D1的取值范围为2～2.5mg/L，D2的取值范围为2.5～4mg/L；低负荷区溶解氧浓度由DO3-D3控制，使DO3-D3≤1，其中，D3的取值范围为0.5～2mg/L。
本实施例中MCR池内的废水为A/O生化尾水，其所含COD浓度较低且难降解，在MCR池内的微生物在缺乏营养物质的情况下，通常会通过细胞的内源消耗来维持生存，若池内溶解氧浓度过低，会使微生物细胞缺氧死亡，反之，则会使池内污泥微生物过度消耗细胞自身物质，两种情况均会通过MCR外回流导致系统出水水质恶化以及膜污堵等情况。MCR池中的溶解氧浓度DO4的范围为D4≤DO4≤D5，其中D4的取值范围为1.5～2mg/L，D5的取值可以为2～ 3mg/L。
本实施例中，好氧池各区域及MCR池溶解氧浓度设定值可根据下表3设定。
表3不同好氧区域内的COD浓度及其对应的溶解氧设定值表
数据 高负荷区 中负荷区 低负荷区 MCR池
COD浓度mg/L 400～500 300～400 200～300 300～500
溶解氧设定值mg/L 1.5～2.5 2～4 2.5～4.5 1～3
本实施例中，曝气系统控制模块根据各区域内的实际溶解氧控制各曝气支管的曝气量，具体地，如果实际溶解氧浓度高于设定值，则降低曝气量，反之则增大曝气量。此外，好氧区溶解氧浓度不仅与废水COD有关，还与污泥浓度相关，具体地，污泥浓度越高所需的曝气量就越大，因此污泥浓度不宜过高，需通过排泥系统实时控制污泥浓度。
本实施例中，回流实时控制模块根据好氧池出水硝酸盐浓度Nx、好氧池出水CODo和好氧池混合液污泥浓度来控制内回流比和外回流比。
本实施例中，内回流管道和外回流管道上均设置有回流泵和电动阀门，回流实时控制模块通过调节回流泵或电动阀门来控制内回流和外回流的流量。
回流实时控制模块主要包括控制A/O-MCR组合系统中好氧池至缺氧池的内回流系统，以及由MCR池至缺氧池的外回流系统。其中，内回流主要将好氧池内的硝酸盐回流至缺氧池进行反硝化脱氮；外回流主要是将MCR池内截留的污染物质回流至系统前端进行再处理，减少 MCR池内毒性物质的积累，同样也能保证系统污泥浓度的稳定。
通常情况下，废水处理厂设计的理论回流比为：内回流比范围为150％～400％，外回流比的范围为50％～200％。
以煤制气废水处理厂为例，内回流比对好氧池出水水质有较大的影响见下表4，具体地，内回流比过低会造成缺氧池反硝化作用不完全，消耗碳源较少，从而增加了系统整体的进水负荷，污泥微生物在高负荷条件下活性下降，甚至出现微生物细胞破碎死亡、好氧池出水COD 升高，易造成MCR系统膜污堵；相反的，若内回流比过高，则会导致缺氧池碳源消耗量过多，好氧池污泥微生物无法通过摄取足够的营养物质来进行生长繁殖，同样会降低好氧池的污染物去除能力。
表4内回流比对好氧池出水水质的影响表
内回流比％ 150 200 300 400
好氧池出水硝酸盐mg/L 15.2 9.6 7.9 5.2
好氧池出水CODmg/L 307 248 236 328
本实施例中，回流实时控制模块根据好氧池出水硝酸盐浓度Nx和好氧池出水CODo来确定内回流比的设定值，好氧池出水硝酸盐浓度Nx的范围为N1≤Nx≤N2，其中，N1的取值可以为5mg/L，N2的取值可以为10mg/L；好氧池出水CODo的范围为CODo≤C2，其中，C2的取值可以为250mg/L.因此，内回流比的设定值范围可以在200～300％。
外回流比对好氧池出水水质以及MCR池膜的使用寿命都具有较大影响，具体地。由于MCR 池内废水中含有大量浓缩后的生物难降解物质，若外回流比过高会导致系统毒性物质负荷提升过快，微生物无法有效降解；反之，则会造成难降解有机物在MCR池内积累过多，膜污堵情况会日益严重。
外回流比可以根据好氧池混合液污泥浓度确定，好氧池混合液污泥浓度MLSSx的范围为 M≤MLSSx≤M0，其中，M的取值可以为2000～3000mg/L，M0的取值范围为3000～4000mg/L。
由于好氧池污泥浓度较稳定，因此，外回流比也可以稳定在50～100％范围内。
本实施例中，好氧池排泥泵实时控制模块获取系统当前进水流量Q、进水CODin、好氧池总污泥浓度MLSSo，并计算当前好氧池污泥负荷Ns；好氧池排泥管道上设置有好氧池排泥泵和电动阀门，好氧池排泥泵实时控制模块可以通过调节好氧池排泥泵和电动阀门来控制好氧池排泥量。
本实施例中，由于好氧池装设有悬挂型生物填料，因此，好氧池污泥浓度可以根据公式 (2)计算得出：
MLSSo＝MLSSx+MLSSs (2)
其中，MLSSo代表好氧池总污泥浓度；MLSSx代表好氧池悬浮混合液中的污泥浓度；MLSSs 代表好氧池载体上固定的污泥全部脱落至好氧池混合液中的污泥浓度。该污泥浓度与好氧池容积、所选填料的材料、规格以及好氧池填料设置数量有关；
好氧池总污泥浓度可以稳定在M1≤MLSSo≤M2的范围内，根据本实施例增设的填料规格以及数量等计算得出，M1的取值可以为3000～5000mg/L，M2的取值范围可以为5000～7000mg/L。
好氧池污泥负荷可以根据公式(3)计算得出：
Ns＝(Q×CODin)/(Vo×MLSSo) (3)
其中，Q代表进水流量；CODin代表进水COD浓度；Vo代表好氧池容积；MLSSo代表好氧池总污泥浓度，其浓度范围同上；
该系统在处理煤制气废水过程中，好氧池污泥负荷对出水COD有明显的影响见下表5，具体地，污泥负荷过高会使污泥微生物在负荷冲击下变得脆弱、易死亡分解，同时降解污染物能力下降，甚至丧失活性，相反的，则会导致污泥微生物营养物质不足，生长繁殖过慢，污泥老化严重，污染物降解不完全，小分子有机物易透过膜影响系统出水水质。
表5不同好氧池污泥负荷下的COD处理效果表
好氧池污泥负荷kgCOD/(kg污泥/d 0.10 0.15 0.18 0.22 0.24
系统进水CODmg/L 2280 2650 2385 2440 2490
好氧池出水CODmg/L 265 256 247 364 370
系统出水CODmg/L 128 121 105 127 131
因此，本实施例中，好氧池排泥泵实时控制模块根据好氧池污泥负荷Ns控制好氧池排泥泵，好氧池污泥负荷Ns的范围为B1≤Ns≤B1，其中，B1的取值可以为0.10kgCOD/(kg污泥 /d，B2的取值可以为0.18kgCOD/(kg污泥/d。
本实施例中，MCR泥水排放控制模块获取当前MCR池污泥浓度MLSSm、MCR池混合液CODm 来控制MCR泥水排放；MCR泥水排放管上设置有泥水排放泵和电动阀门，MCR泥水排放控制模块可以调节泥水排放泵或电动阀门来控制泥水排放量。
本实施例中，MCR池污泥浓度MLSSm的范围为M3≤MLSSm≤M4，由于进入MCR池内的废水营养物质较少，因此池内污泥浓度应控制到相对较低的值，其中，M3的取值可以为3000～ 3500mg/L，M4的取值可以为3500～4000mg/L。
系统在处理煤制气废水过程中，MCR池内COD浓度的过高会造成整体生化系统稳定性变差见下表6，具体地，MCR池内废水主要为前段A/O工艺生化处理尾水，其中含有较多的生物难降解物质，经过膜浓缩后在MCR池内不断积累，同时通过外回流在系统内循环，导致系统中难降解有机物浓度升高，出水水质恶化。
表6 MCR池内积累COD含量对系统处理出水COD的影响表
MCR池混合液CODmg/L 498 430 387 356
好氧池出水CODmg/L 385 322 274 242
系统出水CODmg/L 180 157 126 110
本实施例中，MCR泥水排放控制模块可以根据MCR池混合液CODm控制MCR池排泥量，其中，CODm的范围为CODm≤C3，其中C3的取值可以为350～400mg/L。
本实施例中，MCR池内排放的泥水混合液可以考虑回流至厌氧水解酸化池进行再处理，或者通过混凝气浮工艺进行单独深度处理，这样可以减少毒性物质在好氧生化工艺中循环积累，提高生化处理效果，也能有效延长MCR膜的使用寿命。
本申请所提供的方案能够使具有A/O和MCR工艺的煤制气废水处理厂实现废水处理的自动化运行，不仅能保证处理出水的达标，还能降低系统能耗、减少人工成本和膜污染等。
本发明节能控制系统全程采用智能化控制系统，设置与各实时控制系统模块之间进行配合操作的数据采集模块，数据采集模块能够对处理前后的水质进行监测，并对实时数据进行分析，高效地保证了废水生物处理系统的最佳工艺运行条件；能较为精准地控制废水生物处理系统处于最佳的运行条件，从而保证了处理出水达标。同时将数据传输给控制模块，由控制模块先分析判断数据是否合格；若不合格则启动控制系统驱动废水进水泵、变频鼓风机、污泥回流泵、排泥泵、加药泵及各电动阀门等实时控制系统运行稳定性。实时自动控制好氧池的曝气量，有效提高了曝气装置的利用效率，大多生化处理工艺无需人工操作，且降低了各水处理设备的能源消耗，其中可节约系统能耗30％左右，减少了不必要的浪费。

Claims (9)

1.一种A/O+MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统，其特征在于，包括：
用于采集废水水质数据及各设备的运行参数的数据采集模块；
用于控制废水进水流量的废水进水流量控制模块；
用于控制碳源投加量的碳源投加控制模块；
用于控制好氧区的总进气量、控制好氧区和MCR池的溶解氧浓度的曝气系统控制模块；
用于控制内回流比和外回流比的回流实时控制模块；回流实时控制模块包括控制A/O-MCR组合系统中好氧区至缺氧区的内回流系统，以及由MCR池至缺氧区的外回流系统；
用于获取系统当前进水流量Q、进水CODin和好氧区总污泥浓度MLSSo，并计算当前好氧池污泥负荷Ns的好氧池排泥泵实时控制模块；好氧池排泥管道上设有好氧池排泥泵和电动阀门；
用于调整MCR池泥水排放量的MCR池泥水排放实时控制模块。
2.根据权利要求1所述A/O+MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统，其特征在于：数据采集模块设有原废水进水流量计、生化池液位计、BOD监测装置、COD监测装置、氨氮浓度监测装置、硝酸盐浓度监测装置、碳源投加流量监测装置、溶解氧监测装置和污泥浓度监测装置。
3.根据权利要求1所述A/O+MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统，其特征在于：缺氧池作为缺氧区，好氧池作为好氧区。
4.根据权利要求3所述A/O+MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统，其特征在于：数据采集模块采集的废水水质数据包括进水BOD浓度、进水COD浓度、进水氨氮浓度、好氧池溶解氧浓度、好氧池污泥浓度、好氧池出水COD浓度、好氧池出水氨氮浓度、好氧池出水硝酸盐浓度、MCR池溶解氧浓度、MCR池污泥浓度、MCR池COD浓度、节能控制系统出水COD浓度和节能控制系统出水氨氮浓度；数据采集模块采集的各设备的运行参数包括缺氧池进水流量、水力停留时间、好氧池回流比和MCR回流比。
5.一种如权利要求1或3所述A/O+MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统的工作方法，其特征在于：
控制器实时获取数据采集模块所采集到的数据，再根据得到的数据计算得出结果后，向工艺段装置发出信号，控制废水进水流量控制模块、碳源投加控制模块、曝气系统控制模块、回流实时控制模块、好氧池排泥泵实时控制模块和MCR池泥水排放实时控制模块运行；
废水进水流量控制模块获取当前废水进水流量Q和生化池液位高度H；若Q1≤Q≤Q2且满足生化池预设液位高度范围H1≤H≤H2，则保持当前废水进水流量Q作为进水；否则根据废水流量、水力停留时间和各工艺段的池体容积来控制废水进水流量：
Q＝V/HRT
上式中，Q表示废水进水流量；V表示各工艺段的池体容积之和，单位为m3；HRT表示水力停留时间；当生化池液位高于预设范围的液位上限时，减少系统进水流量；Q1表示废水进水流量下限阈值，Q2表示废水进水流量上限阈值；H1表示生化池预设液位高度下限，H2表示生化池预设液位高度上限；
碳源投加控制模块获取进水BOD和COD，计算出B/C比、好氧池出水CODo和系统出水CODout；若A1≤(B/C)≤A2、CODout≤C1且CODo≤C2，则碳源投加模块以当前投加量向缺氧区投加碳源；否则调整碳源投加量：若B/C不在A1至A2范围内或CODout＞C1，则减少碳源投加量；若CODout≤C1且CODo＞C2，则提高碳源投加量；其中BOD表示生化需氧量；COD表示化学需氧量；A1表示B/C比的下限，A2表示B/C比的上限；C1表示系统出水上限值，C2表示好氧池出水上限值；
曝气系统控制模块根据对好氧区各区域的设定溶解氧浓度以及MCR池内的设定溶解氧浓度，计算各部分所需气量；然后调节各曝气支管的阀门来控制溶解氧；若各个曝气支管曝气气量之和超过鼓风机所提供的总气量，则曝气系统控制模块调整鼓风机的频率或导叶开度，增加鼓风机所提供的总气量直至达到目标供气量D；相反的，若各曝气支管气量之和超过鼓风机所提供的总气量，且各个区域的溶解氧未达到设定值，则降低鼓风机的总气量；
若Nx的范围为N1≤Nx≤N2，则回流实时控制模块按照当前回流量进行回流；否则回流实时控制模块根据好氧区出水硝酸盐浓度Nx、好氧区出水CODo和好氧池混合液污泥浓度，通过调节回流泵或电动阀门来控制内回流比和外回流比，进而调整回流量；
好氧池排泥泵实时控制模块通过调节好氧池排泥泵和电动阀门来控制好氧区的排泥量，好氧区污泥浓度为
MLSSo＝MLSSx+MLSSs
上式中，MLSSo代表好氧区总污泥浓度，MLSSx代表好氧区悬浮混合液中的污泥浓度，MLSSs代表好氧区载体上固定的污泥全部脱落至好氧区混合液中的污泥浓度；若好氧区总污泥浓度稳定在M1≤MLSSo≤M2的范围内，则计算得出好氧池污泥负荷：
Ns＝(Q×CODin)/(Vo×MLSSo)
上式中，Q代表废水进水流量；CODin代表进水COD浓度；Vo代表好氧池容积；MLSSo代表好氧区总污泥浓度；若好氧池污泥负荷Ns满足B1≤Ns≤B2，则按照当前好氧区的排泥量进行排泥，否则调整好氧区的排泥量；回流管道和外回流管道上均设置有回流泵和电动阀门；B1、B2分别表示好氧池污泥负荷Ns的上限和下限；
MCR池泥水排放实时控制模块获取当前泥MCR池内的污泥浓度MLSSm、MCR池混合液浓度CODm和MCR池内溶解氧浓度DO4，若好氧池总污泥浓度稳定在M1≤MLSSo≤M2的范围内、CODm≤C3且M3≤MLSSm≤M4，则将当前泥水排放量作为MCR池的泥水排放量，否则调整MCR池的泥水排放量；其中M1、M2分别为好氧池总污泥浓度的下限值和上限值；C3为MCR池混合液浓度CODm的上限值；M3、M4分别为MCR池内的污泥浓度MLSSm的下限值和上限值。
6.根据权利要求5所示A/O+MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统的工作方法，其特征在于：B/C＝BOD/COD；HRT的取值范围为100～300h；A1的取值为0.35～0.5，A2的取值为0.5～0.6，C1的取值范围为80～180mg/L，C2的取值为200～280mg/L；内回流比范围为150％～400％，外回流比范围为50％～200％；M1的取值范围为1800～4000mg/L，M2的取值范围为4000～8000mg/L；B1的取值范围为0.10～0.15kgCOD/(kg污泥/d)，B2的取值范围为0.15～0.25kgCOD/(kg污泥/d)；M3的取值范围为3000～4000mg/L，M4的取值范围为4000～5500mg/L；C3的取值范围为300～550mg/L。
7.根据权利要求5所示A/O+MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统的工作方法，其特征在于：好氧池包括高负荷区域、中负荷区域和低负荷区域，每个区域的走向与废水的流向一致。
8.根据权利要求7所示A/O+MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统的工作方法，其特征在于：曝气系统控制模块以(DO1-D0)值控制高负荷区域溶解氧浓度DO1的范围，令DO1-D0≤2，其中D0的取值范围为1～2.5mg/L；中负荷区域溶解氧浓度DO2的范围为D1≤DO2≤D2，其中D1的取值范围为2～2.5mg/L，D2的取值范围为2.5～4mg/L；以(DO3-D3)值控制低负荷区域溶解氧浓度DO3的范围，使DO3-D3≤1，其中D3的取值范围为0.5～2mg/L；MCR池溶解氧浓度DO4的范围为D4≤DO4≤D5，其中D4的取值范围为1.5～2mg/L，D5的取值范围为2～3mg/L。
9.根据权利要求7所示A/O+MCR工艺处理煤制气废水难降解有机物的节能控制系统的工作方法，其特征在于：好氧池装设有悬挂型生物填料。
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