CN116022924B - 一种原位精确生物脱氮污水处理控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种原位精确生物脱氮污水处理控制方法。利用硝态氮在线监测仪收集一定量的工艺脱氮生产数据，实时监测缺氧区末端和好氧区末端的硝态氮浓度，实时监控反硝化速率的变化，结合工艺调控情况，创新性研制精确脱氮自动调控系统，最终实现生物脱氮智能化自动化精确控制。本发明方法实时监控反硝化速率的变化，实现了实时监控出水硝态氮浓度和掌握生物脱氮效果，实现生物脱氮实时精确调控，生产效率和稳定性显著提高，解决了一直以来传统脱氮工艺调控的滞后性、不稳定性，碳源药剂成本高，劳动强度高的问题。

Description

一种原位精确生物脱氮污水处理控制方法

技术领域

本发明涉及污水处理技术领域，具体涉及一种原位精确生物脱氮污水处理控制方法。

背景技术

生物脱氮是指在微生物的联合作用下，污水中的有机氮及氨氮经过氨化作用、硝化反应、反硝化反应，最后转化为氮气的过程。生物脱氮具有经济、有效、易操作、无二次污染等特点，被公认为具有发展前途的方法，自Barth三段生物脱氮工艺的开创，A/O工艺、SBR工艺、A²/O工艺、改良UCT工艺等脱氮工艺相继被提出并应用于工程实际。

在改良UCT工艺中，一方面受总进水水质水量波动影响，导致生物处理的有机负荷和水力负荷波动较大，引起生物系统脱氮效率变化较大，另一方面由于生物池缺氧区末端到总出水口的水力停留时间一般约为11～22小时，投加碳源的比例和工艺调整只根据总出水在线TN指标调节，导致碳源投加比例和工艺调整非常的滞后和频繁，无法在反硝化效率不足的第一时间做出工艺和碳源调整，往往出现“亡羊补牢”和“矫枉过正”的情况。

因此，一种能够解决传统生物脱氮工艺调控的滞后性、不稳定性，碳源药剂成本高，人力成本高等问题的方法，则是现有亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足，提供一种原位精确生物脱氮污水处理控制方法，以解决传统生物脱氮工艺调控的滞后性、不稳定性，碳源药剂成本高，人力成本高的技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种原位精确生物脱氮污水处理控制方法，包括以下步骤：

1)在缺氧区(2)的末端以及好氧区(3)的末端安装硝态氮在线监测仪；

2)仪器校准；

3)收集进水流量、内回流Ⅱ流量、外回流流量、好氧区污泥浓度与外回流污泥浓度的生产数据，记录硝态氮浓度与碳源投加比例数据；

4)推导经验公式；

5)接入PLC控制。

进一步地，所述的步骤2)中采用在线检测与化验检测相对比的方法进行校准。

进一步地，所述的校准结果为相对误差≤5％。

进一步地，所述的步骤3)中硝态氮浓度为缺氧区末端硝态氮浓度与好氧区末端硝态氮浓度。

进一步地，所述的步骤5)中PLC通过经验公式控制碳源输送泵，调控碳源投加量。

进一步地，所述的步骤5)中PLC通过收集的生产数据控制内回流泵，调节内回流比，控制外回流泵，调节外回流比。

本发明的有益效果：实时监控反硝化速率的变化，实现了实时监控出水硝态氮浓度和掌握生物脱氮效果，实现生物脱氮实时精确调控，生产效率和稳定性显著提高，解决了一直以来传统脱氮工艺调控的滞后性、不稳定性，碳源药剂成本高，劳动强度高的问题。

附图说明

图1是本发明污水处理流程示意图；

图2是本发明工艺流程示意图。

图中各标记对应的名称：

1、厌氧区；2、缺氧区；3、好氧区；4、硝态氮在线监测仪；5、进水流量计；6、碳源输送泵；7、内回流Ⅱ流量计；8、内回流泵；9、好氧区污泥浓度计；10、外回流流量计；11、外回流泵；12、外回流污泥浓度计。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-2所示，污水经过一级处理后，先进入到厌氧区1，而后进入到缺氧区2中，在缺氧区2中通过碳源储罐补加碳源，将缺氧区2的部分混合液回流至厌氧区1，污水经过缺氧区2通入到好氧区3，并通过内回流泵8将好氧区3污泥部分回流至缺氧区2，经过好氧区3的污水通入到沉淀池中进行沉淀，沉淀池上清液即为二级处理出水，沉淀区污泥一部分通过外回流泵11回流至缺氧区2，剩余污泥外排利用，并在缺氧区2末端以及好氧区3的末端安装硝态氮在线监测仪4，在进水管上安装进水流量计5，在内回流Ⅱ管道上安装内回流Ⅱ流量计，在好氧区3中安装好氧区污泥浓度计9，在外回流管道上安装外回流流量计10以及外回流污泥浓度计12。

本发明原理为：

在改良UCT工艺中，生物脱氮发生反应的顺序依次为：厌氧区-第一步(氨氮)；缺氧区-第三步(反硝化)；好氧区-第二步(硝化)。缺氧区置于好氧区的前端，通过内回流将好氧区污泥先回流至缺氧区，再将缺氧区部分混合液回流至厌氧区，从而减少回流污泥中硝酸盐对厌氧释磷的影响。该工艺能有效降低污水的COD、SS等指标，并解决同步脱氮除磷过程中聚磷菌和硝化菌在污泥龄上存在的矛盾问题。

在改良UCT工艺中，生物池好氧区硝化反应一般进行的比较彻底，生物脱氮效果主要取决于反硝化反应速率和脱氮量。反硝化反应效果受影响因素(底物浓度、污泥浓度、温度、溶解氧等)非常多，生产中反硝化速率频繁波动，是生物脱氮反应的瓶颈，因此生产中最需要关注的是反硝化反应效果。好氧区出水的总氮中，因亚硝态氮浓度极低，总硝态氮基本等于硝态氮，总凯氏氮一般比较低而且较稳定，大约在0.5～3mg/L。因此，反硝化程度的监测主要依赖于对缺氧区末端和好氧区末端硝态氮的监测。

如果只监控缺氧区末端的硝态氮，不监控好氧区末端的硝态氮：其余工艺参数不变的条件下，可以第一时间监控反硝化程度的变化，但无法获取反硝化起始硝态氮浓度，也无法掌握反硝化的速率和效果。可以在反硝化程度变化时做初期工艺调整，但因为不能准确掌握反硝化的速率和效果，无法准确调控工艺保证生产稳定。

如果只监控好氧区末端的硝态氮，不监控缺氧区末端的硝态氮，其余工艺参数不变的条件下，可以第一时间监控生产总出水的硝态氮，也能掌握反硝化起始硝态氮浓度，但无法第一时间获取反硝化程度，也无法掌握反硝化的速率和效果。可以在出水硝态氮变化时做初期工艺调整，但因为不能准确掌握反硝化的速率和效果，无法准确调控工艺保证生产稳定。

要实现整体监控生物脱氮效果和保证出水稳定达标，就需要准确掌握反硝化的速率和效果。如果实时监测缺氧区末端和好氧区末端的硝态氮，可以第一时间监控反硝化速率和程度的变化，可以第一时间监控生产总出水的硝态氮，以此为基础可以在生物脱氮效果或者进水水质变化的第一时间，准确调控工艺保证生产稳定达标。因此，同时在生物池缺氧区末端和生物池总出水安装硝态氮在线监测仪是非常必要的，既能节省大量碳源，又能保证生产数据更稳定。

相关的计算过程如下：

内回流Ⅱ实际回流比计算公式：

外回流实际回流比计算公式：

Q_内：内回流Ⅱ流量(m³/h)；

Q_外：外回流流量(m³/h)；

Q_进：进水流量(m³/h)。

根据改良UCT工艺脱氮原理可知，好氧过程中TN是未被去除的，也就是说某一瞬间的缺氧出水在经历整个好氧区直至好氧出水的过程中TN是不变的。TN可分为总硝态氮(TNO_X)和总凯氏氮(TKN)，其中TNO_X分为硝态氮(NO₃ ^-)和亚硝态氮(NO₂ ^-,含量极低可忽略不计)，TKN分为总氨氮(TNH_X)和总有机氮(TNO)。缺氧出水的TNO_X可通过在线设备测试取得，TKN来源于进水和内外回流。好氧出水的NO₃ ^-通过在线设备测试取得，TKN可测试取得。因此，可列缺氧出水和好氧出水TN的等式：

(1+R_外+R_内)×B+(R_外+R_内)×d+(A-e)＝(1+R_外+R_内)×(C+d)(3)

A：生物池进水TN(mg/L)；

B：缺氧区出水TNO_X实际浓度(mg/L)；

C：好氧区出水TNO_X实际浓度(mg/L)；

d：好氧区出水TKN实际浓度(mg/L)；

e：生物池进水TNO_X实际浓度(mg/L)；

(1+R_外+R_内)×B：缺氧区出水中的TNO_X；

(R_外+R_内)×d：缺氧区出水中来自内外回流的TKN；

(A-e)：缺氧区出水中来自生物池进水的TKN；

(1+R_外+R_内)×(C+d)：好氧区出水的TN。

一般情形下，改良UCT工艺生物池中NO₂ ^-的含量极低可忽略不计，TNO_X可用NO₃ ^-代替。生物池进水NO₃ ^-占TN比例很低且比较稳定，可通过测试估算具体经验值，大约为0.5～2mg/L。好氧区出水的TKN中，一般TNH_X较低(多低于2mg/L)，如果比较稳定可通过测试估算具体经验值，如果波动较大可安装在线设备测试，TNO一般比较稳定，大概在0.5～3mg/L，可通过测试估算具体经验值。因此，可得生物池进水TN浓度计算经验公式：

A＝(C-B)×(1+R_外+R_内)+d+e(4)

A：生物池进水TN(mg/L)；

B：缺氧区出水NO₃ ^-实际浓度(mg/L)；

C：好氧区出水NO₃ ^-实际浓度(mg/L)；

d：好氧区出水TKN实际浓度(mg/L)；

e：生物池进水NO₃ ^-实际浓度(mg/L)；

目标外回流比计算公式：

X：好氧区污泥浓度(mg/L)；

X_外：外回流污泥浓度(mg/L)；

R'_外：目标外回流比(％)。

目标内回流比计算经验公式如下：

B'：缺氧区出水NO₃ ^-目标浓度(mg/L)；

C'：好氧末端NO₃ ^-目标浓度(mg/L)；

R'_内：内回流Ⅱ目标内回流比(％)。

实际TN的去除率：

目标TN去除率，计算如下：

Δf＝f′-f (9)

f：实际TN去除率(％)；

f'：目标TN去除率(％)；

Δf：目标TN去除率与实际TN去除率差(％)。

于是，可以得到碳源投加比例计算公式如下：

T＝N×A×Q_进×Δf×Lx (10)

T＝N×((C-B)×(1+R_内+R_外)+d+e)×Q_进×(f′-f)×Lx (11)

N：变化系数(无量纲)；

Q_进：进水流量(m³/h)；

Lx：反硝化单位质量NO₃ ^-需要消耗的碳源质量(kg COD/kg NO₃ ^-N)。

在生产实际中，根据目标回流比与实际回流比的差值，调整回流泵的流量，从而实现对内外回流比的调节，此外，对于碳源投加比例，其核心在于Δf′_缺，其差值越大，则需要投加的碳源越多，二者成正比的关系，通过调控碳源输送泵，精确补充碳源，保证脱氮效果的同时，实现对碳源的节约。实际生产中变化系数N的取值一般在0.5～2之间，Lx的取值一般在5～15之间，根据实际生产中的经验得到，d和e可通过测试估算具体经验值或增加在线设备实时测试。

于是在实际生产中，只需要检测进水流量Q_进、内回流Ⅱ流量Q_内、外回流流量Q_外、缺氧末端硝态氮浓度B、好氧末端硝态氮浓度C、好氧区污泥浓度X、外回流污泥浓度X_外，估算好氧区出水TKN浓度值d和生物池进水NO₃ ^-浓度值e，而后通过分析检测结果和控制目标，实现精确调节内外回流比以及碳源的投加量，即可实现对工艺流程的稳定控制，进而节省大量碳源，实现出水TN指标更稳定。

实施例1

选用NitraVis 701IQ硝态氮在线监测仪，分别安装在缺氧区(2)末端以及好氧区(3)的末端，校准完成后所得数据如下：

表1硝态氮在线监测仪校准数据结果表

可以看出，设备经过校准后，在线设备测试值与人工检验测试值相对误差不大于5％，表现出良好的稳定性、准确性、精确性。

实施例2

选用NitraVis 701IQ硝态氮在线监测仪，分别安装在缺氧区(2)末端以及好氧区(3)的末端，依照上述说明书中碳源投加比例计算公式：

T＝N×((C-B)×(1+R_内+R_外)+d+e)×Q_进×(f′-f)×Lx (11)

根据生产经验，实际变化系数N取值1.3，Lx取值为8kg COD/kg NO₃ ^-N，d取值为1.2mg/L，e取值为1.7mg/L。根据该经验公式，通过PLC控制输送泵6投加碳源，硝态氮在线监测仪安装前后TN月度日均值如下表：

表2原位精确生物脱氮污水处理控制方法使用前后TN日均值

可以看出，原位精确生物脱氮污水处理控制方法使用前，2021年12月TN月度日均值中，最大值为14.0mg/L，最小值为10.0mg/L，极差为4.0mg/L，方差为1.34；硝态氮在线监测仪安装后，2022年04月TN月度日均值中，最大值为13.8mg/L，最小值为11.6mg/L，极差为2.2mg/L，方差为0.38。原位精确生物脱氮污水处理控制方法使用后，极差由4.0降低到了2.2mg/L，方差由1.34降低到了0.38，极差和方差都非常明显的减小，说明原位精确生物脱氮污水处理控制方法使用后总氮指标更加的稳定，有效降低总出水TN指标波动的风险。根据水力停留时间计算，相较与安装硝态氮在线监测仪前，生产调控的时间提前了11～22个小时，总氮指标的高度稳定主要得益于此。

实施例3

按照市场价可知，一个普通水样的硝态氮指标市场检测费用是80元，按照日均检测1次硝态氮计算，2台硝态氮设备年均可减少检测硝态氮次数为730次，年检测成本可节约5.84万元。

原位精确生物脱氮污水处理控制方法使用前碳源年累计单耗为115ppm，在进水水质水量和工艺没明显变化条件下，原位精确生物脱氮污水处理控制方法使用后碳源年累计单耗为57ppm，碳源投加单耗降低了49％。碳源投加比例的降低主要得益于对反硝化情况的实时监控，使生产调控与反硝化变化时间同步，碳源投加比例和工艺调整滞后的情况得到了显著改善，极大提高了工艺调控的准确度和精确度，实现了碳源的精确投加，避免了因调整滞后带来的碳源投加浪费。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其它各种形式的产品，但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是具有与本申请相同或相近似的技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种原位精确生物脱氮污水处理控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）在改良UCT工艺中，污水经过一级处理后，先进入到厌氧区（1），而后进入到缺氧区（2）中，在缺氧区（2）中通过碳源储罐补加碳源，将缺氧区（2）的部分混合液回流至厌氧区（1），污水经过缺氧区（2）通入到好氧区（3），并通过内回流泵（8）将好氧区（3）污泥部分回流至缺氧区（2），此为内回流Ⅱ，经过好氧区（3）的污水通入到沉淀池中进行沉淀，沉淀池上清液即为二级处理出水，沉淀区污泥一部分通过外回流泵（11）回流至缺氧区（2），剩余污泥外排利用；在缺氧区（2）的末端以及好氧区（3）的末端安装硝态氮在线监测仪（4）；

2）仪器校准；

3）收集进水流量、内回流Ⅱ流量、外回流流量、好氧区污泥浓度与外回流污泥浓度的生产数据，记录硝态氮浓度与碳源投加比例数据；

4）推导碳源投加量经验公式，推导的经验公式为：

式中：

T：碳源投加量；

N：变化系数，无量纲；

C：好氧区出水NO₃ ^-实际浓度，mg/L；

B：缺氧区出水NO₃ ^-实际浓度，mg/L；

R_内：内回流Ⅱ实际回流比；

R_外：外回流实际回流比；

d：好氧区出水TKN实际浓度，mg/L；

e：生物池进水NO₃ ^-实际浓度，mg/L；

Q_进：进水流量，m³/h；

f'：目标TN去除率，%；

f：实际TN去除率，%；

Lx：反硝化单位质量NO₃ ^-需要消耗的碳源质量，kg COD/kg NO₃ ^-N；

5）接入PLC控制。

2.根据权利要求1所述的一种原位精确生物脱氮污水处理控制方法，其特征在于：所述的步骤2）中采用在线检测与化验检测相对比的方法进行校准。

3.根据权利要求2所述的一种原位精确生物脱氮污水处理控制方法，其特征在于：所述的校准结果为相对误差≤5%。

4.根据权利要求1所述的一种原位精确生物脱氮污水处理控制方法，其特征在于：所述的步骤3）中硝态氮浓度为缺氧区（2）末端硝态氮浓度与好氧区（3）末端硝态氮浓度。

5.根据权利要求4所述的一种原位精确生物脱氮污水处理控制方法，其特征在于：所述的步骤5）中PLC通过经验公式控制碳源输送泵（6），调控碳源投加量。

6.根据权利要求1所述的一种原位精确生物脱氮污水处理控制方法，其特征在于：所述的步骤5）中PLC通过收集的生产数据控制内回流泵（8），调节内回流比，控制外回流泵（11），调节外回流比。