專利名稱：一種懸浮填料床處理城市污水的自動控制方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于環(huán)保技術領域，具體涉及一種懸浮填料床處理城市污水的自動控制方法及其裝置。
背景技術：
隨著全球人口的不斷增加、社會的不斷進步、城市化進程的加速，城市污水量急劇增加。為有效控制水體污染，我國制定了更為嚴格的污水排放標準，氨氮列入日常監(jiān)測控制指標。處理氨氮的工藝流程很多，主要有A2/O工藝、SBR工藝及Phostrip工藝等，這些工藝的共同特點是占地面積大，氨氮去除時考慮較多的是提高水力停留時間從而加大反應池容積，而關于去除氨氮的自動控制方法較少。
懸浮填料生物反應器是近幾年國內外研究的一種新的附著生長型生物膜反應器，其核心部分是一種特殊填料能在反應器中保持懸浮狀態(tài)，微生物在填料表面上生長的過程中，填料是在水中充分流化，以保持微生物得以充分利用溶解氧和良好的傳質條件，氨氮被氧化為硝態(tài)氮，部分硝態(tài)氮反硝化轉化為氮氣，完成脫氮過程。盡管國內對懸浮填料床的工藝運行與控制進行了較多的研究，但是仍存在許多問題，一直是懸浮填料床應用中的難點。主要存在以下問題(1)難于保證填料處于充分流化狀態(tài)；(2)系統(tǒng)不能根據出水實現在線監(jiān)測，及時調整運行工況，難于保證出水穩(wěn)定性；(3)不能控制填料上生物膜的微生物種類，只能實現單一目標控制；(4)由于控制參數多，系統(tǒng)控制復雜；(5)系統(tǒng)抗沖擊負荷能力差。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提出一種操作簡便、反饋迅速、節(jié)約運行費用、通過調節(jié)懸浮填料床內的曝氣量從而控制溶解氧濃度的懸浮填料床處理城市污水的自動控制方法及其裝置。
本發(fā)明提出的懸浮填料床處理城市污水的自動控制方法，是利用PC機對懸浮填料床處理城市污水裝置的工作過程進行在線監(jiān)測和控制，其中，PC機中的可編程序控制器執(zhí)行系統(tǒng)操作指令，收集、存儲系統(tǒng)參數氧溶解濃度、氮進出水濃度、總氮濃度，與來自數字量輸入模塊顯示的在線監(jiān)測數據比較，若在線監(jiān)測數據超過其臨界上、下限值，則數字量、模擬量輸出模塊發(fā)送指令，調節(jié)曝氣系統(tǒng)的開啟度和污泥回流量，從而控制污水溶解氧濃度、氨氮濃度、總氮濃度。
本發(fā)明主要是利用懸浮填料床處理城市污水，去除污水中的氨氮或總氮。污水從進水箱泵入懸浮填料床，曝氣管設置于填料床的底部，曝氣在填料床內使填料形成流化態(tài)，實現充氧和維持系統(tǒng)水質均勻，水力停留時間2--6小時。出水經沉淀池沉淀后排走。本發(fā)明進水箱安放液位計，采用低位報警，防止進水泵空轉。進水端配備了在線氨氮監(jiān)測儀，反映進水氨氮濃度的變化。進水管上裝備電磁流量計，控制進水流量。在懸浮填料床的末端出口安放了在線溶氧儀和在線BioChem氨氮及在線NOx-N監(jiān)測儀，監(jiān)測出水的溶解氧濃度、氨氮及硝態(tài)氮濃度。污泥回流管上安放了電磁流量計控制回流量，以實現總氮控制目標。
本發(fā)明中，以氨氮進出水濃度為控制目標，設置在線溶氧儀和在線氨氮監(jiān)測儀的上下限報警濃度。在線溶氧儀的上限濃度值為2--10mg/L、下限濃度值為0.0-0.5mg/L；在線氨氮監(jiān)測儀進水上限濃度值為50--80mg/L、下限濃度值為0--15mg/L；在線氨氮監(jiān)測儀出水上限濃度值為0--15mg/L、下限濃度值為0-3mg/L。進水泵將污水泵入懸浮填料床，曝氣系統(tǒng)通過懸浮填料床底部的穿孔曝氣管曝氣，在懸浮填料床內使填料處于流化態(tài)，同時實現氣液之間氧的傳遞，在線溶氧儀監(jiān)測填料床內溶解氧的變化。在一定進水流量的范圍內，根據進出水在線監(jiān)測儀監(jiān)測的氨氮濃度來調節(jié)曝氣系統(tǒng)截止閥開啟度，控制懸浮填料床內的溶解氧濃度，達到控制氨氮氧化過程的目標。如出水氨氮濃度高于系統(tǒng)設定的氨氮出水的上限值，則調節(jié)曝氣截止閥的開啟度，每次增加10--50％，間隔30--90分鐘后，根據出水氨氮濃度再次進行判斷，如出水氨氮濃度仍超出設定上限值，則繼續(xù)增大曝氣截止閥的開啟度10--50％，如此循環(huán)。當在線溶氧儀監(jiān)測到系統(tǒng)的溶解氧濃度超出系統(tǒng)設定的溶解氧上限濃度，則控制系統(tǒng)給出“系統(tǒng)氨氮負荷過高”的警告。利用增大污泥回流量或稀釋進水氨氮濃度等方法來控制懸浮填料床內的氨氮負荷。如果出水氨氮濃度低于設定的出水氨氮濃度的下限，則相應減小曝氣截止閥的開啟度，每次減小10--50％，調整時間間隔為30--90分鐘，再次監(jiān)測判斷。如果溶解氧濃度低于系統(tǒng)設定的下限值，則停止減小曝氣量，給出“系統(tǒng)氨氮負荷過低”的警告，可以考慮增加系統(tǒng)氨氮負荷。因此通過系統(tǒng)程序的自我判斷，動態(tài)調整曝氣量和出水氨氮之間的關系，實現工藝優(yōu)化，節(jié)約運行成本。
本發(fā)明中，以總氮為控制目標，在一定的進水流量情況下，設定溶解氧、混合液氨氮、混合液硝態(tài)氮等濃度的上、下限值，設定曝氣調節(jié)閥開啟度的上、下限值。溶解氧在線監(jiān)測儀上限濃度值設定為2-10mg/L，下限濃度值設定為0--1mg/L；氨氮在線監(jiān)測儀進水上限濃度值為50--80mg/L、下限濃度值為0--15mg/L；氨氮在線監(jiān)測儀出水上限濃度值為0--15mg/L、下限濃度值分別為0--3g/L；出水硝態(tài)氮在線監(jiān)測儀上限濃度值為30--50mg/L、下限濃度值為0-5mg/L。懸浮填料床內填料上的生物膜具有同時硝化和反硝化的功能，生物膜法控制混合液內溶解氧濃度為1～2mg/L可實現硝化和反硝化的過程。進水泵入懸浮填料床后，利用穿孔管曝氣系統(tǒng)完成充氧過程，根據混合液的溶解氧濃度、氨氮濃度和硝態(tài)氮濃度來實現對出水總氮的自動控制。如果混合液的氨氮濃度超出設定的上限值，混合液硝態(tài)氮的濃度高于系統(tǒng)設定的上限值，混合液溶解氧的濃度低于系統(tǒng)設定的上限值，則可增大曝氣調節(jié)閥10--50％的開啟度，同時加大污泥回流量，每次增加10-40％。如果混合液氨氮濃度超出系統(tǒng)設定的上限值，混合液硝態(tài)氮的濃度低于系統(tǒng)設定的上限值，溶解氧濃度低于系統(tǒng)設定的上限值，則可以提高曝氣調節(jié)閥10--50％的開啟度，而保持污泥回流量不變。因此，根據同時硝化反硝化的工藝原理，利用在線監(jiān)測儀器測定混合液氨氮、硝態(tài)氮和溶解氧濃度，系統(tǒng)共有6--10種自動控制判斷方式，通過調節(jié)曝氣系統(tǒng)曝氣量和污泥回流量來完成對懸浮填料床處理系統(tǒng)的自動控制。
本發(fā)明提出的懸浮填料床處理城市污水的自動控制裝置，由懸浮填料床反應器、PC機中的可編程序控制器11、信號模塊組成，其特征在于信號模塊由數字量輸入模塊10和數字量、模擬量輸出模塊12組成，數字量輸入模塊10、可編程序控制器11和數字量、模擬量輸出模塊12依次連接；懸浮填料床反應器的底部設有曝氣管，懸浮填料床反應器的一端連接進水箱，進水箱處設置有液位計4，采用低位報警，防止進水泵空轉，進水端處設有氨氮在線監(jiān)測儀6、進水流量計1，控制進水流量，懸浮填料床反應器的末端出口處設有溶解氧在線溶氧儀5、在線氨氮監(jiān)測儀6、在線硝態(tài)氮監(jiān)測儀7；數字量輸入模塊10分別與進水流量計1、曝氣系統(tǒng)截止閥3、污泥回流流量計2、進水箱液位計4、在線溶氧儀5、在線氨氮監(jiān)測儀6、在線硝態(tài)氮監(jiān)測儀7連接；數字量、模擬量輸出模塊12分別與進水泵8、回流泵9、曝氣截止閥3連接。
本發(fā)明使用的可編程控制器為市售，如可采用SIMATIC S7-300，數字量輸入模塊為市售，如可采用SM321，數字量、模擬量輸出模塊為市售，如可采用SM322。
本發(fā)明工作過程為一個動態(tài)過程，能及時、準確地根據水質情況作出判斷，既有利于自動控制工況運行，減少曝氣量，節(jié)約運行成本，又能使懸浮填料床內的微生物的種類之間保持在一個良好的穩(wěn)定狀態(tài)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
本發(fā)明與傳統(tǒng)懸浮填料床工藝的比較表




圖1為本發(fā)明自動控制系統(tǒng)流程圖。
圖中標號1為進水流量計，2為回流流量計，3為曝氣截止閥，4為液位計，5為在線溶氧儀，6為在線氨氮監(jiān)測儀，7為在線硝態(tài)氮監(jiān)測儀，8為進水泵，9為回流泵，10為數字量輸入模塊，11為可編程操作器，12為數字量、模擬量輸出模塊，13為PC機。
具體實施例方式
實施例1本控制系統(tǒng)采用SIMATIC S7-300可編程序控制器，中央處理單元為CPU315，數字量輸入模塊采用SM321，數字量、模擬量輸出模塊采用SM322。將某城市污水泵入懸浮填料床，系統(tǒng)以控制出水中的氨氮為控制目標。污水進水氨氮濃度為31.3mg/L，曝氣截止閥開啟度為30--40％，懸浮填料床內溶解氧濃度為1.9mg/L，經懸浮填料床生物處理后，氨氮在線監(jiān)測儀測試出水氨氮濃度為11--18mg/L，大于系統(tǒng)設定出水氨氮濃度10--15mg/L的上限值。自動控制系統(tǒng)根據設定的控制程序增加截止閥的開啟度，調整為30--50％，30--90min后，在線溶氧儀監(jiān)測懸浮填料床內溶解氧濃度為2.2mg/L，在線氨氮監(jiān)測儀測試氨氮濃度為8.5--10mg/L，小于出水氨氮濃度10--15mg/L的上限值，曝氣量維持不變，30--90min后在線氨氮監(jiān)測儀監(jiān)測到出水氨氮濃度為8.2mg/L，在線溶氧儀測試溶解氧濃度為2.3mg/L。說明系統(tǒng)運行穩(wěn)定。
實施例2本控制系統(tǒng)采用SIMATIC S7-300可編程序控制器，中央處理單元為CPU315，數字量輸入模塊采用SM321，數字量、模擬量輸出模塊采用SM322。將某城市污水泵入懸浮填料床，系統(tǒng)以控制出水中的氨氮為控制目標。污水進水氨氮濃度為52.1mg/L，曝氣截止閥開啟度為40--70％，懸浮填料床內溶解氧濃度為2.0mg/L，出水氨氮濃度為15--20mg/L。系統(tǒng)根據進水氨氮濃度給出報警信號“系統(tǒng)氨氮負荷偏高”。同時自動調節(jié)曝氣截止閥開啟度，調高到60--80％，30--90min后在線監(jiān)測儀自動監(jiān)測出水氨氮、溶解氧濃度分別為13--16g/L、2.7mg/L。出水氨氮濃度仍超出系統(tǒng)設定上限濃度，曝氣截止閥開啟閥自動調整到70--90％，30--90min后監(jiān)測出水氨氮和溶解氧濃度分別10.5mg/L和3.4mg/L。當曝氣截止閥開啟度調大到80--90％，出水氨氮濃度為8.8mg/L，出水溶解氧濃度為4.2mg/L。系統(tǒng)給出報警“溶解氧濃度超出上限濃度”。系統(tǒng)自動減小曝氣開啟閥，調整曝氣量，實現出水氨氮濃度和出水溶解氧濃度的動態(tài)平衡。
實施例3本控制系統(tǒng)采用SIMATIC S7-300可編程序控制器，中央處理單元為CPU315，數字量輸入模塊采用SM321，數字量、模擬量輸出模塊采用SM322。將某城市污水泵入懸浮填料床，系統(tǒng)以控制出水總氮為控制目標。污水進水氨氮濃度為30.4mg/L，硝態(tài)氮濃度為0.05mg/L。經懸浮填料床生物穩(wěn)定處理后，懸浮填料床出水氨氮濃度為13--15mg/L，硝態(tài)氮濃度為1.5--5mg/L，溶解氧濃度為1.2--3mg/L，曝氣截止閥開啟度為20--40％。自動控制系統(tǒng)根據編寫的判據作出判斷，出水氨氮濃度大于系統(tǒng)設定的上限濃度，硝態(tài)氮和溶解氧濃度在設定的濃度范圍內，因此增加系統(tǒng)曝氣量，將曝氣截止閥開啟度增至30--50％，而保持污泥回流量不變。經過30--90min，在線儀器測定出水氨氮濃度為11--13mg/L，硝態(tài)氮濃度為1.5--4mg/L，溶解氧濃度1.6mg/L，系統(tǒng)再次調整運行工況，曝氣截止閥開啟度增大到40--60％，污泥回流量不變。30--90min后，在線儀器監(jiān)測出水濃度，氨氮濃度為8--10mg/L，硝態(tài)氮濃度為2.1mg/L，溶解氧為2.0mg/L。系統(tǒng)將出水氨氮、硝態(tài)氮和溶解氧三者濃度調整到設定的范圍內后，維持運行工況，如出水中氨氮、硝態(tài)氮和溶解氧三者中出現超過上限或低于下限則系統(tǒng)重新給出判斷，進行自動控制。
權利要求
1.一種懸浮填料床處理城市污水的自動控制方法，其特征在于利用PC機對懸浮填料床處理城市污水裝置的工作過程進行在線監(jiān)測和控制，其中，PC機中的可編程序控制器執(zhí)行系統(tǒng)操作指令，收集、存儲系統(tǒng)參數氧溶解濃度、氮進出水濃度、總氮濃度，與來自數字量輸入模塊顯示的在線監(jiān)測數據比較，若在線監(jiān)測數據超過其臨界上、下限值，則數字量、模擬量輸出模塊發(fā)送指令，調節(jié)曝氣系統(tǒng)的開啟度和污泥回流量，從而控制污水溶解氧濃度、氨氮濃度、總氮濃度。
2.根據權利要求1所述的懸浮填料床處理城市污水的自動控制方法，其特征在于以氨氮進出水濃度為控制目標，在線溶氧儀的濃度上限值為2-10mg/L，下限值為0.0-0.5mg/L；在線氨氮監(jiān)測儀進水上限值為50-80mg/L，下限值為0-15mg/L；在線氨氮監(jiān)測儀出水上限值為0-15mg/L，下限值為0-3mg/L。
3.根據權利要求2所述的懸浮填料床處理城市污水的自動控制方法，其特征在于根據氨氮進出水濃度調整曝氣截止閥的開啟度，每次增加或減少10-50％，調整時間間隔為30-90分鐘，根據出水氨氮濃度再次進行判斷，如出水氨氮濃度仍超出設定上限值，則繼續(xù)增大曝氣截止閥的開啟度10-50％。
4.根據權利要求1所述的懸浮填料床處理城市污水的自動控制方法，其特征在于以總氮為控制目標，在線溶氧儀的濃度上限值為2-10mg/L，下限值為0.0-0.5mg/L；在線氨氮監(jiān)測儀進水濃度上限值為50-80mg/L，下限值為0-15mg/L；在線氨氮監(jiān)測儀出水濃度上限值為0-15mg/L，下限值為0-3mg/L；在線硝態(tài)氮監(jiān)測儀出水濃度上限值為30-50mg/L，下限值為0-5mg/L。
5.根據權利要求4所述的懸浮填料床處理城市污水的自動控制方法，其特征在于混合液的氨氮濃度超出設定的上限值，混合液溶解氧的濃度低于系統(tǒng)設定的上限值，則增大曝氣調節(jié)閥的開啟度10-50％，污泥回流量為每次增加10-40％。
6.根據權利要求4所述的懸浮填料床處理城市污水的自動控制方法，其特征在于混合液的氨氮濃度超出系統(tǒng)設定的上限值，混合液硝態(tài)氮的濃度低于系統(tǒng)設定的上限值，溶解氧濃度低于系統(tǒng)設定的上限值，提高曝氣調節(jié)閥開啟度10-50％，污泥回流量保持不變。
7.一種如權利要求1所述的懸浮填料床處理城市污水的自動控制裝置，由懸浮填料床反應器、PC機(13)中的可編程序控制器(11)、信號模塊組成，其特征在于信號模塊由數字量輸入模塊(10)和數字量、模擬量輸出模塊(12)組成，數字量輸入模塊(10)、可編程序控制器(11)和數字量、模擬量輸出模塊(12)依次連接；懸浮填料床反應器的底部設有曝氣管，懸浮填料床反應器的一端連接進水箱，進水箱處設置有液位計(4)，采用低位報警，防止進水泵空轉，進水端處設有在線氨氮監(jiān)測儀(6)、進水流量計(1)，懸浮填料床反應器的末端出口處設有在線溶氧儀(5)、在線氨氮監(jiān)測儀(6)、在線硝態(tài)氮監(jiān)測儀(7)；數字量輸入模塊(10)分別與進水流量計(1)、曝氣系統(tǒng)截止閥(3)、污泥回流流量計(2)、進水箱液位計(4)、在線溶氧儀(5)、在線氨氮監(jiān)測儀(6)、在線硝態(tài)氮監(jiān)測儀(7)連接；數字量、模擬量輸出模塊(12)分別與進水泵(8)、回流泵(9)、曝氣截止閥(3)連接。
全文摘要
本發(fā)明屬于環(huán)保技術領域，具體涉及一種懸浮填料床處理城市污水的自動控制方法及其裝置。本發(fā)明利用PC機對懸浮填料床處理城市污水裝置的工作過程進行在線監(jiān)測和控制，PC機中的可編程控制器執(zhí)行系統(tǒng)操作指令，收集、存儲系統(tǒng)工藝參數，與來自數字量輸入模塊顯示的在線監(jiān)測數據比較，若在線監(jiān)測數據超過其臨界上、下限值，則數字量、模擬量輸出模塊發(fā)送指令，調節(jié)曝氣系統(tǒng)的開啟度和污泥回流量，從而控制污水溶解氧濃度、氨氮濃度、總氮濃度。本發(fā)明工作過程為一個動態(tài)過程，能及時、準確地根據水質情況作出判斷，既有利于自動控制工況運行，減少曝氣量，節(jié)約運行成本，又能使懸浮填料床內的微生物的種類之間保持在一個良好的穩(wěn)定狀態(tài)，保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。
文檔編號C02F3/10GK1583598SQ20041002490
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月3日 優(yōu)先權日2004年6月3日
發(fā)明者夏四清, 楊殿海, 陳玲, 趙建夫, 饒應福 申請人:同濟大學