專利名稱：Orbal氧化溝生物脫氮工藝溶解氧控制裝置及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明所屬的技術(shù)領(lǐng)域?yàn)榛钚晕勰喾ㄎ鬯锾幚硐到y(tǒng)智能控制領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
Orbal氧化溝系統(tǒng)及其脫氮運(yùn)行存在的問題1、Orbal氧化溝系統(tǒng)是一種多溝道(通常為三溝)的單污泥延時(shí)曝氣活性污泥法系統(tǒng)。污水和回流污泥由外溝道進(jìn)入系統(tǒng)，依次流經(jīng)中溝和內(nèi)溝后進(jìn)入二沉池。每一個(gè)溝道都是一個(gè)相對獨(dú)立的完全混合系統(tǒng)，混合液在其中不斷進(jìn)行循環(huán)流動。在典型的三溝道系統(tǒng)中，外溝、中溝和內(nèi)溝的溶解氧(DO)一般大致控制在0～0.5mg/l、0.5～1.5mg/l和2～5mg/l之間。這種溶解氧的階梯分布有利于節(jié)約曝氣能耗，同時(shí)可以為生物脫氮?jiǎng)?chuàng)造條件。外溝內(nèi)的虧氧狀態(tài)提高了供氧的利用率，同時(shí)較低的溶解氧濃度和較豐富的含碳有機(jī)物，也提供了反硝化的條件。內(nèi)溝相對較高的溶解氧濃度可以保證有機(jī)物去除和硝化作用；中溝可以發(fā)揮“擺動”溝道的作用，當(dāng)反硝化效果不好時(shí)，中溝采用較低的溶解氧濃度強(qiáng)化反硝化作用，當(dāng)硝化效果不好時(shí)，中溝采用較高的溶解氧濃度強(qiáng)化硝化作用。氧化溝工藝系統(tǒng)具有處理效果穩(wěn)定，運(yùn)行管理簡便等特點(diǎn)，在城市污水處理中得到了廣泛應(yīng)用。目前我國在建城鎮(zhèn)污水廠中有一半以上都采用氧化溝工藝。
2、溶解氧(DO)控制在污水處理中的應(yīng)用隨著我國水體富營養(yǎng)化問題的加劇，城鎮(zhèn)污水廠排放標(biāo)準(zhǔn)中，對出水氮的要求更加嚴(yán)格。由于缺乏有效的控制和管理手段，造成目前許多污水廠出水總氮濃度過高，并沒有發(fā)揮氧化溝工藝的節(jié)能優(yōu)勢和脫氮功能，甚至不能發(fā)揮正常的有機(jī)物降解和硝化功能。目前，許多國內(nèi)污水處理廠雖然都安裝了溶解氧(DO)儀、氧化還原電位(ORP)儀和pH儀等在線監(jiān)測儀表，但是在實(shí)際運(yùn)行過程中，由于缺乏管理經(jīng)驗(yàn)和專業(yè)知識，不得不仍然沿用傳統(tǒng)的恒定曝氣量的方法。恒定曝氣量的運(yùn)行方式很難適應(yīng)水質(zhì)水量的變化，并根據(jù)反應(yīng)進(jìn)程調(diào)節(jié)曝氣量，因而會造成大量的能耗浪費(fèi)，并導(dǎo)致脫氮效果不理想和系統(tǒng)運(yùn)行的不穩(wěn)定。曝氣池中氧氣不足和過量都會導(dǎo)致污泥生存環(huán)境的惡化，引起處理效果下降并導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定運(yùn)行當(dāng)氧氣不足時(shí)，一方面由于曝氣池中絲狀菌會大量繁殖，最終產(chǎn)生污泥膨脹；另一方面由于其他細(xì)菌的生長速率降低而引起的出水水質(zhì)下降。而當(dāng)氧氣過量(即過量曝氣)則會引起由于活性污泥絮體遭到破壞而導(dǎo)致懸浮固體沉降性變差，同時(shí)使曝氣能耗過高。

發(fā)明內(nèi)容
技術(shù)原理實(shí)現(xiàn)Orbal氧化溝的高效脫氮過程就在于在反硝化主要發(fā)生的外溝道，實(shí)現(xiàn)最大程度的氨氮氧化(硝化過程)和硝態(tài)氮去除(反硝化過程)。但是，一方面硝化和反硝化過程是相互促進(jìn)的過程，只有較高的硝化反應(yīng)，才能為反硝化反應(yīng)提供充足的反應(yīng)底物；另一方面，兩個(gè)反應(yīng)對于反應(yīng)條件的要求不同氨氮氧化的硝化過程是需要氧參與的過程，要求體系內(nèi)一定的溶解氧濃度；而硝態(tài)氮去除的反硝化過程是不需要氧的，隨著溶解氧濃度的提高，反硝化過程會被抑制甚至完全停止。因此，確定合適的溶解氧，使Orbal氧化溝的外溝硝化，尤其是反硝化過程能夠達(dá)到最大的反應(yīng)速率，并實(shí)現(xiàn)外溝道內(nèi)最大程度的總氮去除，是本脫氮系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
本發(fā)明中，通過現(xiàn)有的活性污泥反應(yīng)動力學(xué)的計(jì)算，并結(jié)合大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析了外溝道內(nèi)氨氮、硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮濃度的變化情況同溶解氧濃度的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)在特定的溶解氧值條件下可以達(dá)到硝化和反硝化過程兩者最優(yōu)組合，使外溝道內(nèi)的總氮濃度值達(dá)到最小值，如附圖1所示在溶解氧小于某一特定值范圍內(nèi)，隨著溶解氧的增加，氨氮氧化作用不斷增強(qiáng)，氨氮濃度不斷降低，同時(shí)硝態(tài)氮濃度增加不明顯，說明在這一較低的溶解氧范圍內(nèi)，硝化效果在加強(qiáng)的過程中，反硝化效果沒有受到溶解氧增加的影響，總氮(在城市污水和生活污水中，總氮主要以氨氮和硝態(tài)氮兩種形式存在)去除不斷得到加強(qiáng)；而在特征點(diǎn)處，此時(shí)總氮濃度達(dá)到最低點(diǎn)，說明總氮在該溶解氧條件下達(dá)到了最大的去除效果，則此時(shí)的溶解氧值為外溝道內(nèi)最佳設(shè)定值(外溝道的反硝化作用是系統(tǒng)脫氮運(yùn)行的關(guān)鍵，硝化作用可以在中溝道和內(nèi)溝道中得以確保)；在特征點(diǎn)之后，隨著溶解氧濃度的增加，硝化效果進(jìn)一步加強(qiáng)，氨氮濃度進(jìn)一步降低；但是反硝化效果急劇惡化，硝態(tài)氮濃度不斷升高，表現(xiàn)在總氮上就是總氮值不斷升高。在連續(xù)流系統(tǒng)中，運(yùn)行條件適當(dāng)?shù)那闆r下，亞硝態(tài)氮的濃度始終保持很低。
雖然外溝道最佳的溶解氧濃度值受到進(jìn)水有機(jī)物濃度、氮元素濃度以及反應(yīng)器特性，如水力停留時(shí)間，污泥濃度，污泥齡和污泥回流比等影響，但是客觀上存在一個(gè)溶解氧值，在該溶解氧條件下，可以實(shí)現(xiàn)外溝道的總氮值為最小。
由于中溝道和內(nèi)溝道較高的溶解氧濃度，同時(shí)缺乏反硝化過程中需要的碳源，所以在系統(tǒng)脫氮中的作用有限，但是控制其溶解氧濃度在一定范圍內(nèi)，可以保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行前提下，節(jié)約曝氣能耗。
技術(shù)方案一種Orbal氧化溝生物脫氮工藝的溶解氧控制裝置，包括進(jìn)水水箱A，同心三溝道串聯(lián)布置的Orbal氧化溝B，沉淀池C和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)D四大部分組成(參見附圖2)，進(jìn)水由水箱A依次連接進(jìn)水泵，經(jīng)過進(jìn)水管2和進(jìn)水口3連接Orbal氧化溝B的外溝道4；在外、中、內(nèi)溝道內(nèi)設(shè)曝氣頭，推流泵，攪拌器，內(nèi)溝道連接沉淀池C；在Orbal氧化溝反應(yīng)器B的外溝道4，中溝道9和內(nèi)溝道14中分別設(shè)置外溝道溶解氧傳感器26，中溝道溶解氧傳感器27和內(nèi)溝道溶解氧傳感器28，上述傳感器分別通過導(dǎo)線與外溝溶解氧測定儀29、中溝溶解氧測定儀30和內(nèi)溝溶解氧測定儀31連接后，與計(jì)算機(jī)32的數(shù)據(jù)信號輸入接口33連接；其特征在于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)信號輸出接口34經(jīng)導(dǎo)線連接過程控制器35的輸入端36相連，過程控制器35中設(shè)置外溝曝氣變頻控制器37、中溝曝氣變頻控制器38和內(nèi)溝曝氣變頻控制器39，通過過程控制器的輸出端40，分別與外溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)41、中溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)42和內(nèi)溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)43相連接；外溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)41、中溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)42和內(nèi)溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)43分別通過外溝道曝氣管44、中溝道曝氣管45和內(nèi)溝道曝氣管46，同外溝道曝氣頭5、中溝道曝氣頭11和內(nèi)溝道曝氣頭16相連。
本發(fā)明提供一種Orbal氧化溝生物脫氮工藝的溶解氧控制方法，其特征在于，包括以下步驟
1)啟動進(jìn)水泵連續(xù)進(jìn)水，啟動曝氣鼓風(fēng)機(jī)向三溝道曝氣，啟動攪拌器攪拌，啟動推流泵推動混合液循環(huán)流動；啟動污泥回流泵連續(xù)回流二沉池污泥。
2)根據(jù)分析的進(jìn)水水質(zhì)情況，通過現(xiàn)有的活性污泥反應(yīng)動力學(xué)計(jì)算，同時(shí)結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)確定相應(yīng)進(jìn)水條件下的溶解氧設(shè)定值，設(shè)定初始的外溝道、中溝道和內(nèi)溝道的溶解氧初始值，設(shè)定值由計(jì)算機(jī)輸出控制信號給過程控制器，過程控制器通過三溝道的曝氣變頻控制器分別控制變頻鼓風(fēng)機(jī)的曝氣量；外溝道溶解氧設(shè)定值DOref1取使外溝道內(nèi)總氮濃度值為最小值(如附圖1所示特征點(diǎn)處)條件下的溶解氧濃度(由于溶解氧的存在對于反硝化過程的強(qiáng)烈抑制作用，所以外溝道溶解氧的范圍一般都在0～0.4mg/l)；中溝道溶解氧設(shè)定值DOref2取使中溝道內(nèi)氨氮濃度小于8.0mg/l的最小的溶解氧濃度；內(nèi)溝道溶解氧設(shè)定值DOref3取使內(nèi)溝道內(nèi)氨氮濃度小于1.0mg/l的最小的溶解氧濃度。(中溝道氨氮濃度小于8mg/l以及內(nèi)溝道氨氮濃度小于1.0mg/l的濃度值設(shè)定條件是，當(dāng)原污水中氨氮濃度小于100mg/l。當(dāng)處理氨氮濃度較高的污水時(shí)，因根據(jù)該污水的氨氮排放標(biāo)準(zhǔn)，確定相應(yīng)的控制規(guī)則中溝道和內(nèi)溝道中的氨氮設(shè)定值。)以上這些數(shù)據(jù)均可調(diào)整，且調(diào)整技術(shù)方案均為本領(lǐng)域人員的公知技術(shù)常識。所以在本發(fā)明的原則范圍內(nèi)，對技術(shù)方案的數(shù)據(jù)調(diào)整，應(yīng)該視為不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。
3)讀取各個(gè)溝道內(nèi)的溶解氧的信號，作為Orbal氧化溝脫氮過程的過程實(shí)時(shí)控制參數(shù)；當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)改變而曝氣量不變的情況，三個(gè)溝道內(nèi)的溶解氧值會發(fā)生變化，當(dāng)發(fā)生下列條件之一，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，通過過程控制器控制曝氣變頻控制器，改變變頻鼓風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)對于曝氣量的調(diào)節(jié)。
A.對于外溝道的控制條件為①溶解氧設(shè)定值DOref1與溶解氧實(shí)測值DO1的差值的絕對值大于0.1mg/l時(shí)，且持續(xù)時(shí)間大于30分鐘；②外溝道溶解氧實(shí)測值DO1小于外溝道溶解氧的下限設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；③溶解氧實(shí)測值DO1大于外溝道溶解氧的上限設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；B.對于中溝道的控制條件為①溶解氧設(shè)定值DOref2與溶解氧實(shí)測值DO2的差值的絕對值大于0.2mg/l時(shí)，且持續(xù)時(shí)間大于30分鐘；②中溝道溶解氧實(shí)測值DO2小于中溝道溶解氧的下限設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；③溶解氧實(shí)測值DO2大于中溝道溶解氧的上限設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；C.對于內(nèi)溝道的控制條件為①溶解氧設(shè)定值DOref3與溶解氧實(shí)測值DO3的差值的絕對值大于0.5mg/l時(shí)，且持續(xù)時(shí)間大于30分鐘；②內(nèi)溝道溶解氧實(shí)測值DO3小于內(nèi)溝道溶解氧的下限設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；③溶解氧實(shí)測值DO3大于內(nèi)溝道溶解氧的上限設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘。
控制規(guī)則的制訂本著及時(shí)、可靠和可操作性強(qiáng)的原則，考慮適當(dāng)?shù)目刂品磻?yīng)時(shí)間，避免短時(shí)間內(nèi)由于溶解氧在線測定儀的誤差和受干擾造成的測量信號的不準(zhǔn)確，而造成頻繁改變曝氣量的情況的發(fā)生；同時(shí)考慮曝氣量改變頻率在工程中的可行性。
當(dāng)Orbal氧化溝用于處理工業(yè)廢水時(shí)，以上脫氮過程的溶解氧控制方法仍然適用，但是具體的設(shè)定值，需要結(jié)合污水水質(zhì)和模型的運(yùn)行參數(shù)，具體情況具體分析，通過動力學(xué)計(jì)算綜合確定最佳的控制條件，如各溝道的氨氮控制濃度等。
采用在線溶解氧(DO)濃度作為控制參數(shù)，主要有以下幾點(diǎn)原因(1)可行性，目前許多城市污水處理廠都安裝了DO傳感器和PLC控制系統(tǒng)，具有實(shí)現(xiàn)的客觀條件；(2)相關(guān)性，目前大量的研究已經(jīng)表明，DO濃度同污水處理中的有機(jī)物降解、硝化和反硝化過程關(guān)系緊密；(3)DO濃度在線傳感器具有響應(yīng)時(shí)間短和精度高等特點(diǎn)；(4)可靠性強(qiáng)，因?yàn)镈O濃度是影響污水生物處理系統(tǒng)的最為重要的運(yùn)行參數(shù)之一，DO控制可以保證在一定范圍內(nèi)活性污泥系統(tǒng)的正常運(yùn)行；同時(shí)與目前開發(fā)出能在線測定有機(jī)物、氮、磷的傳感器相比，DO傳感器具有價(jià)格低廉、維護(hù)費(fèi)用低以及穩(wěn)定性強(qiáng)，可以方便的與計(jì)算機(jī)接口等特點(diǎn)。
隨著氧化溝工藝的日益普及和廣泛應(yīng)用，基于溶解氧控制的Orbal氧化溝生物脫氮及節(jié)能運(yùn)行系統(tǒng)，可根據(jù)原水水質(zhì)水量變化實(shí)時(shí)控制曝氣量，不僅可以避免傳統(tǒng)控制方法造成的脫氮效率低，能耗高和運(yùn)行系統(tǒng)不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，提高脫氮效率并且降低運(yùn)行能耗，而且對于進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)和豐富活性污泥法的在線模糊控制有重要的理論意義與應(yīng)用價(jià)值。
本發(fā)明的Orbal氧化溝的溶解氧控制方法，與現(xiàn)有Orbal氧化溝常用的恒曝氣量或者恒溶解氧控制方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)(1)節(jié)能效果明顯能夠使曝氣量盡量同微生物的需氧量相一致，避免了曝氣不完全引起的硝化不完全和有機(jī)物降解不徹底，污泥發(fā)生膨脹；以及曝氣過量引起的能量浪費(fèi)和系統(tǒng)的微生物絮體結(jié)構(gòu)被破壞等不穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)。同傳統(tǒng)的恒定曝氣量相比，可以節(jié)約曝氣能耗在30％以上。
(2)脫氮效果好本發(fā)明在充分發(fā)揮外溝道反硝化潛力的基礎(chǔ)上，在不外投加反硝化碳源的情況下，僅利用原水中的碳源進(jìn)行反硝化，反硝化效果明顯提高。而目前Orbal氧化溝的脫氮控制一般只考慮對于外溝道的反硝化作用，對于中溝道的強(qiáng)化脫氮作用和內(nèi)溝道的節(jié)能作用考慮不足。在原水中碳源充足的條件下，可以實(shí)現(xiàn)80％以上的總氮去除率，出水氨氮小于1mg/l，總氮小于10mg/l。
(3)硝化和反硝化發(fā)生在同一個(gè)反應(yīng)器內(nèi)，同目前的順序硝化-反硝化工藝相比，具有流程簡化，節(jié)約硝化液內(nèi)回流的能量消耗；不投加外碳源，充分利用原污水中有機(jī)物作為反硝化碳源，節(jié)省碳源投加操作過程及費(fèi)用投入等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是外溝道溶解氧變化過程中，外溝道內(nèi)氨氮、硝態(tài)氮、亞硝態(tài)氮及總氮的變化情況；圖2是該實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意圖；1進(jìn)水泵；2進(jìn)水管；3進(jìn)水口；4外溝道；5外溝道曝氣頭；6外溝道推流泵；7外溝道攪拌器；8穿孔擋板；9中溝道；10外溝道與中溝道的連通口；11中溝道曝氣頭；12中溝道攪拌器；13中溝道推流泵；14內(nèi)溝道；15中溝道與內(nèi)溝道的連通口；16內(nèi)溝道曝氣頭；17內(nèi)溝道推流泵；18內(nèi)溝攪拌器；19出水口；20氧化溝出水管；21沉淀池出水管；22污泥回流泵；23污泥回流管；24污泥回流口；25沉淀池排泥管；26外溝道溶解氧傳感器；27中溝道溶解氧傳感器；28內(nèi)溝道溶解氧傳感器；29外溝溶解氧測定儀；30中溝溶解氧測定儀；31內(nèi)溝溶解氧測定儀；32計(jì)算機(jī)；33計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)信號輸入接口；34計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)信號輸出接口；35過程控制器；36過程控制器的輸入端；37外溝曝氣變頻控制器；38中溝曝氣變頻控制器；39內(nèi)溝曝氣變頻控制器；40過程控制器的輸出端；41外溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)；42中溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)；43內(nèi)溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)；44外溝曝氣管；45中溝曝氣管；46內(nèi)溝曝氣管圖3是本發(fā)明Orbal氧化溝生物脫氮溶解氧控制裝置與方法的實(shí)時(shí)控制流程圖。
圖4是應(yīng)用本發(fā)明Orbal氧化溝生物脫氮溶解氧控制方法處理城市污水的處理效果。
圖5是應(yīng)用本發(fā)明Orbal氧化溝生物脫氮溶解氧控制方法處理低碳氮比生活污水的處理效果。
具體實(shí)施例方式
結(jié)合實(shí)施例，本發(fā)明工藝的具體操作運(yùn)行工序如下具體實(shí)施方式
1某市城市污水的處理實(shí)驗(yàn)用水為華北地區(qū)某城市污水處理廠曝氣沉砂池出水，其代表性水質(zhì)主要為COD210～400mg/l，均值288mg/l；BOD5130～210mg/l，均值為147mg/l，NH4+-N15～46mg/l，均值為29mg/l，總氮(TN)主要由氨氮組成，均值為29.5mg/l。每天取樣分析一次，試驗(yàn)中采用的分析方法均是國家環(huán)保局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法。
試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚈rbal氧化溝的有效容積設(shè)為330L，外溝道，中溝道和內(nèi)溝道的容積分別為180L，85L和65L；反應(yīng)器污泥濃度為3500mg/l，污泥齡為25天左右，反應(yīng)溫度為28℃；污泥回流量為進(jìn)水流量的80％，進(jìn)水水箱300L，二沉池有效容積100L，模型連續(xù)進(jìn)水連續(xù)出水，Orbal氧化溝的水力停留時(shí)間為14小時(shí)。
本發(fā)明中設(shè)計(jì)應(yīng)用的Orbal氧化溝生物脫氮溶解氧控制方法的實(shí)驗(yàn)裝置，由以下部分和運(yùn)行過程構(gòu)成由進(jìn)水水箱A，同心三溝道串聯(lián)布置的Orbal氧化溝B，二沉池C和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)D四大部分組成(參見附圖2)。進(jìn)水由水箱A經(jīng)過進(jìn)水泵1作用，經(jīng)過進(jìn)水管2和進(jìn)水口3連續(xù)進(jìn)入Orbal氧化溝B的外溝道4。
在外溝道經(jīng)過曝氣頭5的曝氣作用發(fā)生有機(jī)物去除和氨氮氧化反應(yīng)，同時(shí)混合液在推流泵6的作用下在外溝道循環(huán)流動，在非曝氣點(diǎn)發(fā)生硝態(tài)氮反硝化作用。在外溝道設(shè)置攪拌器7，強(qiáng)化混合效果并防止污泥沉淀。
外溝道混合液經(jīng)過反應(yīng)后，經(jīng)過設(shè)置在外溝道4與中溝道9之間隔墻底部的連通口10重力流進(jìn)入中溝道9。在中溝道經(jīng)過曝氣頭11的曝氣和中溝道推流泵13的推動作用下發(fā)生有機(jī)物降解、硝化/反硝化等過程，并使混合液在中溝道內(nèi)循環(huán)流動。中溝道設(shè)置攪拌器12強(qiáng)化混合效果并防止污泥沉淀。
中溝道混合液經(jīng)過反應(yīng)后，經(jīng)過設(shè)置在中溝道9與內(nèi)溝道14之間隔墻底部的連通口15重力流進(jìn)入內(nèi)溝14。在內(nèi)溝道曝氣頭16和內(nèi)溝推流泵17的作用下主要發(fā)生有機(jī)物和硝化反應(yīng)，并使混合液在內(nèi)溝道循環(huán)流動。內(nèi)溝道設(shè)置攪拌器18強(qiáng)化混合效果并防止污泥沉淀。
內(nèi)溝道的混合液經(jīng)過反應(yīng)后，經(jīng)過內(nèi)溝道14內(nèi)設(shè)置的出水口19和氧化溝出水管20重力流進(jìn)入沉淀池C?；旌弦航?jīng)過沉淀池C的固液分離后，上清液經(jīng)過沉淀池出水管21排放；部分污泥經(jīng)過污泥回流泵22和污泥回流管23，經(jīng)過氧化溝上的污泥回流口24回流到外溝道4。部分污泥經(jīng)過沉淀池C的排泥管25排出系統(tǒng)。
在Orbal氧化溝反應(yīng)器B的外溝道4，中溝道9和內(nèi)溝道14中分別設(shè)置外溝道溶解氧傳感器26，中溝道溶解氧傳感器27和內(nèi)溝道溶解氧傳感器28，上述傳感器分別通過導(dǎo)線與外溝溶解氧測定儀29、中溝溶解氧測定儀30和內(nèi)溝溶解氧測定儀31連接后，與計(jì)算機(jī)32的數(shù)據(jù)信號輸入接口33連接。計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)信號輸出接口34經(jīng)導(dǎo)線連接過程控制器35的輸入端36相連，過程控制器35中設(shè)置外溝曝氣變頻控制器37、中溝曝氣變頻控制器38和內(nèi)溝曝氣變頻控制器39，通過過程控制器的輸出端40，分別與外溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)41、中溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)42和內(nèi)溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)43相連接，可以實(shí)現(xiàn)對相應(yīng)鼓風(fēng)機(jī)的頻率控制。外溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)41、中溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)42和內(nèi)溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)43分別通過外溝道曝氣管44、中溝道曝氣管45和內(nèi)溝道曝氣管46，同外溝道曝氣頭5、中溝道曝氣頭11和內(nèi)溝道曝氣頭16相連。
為了驗(yàn)證本發(fā)明中提出的Orbal氧化溝生物脫氮的溶解氧控制方法的效果和可操作性，設(shè)計(jì)了一套反應(yīng)器，模擬工程氧化溝的反應(yīng)器特征，與工程上應(yīng)用的區(qū)別僅僅在于，實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谕鉁显O(shè)置穿孔的擋板8，以控制循環(huán)流速，更好地模擬氧化溝的循環(huán)流態(tài)。
結(jié)合附圖2和附圖3，本發(fā)明的具體控制過程如下1、應(yīng)用本發(fā)明所提供的Orbal氧化溝生物脫氮溶解氧控制系統(tǒng)和裝置，首先打開進(jìn)水泵，連續(xù)向Orbal氧化溝的外溝道進(jìn)水，每小時(shí)進(jìn)水量為23.6L/h；檢測進(jìn)水水質(zhì)，根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)水水質(zhì)確定曝氣量，啟動三溝道的曝氣設(shè)備開始曝氣，使壓縮空氣以微氣泡的形式釋放到反應(yīng)器內(nèi)，同活性污泥與污水的混合液充分接觸；啟動三溝道內(nèi)的攪拌設(shè)備和推流設(shè)備進(jìn)行攪拌和推流。開啟污泥回流泵回流二沉池污泥。實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
2、根據(jù)活性污泥反應(yīng)動力學(xué)計(jì)算，結(jié)合反應(yīng)器的大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析各個(gè)溝道之間的有機(jī)物濃度，氨氮和硝態(tài)氮濃度的變化同相應(yīng)溝道內(nèi)溶解氧濃度的關(guān)系，確定在該運(yùn)行條件和該水質(zhì)范圍(典型值COD均值288mg/l；BOD5均值為147mg/l，NH4+-N均值為29mg/l，總氮均值為29.5mg/l)內(nèi)，外溝道內(nèi)達(dá)到最小的總氮濃度出現(xiàn)點(diǎn)的溶解氧濃度值為0.30mg/l；確定中溝道確保溝道內(nèi)氨氮濃度小于8mg/l的最小溶解氧濃度之為0.8mg/l；確定內(nèi)溝道確保溝道內(nèi)氨氮濃度小于1mg/l的最小溶解氧濃度為1.2mg/l?；谏鲜鋈芙庋踔翟O(shè)定基于溶解氧濃度值的曝氣量控制規(guī)則。(有機(jī)物濃度在此條件下，不成為出水的限制條件，出水基本保持在50mg/l以下。)3、啟動計(jì)算機(jī)，啟動過程實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，開始檢測三溝道內(nèi)的溶解氧值，并根據(jù)設(shè)定值和檢測值的絕對差值，以及溶解氧的設(shè)定限制和改變條件對于曝氣變頻控制器發(fā)出指令，改變(增大或者減小)變頻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而根據(jù)溶解氧的變化改變曝氣量，當(dāng)各溝道內(nèi)滿足下列條件之一時(shí)執(zhí)行改變A.對于外溝道的控制條件為①溶解氧實(shí)測值DO1與溶解氧設(shè)定值DOref1(0.3mg/l)的差值的絕對值大于0.1mg/l時(shí)，且持續(xù)時(shí)間大于30分鐘；②外溝道溶解氧實(shí)測值DO1小于0.1mg/l，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；③外溝道溶解氧實(shí)測值DO1大于0.5mg/l，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；B.對于中溝道的控制條件為①溶解氧實(shí)測值DO2與溶解氧設(shè)定值DOref2(0.8mg/l)的差值的絕對值大于0.2mg/l時(shí)，且持續(xù)時(shí)間大于30分鐘；②中溝道溶解氧實(shí)測值DO2小于0.5mg/l，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；③中溝道溶解氧實(shí)測值DO2大于2.0mg/l，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；C.對于內(nèi)溝道的控制條件為①溶解氧實(shí)測值DO3與溶解氧設(shè)定值DOref3(1.5mg/l)的差值的絕對值大于0.5mg/l時(shí)，且持續(xù)時(shí)間大于30分鐘；②內(nèi)溝道溶解氧實(shí)測值DO3小于0.5mg/l，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；③內(nèi)溝道溶解氧實(shí)測值DO3大于3.0mg/l，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘。
4、定期檢測進(jìn)水的水質(zhì)變化情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)溝道內(nèi)溶解氧的變化情況，對于曝氣量進(jìn)行調(diào)解。
當(dāng)滿足上述控制條件時(shí)，對于不同溝道的曝氣量進(jìn)行在線調(diào)節(jié)控制。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，參看附圖4城市污水的處理效果，總氮去除效果大大提高，總氮平均去除率為74％，出水氨氮濃度保持在0.5mg/l以下，出水總氮在10mg/l以下。外溝道，中溝道和內(nèi)溝道的溶解氧在典型水質(zhì)條件下分別控制在0.3mg/l，0.8mg/l和1.2mg/l，大大降低了系統(tǒng)的曝氣能耗。
具體實(shí)施方式
2某生活小區(qū)低碳氮比生活污水的處理實(shí)驗(yàn)用水某生活小區(qū)化糞池內(nèi)的生活污水，水質(zhì)特點(diǎn)是碳氮比低，其代表性水質(zhì)主要為COD160～310mg/l，均值220mg/l；BOD5100～165mg/l，均值為115mg/l，NH4+-N58～108mg/l，均值為80mg/l，總氮(TN)59～110mg/l，主要由氨氮組成，均值為81mg/l，其碳氮比(COD/TN)只有2.75。每天取樣分析一次，試驗(yàn)中采用的分析方法均是國家環(huán)保局發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)方法。
試驗(yàn)?zāi)Ｐ蚈rbal氧化溝的有效容積設(shè)為330L，外溝道，中溝道和內(nèi)溝道的容積分別為180L，85L和65L；反應(yīng)器污泥濃度為5000mg/l，污泥齡為30天左右，反應(yīng)溫度為28℃；污泥回流量為進(jìn)水流量的150％，進(jìn)水水箱300L，二沉池有效容積100L，模型連續(xù)進(jìn)水連續(xù)出水，Orbal氧化溝的水力停留時(shí)間為16.5小時(shí)。上述工況條件和設(shè)計(jì)參數(shù)主要是根據(jù)進(jìn)水碳氮比低的水質(zhì)特點(diǎn)，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合反應(yīng)動力學(xué)計(jì)算確定，主要措施是提高污泥濃度，增加污泥回流比和延長水力停留時(shí)間。
實(shí)驗(yàn)裝置及運(yùn)行過程如上述實(shí)時(shí)方式1種所述。
結(jié)合附圖2和附圖3，本發(fā)明的具體控制過程如下1、應(yīng)用本發(fā)明所提供的Orbal氧化溝生物脫氮溶解氧控制系統(tǒng)和裝置，首先打開進(jìn)水泵，連續(xù)向Orbal氧化溝的外溝道進(jìn)水，每小時(shí)進(jìn)水量為20.0L/h；檢測進(jìn)水水質(zhì)，根據(jù)一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)水水質(zhì)確定曝氣量，啟動三溝道的曝氣設(shè)備開始曝氣，使壓縮空氣以微氣泡的形式釋放到反應(yīng)器內(nèi)，同活性污泥與污水的混合液充分接觸；啟動三溝道內(nèi)的攪拌設(shè)備和推流設(shè)備進(jìn)行攪拌和推流。開啟污泥回流泵回流二沉池污泥。實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的連續(xù)運(yùn)行并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。
2、根據(jù)活性污泥反應(yīng)動力學(xué)計(jì)算，結(jié)合反應(yīng)器的大量實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)，分析各個(gè)溝道之間的有機(jī)物濃度，氨氮和硝態(tài)氮濃度的變化同相應(yīng)溝道內(nèi)溶解氧濃度的關(guān)系，確定在該運(yùn)行工況條件和該水質(zhì)范圍(典型值為COD均值220mg/l；BOD5均值為115mg/l，NH4+-N均值為80mg/l，總氮均值為81mg/l)內(nèi)，外溝道內(nèi)達(dá)到最小的總氮濃度出現(xiàn)點(diǎn)的溶解氧濃度值為0.10mg/l；確定中溝道確保溝道內(nèi)氨氮濃度小于8mg/l的最小溶解氧濃度之為0.5mg/l；確定內(nèi)溝道確保溝道內(nèi)氨氮濃度小于2mg/l(在本實(shí)驗(yàn)條件下，為了提高脫氮效果，適當(dāng)提高出水氨氮濃度的限值為2mg/l)的最小溶解氧濃度為0.8mg/l?；谏鲜鋈芙庋踔翟O(shè)定基于溶解氧濃度值的曝氣量控制規(guī)則。(在此水質(zhì)條件下，有機(jī)物去除不成為出水的限制條件，而總氮的去除受到進(jìn)水有機(jī)碳源缺乏的限制，所以是否能充分利用原水中的碳源是脫氮的關(guān)鍵。)3、啟動計(jì)算機(jī)，啟動過程實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)，開始檢測三溝道內(nèi)的溶解氧值，并根據(jù)設(shè)定值和檢測值的絕對差值，以及溶解氧的設(shè)定限制和改變條件對于曝氣變頻控制器發(fā)出指令，改變(增大或者減小)變頻風(fēng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而根據(jù)溶解氧的變化改變曝氣量，當(dāng)各溝道內(nèi)滿足下列條件之一時(shí)A.對于外溝道的控制條件為①溶解氧實(shí)測值DO1與溶解氧設(shè)定值DOref1(0.1mg/l)的差值的絕對值大于0.05mg/l時(shí)，且持續(xù)時(shí)間大于30分鐘；②外溝道溶解氧實(shí)測值DO1小于0.02mg/l，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；③外溝道溶解氧實(shí)測值DO1大于0.2mg/l，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；B.對于中溝道的控制條件為①溶解氧實(shí)測值DO2與溶解氧設(shè)定值DOref2(0.5mg/l)的差值的絕對值大于0.2mg/l時(shí)，且持續(xù)時(shí)間大于30分鐘；②中溝道溶解氧實(shí)測值DO2小于0.2mg/l，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；③中溝道溶解氧實(shí)測值DO2大于0.8mg/l，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；C.對于內(nèi)溝道的控制條件為①溶解氧實(shí)測值DO3與溶解氧設(shè)定值DOref3(0.8mg/l)的差值的絕對值大于0.3mg/l時(shí)，且持續(xù)時(shí)間大于30分鐘；②內(nèi)溝道溶解氧實(shí)測值DO3小于0.4mg/l，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；③內(nèi)溝道溶解氧實(shí)測值DO3大于1.2mg/l，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘。
4、定期檢測進(jìn)水的水質(zhì)變化情況，實(shí)時(shí)監(jiān)控各個(gè)溝道內(nèi)溶解氧的變化情況，對于曝氣量進(jìn)行調(diào)解。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，參見附圖5，應(yīng)用本發(fā)明的溶解氧控制系統(tǒng)，通過外溝道控制非常低的溶解氧，結(jié)合強(qiáng)化中溝道的反硝化作用，以及內(nèi)溝道的限制曝氣，有效地利用了有限的進(jìn)水碳源進(jìn)行反硝化脫氮，總氮去除率平均達(dá)到71％，而通過提高污泥濃度，增加污泥回流比和延長水力停留時(shí)間等措施，在較低的溶解氧條件下仍然保證了良好的硝化的效果，出水氨氮濃度在2mg/l以下。
雖然原水中碳源不足，但是通過控制溶解氧，充分利用了原水中的碳源進(jìn)行反硝化；充分發(fā)揮中溝道的反硝化潛力，是系統(tǒng)取得較高脫氮效率的關(guān)鍵。同時(shí)結(jié)合較高的污泥濃度、污泥回流比和較長的水力停留時(shí)間等手段，在不外投加碳源的條件下，出水總氮的濃度控制在20mg/l左右。
權(quán)利要求
1.一種Orbal氧化溝生物脫氮工藝的溶解氧控制裝置，包括進(jìn)水水箱(A)，同心三溝道串聯(lián)布置的Orbal氧化溝(B)，沉淀池(C)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)(D)四大部分，進(jìn)水由水箱(A)依次連接進(jìn)水泵，經(jīng)過進(jìn)水管(2)和進(jìn)水口(3)連接Orbal氧化溝B的外溝道(4)；在外、中、內(nèi)溝道內(nèi)設(shè)曝氣頭，推流泵，攪拌器，內(nèi)溝道連接沉淀池(C)；在Orbal氧化溝反應(yīng)器B的外溝道(4)，中溝道(9)和內(nèi)溝道(14)中分別設(shè)置外溝道溶解氧傳感器(26)，中溝道溶解氧傳感器(27)和內(nèi)溝道溶解氧傳感器(28)，上述傳感器分別通過導(dǎo)線與外溝溶解氧測定儀(29)、中溝溶解氧測定儀(30)和內(nèi)溝溶解氧測定儀(31)連接后，與計(jì)算機(jī)(32)的數(shù)據(jù)信號輸入接口(33)連接；其特征在于計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)信號輸出接口(34)經(jīng)導(dǎo)線連接過程控制器(35)的輸入端(36)相連，過程控制器(35)中設(shè)置外溝曝氣變頻控制器(37)、中溝曝氣變頻控制器(38)和內(nèi)溝曝氣變頻控制器(39)，通過過程控制器的輸出端(40)，分別與外溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)(41)、中溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)(42)和內(nèi)溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)(43)相連接；外溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)(41)、中溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)(42)和內(nèi)溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)(43)分別通過外溝道曝氣管(44)、中溝道曝氣管(45)和內(nèi)溝道曝氣管(46)，同外溝道曝氣頭(5)、中溝道曝氣頭(11)和內(nèi)溝道曝氣頭(16)相連。
2.一種Orbal氧化溝生物脫氮工藝的溶解氧控制方法，其特征在于，包括以下步驟1)啟動進(jìn)水泵連續(xù)進(jìn)水，啟動曝氣鼓風(fēng)機(jī)向三溝道曝氣，啟動攪拌器攪拌，啟動推流泵推動混合液循環(huán)流動；啟動污泥回流泵連續(xù)回流二沉池污泥；2)根據(jù)分析的進(jìn)水水質(zhì)情況，通過現(xiàn)有的活性污泥反應(yīng)動力學(xué)計(jì)算，同時(shí)結(jié)合大量實(shí)驗(yàn)確定相應(yīng)進(jìn)水條件下的溶解氧設(shè)定值，設(shè)定初始的外溝道、中溝道和內(nèi)溝道的溶解氧初始值，設(shè)定值由計(jì)算機(jī)輸出控制信號給過程控制器，過程控制器通過三溝道的曝氣變頻控制器分別控制變頻鼓風(fēng)機(jī)的曝氣量；外溝道溶解氧設(shè)定值DOref1取使外溝道內(nèi)總氮濃度值為最小值條件下的溶解氧濃度；中溝道溶解氧設(shè)定值DOref2取使中溝道內(nèi)氨氮濃度小于8.0mg/l的最小的溶解氧濃度；內(nèi)溝道溶解氧設(shè)定值DOref3取使內(nèi)溝道內(nèi)氨氮濃度小于1.0mg/l的最小的溶解氧濃度；3)讀取各個(gè)溝道內(nèi)的溶解氧的信號，作為Orbal氧化溝脫氮過程的過程實(shí)時(shí)控制參數(shù)；當(dāng)進(jìn)水水質(zhì)改變而曝氣量不變的情況，三個(gè)溝道內(nèi)的溶解氧值會發(fā)生變化，當(dāng)發(fā)生下列條件之一，計(jì)算機(jī)發(fā)出指令，通過過程控制器控制曝氣變頻控制器，改變變頻鼓風(fēng)機(jī)的輸出風(fēng)量，實(shí)現(xiàn)對于曝氣量的調(diào)節(jié)；A.對于外溝道的控制條件為①溶解氧設(shè)定值DOref1與溶解氧實(shí)測值DO1的差值的絕對值大于0.1mg/l時(shí)，且持續(xù)時(shí)間大于30分鐘；②外溝道溶解氧實(shí)測值DO1小于外溝道溶解氧的下限設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；③溶解氧實(shí)測值DO1大于外溝道溶解氧的上限設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；B.對于中溝道的控制條件為①溶解氧設(shè)定值DOref2與溶解氧實(shí)測值DO2的差值的絕對值大于0.2mg/l時(shí)，且持續(xù)時(shí)間大于30分鐘；②中溝道溶解氧實(shí)測值DO2小于中溝道溶解氧的下限設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；③溶解氧實(shí)測值DO2大于中溝道溶解氧的上限設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；C.對于內(nèi)溝道的控制條件為①溶解氧設(shè)定值DOref3與溶解氧實(shí)測值DO3的差值的絕對值大于0.5mg/l時(shí)，且持續(xù)時(shí)間大于30分鐘；②內(nèi)溝道溶解氧實(shí)測值DO3小于內(nèi)溝道溶解氧的下限設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘；③溶解氧實(shí)測值DO3大于內(nèi)溝道溶解氧的上限設(shè)定值，且持續(xù)時(shí)間大于15分鐘。
全文摘要
Orbal氧化溝脫氮工藝溶解氧控制裝置及方法屬于活性污泥法的智能控制領(lǐng)域?，F(xiàn)有工藝恒定曝氣的運(yùn)行方法，脫氮效果差，浪費(fèi)能耗。本發(fā)明計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)信號輸出接口連接過程控制器相連，過程控制器中設(shè)置外溝曝氣變頻控制器，通過過程控制器的輸出端與外、中、內(nèi)溝道變頻鼓風(fēng)機(jī)相連接；變頻鼓風(fēng)機(jī)同外、中、內(nèi)溝道曝氣頭相連。根據(jù)分析的進(jìn)水水質(zhì)，通過活性污泥反應(yīng)動力學(xué)計(jì)算，確定各溝道初始溶解氧設(shè)定值，并由計(jì)算機(jī)控制過程控制器，通過三溝道的曝氣變頻控制器控制鼓風(fēng)機(jī)的曝氣量；當(dāng)水質(zhì)水量發(fā)生改變時(shí)，通過各溝道內(nèi)溶解氧的變化情況及設(shè)定規(guī)則，調(diào)整鼓風(fēng)機(jī)曝氣量。本發(fā)明總氮去除率在80％以上，節(jié)約曝氣能耗30％以上。
文檔編號C02F3/12GK1966426SQ20061011466
公開日2007年5月23日 申請日期2006年11月21日 優(yōu)先權(quán)日2006年11月21日
發(fā)明者彭永臻, 高守有, 王淑瑩 申請人:北京工業(yè)大學(xué)