申请日2011.11.23
公开(公告)日2012.06.20
IPC分类号C02F11/04; C02F11/02
摘要
本发明属于污水处理技术领域，公开了一种双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法及其装置。本发明的方法如下：检测各阶段生物化学反应过程中的ORP、DO和pH变化率，以及与厌氧放磷、缺氧反硝化吸磷以及好氧硝化反应之间的定量关系;根据上述检测结果，确定厌氧阶段投加碳源的ORP模糊控制范围、好氧硝化阶段曝气时间的pH模糊控制范围以及缺氧搅拌时间的pH模糊控制范围;经过控制量偏差的计算和模糊化计算，与现有模糊控制规则比较，采用Mamdani模糊推算法进行模糊控制推理，得到模糊控制变量，由厌氧阶段ORP动态变化规律控制碳源投加量，由好氧硝化过程的DO浓度动态推测进水氨氮浓度，从而控制好氧硝化曝气时间;同时结合厌氧/缺氧阶段pH和ORP曲线类型来动态控制各阶段水力停留时间。
权利要求书
1.一种双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法，其特征在于：该方法包括以下 步骤：
(1)检测各阶段生物化学反应过程中的ORP、DO和pH变化率，以及与厌氧放磷、缺 氧反硝化吸磷以及好氧硝化反应之间的定量关系;
(2)根据上述检测结果，确定厌氧阶段投加碳源的ORP模糊控制范围、好氧硝化阶段 曝气时间的pH模糊控制范围以及缺氧搅拌时间的pH模糊控制范围;
(3)经过控制量偏差的计算和模糊化计算，与现有模糊控制规则比较，采用Mamdani 模糊推算法进行模糊控制推理，得到模糊控制变量，由厌氧阶段ORP动态变化规律控制碳源 投加量，由好氧硝化过程的DO浓度动态推测进水氨氮浓度，从而控制好氧硝化曝气时间; 同时结合厌氧/缺氧阶段pH和ORP曲线类型来动态控制各阶段水力停留时间。
2.根据权利要求1所述的双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法，其特征在于： 所述的步骤(1)中的定量关系包括厌氧阶段pH、ORP曲线类型和厌氧释磷反应进程的关系; 缺氧阶段pH、ORP曲线类型和反硝化吸磷反应进程的关系;后曝气结束时ORP值和出水水 质的关系;好氧硝化阶段pH曲线类型和硝化反应进程的关系;以及好氧硝化阶段DO浓度 和氨氮负荷间的关系。
3.根据权利要求1所述的双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法，其特征在于： 所述的步骤(2)中的厌氧阶段投加碳源的ORP模糊控制是当ORP的一阶倒数由负转为正， 且此时ORP>-120mV时开始投加碳源，直到ORP值下降至-140mV～-160mV的范围时，停止 投加碳源;停止投加碳源后10min停止搅拌;厌氧运行至1.5h仍未接到投加碳源指示的情况 下，停止搅拌。
4.根据权利要求1所述的双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法，其特征在于： 所述的步骤(2)中的好氧硝化阶段曝气时间的pH模糊控制是当碱度充足时，pH的一阶倒 数由负转变为正时，停止曝气。
5.根据权利要求1所述的双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法，其特征在于： 所述的步骤(2)中的缺氧搅拌时间的pH模糊控制是当pH的一阶倒数由正转变为负，且同 时满足缺氧已运行时间t>0.5h时，停止搅拌。
6.用于权利要求1至5任一所述的双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法的装 置，其特征在于：该装置包括反应系统、检测和信号处理系统以及执行机构;检测和信号处 理系统的检测系统位于反应系统中，信号处理系统通过输出接口与执行机构连接。
7.根据权利要求6所述的用于双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法的装置， 其特征在于：所述的反应系统包括进水管(11)、厌氧/缺氧反应池(12)、好氧生物膜硝化反 应池(13)、出水管(14)、排水管(15)、上清液回流管(16)、排泥管(17);进水管(11) 连接厌氧/缺氧反应池(12)，厌氧/缺氧反应池(12)与好氧生物膜硝化反应池(13)之间通 过排水管(15)和上清液回流管(16)相连，在厌氧/缺氧反应池(12)上安装出水管(14) 和排泥管(17)，构成反应系统。
8.根据权利要求6所述的用于双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法的装置， 其特征在于：所述的检测和信号处理系统包括第一ORP传感器(21)、第二ORP传感器(22)、 第一pH传感器(23)、第二pH传感器(24)、第一DO传感器(25)、第二DO传感器(26)、 第一ORP测定仪(27)、第二ORP测定仪(28)、第一pH测定仪(29)、第二pH测定仪(210)、 第一DO测定仪(211)、第二DO测定仪(212)、计算机(213)、计算机数据信号输入接口 (214)、计算机数据信号输出接口(215);第一ORP传感器(21)与第一ORP测定仪(27)、 第二ORP传感器(22)与第二ORP测定仪(28)、第一pH传感器(23)与第一pH测定仪 (29)、第二pH传感器(24)与第二pH测定仪(210)、第一DO传感器(25)与第一DO 测定仪(211)、第二DO传感器(26)与第二DO测定仪(212)之间均通过传感器自带导线 相连，第一ORP测定仪(27)、第二ORP测定仪(28)、第一pH测定仪(29)、第二pH测 定仪(210)、第一DO测定仪(211)和第二DO测定仪(212)通过数据线与计算机(213) 的机箱相连，并通过内部导线与计算机数据信号输入接口(214)连接，计算机数据信号输出 接口(215)安装于计算机(213)上，构成检测和信号处理系统。
9.根据权利要求6所述的用于双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法的装置， 其特征在于：所述的执行机构包括进水继电器(31)、碳源投加继电器(32)、搅拌电机继电 器(33)、排水继电器(34)、第一曝气继电器(35)、第二曝气继电器(36)、回流泵继电器 (37)、出水继电器(38)、执行机构接口(39)、进水阀门(310)、碳源投加计量泵(311)、 搅拌器(312)、排水阀门(313)、第一曝气泵(314)、第二曝气泵(315)、回流泵(316)、 出水阀门(317);进水继电器(31)、碳源投加继电器(32)、搅拌电机继电器(33)、排水继 电器(34)、第一曝气继电器(35)、第二曝气继电器(36)、回流泵继电器(37)和出水继电 器(38)均通过导线与执行机构接口(39)连接，经执行机构接口(39)用导线与进水阀门 (310)、碳源投加计量泵(311)、搅拌器(312)、排水阀门(313)、第一曝气泵(314)、第 二曝气泵(315)、回流泵(316)和出水阀门(317)相连，构成执行机构。
10.权利要求6至9任一所述的用于双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法的 装置，其特征在于：
所述的检测和信号处理系统中的第一ORP传感器(21)、第一pH传感器(23)和第一 DO传感器(25)放置在厌氧/缺氧反应池(12)中，第二ORP传感器(22)、第二pH传感器 (24)和第二DO传感器(26)放置在好氧生物膜硝化反应池(13)中;
所述的执行机构中的进水继电器(31)、碳源投加继电器(32)、搅拌电机继电器(33)、 排水继电器(34)、第一曝气继电器(35)、第二曝气继电器(36)、回流泵继电器(37)和出 水继电器(38)均通过导线与计算机数据信号输出接口(215)相连;
所述的执行机构中的进水阀门(310)安装在进水管(11)上，碳源投加计量泵(311)、 搅拌器(312)和第一曝气泵(314)安装在厌氧/缺氧反应池(12)上，排水阀门(313)安 装在排水管(15)上，第二曝气泵(315)安装在好氧生物膜硝化反应池(13)上，回流泵(316) 安装在上清液回流管(16)上，出水阀门(317)安装在出水管(14)上。
说明书
双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法及其装置
技术领域
本发明属于污水处理技术领域，涉及一种双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方 法及其装置。
背景技术
经济飞速发展的同时，如今许多地区遭受不同程度水环境污染的报道屡见不鲜。而水环 境的污染又主要表现为水体的富营养化，因此，由氮、磷过量排放引发的水体富营养化已成 为相关人士最为关注的环境问题之一，如何有效去除污水中的氮、磷等营养元素也早已提上 政府日程。虽然采用物理、化学、生物以及彼此相结合的方法均能够得到较好的除磷效果， 但电解、吸附等物理方法，常因其成本过高，技术复杂而无法大规模应用。化学试剂则会引 起二次污染，且污泥产量大，运行费用高。兼顾经济效益和除磷效果的前提下，人们对于生 物除磷工艺投入了更多的研究热情。
反硝化除磷理论的提出，开辟了污水生物处理的新领域和新思路，使得生物脱氮和生物 除磷有机结合，打破了因碳源不足而引起氮磷脱除无法达标的僵局，为污水处理政策的强制 执行和不断推进提供了强有力的技术支撑。反硝化除磷工艺依赖于一类厌氧/缺氧交替运行条 件下驯化而成的微生物——反硝化聚磷菌(Denitrifying phosphorus removing bacteria，DPB)， 它能在厌氧阶段将污水中的大量有机物转化为胞内碳源PHA(poly-β-hydroxyalkanoates，聚 羟基脂肪酸酯);而在缺氧阶段，它又能利用硝酸盐作为电子受体，在水解PHA的同时过量 吸磷。可见，反硝化除磷技术就是基于这类微生物特殊的生理特性，很好地将反硝化和除磷 过程合二为一，达到同步脱氮除磷的目的。
在反硝化除磷技术占据污水生物脱氮除磷主导的同时，也存在着许多筮待解决的问题 (1、A2N反硝化除磷脱氮工艺的影响因素分析[J]工业用水与废水，2006。2、反硝化除磷理 论及运用现状[J].水处理技术，2008)：①进水中挥发性脂肪酸不足，不能满足同步脱氮除磷 的要求时，仍需补充投加外碳源;②因缺氧阶段水力停留时间不够，造成的反硝化反应不完 全，将直接影响系统的脱氮效率;③保证足够的曝气量以使硝化阶段的氨氮完全硝化的同时， 很难避免因曝气过量引起的超高运行费用;④城市污水的水质水量随时间变化很大，系统运 行不稳定，固定不变的系统运行模式不能保证氮磷去除的100%达标。加之，城市污水处理厂 的排放标准日益严格，目前急需解决污水处理系统运行能耗高、出水水质不稳定、工艺的自 动在线控制等问题。
模糊控制是以模糊集合理论为基础的一种新兴的控制手段，它是模糊系统理论和模糊技 术与自动控制技术相结合的产物。模糊控制将监测设备的实时监测数据转化为电信号，控制 水处理工艺的辅助设备，从而优化水处理各反应阶段的药剂投加量和水力停留时间。因此模 糊控制能够解决上述存在的问题，而且可以提高工人工作的针对性，在工程中的应用日益广 泛与深入。但由于城市污水水质水量波动较大，处理达标标准不同，模糊控制在污水处理领 域中的应用仍处于探索状态。同时，相关软件的开发和推广运用也受到了很大的限制，有待 于今后继续研究探索。
目前，已公开的活性污泥工艺在线优化调控类专利(1、缺氧/好氧生物脱氮工艺运行优 化控制系统及其在线控制方法[专利CN1837092]。2006-09-27公开。2、A/O工艺短程硝化反 硝化污水处理控制系统及其在线控制方法[专利CN1837091]，2006-09-27公开。3、A/O生物 脱氮反应器、硝化过程的调节方法及其在线模糊控制装置、方法[专利CN1778714]，2006-05-31 公开)，主要解决了脱氮工艺中的硝化和反硝化问题。
发明内容
针对现有技术中同步脱氮除磷所需外碳源投加量的问题;因缺氧阶段水力停留时间不够， 造成反硝化反应不完全的问题;保证氨氮完全硝化，同时尽可能节省曝气量的问题;进水水 质波动较大导致系统运行不稳定的问题;本发明的目的是提供一种双污泥反硝化除磷工艺运 行的在线优化调控方法。
本发明的另一个目的是提供一种用于上述双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方 法的装置。
本发明的技术方案如下：
本发明提供了一种双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法，该方法包括以下步 骤：
(1)检测各阶段生物化学反应过程中的ORP、DO和pH变化率，以及与厌氧放磷、缺 氧反硝化吸磷以及好氧硝化反应之间的定量关系;
(2)根据上述检测结果，确定厌氧阶段投加碳源的ORP模糊控制范围、好氧硝化阶段 曝气时间的pH模糊控制范围以及缺氧搅拌时间的pH模糊控制范围;
(3)经过控制量偏差的计算和模糊化计算，与现有模糊控制规则比较，采用Mamdani 模糊推算法进行模糊控制推理，得到模糊控制变量，由厌氧阶段ORP动态变化规律控制碳源 投加量，由好氧硝化过程的DO浓度动态推测进水氨氮浓度，从而控制好氧硝化曝气时间; 同时结合厌氧/缺氧阶段pH和ORP曲线类型动态控制各阶段水力停留时间。
所述的步骤(1)中的定量关系包括厌氧阶段pH、ORP曲线类型和厌氧释磷反应进程的 关系;缺氧阶段pH、ORP曲线类型和反硝化吸磷反应进程的关系;后曝气结束时ORP值和 出水水质的关系;好氧硝化阶段pH曲线类型和硝化反应进程的关系;以及好氧硝化阶段DO 浓度和氨氮负荷间的关系。
所述的步骤(2)中的厌氧阶段投加碳源的ORP模糊控制是当ORP的一阶倒数由负转为 正，且此时ORP>-120mV时开始投加碳源，直到ORP值下降至-140mV～-160mV的范围时， 停止投加碳源;停止投加碳源后10min停止搅拌;厌氧运行至1.5h仍未接到投加碳源指示的 情况下，即刻(1.5h时)停止搅拌。
所述的步骤(2)中的好氧硝化阶段曝气时间的pH模糊控制是当碱度充足时，pH的一 阶倒数由负转变为正时，推断硝化终止，停止曝气。
所述的步骤(2)中的缺氧搅拌时间的pH模糊控制是当pH的一阶倒数由正转变为负， 且同时满足缺氧已运行时间t>0.5h时，推断反硝化完全，停止搅拌。
本发明还提供了一种用于上述双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法的装置， 该装置包括反应系统、检测和信号处理系统以及执行机构;检测和信号处理系统的检测系统 位于反应系统中，信号处理系统通过输出接口与执行机构连接。
所述的反应系统包括进水管、厌氧/缺氧反应池、好氧生物膜硝化反应池、出水管、排水 管、上清液回流管、排泥管;进水管连接厌氧/缺氧反应池，厌氧/缺氧反应池与好氧生物膜硝 化反应池之间通过排水管和上清液回流管相连，在厌氧/缺氧反应池上安装出水管和排泥管， 构成反应系统。
所述的检测和信号处理系统包括第一ORP传感器、第二ORP传感器、第一pH传感器、 第二pH传感器、第一DO传感器、第二DO传感器、第一ORP测定仪、第二ORP测定仪、 第一pH测定仪、第二pH测定仪、第一DO测定仪、第二DO测定仪、计算机、计算机数据 信号输入接口、计算机数据信号输出接口;第一ORP传感器与第一ORP测定仪、第二ORP 传感器与第二ORP测定仪、第一pH传感器与第一pH测定仪、第二pH传感器与第二pH测 定仪、第一DO传感器与第一DO测定仪、第二DO传感器与第二DO测定仪之间均通过传 感器自带导线相连，第一ORP测定仪、第二ORP测定仪、第一pH测定仪、第二pH测定仪、 第一DO测定仪和第二DO测定仪通过数据线与计算机的机箱相连，并通过内部导线与计算 机数据信号输入接口连接，计算机数据信号输出接口安装于计算机上，构成检测和信号处理 系统。
所述的执行机构包括进水继电器、碳源投加继电器、搅拌电机继电器、排水继电器、第 一曝气继电器、第二曝气继电器、回流泵继电器、出水继电器、执行机构接口、进水阀门、 碳源投加计量泵、搅拌器、排水阀门、第一曝气泵、第二曝气泵、回流泵、出水阀门;进水 继电器、碳源投加继电器、搅拌电机继电器、排水继电器、第一曝气继电器、第二曝气继电 器、回流泵继电器和出水继电器均通过导线与执行机构接口连接，经执行机构接口用导线与 进水阀门、碳源投加计量泵、搅拌器、排水阀门、第一曝气泵、第二曝气泵、回流泵和出水 阀门相连，构成执行机构。
所述的检测和信号处理系统中的第一ORP传感器、第一pH传感器和第一DO传感器放 置在厌氧/缺氧反应池中，第二ORP传感器、第二pH传感器和第二DO传感器放置在好氧生 物膜硝化反应池中。
所述的执行机构中的进水继电器、碳源投加继电器、搅拌电机继电器、排水继电器、第 一曝气继电器、第二曝气继电器、回流泵继电器和出水继电器均通过导线与计算机数据信号 输出接口相连。
所述的执行机构中的进水阀门安装在进水管上，碳源投加计量泵、搅拌器和第一曝气泵 安装在厌氧/缺氧反应池上，排水阀门安装在排水管上，第二曝气泵安装在好氧生物膜硝化反 应池上，回流泵安装在上清液回流管上，出水阀门安装在出水管上。
具体工作原理在实施例1中作详细说明。
本发明同现有技术相比，具有以下优点和有益效果：
1.本发明可根据不同的进水水质优化外碳源投加量，优化调控厌氧阶段的碳源投加量， 从而调节进水COD/N值在最佳范围，保证同步脱氮除磷所需碳源的同时，避免因过量投加外 碳源造成的药剂浪费和成本倍增。
2.本发明采用实时控制装置和方法，可实时掌握缺氧阶段硝酸盐的反硝化进程，根据原 水中TN含量的变化实时控制缺氧水力停留时间，使反硝化完全，同时解决了当前污水处理 工艺出水TN较难达标的难题。
3.本发明的双污泥反硝化除磷工艺运行的在线优化调控方法，可实时反馈好氧硝化阶段 DO和pH变化曲线，通过特征点控制合适的曝气量和曝气时间，保证氨氮完全硝化的同时， 避免因曝气过量引起的超高运行费用。
4.本发明不同于常规工艺固定不变的系统运行模式，全程自动的在线控制装置大大提高 了系统运行的稳定性，为系统功能菌群提供最优的生长环境;此外，在线优化调控方法有利 于满足日益严格的城市污水处理厂排放标准，使在进水水质波动较大的情况下出水排放100% 达标。
5.本发明可广泛应用于城镇污水和工业废水处理工程中，特别适用于污水处理厂中原有 SBR工艺的改造和升级。
