申请日2011.07.21
公开(公告)日2011.12.14
IPC分类号C02F9/14
摘要
本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种低碳氮比村镇污水处理优化脱氮过程控制系统及方法，对生物脱氮过程进行实时控制，优化运行参数，高效低耗，简单易行，适合在中小城镇、农村地区进行分散型村镇污水的就地处理。本发明以DO(溶解氧)和ORP(氧化还原电位)作为控制参数。实时检测DO值和ORP值，并将动态数据传输至计算机，利用试验数据形成的污染物浓度与控制参数值的对应关系，建立控制策略，计算机根据该控制策略对采集数据进行分析，并将结果反馈至PLC控制柜，PLC控制柜对设备运行参数进行修正，实现生物脱氮过程的优化控制，减小出水总氮并降低运行成本。
权利要求书
1.一种低碳氮比村镇污水处理优化脱氮过程控制系统，其特征在 于：
带孔隔板(3)将装置主体(1)沿进出水方向依次分为厌氧滤池区， 接触氧化区和出水区，其中厌氧滤池区填充沉水生物膜载体(2)，沿进 水方向依次分为厌氧滤池(A)区和厌氧滤池(B)区，接触氧化区填充浮 水生物膜载体(4)，沿进水方向依次分为接触氧化(C)区，接触氧化(D) 区，接触氧化(E)区，接触氧化(F)区，上述四个区域底部均设置曝气 头(14);厌氧滤池(B)区末端、出水区末端设置的ORP传感器(6)和接 触氧化(C)区始端、接触氧化(E)区内设置的DO传感器(5)均与在线仪 表(15)相连接，在线仪表(15)与计算机(16)相连接;计算机(16)与PLC 控制柜(17)相连接，PLC控制柜(17)与进水泵(9)、变频鼓风机Ⅰ(10)、 变频鼓风机Ⅱ(11)、变频鼓风机Ⅲ(12)、硝化液回流泵(13)上的继电器 连接;
所述的进水泵(9)与装置主体(1)相连接;变频鼓风机Ⅰ(10)、变频 鼓风机Ⅱ(11)、变频鼓风机Ⅲ(12)分别与接触氧化(C)区、接触氧化(D) 区和接触氧化(E)区、接触氧化(F)区底部设置的曝气头(14)相连接;接 触氧化(F)区底部与硝化液回流泵(13)相连接，硝化液回流泵与厌氧滤 池(A)区底部相连，构成硝化液回流系统。
2.应用权利要求1所述的一种低碳氮比村镇污水处理优化脱氮 过程控制系统的方法，其特征在于：
依照污水流经装置主体(1)内各反应区域的先后顺序，形成如下控 制策略：
(一).碳氮比为2.5-4.0的原水通过泵送进入厌氧滤池区，依次经过 厌氧滤池(A)区，厌氧滤池(B)区，利用厌氧滤池(B)区末端ORP值与 硝态氮浓度的对应关系，以厌氧滤池(B)区末端ORP值指示厌氧滤池 (B)区末端硝态氮浓度，设定厌氧滤池(B)区末端ORP值为 -104.5±3mv，对应的硝态氮浓度为2±0.6mg/L，实时监测ORP值：当 监测值大于-101.5mv时，调高硝化液回流泵(13)转速，直至ORP值 维持在设定区间，如果调整硝化液回流泵(13)无法满足ORP值维持在 设定区间，调低进水泵(9)转速;当监测值小于-107.5mv时，调低硝 化液回流泵(13)转速，直至ORP值维持在设定区间，如果调整硝化液 回流泵(13)无法满足ORP维持在设定区间，调高进水泵(9)转速;
(二).污水由厌氧滤池区进入接触氧化区，在接触氧化(C)区，利用 接触氧化(C)区始端DO值与氨氮浓度的对应关系，以接触氧化(C)区 始端DO值指示原水氨氮浓度，变频鼓风机Ⅰ(10)采用恒定频率为接 触氧化(C)区供氧，控制风量为50L/h，在进水氨氮浓度为70±6mg/L 时，对应的DO值为0.7-1.3mg/L，实时监测DO值：当监测值大于 1.3mg/L时，调高进水泵(9)转速;当监测值小于0.7mg/L时，调高硝 化液回流泵(13)转速，如果调整硝化液回流泵(13)转速无法满足DO 维持在设定区间，调低进水泵(9)转速;
(三).污水由接触氧化(C)区依次通过接触氧化(D)区，接触氧化(E) 区，变频鼓风机Ⅱ(11)提供的压缩空气通过曝气头(14)，以微小气泡 的形式向污水高效供氧，浮水生物膜载体(4)形成的生物膜可发生同 步硝化反硝化脱氮，利用接触氧化(E)区DO值与同步硝化反硝化脱 氮比例的对应关系，以接触氧化(E)区DO值指示同步硝化反硝化效 果的优劣，采用变频鼓风机Ⅱ(11)对接触氧化(E)区进行恒DO变频控 制，设定DO值为0.8-1.6mg/L，实时监测DO值：当监测值大于1.6mg/L 时，调低变频鼓风机Ⅱ(11)的频率;当监测值小于0.8mg/L时，调高 变频鼓风机Ⅱ(11)的频率;
(四).污水由接触氧化(E)区进入接触氧化(F)区，完成剩余少量有机 物和氨氮的去除，之后由接触氧化区进入出水区，此时生化反应已完 成，水中有机物、营养物浓度最低，氮元素主要以硝态氮的形式存在 于水中，采用变频鼓风机Ⅲ(12)为接触氧化(F)区供氧，利用出水区末 端ORP值与硝态氮浓度的对应关系，以出水区末端ORP值指示出水 硝态氮浓度，设定出水区末端ORP值为75-96mv，对应的硝态氮浓 度为12-18mg/L，实时监测出水区末端ORP值：当监测值大于96mv 时，调高硝化液回流泵(13)转速;当监测值小于75mv时，调高变频 鼓风机Ⅲ(12)的频率，如果调高变频鼓风机Ⅲ(12)的频率无法使出水 区末端ORP值维持在设定区间，调低变频鼓风机Ⅲ(12)的频率或调高 进水泵(9)转速，直至出水区末端ORP值维持在设定区间;
所述的(一)、(二)、(三)、(四)，在运行后无先后顺序，在整个运行过程 中，应同时满足以下条件：厌氧滤池(B)区末端ORP值为-101.5±3mv; 接触氧化(C)区始端DO值为0.7-1.3mg/L;接触氧化(E)区DO值为 0.8-1.6mg/L;出水区末端ORP值为75-96mv。
说明书
一种低碳氮比村镇污水处理优化脱氮过程控制系统及方法
技术领域
本发明属于污水生物处理技术领域，具体涉及一种低碳氮比村镇 污水处理优化脱氮过程控制系统及方法，对生物脱氮过程进行实时控 制，优化运行参数，高效低耗，简单易行，适合在中小城镇、农村地 区进行分散型村镇污水的就地处理。
背景技术
当今社会，生态水环境日益恶化，水体富营养化问题尤为突出， 其本质在于受纳水体中营养元素浓度超出环境的自净能力，氮是引起 富营养化的主要营养元素，如何对排放水体进行脱氮一直是工程技术 界关注的热点，综合考虑效率与经济成本，生物脱氮是污水脱氮的最 佳途径。
伴随农村地区经济的发展和人口的增长，村镇生活污水处理率开 始逐年上升。基于广大农村地区的成本、施工等制约因素考虑，难以 进行污水的集中处理，采用一体化装置进行就地处理较为可行。然而 目前的村镇污水处理装置大多采用简单的曝气工艺，仅仅停留在有机 物、氨氮的去除，缺乏对营养物如氮的去除。厌氧滤池-生物接触氧 化是一种耦合生物处理工艺，采用生物膜法运行，效果稳定、维护简 单、低耗卫生、具备一定的脱氮能力。
但随着农村地区居民生活水平的提高，分散型村镇生活污水成分 逐渐由高有机物浓度向低碳氮比转变，传统生物脱氮过程中反硝化所 需碳源量受到了限制，因此如何最大程度利用原水碳源，在无外加碳 源的前提下提高脱氮率成为村镇污水处理的一大难点，针对采用厌氧 滤池-接触氧化耦合工艺的一体化装置目前缺乏有效的控制系统，要 想实现优化脱氮，急需形成一种简单易行的优化脱氮过程控制系统与 方法，利用实时监测参数有效指示处理装置的运行效果，进行信号传 递，信息处理，装置反馈，在保证脱氮的同时节约运行成本。
发明内容
本发明的目的是针对低碳氮比村镇污水营养物浓度高，碳源不足 的特点和厌氧滤池-接触氧化耦合工艺运行简单但脱氮过程难以控制 的不足，提供一种低碳氮比村镇污水处理优化脱氮过程控制系统及方 法，以DO(溶解氧)和ORP(氧化还原电位)作为控制参数。实时检测 DO值和ORP值，并将动态数据传输至计算机，利用试验数据形成的 污染物浓度与控制参数值的对应关系，建立控制策略，计算机根据该 控制策略对采集数据进行分析，并将结果反馈至PLC控制柜，PLC 控制柜对设备运行参数进行修正，实现生物脱氮过程的优化控制，减 小出水总氮并降低运行成本。
本发明采用的技术方案如下：
一种村镇污水处理一体化装置优化脱氮过程控制系统，带孔隔板 将装置主体沿进出水方向依次分为厌氧滤池区，接触氧化区和出水 区，其中厌氧滤池区填充沉水生物膜载体，沿进水方向依次分为厌氧 滤池A区和厌氧滤池B区，接触氧化区填充浮水生物膜载体，沿进 水方向依次分为接触氧化C区，接触氧化D区，接触氧化E区，接触 氧化F区，上述四个区域底部均设置曝气头;厌氧滤池B区末端、 出水区末端设置的ORP(氧化还原电位)传感器和接触氧化C区始端、 接触氧化E区内设置的DO(溶解氧)传感器均与在线仪表相连接，在 线仪表与计算机相连接;计算机与PLC控制柜连接，PLC控制柜与 进水泵、变频鼓风机Ⅰ、变频鼓风机Ⅱ、变频鼓风机Ⅲ、硝化液回流 泵上的继电器连接。
所述的进水泵与装置主体相连接;变频鼓风机Ⅰ、变频鼓风机Ⅱ、 变频鼓风机Ⅲ分别与接触氧化C区、接触氧化D区和接触氧化E区、 接触氧化F区底部设置的曝气头相连接;接触氧化F区底部与硝化液 回流泵相连接，硝化液回流泵与厌氧滤池A区底部相连，构成硝化 液回流系统。
基于上述低碳氮比村镇污水处理优化脱氮过程控制系统，依照污 水流经装置主体内各反应区域的先后顺序，形成如下控制策略：
(一).碳氮比为2.5-4.0的原水通过泵送进入厌氧滤池区，依次经过 厌氧滤池A区，厌氧滤池B区，附着在沉水生物膜载体上的异养反 硝化菌以回流硝化液中的硝态氮为电子受体，原水中的碳源为电子供 体进行前置反硝化脱氮，产酸菌对原水中的有机物进行水解酸化，增 加可生物降解有机物的量，提高碳源利用率;利用厌氧滤池B区末端 ORP值与硝态氮浓度的对应关系，以厌氧滤池B区末端ORP值指示 厌氧滤池B区末端硝态氮浓度，设定厌氧滤池B区末端ORP值为 -104.5±3mv，对应的硝态氮浓度为2±0.6mg/L，实时监测ORP值：当 监测值大于-101.5mv时，调高硝化液回流泵转速，，增加硝态氮回流 量，最大程度利用原水中的碳源进行前置反硝化脱氮，直至ORP值 维持在设定区间，如果调整硝化液回流泵无法满足ORP值维持在设 定区间，调低进水泵转速，增加污水在厌氧滤池中的停留时间，强化 水解酸化效果实现外碳源量的提高，同时增加生物膜吸附时间实现以 胞内聚合物——聚羟基脂肪酸酯(PHAs)为代表的内碳源量的提高，增 加反硝化反应所需的可利用碳源量;当监测值小于-107.5mv时，调低 硝化液回流泵转速，直至ORP值维持在设定区间，如果调整硝化液 回流泵无法满足ORP值维持在设定区间，调高进水泵转速，直至厌 氧滤池B区末端ORP值维持在设定区间。
(二).污水由厌氧滤池区进入接触氧化区，在水力推流作用下依次 通过接触氧化C区，接触氧化D区，接触氧化E区，接触氧化F区， 在接触氧化C区，由于大量可降解的有机物在厌氧滤池区已经被降 解，而氨氮几乎没有降解甚至因为原水中少量有机氮的氨化作用而有 所上升，因此针对低碳氮村镇污水，氨氮浓度成为影响DO值的主导 因素，利用接触氧化C区始端DO值与氨氮浓度的对应关系，以接触 氧化C区始端DO值指示原水氨氮浓度的高低，变频鼓风机Ⅰ采用恒 定频率为接触氧化C区供氧，控制风量为50L/h，在进水氨氮浓度为 70±6mg/L时，对应的DO值为0.7-1.3mg/L，实时监测DO值：当监 测值大于1.3mg/L时，调高进水泵转速，增加进水氨氮负荷，提高系 统处理流量;当监测值小于0.7mg/L时，调高硝化液回流泵转速，增 加硝化液回流量，对原水浓度进行稀释，如果调整硝化液回流泵转速 无法满足DO维持在设定区间，调低进水泵转速降低，进水氨氮负荷， 保证氨氮的彻底硝化，为反硝化脱氮提供底物。
(三).污水由接触氧化C区依次通过接触氧化D区，接触氧化E区， 变频鼓风机Ⅱ提供的压缩空气通过曝气头，以微小气泡的形式向污水 高效供氧，在气流的推动下，浮水生物膜载体在接触氧化区成流化状 态，在降解底物的过程中，水力剪切作用使生物膜逐渐形成，其上存 在的“缺氧/好氧——微环境”，为同步硝化反硝化脱氮提供了反应环 境，在大量有机物被异养菌降解后，氨氮成为硝化反应底物，硝化反 应产生的硝态氮成为反硝化反应的底物，以少量剩余有机物为代表的 外碳源和以生物膜胞内储存物——聚羟基脂肪酸酯(PHAs)、老化生物 膜为代表的内碳源一起作为碳源为反硝化脱氮提供电子供体。利用接 触氧化E区DO值与同步硝化反硝化脱氮比例的对应关系，以接触氧 化E区DO值指示同步硝化反硝化效果的优劣，采用变频鼓风机Ⅱ对 接触氧化E区进行恒DO变频控制，设定DO值为0.8-1.6mg/L，实 时监测DO值：当监测值大于1.6mg/L时，硝化效果好，但反硝化得 不到保证，调低变频鼓风机Ⅱ的频率;当监测值小于0.8mg/L时，反 硝化效果好，但硝化得不到保证，调高变频鼓风机Ⅱ的频率。
(四).污水由接触氧化E区进入接触氧化F区，完成剩余少量有机 物和氨氮的去除，之后由接触氧化F区进入出水区，此时生化反应已 完成，水中有机物、营养物浓度最低，氮元素主要以硝态氮的形式存 在于水中，采用变频鼓风机Ⅲ为接触氧化F区供氧，利用出水区末端 ORP值与硝态氮浓度的对应关系，以出水区末端ORP值指示出水硝 态氮浓度，设定出水区末端ORP值为75-96mv，对应的硝态氮浓度 为12-18mg/L，实时监测出水区末端ORP值：当监测值大于96mv时， 调高硝化液回流泵转速，增加硝态氮回流量，强化前置反硝化;当监 测值小于75mv时，调高变频鼓风机Ⅲ的频率，如果调高变频鼓风机 Ⅲ的频率无法使出水区末端ORP值维持在设定区间，判断出水硝态 氮较低是由于进水氨氮负荷较低所引起，调低变频鼓风机Ⅲ的频率， 减小风量，降低系统能耗，或调高进水泵转速，增加进水氨氮负荷， 提高系统处理能力，直至出水区末端ORP值维持在设定区间。
所述的(一)、(二)、(三)、(四)，在实施时无先后顺序，应同时满足以下 条件：厌氧滤池B区末端ORP值为-101.5±3mv;接触氧化C区始端 DO值为0.7-1.3mg/L;接触氧化E区DO值为0.8-1.6mg/L;出水区 末端ORP值为75-96mv。
所述方法实施过程中，在线仪表15的监测数据传输至计算机16， 计算机16经过决策，将结果反馈至PLC控制柜17，PLC控制柜17 对对应设备的运行参数进行调整。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：
①针对厌氧滤池-接触氧化耦合工艺存在脱氮过程难以控制的不 足，以简单的ORP、DO传感器模糊指示污染物浓度，利用在线控制 系统优化工艺运行，调节参数;在保证硝化效果的前提下节约曝气能 耗，最大程度利用原水碳源，提高系统反硝化潜力，实现前置反硝化 优化脱氮，适宜处理低碳氮比村镇生活污水。
②以DO浓度作为同步硝化反硝化的模糊控制参数进行实时控 制，维持载体生物膜形成的好氧/缺氧的“微环境”，同步硝化反硝化 作为前置反硝化脱氮工艺的补充，对总氮去除的贡献率可达25-32%， 可降低硝化液回流能耗和回流挟带溶解氧对缺氧环境的破坏，平衡了 碱度，降低曝气耗能、反应池容积，提高利用率碳源;同时丰富的微 生物群落结构增加了系统的抗冲击负荷。
③控制系统、回路简单，无需安装昂贵的氨氮、硝态氮在线传感 器，费用低;设置优化脱氮过程控制策略后可实现程序自动化管理， 无需专业人员操作，简单方便，必要时可实现远程控制。
