可持续污水处理工艺在线控制策略实验研究

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摘 要：针对可持续污水处理工艺在线运行和精确控制的要求，将在线检测仪、已有污水处理工艺管理经验以及自动控制三者进行了有机的结合，先针对理想的污水进行实验得到了初步的控制参数，然后根据实际污水水质参数进行适度调整，最后将此在线控制策略在实际污水处理工艺中加以应用。

关键词：可持续污水处理；在线控制；实验研究

中图分类号：X70 文献标识码:A

1 概述

当前国外BCFS污水处理工艺的主要运行策略是采用ORP定点调节方式。对于回流A当厌氧池ORP-0.078V则维持最小流量，-0.227

好氧池DO控制在2.8mg/L左右；若好氧池DO1mg P/L侧流比增加反之减小测流量。然而由于长期运行中ORP电极电位存在原因未知的漂移现象导致能量巨大浪费，所以有必要以实测指标值控制工艺。

2在线检测仪器

本试验中试系统自动控制通过在线监测具体指标而实现。本课题现有在线检测仪器主要有：

1HACH Amtax Compact，Amtax Compact氨氮分析仪能够在线检测废水处理过程中污水的氨氮浓度。

2UVAS SC， 可在线监测BOD、TOC、UVCOD、NO3-、PO43-、温度、DO。

3NPW-150总氮/总磷 /COD 分析仪， 可以在线监测TCOD、TN、TP。

4SC1000， Hach sc1000多参数通用控制器由一个显示模块和一个或多个探头模块组成。探头模块可以构建成网络以连接更多的传感器。显示模块：sc1000显示模块拥有彩色的触摸屏。一个显示模块既可以控制单个的探头模块，也可以控制数字化网络连接的一系列探头模块。

5Nitratax UV硝氮分析仪，可直接测量水中的硝氮浓度，并将结果传输到控制仪表上。

6APA6000，可在线监测水质碱度

7LDO，可在线监测溶解氧、温度并绘制出温度和溶解氧随时间变化的曲线

8正磷酸盐在线检测仪器，可在线检测污水处理厂进出水中的磷酸盐浓度

3理想状况下的在线自动控制策略

表1具体控制策略以当前国外ORP自动控制经验为基础，根据具体指标来控制各回流。各回流默认值根据国外经验数据确定，即，回流A为2倍进水，回流B为2.5倍进水流量，回流C关闭。具体控制方法如表1所示：

上述自动控制只是在大体上对BCFS工艺的总体控制策略，而且真实污水处理厂的进水水质和进水水量随时都可能发生变化，尤其是在雨季进水流量变化更大，所以自动控制策略的建立必须结合具体的进水情况来制定。另外自动控制的的难点就在于微生物生化反应的滞后性，往往计算机系统根据所测得信号改变工艺参数以后相当一段时间内处理效果没有得到及时改善，在线检测仪器检测得到数据仍然是工况未改变前的参数，如此一来自动控制系统肯定会向着强化处理效果的方向继续改变参数，造成巨大的能量浪费。为了对工艺参数进行有效的控制，以达到处理结果满足排放标准，处理过程节约能源的目的，前面介绍过的数学模拟技术便能起到非常重要的作用。下面结合北京市某大型污水处理厂日常运行工况结合数学模拟技术为BCFS工艺制定最优的运行策略。

经过汇总北京市某大型污水处理厂全年的监测数据显示，该污水处理厂全年平均进水（未经沉淀池）水质数据以及其中COD组分划分如表2和表3：

由于实际运行中的水量、水质及水温都是变化的，本研究中工艺自动控制的策略制定采用最不利工况点法。最不利工况点指进水负荷最大的点，运行工况满足了最不利工况点的处理标准其它进水条件自然满足。国内现有污水处理厂的处理效果往往是出水COD能够满足排放标准，而N、P超标，也就是进水COD往往不足。因此最不利工况点的选取以进水N、P最高，COD最低为标准。汇总污水厂全年运行数据得出以下最不利点：

①模拟预测显示在进水氮负荷最大的进水工况下（76.4 mg N/L），泥龄为35d时出水指标除COD以外都不达标。在此情况下在初始工况的基础上开启回流C至3倍进水，以侧流比为0.2进行侧流磷回收出水水质可以达标。工艺运行工况及出水指标如下：

最佳运行工况

②在以进水P为参照的最不利工况下，模拟预测显示，欲使处理出水达标需减小泥龄至25d，同时以30%侧流比开启侧流磷回收。最佳运行工况及出水水质如下：

③在以COD为参照的最不利工况条件下，模拟预测显示，通过加大污泥回流、开启厌氧池测流化学磷回收、加大回流B等措施可以使出水达标，最佳运行工况及出水水质如下：

由模拟预测可知，在取全年运行数据平均值的情况下，BCFS工艺可以采取以下工况保证出水达标。

4实际自动控制策略调整

事实上在正常情况下，表1所提供策略具有一定的可实施性，但是该运行策略是在国外污水厂运行水质的条件下提出的，而我国污水处理厂进水水质与国外差距较大因此需对该策略进行一些调整，下文中将结合数学模拟研究一般进水条件下的自动控制策略。

本控制策略以出水水质达标和能源节约为基础，具体包括，曝气量控制，回流控制、侧流磷回收控制、泥龄控制。

①曝气量控制

模拟预测显示保持好氧池DO在3mg/L左右完全可以满足微生物生化反应需氧量，因此曝气量的控制应以好氧池DO为依据。好氧池溶解氧的反馈时间大约为1.5小时，设计反馈时间为2小时。加入曝气量调节到最大后，好氧池溶解氧依然小于2.5mg/L，则开启缺/好池曝气且缺/好池内DO不可大于1，否则会影响反硝化反应。出水氨氮是否大于8 mg/L，如果大于8 mg/L开启缺氧池曝气保持缺氧池溶解氧浓度在0.5。氨氮监测时间为3小时

②回流A控制

回流A的作用为保证厌氧池内生物污泥浓度，因为本试验中没有污泥浓度在线检测仪器，因此暂定通过厌氧池ORP来控制回流A。ORP的稳定时间大约为30min。

③回流B控制

回流B的作用主要是强化反硝化作用，因此回流B的控制以出水硝酸氮的浓度为控制基础。出水硝酸氮浓度超过12mg/L，加大回流B。回流B的上限值以缺氧池硝酸氮浓度为参考，模拟结果显示缺氧池硝酸氮浓度大于3mg/L后，厌氧池释磷反应会受到抑制，因此回流B的控制应该以出水硝酸氮和缺氧池硝酸氮浓度共同控制。出水及缺氧池内硝酸氮的稳定时间大约为3小时。

④回流C

回流C一般情况下不开启，只有进水氮负荷过高时才启动。回流C的控制以出水TN和进水C/N为依据进行控制。模拟预测显示，当在线监测到出水TN大于20mg/L后，若进水C/N小于5时，开启回流C可明显提高出水氮效果。而且根据模拟结果回流C太小不会对处理效果起到促进作用，回流C一旦开启确定为3倍进水流量。出水氨氮检测时间为3小时。

⑤厌氧池侧流磷回收

单纯靠出水磷的情况来控制厌氧池侧流磷回收，侧流比的大小不易确定。因此本课题的前期研究以及对于水厂数据的模拟基础上，制订了采用通过监测出水TP和厌氧池释磷浓度来确定侧流比的控制策略。模拟结果显示当出水P超标的情况下，欲通过侧流磷回收使出水P达标，侧流比与厌氧池释磷浓度大致存在以下关系，若厌氧池释磷浓度大于15则侧流比可为15%，若浓度在10～15侧流比为30%，若浓度小于10，单纯靠侧流磷回收已无法实现出水P达标必须增大污泥排放量，则减小污泥龄至25天。出水TP稳定时间大约为5小时，厌氧池磷酸盐测量时间取20分钟。

参考文献

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[2]高景峰，彭永臻，王淑莹.人工神经网络和专家系统在污水生物处理系统中的应用[J].环境防治与污染，,2004，26（1）：31-32..